Der Energiespeicher der Formel 1 und seine Verwendung von Polymeren erklärt

In modernen Formel-1- Autos spielt der Energiespeicher (ES) eine zentrale Rolle im Hybridantriebssystem: Er dient als Batteriepaket, das elektrische Energie speichert, die aus den Energierückgewinnungssystemen (ERS) des Autos gewonnen wird, zu denen die MGU-K (Motor-Generator-Einheit – kinetisch) und die MGU-H (Motor-Generator-Einheit – Wärme) gehören. Der ES ist dafür zuständig, Energie zu speichern, die beim Bremsen (über die MGU-K) und vom Turbolader (über die MGU-H) gewonnen wird, und diese gespeicherte Energie dann einzusetzen, um die Leistung des Autos zu steigern und dem Antriebsstrang bei Bedarf zusätzliche Leistung zuzuführen.

Der Energiespeicher ist im Wesentlichen ein Hochleistungs-Lithium-Ionen-Akkupack, der elektrische Energie mit maximaler Effizienz speichern und freigeben soll. Beim Betrieb in extremen Umgebungen muss der ES hohen Temperaturen, mechanischer Belastung, Vibrationen sowie der Einwirkung von Chemikalien und anderen harten Bedingungen standhalten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden bei der Konstruktion und dem Schutz des ES in großem Umfang Polymere verwendet. Polymere werden nicht nur aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Wärmebeständigkeit ausgewählt, sondern auch aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit und Nichtleitfähigkeit , die für die Gewährleistung der Sicherheit, Haltbarkeit und Effizienz des Systems unerlässlich sind.

Die Rolle des Energiespeichers in der Formel 1

Der Energiespeicher ist für die Funktion des Hybridantriebs in F1-Autos von zentraler Bedeutung. Er funktioniert, indem er Energie aus zwei Hauptquellen aufnimmt und speichert:

• Bremsen (MGU-K) : Wenn das Auto bremst, fängt die MGU-K kinetische Energie ein, die sonst als Wärme verloren gehen würde. Diese Energie wird in elektrische Energie umgewandelt und an den Energiespeicher gesendet.
• Turboladerwärme (MGU-H) : Die MGU-H gewinnt Energie aus den Abgasen zurück, die den Turbolader antreiben. Diese Energie wird ebenfalls in elektrische Energie umgewandelt und im ES gespeichert.

Sobald die Energie im ES gespeichert ist, kann sie eingesetzt werden, um dem Auto zusätzliche Leistung zu verleihen, beispielsweise beim Beschleunigen oder zum Überholen. Der ES ermöglicht es dem Auto, effizienter zu arbeiten, den Kraftstoffverbrauch zu senken und bei Bedarf eine Leistungssteigerung zu erzielen.

Warum Polymere in großem Umfang als Energiespeicher eingesetzt werden

Der ES arbeitet in einer anspruchsvollen Umgebung, in der er großer Hitze, elektrischen Strömen, Vibrationen und korrosiven Elementen wie Kraftstoffen, Ölen und Kühlmitteln ausgesetzt ist. Polymere sind ideale Materialien für verschiedene Komponenten des Energiespeichers, da sie mehrere wichtige Vorteile bieten:

1. Korrosionsfreie Eigenschaften

Einer der Hauptgründe für die häufige Verwendung von Polymeren in Energiespeichern ist ihre inhärente Korrosionsbeständigkeit. Der ES ist häufig Chemikalien wie Kraftstoff, Hydraulikflüssigkeiten und Kühlmitteln ausgesetzt, die mit der Zeit zur Korrosion von Metallkomponenten führen können. Korrosion kann die Leistung und Sicherheit des Batteriesystems beeinträchtigen und zu Ausfällen oder Ineffizienzen führen.

• Polymere wie PTFE (Polytetrafluorethylen) und PEEK (Polyetheretherketon) sind von Natur aus beständig gegen chemische Korrosion und eignen sich daher ideal für den Einsatz in Batteriegehäusen , Dichtungen und Schutzbeschichtungen . Diese Materialien sorgen dafür, dass der Energiespeicher auch nach längerer Einwirkung aggressiver Chemikalien und extremer Umgebungen intakt und betriebsbereit bleibt. Durch die Verhinderung von Korrosion tragen Polymere dazu bei, die Lebensdauer des ES zu verlängern und den Bedarf an häufiger Wartung oder Austausch zu verringern.

2. Nichtleitende Natur

Polymere sind ausgezeichnete elektrische Isolatoren , das heißt, sie leiten keinen Strom. Im Energiespeicher, wo Hochspannungsströme erzeugt, gespeichert und übertragen werden, ist es wichtig, Materialien zu verwenden, die elektrische Kurzschlüsse verhindern und sicherstellen, dass die elektrische Energie sicher eingeschlossen bleibt.

• Zur Isolierung von Batteriezellen und Verkabelung im ES werden Polyimidfolien wie Kapton verwendet. Diese Folien bieten eine hohe Durchschlagfestigkeit und sorgen so dafür, dass elektrische Ströme im System sicher isoliert werden. Dadurch wird ein unbeabsichtigter Energieverlust verhindert und das Risiko elektrischer Fehlfunktionen oder Kurzschlüsse minimiert.

• PTFE wird im ES auch häufig als Isolator für Kabel und Anschlüsse verwendet. Seine nichtleitende Eigenschaft stellt sicher, dass die elektrischen Komponenten im ES vor den von den Energierückgewinnungssystemen erzeugten Hochspannungen geschützt sind, wodurch die Integrität der elektrischen Schaltkreise gewahrt bleibt.

