Erläuterung der Hybridsysteme des Le Mans Hypercar (LMDh und LMH)

Le Mans Daytona Hybrid (LMDh) und Le Mans Hypercar (LMH) , die in Langstreckenrennserien wie der IMSA WeatherTech SportsCar Championship (IMSA) , der World Endurance Championship (WEC) und den 24 Stunden von Le Mans antreten, nutzen fortschrittliche Hybridantriebe, um Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit ins Gleichgewicht zu bringen. Diese Hybridsysteme kombinieren herkömmliche Verbrennungsmotoren (ICE) mit Elektromotoren und Batteriepacks , um die Leistungsabgabe und Energierückgewinnung zu optimieren, was für die langen und zermürbenden Langstreckenrennen, die diese Meisterschaften ausmachen, von entscheidender Bedeutung ist.

Die Hybridsysteme in LMDh- und LMH-Fahrzeugen sind so konzipiert, dass sie eine Kombination aus hoher Leistung, Energierückgewinnung (regeneratives Bremsen) und verbesserter Kraftstoffeffizienz bieten. Dadurch können die Fahrzeuge eine außergewöhnliche Leistungsabgabe liefern und gleichzeitig die Nachhaltigkeitsziele des modernen Motorsports erfüllen. Polymere spielen bei der Konstruktion von Motoren und Batteriesystemen eine wichtige Rolle und bieten wichtige Vorteile wie Wärmemanagement , geringes Gewicht , elektrische Isolierung und Korrosionsbeständigkeit . So funktionieren diese Hybridantriebe und wo Polymere in ihren Komponenten verwendet werden.

Funktionsweise von Hybridantrieben in LMDh- und LMH-Fahrzeugen

1. Verbrennungsmotor (ICE)

Der Verbrennungsmotor in Hybrid-LMDh- und LMH-Fahrzeugen ist in der Regel ein leistungsstarker, kraftstoffsparender Motor, der parallel zum Elektromotor betrieben wird. Je nach Hersteller können diese Motoren entweder Turbo- oder Saugmotoren sein und sind häufig V6-, V8- oder V10-Konfigurationen. Der Verbrennungsmotor liefert den Großteil der Leistung für Hochgeschwindigkeitsabschnitte und lange Geraden und liefert auch Leistung bei starker Beschleunigung.

2. Elektromotor und Motor-Generator-Einheit (MGU)

Der Elektromotor , auch Motor-Generator-Einheit (MGU) genannt, arbeitet parallel zum Verbrennungsmotor, um zusätzliche Leistung zu liefern und die Effizienz zu verbessern. Die MGU erfüllt zwei Funktionen:

• Es gewinnt beim Bremsen Energie (regeneratives Bremsen) und wandelt diese in elektrische Energie um, die in der Batterie gespeichert wird.
• Es nutzt die in der Batterie gespeicherte Energie zum Antrieb der Räder des Autos und sorgt so für zusätzliche Leistung beim Beschleunigen oder in entscheidenden Momenten eines Rennens (wie etwa beim Überholen).

Die MGU unterstützt den Verbrennungsmotor, indem sie das Drehmoment steigert, die Beschleunigung verbessert und dem Auto ermöglicht, schneller höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Dieses duale Kraftübertragungssystem hilft dabei, Leistung und Kraftstoffeffizienz ins Gleichgewicht zu bringen, da der Elektromotor bei niedriger Geschwindigkeit oder hohem Drehmoment übernehmen oder unterstützen kann, wodurch die Abhängigkeit vom Kraftstoff verringert wird.

3. Energiespeicher (Batterie)

Die Batterie in Hybrid-Rennwagen ist ein wesentlicher Bestandteil des Antriebsstrangs, da sie die beim regenerativen Bremsen gewonnene Energie speichert. Die in der Batterie gespeicherte Energie wird dann vom Elektromotor genutzt, um bei Bedarf zusätzliche Leistung bereitzustellen. Diese Hochleistungsbatteriesysteme müssen leicht und effizient sein und den extremen Anforderungen von Langstreckenrennen standhalten.

