Wie Le Mans-Hypercars mithilfe von Polymerkomponenten von reinem Elektro- auf Verbrennungsantrieb umstellen

Le Mans Hypercars (LMH) , wie sie in der Langstrecken-Weltmeisterschaft (WEC) und beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans antreten, verwenden hochentwickelte Hybridantriebe , die ein nahtloses Umschalten zwischen rein elektrischer Leistung und dem Verbrennungsmotor während der Fahrt ermöglichen. Diese Fähigkeit, zwischen den Energiequellen zu wechseln, ist ein zentraler Aspekt des Hybridsystems, denn sie ermöglicht Effizienz, besseres Energiemanagement und geringere Emissionen in bestimmten Phasen des Rennens. Der Übergang zwischen diesen Energiequellen wird durch fortschrittliche Steuerungssysteme gehandhabt, die den Elektromotor, den Energiespeicher (Batterien) und den Verbrennungsmotor in Echtzeit steuern. Polymere spielen eine entscheidende Rolle für den reibungslosen und zuverlässigen Ablauf dieses Prozesses, insbesondere in Bereichen wie Wärmemanagement , elektrische Isolierung und Schwingungsdämpfung .

So wechseln LMH-Autos von Elektro- auf Verbrennungsmotoren

1. Nur-Elektro-Modus: Im Nur-Elektro-Modus treibt die Motor-Generator-Einheit (MGU) die Räder mit im Energiespeicher (ES) (der Batterie) gespeicherter Energie an. Dieser Modus wird normalerweise bei niedriger Geschwindigkeit verwendet, z. B. wenn das Auto die Boxengasse verlässt oder auf langsamen Streckenabschnitten, um Kraftstoff zu sparen und Emissionen zu reduzieren. In diesem Modus bleibt der Verbrennungsmotor ausgeschaltet und das Auto fährt geräuschlos mit Elektroenergie.

2. Hybridmodus (Übergang): Wenn der Fahrer mehr Leistung verlangt – beim Beschleunigen oder bei hohen Geschwindigkeiten – schaltet das Hybridsystem nahtlos den Verbrennungsmotor ein, um zusätzliche Leistung zu liefern. Dieser Übergang wird vom Energierückgewinnungssystem (ERS) gesteuert und erfolgt automatisch. Die Steuereinheit des Fahrzeugs entscheidet je nach Geschwindigkeit, Gaspedaleingabe und Batteriezustand, wann der Motor aktiviert wird. Der Elektromotor kann neben dem Verbrennungsmotor weiterhin Drehmoment liefern und bei Bedarf eine Leistungssteigerung erzielen.

3. Nur-Verbrennungsmodus: Bei höheren Geschwindigkeiten oder auf langen Geraden kann das Auto hauptsächlich mit Verbrennungsmotor laufen. Das Hybridsystem nutzt die MGU weiterhin, um durch regeneratives Bremsen Energie zu gewinnen und diese Energie zur späteren Verwendung in der Batterie zu speichern. Der Wechsel in den Nur-Verbrennungsmodus ermöglicht maximale Leistungsabgabe während schneller Rennabschnitte.

Während dieser Übergänge stellt das Hybridsystem einen nahtlosen Wechsel zwischen Elektro- und Verbrennungsmotor sicher. So werden Leistungsunterbrechungen vermieden und die Leistungsabgabe je nach Streckenbedingungen optimiert.

Rolle der Polymere im Hybridsystem

Polymere werden in Hybridsystemen häufig verwendet, insbesondere in kritischen Bereichen wie Batterien , Motoren und elektrischen Komponenten , wo sie wesentliche Vorteile wie Wärmemanagement , elektrische Isolierung und Vibrationsfestigkeit bieten. Diese Eigenschaften tragen dazu bei, die Effizienz, Zuverlässigkeit und Sicherheit des Hybridsystems beim ständigen Umschalten zwischen Elektro- und Verbrennungsmotor aufrechtzuerhalten.

1. Wärmemanagement

Beim Übergang von Elektroantrieb zu Verbrennungsmotor erzeugen sowohl der Elektromotor als auch die Batterie erhebliche Wärme. Die Kontrolle dieser Wärme ist entscheidend, um die Systemleistung aufrechtzuerhalten und eine Überhitzung zu verhindern, die empfindliche Komponenten beschädigen oder die Leistung beeinträchtigen könnte. Polymere spielen eine entscheidende Rolle bei der Wärmeableitung und beim Schutz wichtiger Teile vor thermischer Belastung.

• PEEK (Polyetheretherketon) wird aufgrund seiner hohen thermischen Stabilität in verschiedenen Komponenten des Hybridsystems verwendet. Es findet sich häufig in Batteriegehäusen , Motorgehäusen und Isoliermaterialien rund um die elektrischen Systeme und stellt sicher, dass diese Komponenten beim Wechsel zwischen den Leistungsmodi nicht überhitzen.

• In den Dichtungen und Versiegelungen der Motor- und Batteriesysteme werden Polymere auf Silikonbasis verwendet, um eine effektive Wärmeableitung zu gewährleisten. Da Silikon hohen Temperaturen standhält, eignet es sich ideal, um die Sicherheit dieser Komponenten zu gewährleisten und sie vor thermischen Schäden zu schützen.

• Wärmemanagement-Schnittstellen , wie etwa Wärmeleitpads aus polymerbasierten Materialien , werden zwischen Schlüsselkomponenten eingesetzt, um die Wärmeableitung zu erleichtern und so bei Übergängen die optimale Betriebstemperatur sowohl des Verbrennungsmotors als auch des Elektromotors aufrechtzuerhalten.

