HONDA E:HEV HYBRID & F1 HYBRID
Transfers aus der Königsklasse
Honda tüftelt sich seit Jahrzehnten zu Siegen in der Formel 1 und könnte heuer sogar gegen den bisher unschlagbaren Mercedes-Motor gewinnen. Einige technische Kniffe werden in die Serienautos übernommen – wenn auch mit anderen Vorzeichen: Was den Hybridantrieb von Verspappen schneller macht, hilft dem e:HEV-Hybridantrieb des neuen HR-V beim Sparen. Wie sich die Antriebssysteme unterscheiden und was sie gemeinsam haben, erklärt Motorprofis.at in der technischen Analyse.
28.09.2021Fotos: Red Bull Contentpool, Werk
TIPP: Hier geht's zum Test des neue HR-V (2022) mit e:HEV-Hybridsystem.
Warum spielt der Motorsport bei Honda eine so große Rolle?
Die Begeisterung für Technik und Motorsport geht auf Gründer Sōichirō Honda zurück, der schon als Kind davon träumte, mit einem eigenen Fahrzeug den WM-Titel zu holen. In den 1954 von ihm verfassten Firmenleitlinien waren die internationalen Wettbewerbe ein wichtiger Punkt: „Dies ist eine Gelegenheit, der ganzen Welt den wahren Wert der japanischen Maschinenindustrie zu präsentieren...“.
Von Anfang an zog es Honda in die Königsklasse des Motorsports: 1963 bauten die Japaner ihr erstes Straßen-Serienauto, schon im Jahr darauf (!) gaben sie ihr Formel 1-Debüt am Nürburgring. Ein weiteres Jahr später folgte der erste F1-Sieg. Von Surtees über Senna und Prost bis zu Verstappen reicht die Liste der Honda-Sieger, bis heute stehen 86 Grand Prix-Erfolge zu Buche, fünfmal holten Honda-Fahrer den Weltmeistertitel (Stand September 2021).
Was macht die F1-Saison 2021 für Honda so besonders?
Honda könnte heuer den bisher unschlagbaren Mercedes-Motor besiegen. Viele Beobachter hatten das nicht mehr für möglich gehalten und der Konkurrenz erst ab 2022 wieder Chancen eingeräumt, wenn Änderungen im technischen Reglement die Karten neu mischen. Aber Honda hat sich bis zuletzt in bester Kaizen-Manie, also mit vielen kleinen Verbesserungsschritten, an die Spitze gearbeitet – ohne an PS zuzulegen, was während der Saison nicht mehr erlaubt ist, aber durch bessere Nutzung der Energie. Technikdirektor Toyoharu Tanabe: „Wir haben es in der Saisonvorbereitung geschafft, den Antrieb noch effizienter zu nutzen. Wir haben verschieden Charakteristiken entwickelt und dann gelernt, wie wir sie einsetzen können. In jeder einzelnen Rennsession haben wir uns ein bisschen verbessert. Auch wenn wir die Power Unit während der Saison nicht verändern dürfen, konnten wir ihr Management verbessern“.
Red Bull-Fahrer Max Verstappen, der sich ein episches WM-Duell 2021 mit Mercedes-Fahrer Lewis Hamilton Hamilton liefert, streut dem Honda-Motor jedenfalls Rosen: „Ich bin sehr glücklich damit. Ich genieße es, mit Honda zu arbeiten, man kann die Leidenschaft fühlen. Es ist sehr postiv, solche Menschen um sich zu haben."
Was haben Serien- und F1-Autos gemeinsam?
Die Vorschriften verlangen dort wie da fortschrittliche Hybridantriebe. Die Formel 1 ist schon einige Jahre hybrid unterwegs ist, und auch bei den Serienautos werden immer mehr Antriebe elektrifiziert, anders lassen sich die CO2-Grenzwerte der EU künftig gar nicht mehr erreichen. Honda geht voran und bietet in Europa ab 2022 nur noch Elektro- und Hybridfahrzeuge an: Neben dem rein elektrischen Honda e gibt es dann vier Modellreihen mit e:HEV-Hybridantrieb, nach Jazz und CR-V stellen auch der neue HR-V (Österreich-Start Anfang 2022) und der nächste Civic auf die neue Technik um.