Bei den in LMDh- und LMH-Fahrzeugen verwendeten Batterien handelt es sich üblicherweise um Lithium-Ionen- oder Festkörperbatterien , die große Energiemengen speichern und schnell und effizient hohe Leistungen erbringen können.

4. Regeneratives Bremsen

Einer der Hauptvorteile von Hybridantrieben ist das regenerative Bremssystem . Wenn das Auto bremst, fängt die MGU die beim Bremsen erzeugte kinetische Energie ein und wandelt sie in elektrische Energie um. Diese Energie wird dann in der Batterie gespeichert und kann zum Antrieb des Elektromotors wiederverwendet werden. Dieser Prozess reduziert Energieverschwendung und verbessert die Gesamteffizienz.

Die Rolle von Polymeren in Hybridantrieben

Polymere werden in großem Umfang beim Bau von Hybridantrieben verwendet, insbesondere in Motoren und Batteriesystemen , da sie wichtige Vorteile wie Leichtbauweise , Wärmemanagement , elektrische Isolierung und Korrosionsbeständigkeit bieten. Diese Eigenschaften sind entscheidend, um sicherzustellen, dass die Motoren und Batterien unter den extremen Bedingungen von Langstreckenrennen zuverlässig funktionieren.

1. Polymere in Motoren

Hybridmotoren (MGUs) arbeiten bei hohen Drehzahlen und Temperaturen. Sie erfordern Materialien, die diesen Belastungen standhalten und gleichzeitig effizient bleiben. Polymere spielen in verschiedenen Teilen des Motors eine entscheidende Rolle.

• Elektrische Isolierung : Der Elektromotor erzeugt große Mengen Elektrizität, die sicher eingeschlossen werden muss, um Kurzschlüsse oder elektrische Fehler zu vermeiden. Polymere wie PTFE (Polytetrafluorethylen) und Polyimid (PI) werden als Isolierung für Drähte und elektrische Wicklungen im Motor verwendet, um elektrische Leckagen zu verhindern und eine effiziente Energieübertragung zu gewährleisten.

  • Aufgrund seiner hervorragenden dielektrischen Eigenschaften und Hochtemperaturbeständigkeit wird PTFE häufig zur Kabelisolierung verwendet.
  • Polyimidfolien wie Kapton werden aufgrund ihrer Fähigkeit verwendet, bei extremen Temperaturen ihre strukturelle Integrität aufrechtzuerhalten und in engen Räumen im Motor für elektrische Isolierung zu sorgen.

• Wärmemanagement : Motoren erzeugen während des Betriebs viel Wärme und eine Überhitzung kann die Leistung stark beeinträchtigen. PEEK (Polyetheretherketon) und Polymere auf Silikonbasis werden in Kühlsystemen , Motorgehäusen und Dichtungen verwendet, um die Wärme zu regulieren und den Motor vor thermischen Schäden zu schützen.

  • PEEK weist eine hohe Beständigkeit gegen Hitze und mechanische Beanspruchung auf und eignet sich daher ideal für Motorkomponenten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
  • Silikonpolymere werden für Dichtungen und Versiegelungen verwendet, die zur Aufrechterhaltung der Kühlsysteme des Motors beitragen, indem sie Flüssigkeiten zurückhalten und den Luftstrom um kritische Bereiche herum regeln.

• Leichtbauteile : Motoren in Hybridsystemen müssen so leicht wie möglich sein, um das Gesamtgewicht des Fahrzeugs zu optimieren. Beim Bau von Motorgehäusen und Strukturbauteilen werden häufig kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) verwendet, um Festigkeit zu bieten und gleichzeitig das Gewicht zu minimieren. Dies ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Hybridantrieb das Fahrzeug nicht übermäßig belastet, was sich negativ auf die Leistung auswirken könnte.