Durch die Verwendung nichtleitender Polymere können Formel-1-Teams einen sicheren und effizienten Betrieb des Energiespeichers gewährleisten und elektrische Fehler verhindern, die die Leistung beeinträchtigen oder die Sicherheit gefährden könnten.

3. Thermischer Widerstand

Während der Energierückgewinnung und -bereitstellung erzeugt das ES erhebliche Wärmemengen und die Batteriezellen müssen in einem sicheren Betriebstemperaturbereich gehalten werden, um die Leistung aufrechtzuerhalten und eine Überhitzung zu vermeiden. Polymere sind ideal für das Wärmemanagement, da sie hohen Temperaturen standhalten können, ohne sich zu verschlechtern oder ihre isolierenden Eigenschaften zu verlieren.

• PEEK und PTFE werden häufig in Isolierschichten und Hitzeschilden im Energiespeicher verwendet. Diese Materialien halten hohen Temperaturen stand und bieten gleichzeitig eine wirksame Isolierung zwischen den Batteriezellen. So wird ein thermisches Durchgehen (eine Situation, in der übermäßige Hitze zum Zerfall oder Ausfall der Batteriezellen führt) verhindert.

Durch die Aufrechterhaltung der thermischen Stabilität des ES tragen Polymere dazu bei, dass die Prozesse der Energiespeicherung und -freisetzung auch bei der extremen Hitze, die während eines Rennens entsteht, effizient ablaufen.

4. Leichtbau

Die Reduzierung des Gesamtgewichts eines Formel-1-Autos ist für die Leistungssteigerung von entscheidender Bedeutung, da ein leichteres Auto schneller beschleunigen und auf der Strecke besser handhaben kann. Polymere sind deutlich leichter als Metalle und eignen sich daher ideal für den Bau des Gehäuses und der Schutzkomponenten des Energiespeichers.

• Für das Außengehäuse des Energiespeichers werden üblicherweise kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) verwendet, die eine stabile und dennoch leichte Schutzhülle für die Batteriezellen bilden. Durch die Verwendung von CFK wird das Gewicht des ES reduziert, sodass das Auto eine bessere Leistung erzielen kann, ohne dass dies an Festigkeit oder Haltbarkeit einbüßt.

Diese Gewichtsreduzierung ist in der Formel 1 von entscheidender Bedeutung, wo jedes eingesparte Gramm zu schnelleren Rundenzeiten und besserer Kraftstoffeffizienz beiträgt und den Teams somit einen Wettbewerbsvorteil verschafft.

5. Vibrationsdämpfung und Haltbarkeit

Der Energiespeicher ist während eines Formel-1-Rennens erheblichen Vibrationen und Stößen ausgesetzt, insbesondere wenn das Auto durch Hochgeschwindigkeitskurven fährt, stark bremst oder stark beschleunigt. Polymere schützen den Akku vor diesen mechanischen Belastungen und stellen sicher, dass die Komponenten während des gesamten Rennens intakt und funktionsfähig bleiben.

• Elastomere Polymere wie Silikon und EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk) werden für vibrationsdämpfende Halterungen und Dichtungen im Energiespeicher verwendet. Diese Materialien absorbieren Vibrationen und sorgen für Flexibilität, wodurch Schäden an empfindlichen Batteriezellen und elektrischen Verbindungen verhindert werden.

Durch die Reduzierung der Auswirkungen von Vibrationen und Stößen tragen Elastomerpolymere dazu bei, die Lebensdauer des Energiespeichers zu verlängern und seine Zuverlässigkeit bei Rennen zu verbessern.

Wichtige Vorteile der Verwendung von Polymeren im Energiespeicher

1. Korrosionsbeständigkeit : Polymere wie PTFE und PEEK verhindern Korrosion durch Chemikalien und raue Umgebungen und gewährleisten so die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des ES.

2. Elektrische Isolierung : Die nichtleitenden Eigenschaften von Polymeren wie Polyimid und PTFE schützen das Batteriesystem vor Kurzschlüssen und elektrischen Fehlern und gewährleisten eine sichere Speicherung und Bereitstellung von Energie.

3. Wärmemanagement : Polymere mit hoher Wärmebeständigkeit, beispielsweise PEEK , helfen bei der Regulierung der von den Batteriezellen erzeugten Wärme, verhindern eine Überhitzung und sorgen für einen effizienten Betrieb.

4. Gewichtsreduzierung : CFK und andere leichte Polymere reduzieren das Gesamtgewicht des Energiespeichers und tragen so zu einer verbesserten Leistung und Handhabung des Fahrzeugs bei.

5. Vibrationsdämpfung : Elastomere Polymere sorgen für Flexibilität und absorbieren Vibrationen, schützen die Batteriezellen vor Schäden und gewährleisten die Haltbarkeit des Energiespeichers.

Abschluss

Im Energiespeicher der Formel 1 sind Polymere von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass das System in der anspruchsvollen Umgebung eines Rennwagens sicher und effizient funktioniert. Ihre korrosionsbeständigen und nichtleitenden Eigenschaften, kombiniert mit ihrer Wärmebeständigkeit , Leichtbauweise und Schwingungsdämpfungsfähigkeiten machen Polymere zum idealen Material für verschiedene Komponenten innerhalb des Energiespeichers. Durch die Verwendung fortschrittlicher Polymere können F1-Teams die Leistung, Sicherheit und Zuverlässigkeit des Energiespeichers optimieren und so eine effiziente Energierückgewinnung und -bereitstellung ermöglichen, die für den Erfolg des Hybridantriebs auf der Rennstrecke entscheidend ist.