Warum spielt der Motorsport bei Honda eine so große Rolle?
Die Begeisterung für Technik und Motorsport geht auf Gründer Sōichirō Honda zurück, der schon als Kind davon träumte, mit einem eigenen Fahrzeug den WM-Titel zu holen. In den 1954 von ihm verfassten Firmenleitlinien waren die internationalen Wettbewerbe ein wichtiger Punkt: „Dies ist eine Gelegenheit, der ganzen Welt den wahren Wert der japanischen Maschinenindustrie zu präsentieren...“.
Von Anfang an zog es Honda in die Königsklasse des Motorsports: 1963 bauten die Japaner ihr erstes Straßen-Serienauto, schon im Jahr darauf (!) gaben sie ihr Formel 1-Debüt am Nürburgring. Ein weiteres Jahr später folgte der erste F1-Sieg. Von Surtees über Senna und Prost bis zu Verstappen reicht die Liste der Honda-Sieger, bis heute stehen 86 Grand Prix-Erfolge zu Buche, fünfmal holten Honda-Fahrer den Weltmeistertitel (Stand September 2021).
Was macht die F1-Saison 2021 für Honda so besonders?
Honda könnte heuer den bisher unschlagbaren Mercedes-Motor besiegen. Viele Beobachter hatten das nicht mehr für möglich gehalten und der Konkurrenz erst ab 2022 wieder Chancen eingeräumt, wenn Änderungen im technischen Reglement die Karten neu mischen. Aber Honda hat sich bis zuletzt in bester Kaizen-Manie, also mit vielen kleinen Verbesserungsschritten, an die Spitze gearbeitet – ohne an PS zuzulegen, was während der Saison nicht mehr erlaubt ist, aber durch bessere Nutzung der Energie. Technikdirektor Toyoharu Tanabe: „Wir haben es in der Saisonvorbereitung geschafft, den Antrieb noch effizienter zu nutzen. Wir haben verschieden Charakteristiken entwickelt und dann gelernt, wie wir sie einsetzen können. In jeder einzelnen Rennsession haben wir uns ein bisschen verbessert. Auch wenn wir die Power Unit während der Saison nicht verändern dürfen, konnten wir ihr Management verbessern“.
Red Bull-Fahrer Max Verstappen, der sich ein episches WM-Duell 2021 mit Mercedes-Fahrer Lewis Hamilton Hamilton liefert, streut dem Honda-Motor jedenfalls Rosen: „Ich bin sehr glücklich damit. Ich genieße es, mit Honda zu arbeiten, man kann die Leidenschaft fühlen. Es ist sehr postiv, solche Menschen um sich zu haben."
Was haben Serien- und F1-Autos gemeinsam?
Die Vorschriften verlangen dort wie da fortschrittliche Hybridantriebe. Die Formel 1 ist schon einige Jahre hybrid unterwegs ist, und auch bei den Serienautos werden immer mehr Antriebe elektrifiziert, anders lassen sich die CO2-Grenzwerte der EU künftig gar nicht mehr erreichen. Honda geht voran und bietet in Europa ab 2022 nur noch Elektro- und Hybridfahrzeuge an: Neben dem rein elektrischen Honda e gibt es dann vier Modellreihen mit e:HEV-Hybridantrieb, nach Jazz und CR-V stellen auch der neue HR-V (Österreich-Start Anfang 2022) und der nächste Civic auf die neue Technik um.
Bei den Serienautos werden immer mehr Antriebe elektrifiziert: Honda bietet die Mainstream-Baureihen in Europa ab 2022 nur mit e:HEV an.
Die Formel 1 ist schon einige Jahre hybrid. Erkenntnisse zur Optimierung der Energieeffizienz werden von den F1- auf die e:HEV-Hybridsysteme übertragen.Kann das Know-how aus der Formel 1-Hybridentwicklung in den Serienautos genutzt werden?