2. Polymere in Batterien

Batterien in Hybrid-Rennwagen müssen große Energiemengen speichern, diese effizient abgeben und den extremen Bedingungen von Langstreckenrennen standhalten. Polymere sind für die Gewährleistung der Sicherheit, Effizienz und Haltbarkeit dieser Hochleistungsbatteriesysteme von entscheidender Bedeutung.

• Elektrische Isolierung : Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien erzeugen hohe Spannungen, weshalb die elektrische Isolierung ein entscheidender Faktor beim Batteriedesign ist. Polyimid und PTFE werden zur Isolierung von Batteriezellen und Verkabelung verwendet, um sicherzustellen, dass die elektrischen Ströme unter Kontrolle bleiben und Kurzschlüsse oder Überhitzung verhindert werden.

  • Polyimidfolien werden häufig zum Trennen von Batteriezellen verwendet. Sie sorgen für Isolierung und gewährleisten die Sicherheit in der Hochspannungsumgebung des Batteriepacks.
  • PTFE- Beschichtungen und -Auskleidungen werden bei Leitungen und Steckverbindern zum Schutz vor elektrischer Entladung eingesetzt.

• Wärmemanagement : Hybridbatterien erzeugen bei der Speicherung und Bereitstellung von Energie erhebliche Wärme. Polymere wie PEEK und silikonbasierte Materialien werden in Batteriegehäusen und Kühlsystemen verwendet, um die Wärme effektiv zu regulieren.

  • PEEK wird für Batteriegehäuse und Kühlkanäle verwendet, da es hohen Temperaturen standhält, ohne sich zu verformen oder zu zersetzen.
  • Silikonbasierte Polymere werden in Wärmeschnittstellen eingesetzt, um die Wärmeableitung von den Batteriezellen zu unterstützen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Batterie in einem sicheren Temperaturbereich betrieben wird und ein thermisches Durchgehen verhindert wird.

• Korrosionsbeständigkeit : Batterien sind rauen Umgebungen wie Feuchtigkeit , Kraftstoff und Chemikalien ausgesetzt. Polymere wie PEEK und PTFE bieten Korrosionsbeständigkeit und schützen Batteriekomponenten vor dem durch den Kontakt mit diesen Elementen verursachten Zerfall.

  • PEEK wird häufig für Batteriegehäuse und Schutzabdeckungen verwendet, da es leicht, stabil und sowohl korrosions- als auch temperaturbeständig ist.
  • PTFE-Beschichtungen dienen zum Schutz elektrischer Verbindungselemente und Anschlüsse vor chemischer Belastung und gewährleisten so die langfristige Zuverlässigkeit des Batteriesystems.

• Leichtbauweise : Das Gewicht ist ein entscheidender Faktor bei Langstreckenrennen, bei denen jedes eingesparte Kilogramm zu einer Leistungssteigerung beiträgt. Polymere wie CFK werden in Batteriegehäusen und Schutzstrukturen verwendet, um eine leichte und dennoch robuste Lösung zu bieten und das Gesamtgewicht des Batteriesystems zu reduzieren, ohne die Sicherheit oder Leistung zu beeinträchtigen.

Abschluss

Die in LMDh- und LMH- Fahrzeugen verwendeten Hybridantriebe repräsentieren den neuesten Stand der Langstrecken-Renntechnologie. Sie kombinieren Verbrennungsmotoren , Elektromotoren und Batteriesysteme , um hohe Leistung, Kraftstoffeffizienz und Energierückgewinnung zu erzielen. Polymere spielen in diesen Systemen eine entscheidende Rolle, da sie für Leichtbauteile , Wärmemanagement , elektrische Isolierung und Korrosionsbeständigkeit in den Motoren und Batterien sorgen. Diese Vorteile stellen sicher, dass die Hybridantriebe in den anspruchsvollen Umgebungen von IMSA , WEC und Le Mans zuverlässig funktionieren und den Teams helfen, das Gleichgewicht zwischen Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit zu erreichen, das den modernen Langstreckenrennsport ausmacht.