2. Elektrische Isolierung

Der Übergang zwischen Elektroantrieb und Verbrennungsmotor erfordert den Einsatz von Hochspannungssystemen, die sorgfältig isoliert werden müssen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Polymere mit hervorragenden elektrischen Isoliereigenschaften sind entscheidend, um Kurzschlüsse zu verhindern und die elektrischen Komponenten des Hybridsystems zu schützen.

• PTFE (Polytetrafluorethylen) und Polyimid (PI) werden zur Isolierung elektrischer Komponenten im Hybridsystem verwendet, insbesondere in der Verkabelung und den Anschlüssen, die den Stromfluss zwischen Batterie, Motor und Steuereinheit steuern. PTFE wird aufgrund seiner hervorragenden dielektrischen Eigenschaften verwendet, während Polyimidfolien (wie Kapton ) eine zuverlässige Isolierung in Hochtemperaturumgebungen bieten.

• Isolierung in Kabelbäumen : Die Verkabelung, die den Elektromotor mit der Batterie und den Steuersystemen verbindet, muss isoliert werden, um Kurzschlüsse oder Energieverluste zu vermeiden. PTFE wird häufig als Isolator für diese Hochspannungskabel verwendet und stellt sicher, dass der Energiefluss zwischen den Komponenten bei Stromübergängen effizient und sicher ist.

3. Leichtbau

Hybridsysteme erhöhen die Komplexität und die Anzahl der Komponenten eines Rennwagens, daher ist das Gewichtsmanagement für die Aufrechterhaltung optimaler Leistung von entscheidender Bedeutung. Polymere werden häufig beim Bau von Motoren, Akkupacks und anderen Hybridkomponenten verwendet, um das Gewicht zu reduzieren, ohne die Festigkeit oder Haltbarkeit zu beeinträchtigen.

• In den Gehäusen von Hybridmotoren und Batteriegehäusen werden kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) verwendet. Sie sorgen für eine stabile, leichte Struktur, die das Gesamtgewicht des Hybridsystems minimiert. Durch den Einsatz von CFK in nicht tragenden Komponenten können Hersteller den Hybridantrieb so leicht wie möglich gestalten und so Beschleunigung, Handhabung und Effizienz verbessern.

• Batteriegehäuse aus Polymerverbundstoffen sorgen dafür, dass der Akkupack leicht bleibt und bieten gleichzeitig den nötigen Schutz vor Hitze und Vibrationen. Diese Gehäuse verhindern auch Schäden während der Energieübergänge, die während des Rennens auftreten.

4. Vibrationsfestigkeit und Haltbarkeit

Das Umschalten zwischen Elektroantrieb und Verbrennungsmotor erzeugt Vibrationen und mechanische Belastungen, insbesondere wenn der Motor hochfährt oder herunterfährt. Elastomere Polymere werden verwendet, um diese Vibrationen zu absorbieren und sicherzustellen, dass das Hybridsystem reibungslos funktioniert, wodurch die Komponenten vor Verschleiß geschützt werden.

• Vibrationsdämpfende Polymere wie Silikon und EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer-Kautschuk) werden in Motoraufhängungen , Batteriegehäusen und anderen Hybridkomponenten verwendet, um Vibrationen beim Übergang zwischen den Leistungsmodi zu absorbieren. Dies verhindert mechanische Schäden und trägt dazu bei, die Integrität des Hybridsystems über die Zeit aufrechtzuerhalten.

• Polymerbuchsen werden auch zur Befestigung des Elektromotors und der dazugehörigen Komponenten verwendet. Sie verringern die Übertragung von Vibrationen auf das restliche Fahrzeug, was für die Aufrechterhaltung der Kontrolle des Fahrers und die Minimierung des Verschleißes anderer Systeme von entscheidender Bedeutung ist.

5. Korrosionsbeständigkeit

Das Hybridsystem, insbesondere seine elektrischen Komponenten und Akkupacks, ist einer Vielzahl von Umweltfaktoren ausgesetzt, darunter Feuchtigkeit, Schmutz und Ablagerungen. Polymere bieten eine wesentliche Korrosionsbeständigkeit und stellen sicher, dass diese Komponenten vor äußeren Einflüssen geschützt sind.

• PEEK und PTFE werden häufig in Dichtungen und Dichtungsringen verwendet, um das Eindringen von Feuchtigkeit und anderen Verunreinigungen in die empfindlichen Bereiche des Hybridsystems zu verhindern. Diese Materialien sind korrosionsbeständig und chemikalienbeständig, was für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit und Leistung des Systems bei Langstreckenrennen von entscheidender Bedeutung ist.

Abschluss

Die Hybridantriebe der Le Mans Hypercars (LMH) sind so konstruiert, dass sie während der Fahrt nahtlos zwischen Elektroantrieb und Verbrennungsmotor umschalten und so die Leistungsabgabe im Hinblick auf Leistung, Effizienz und Energierückgewinnung optimieren. Polymere spielen bei diesem Prozess eine entscheidende Rolle, da sie wichtige Vorteile wie Wärmemanagement , elektrische Isolierung , Leichtbauweise und Vibrationsfestigkeit bieten. Durch die Verwendung fortschrittlicher Polymere in kritischen Komponenten wie Motor , Batterie und elektrischen Systemen können LMH-Hersteller sicherstellen, dass ihre Hybridsysteme unter den extremen Bedingungen von Langstreckenrennen effizient und zuverlässig funktionieren. Dies verbessert nicht nur die Leistung der Autos, sondern steigert auch ihre Fähigkeit, die Energie während des Rennens effektiv zu verwalten.