Ja, bei der Optimierung der Fahrmodi. In der Formel 1 konnte die Leistung des Verbrennungsmotors und die elektrische Leistung der Batterie bis Mitte 2020 während der Fahrt angepasst werden – sowohl für plötzliche Leistungssteigerung als auch zum Kraftstoffsparen. Inzwischen darf man die Fahrmodi nicht mehr während des Rennens wechseln, sehr wohl aber vor dem Rennen und im Training optimierte Modi konfigurieren, die an Streckeneigenschaften angepasst sind und die Leistung optimieren. Diese Leistungsmodi erarbeiten die Honda-Ingenieuren mit den Rennfahrer – und die Erkenntnisse zur Optimierung der Energieeffizienz werden auch von den F1- auf die e:HEV-Hybridsysteme übertragen, betont Honda.
Für die Technikfans: Wie funktioniert e:HEV, der Honda-Hybridantrieb für die Serienautos?
Der Motor ist mit dem Generator verbunden und die Räder sind mit dem Antriebsmotor verbunden. Zwischen Motor und Rädern befindet sich eine Kupplung, sie sind also mechanisch getrennt. Der motorbetriebene Generator erzeugt elektrischen Strom und speist ihn direkt in den Antriebsmotor ein. Dabei kann die Batterie vom Generator geladen werden oder dem Antriebsmotor zusätzliche Unterstützungsleistung zur Verfügung stellen. Der e:HEV kommt ganz ohne Getriebe aus, was die mechanische Reibung im System minimiert.
Das e:HEV-Hybridsystem arbeitet auf drei verschiedene Arten – welche sind das?
Grundlegender Systembetrieb ist der Hybridantriebsmodus: Der motorbetriebene Generator liefert die Hauptenergie für den Antrieb liefert. Der Motor ist vollständig von den Rädern entkoppelt, Motordrehzahl und Motorlast hängen allein von der benötigten elektrischen Antriebsleistung ab. Weil der Motor von den Rädern getrennt ist, kann er meist im Stand und am kraftstoffsparenden Betriebspunkt betrieben werden.
Wenn es die Fahrbedingungen zulassen, kann die elektrische Antriebsleistung auch komplett von der Batterie kommen. In diesem Fall wird der Motor abgestellt und das Auto läuft im EV Drive Modus – also ohne Emission.
Weil es beim Fahren mit konstant höherer Geschwindigkeit vorteilhaft ist, die Räder direkt mit dem Motor anzutreiben, kann das System die Überbrückungskupplung schließen und den Motorantrieb aktivieren. Auch hier kann gleichzeitig die Batterie geladen werden oder zusätzlich vom Antriebsmotor Hilfsleistung bereitgestellt werden, um den Motorbetrieb in seinem kraftstoffsparenden Bereich zu steuern.
Grund für den komplexen technischen Dreiklang: Ein Verbrennungsmotor hat nicht unter allen Betriebsbedingungen die gleiche Effizienz, sein Wirkungsgrad ist je nach Betriebszustand sehr unterschiedlich. Das e:HEV-Hybridsystem versucht nichts anderes, als immer den bestmöglichen Betriebszustand herzustellen – und das hat massive Auswirkungen: Zwischen dem einen und anderen Betriebspunkt kann sich der Wirkungsgrad schnell um 50 Prozent unterscheiden. Und das bedeutet 50 Prozent mehr – oder weniger – Kraftstoffverbrauch. Wenn der Fahrer selbst schaltet, trifft er selten diesen idealen Punkt, das e:HEV-System schafft das deutlich öfter. Weil der Motor von den Rädern getrennt ist, kann er leichter am idealen Betriebspunkt gehalten werden. Produziert er zu viel Leistung, wird die überschüssige Menge in die Batterie geladen. Ist die Leistung zu gering, wird der Antriebsmotor mit Energie aus der Batterie unterstützt.
Dazu kommt: Weil der Motor quasi stationär betrieben wird, muss er hinsichtlich Ansprechverhalten oder Leistung nicht optimiert werden, das erlaubt den Einsatz eines sparsamen Atkinson-Motors – das Geheimnis, warum das e:HEV-System den Kraftstoffverbrauch auch im normalen Betrieb um über 30 Prozent senken kann.
Ja, bei der Optimierung der Fahrmodi. In der Formel 1 konnte die Leistung des Verbrennungsmotors und die elektrische Leistung der Batterie bis Mitte 2020 während der Fahrt angepasst werden – sowohl für plötzliche Leistungssteigerung als auch zum Kraftstoffsparen. Inzwischen darf man die Fahrmodi nicht mehr während des Rennens wechseln, sehr wohl aber vor dem Rennen und im Training optimierte Modi konfigurieren, die an Streckeneigenschaften angepasst sind und die Leistung optimieren. Diese Leistungsmodi erarbeiten die Honda-Ingenieuren mit den Rennfahrer – und die Erkenntnisse zur Optimierung der Energieeffizienz werden auch von den F1- auf die e:HEV-Hybridsysteme übertragen, betont Honda.
Für die Technikfans: Wie funktioniert e:HEV, der Honda-Hybridantrieb für die Serienautos?
Der Motor ist mit dem Generator verbunden und die Räder sind mit dem Antriebsmotor verbunden. Zwischen Motor und Rädern befindet sich eine Kupplung, sie sind also mechanisch getrennt. Der motorbetriebene Generator erzeugt elektrischen Strom und speist ihn direkt in den Antriebsmotor ein. Dabei kann die Batterie vom Generator geladen werden oder dem Antriebsmotor zusätzliche Unterstützungsleistung zur Verfügung stellen. Der e:HEV kommt ganz ohne Getriebe aus, was die mechanische Reibung im System minimiert.
Das e:HEV-Hybridsystem arbeitet auf drei verschiedene Arten – welche sind das?
Grundlegender Systembetrieb ist der Hybridantriebsmodus: Der motorbetriebene Generator liefert die Hauptenergie für den Antrieb liefert. Der Motor ist vollständig von den Rädern entkoppelt, Motordrehzahl und Motorlast hängen allein von der benötigten elektrischen Antriebsleistung ab. Weil der Motor von den Rädern getrennt ist, kann er meist im Stand und am kraftstoffsparenden Betriebspunkt betrieben werden.
Wenn es die Fahrbedingungen zulassen, kann die elektrische Antriebsleistung auch komplett von der Batterie kommen. In diesem Fall wird der Motor abgestellt und das Auto läuft im EV Drive Modus – also ohne Emission.
Weil es beim Fahren mit konstant höherer Geschwindigkeit vorteilhaft ist, die Räder direkt mit dem Motor anzutreiben, kann das System die Überbrückungskupplung schließen und den Motorantrieb aktivieren. Auch hier kann gleichzeitig die Batterie geladen werden oder zusätzlich vom Antriebsmotor Hilfsleistung bereitgestellt werden, um den Motorbetrieb in seinem kraftstoffsparenden Bereich zu steuern.
Grund für den komplexen technischen Dreiklang: Ein Verbrennungsmotor hat nicht unter allen Betriebsbedingungen die gleiche Effizienz, sein Wirkungsgrad ist je nach Betriebszustand sehr unterschiedlich. Das e:HEV-Hybridsystem versucht nichts anderes, als immer den bestmöglichen Betriebszustand herzustellen – und das hat massive Auswirkungen: Zwischen dem einen und anderen Betriebspunkt kann sich der Wirkungsgrad schnell um 50 Prozent unterscheiden. Und das bedeutet 50 Prozent mehr – oder weniger – Kraftstoffverbrauch. Wenn der Fahrer selbst schaltet, trifft er selten diesen idealen Punkt, das e:HEV-System schafft das deutlich öfter. Weil der Motor von den Rädern getrennt ist, kann er leichter am idealen Betriebspunkt gehalten werden. Produziert er zu viel Leistung, wird die überschüssige Menge in die Batterie geladen. Ist die Leistung zu gering, wird der Antriebsmotor mit Energie aus der Batterie unterstützt.
Dazu kommt: Weil der Motor quasi stationär betrieben wird, muss er hinsichtlich Ansprechverhalten oder Leistung nicht optimiert werden, das erlaubt den Einsatz eines sparsamen Atkinson-Motors – das Geheimnis, warum das e:HEV-System den Kraftstoffverbrauch auch im normalen Betrieb um über 30 Prozent senken kann.
Der e:HEV-Hybridantrieb im neuen HR-V (Österreich-Start Anfang 2022) kommt auf 131 PS Systemleistung…
…die Hybrrid-Turbo-Power des Honda F1 liegt im Bereich von 1000 PS. Technisch gibt es neben großen Unterschieden auch Gemeinsamkeiten.Das Sparpotenzial von e:HEV ist je nach Fahrbedingungen unterschiedlich – wie sehr?
Im Stadtverkehr fährt man die meiste Zeit im EV-Modus und emittiert null Emissionen. Außerhalb der Stadt, zwischen 40 und 80 km/h, fährt man immer noch mehr als die Hälfte der Zeit im EV-Modus. In beiden Fällen reduziert sich der Kraftstoffverbrauch enorm.
Bei Geschwindigkeiten zwischen 80-120 km/h ist das Auto im – für diese Fahrbedingungen – effizienten Direktantrieb (Motorantrieb), bei noch höherem Tempo läuft das System nur im Hybridmodus.
Im Vergleich dazu – wie funktioniert das Hybridsystem in der Formel 1?
Die MGU-H (Motor Generator United – Heat) ist ein mit dem Turbolader verbundener Elektromotor, der die Energie der Abgase in elektrische Energie umgewandelt. Die MGU-K (Motor Generator United – Kinetic) ist direkt mit den Rädern verbunden, wandelt beim Bremsen gewonnene Energie um und gibt sie beim Beschleunigen an die Kurbelwelle ab, zusätzlich verarbeitet sie auch den Strom aus der MGU-H.
Wo sind also die Ähnlichkeiten zwischen Serien- und F1-System?
Sowohl die MGU-K (des Formel 1) als auch Antriebsmotor (des Serien-e:HEV) sind mit den Rädern verbunden und sorgen für Antriebskraft, rekuperieren aber auch Bremsenergie. Sowohl MGU-H (des Formel 1) als auch Generator (des Serien-e:HEV) sind von den Rädern entkoppelt und liefern Energie zur Speisung des MGU-K beziehungsweise des Antriebsmotors. Die MGU-H (des Formel 1) reduziert mit Strom aus der Batterie das Turboloch, der Generator (des Serien-e:HEV) sorgt mit Strom aus der Batterie für einen nahtlosen Übergang zwischen Hybrid- und Motorantrieb, indem er die Überbrückungskupplung synchronisiert.
Und wo liegen die Unterschiede zwischen Serien- und F1-System?
Die F1-Einheit ist ein Parallelsystem, das e:HEV-System ist ein serieller Hybrid, der im Motorantriebsmodus zwischendurch zum Parallelsystem wird. In der Formel 1 kommt die primäre Antriebskraft vom Verbrennungsmotor, während beim e:HEV die primäre Antriebskraft vom Elektromotor kommt. Das F1-Hybridsystem ist also ein leistungsunterstützendes System, währen die e:HEV-Fahrzeuge elektrisch angetriebene Autos sind, die den Strom an Bord produzieren, aber phasenweise den Elektroantrieb auch durch den Motor ersetzen können.
Beim F1-Aggregat entscheidet der Fahrer, wann er die zusätzliche Boost-Power aus dem Hybridsystem abrufen möchte, während das e:HEV-System seine drei Fahrmodi selbst steuert, je nachdem, welcher am sparsamsten ist. Bei der F1-Einheit erfolgt die elektrische Energieversorgung immer über die Batterie, während die Versorgung beim e:HEV meist direkt vom Generator zum Antriebsmotor erfolgt.
Wichtigter Unterschied sind natürlich die Ziele: Die F1-System will Leistung und Reaktionszeit steigern, das e:HEV-System Kraftstoffeffizienz und Fahrbarkeit. Beides macht die Hybridtechnik möglich.
TIPP: Hier geht's zum Test des neue HR-V (2022) mit e:HEV-Hybridsystem.
Im Stadtverkehr fährt man die meiste Zeit im EV-Modus und emittiert null Emissionen. Außerhalb der Stadt, zwischen 40 und 80 km/h, fährt man immer noch mehr als die Hälfte der Zeit im EV-Modus. In beiden Fällen reduziert sich der Kraftstoffverbrauch enorm.
Bei Geschwindigkeiten zwischen 80-120 km/h ist das Auto im – für diese Fahrbedingungen – effizienten Direktantrieb (Motorantrieb), bei noch höherem Tempo läuft das System nur im Hybridmodus.
Im Vergleich dazu – wie funktioniert das Hybridsystem in der Formel 1?
Die MGU-H (Motor Generator United – Heat) ist ein mit dem Turbolader verbundener Elektromotor, der die Energie der Abgase in elektrische Energie umgewandelt. Die MGU-K (Motor Generator United – Kinetic) ist direkt mit den Rädern verbunden, wandelt beim Bremsen gewonnene Energie um und gibt sie beim Beschleunigen an die Kurbelwelle ab, zusätzlich verarbeitet sie auch den Strom aus der MGU-H.
Wo sind also die Ähnlichkeiten zwischen Serien- und F1-System?
Sowohl die MGU-K (des Formel 1) als auch Antriebsmotor (des Serien-e:HEV) sind mit den Rädern verbunden und sorgen für Antriebskraft, rekuperieren aber auch Bremsenergie. Sowohl MGU-H (des Formel 1) als auch Generator (des Serien-e:HEV) sind von den Rädern entkoppelt und liefern Energie zur Speisung des MGU-K beziehungsweise des Antriebsmotors. Die MGU-H (des Formel 1) reduziert mit Strom aus der Batterie das Turboloch, der Generator (des Serien-e:HEV) sorgt mit Strom aus der Batterie für einen nahtlosen Übergang zwischen Hybrid- und Motorantrieb, indem er die Überbrückungskupplung synchronisiert.
Und wo liegen die Unterschiede zwischen Serien- und F1-System?
Die F1-Einheit ist ein Parallelsystem, das e:HEV-System ist ein serieller Hybrid, der im Motorantriebsmodus zwischendurch zum Parallelsystem wird. In der Formel 1 kommt die primäre Antriebskraft vom Verbrennungsmotor, während beim e:HEV die primäre Antriebskraft vom Elektromotor kommt. Das F1-Hybridsystem ist also ein leistungsunterstützendes System, währen die e:HEV-Fahrzeuge elektrisch angetriebene Autos sind, die den Strom an Bord produzieren, aber phasenweise den Elektroantrieb auch durch den Motor ersetzen können.
Beim F1-Aggregat entscheidet der Fahrer, wann er die zusätzliche Boost-Power aus dem Hybridsystem abrufen möchte, während das e:HEV-System seine drei Fahrmodi selbst steuert, je nachdem, welcher am sparsamsten ist. Bei der F1-Einheit erfolgt die elektrische Energieversorgung immer über die Batterie, während die Versorgung beim e:HEV meist direkt vom Generator zum Antriebsmotor erfolgt.
Wichtigter Unterschied sind natürlich die Ziele: Die F1-System will Leistung und Reaktionszeit steigern, das e:HEV-System Kraftstoffeffizienz und Fahrbarkeit. Beides macht die Hybridtechnik möglich.
TIPP: Hier geht's zum Test des neue HR-V (2022) mit e:HEV-Hybridsystem.
Das e:HEV-System des neuen HR-V (sowie Jazz, CR-V und ab 2022 auch Civic) will Kraftstoffeffizienz und Fahrbarkeit steigern,…
… das F1-System will Leistung und Reaktionszeit verbessern.
