Testfahrt im Supersportwagen AMG GT XX: Ein Boxenstopp mit 950 Kilowatt
Am Eingang des Porsche-Entwicklungszentrums im süditalienischen Nardò steht eine meterhohe Tafel, auf der die dort erzielten automobilen Rekorde seit den 1970er Jahren aufgelistet sind. Für die 25 Langstreckenrekorde, die der vollelektrische Concept AMG GT XX in den vergangenen Tagen aufstellte , müsste wohl eine komplett neue Tafel errichtet werden. Von der Akku- und Antriebstechnik hinter der hohen Dauerleistung sollen von 2026 an die Kunden der Mercedes-Benz-Tochter AMG aus Affalterbach profitieren(öffnet im neuen Fenster) .
Die Zahlen sind in der Tat beeindruckend: Der optisch an den orangefarbenen C111 angelehnte Prototyp liefert eine Motorleistung von 1.000 Kilowatt (kW), was 1.360 PS entspricht. Der Akku lädt ebenfalls mit einer Leistung von fast 1.000 kW. Das ist das Drei- bis Vierfache aktueller Serienautos auf Basis von 800-Volt-Systemen.
Rekuperationsleistung von 500 kW
Die beiden Runden in dem Supersportwagen auf dem 12,5 km langen Rundkurs in Nardò verlaufen dabei eher unspektakulär. Schließlich geht es mit Tempo 250 nur geradeaus. Die abgerufene Leistung schwankt während der Fahrt um die 10 Prozent der Maximalleistung, was 100 kW entspricht. Rein rechnerisch verbraucht das Auto auf der 6,5-minütigen Fahrt etwa 11 Kilowattstunden (kWh) für die 25 km. Auf der Rekordfahrt war der GT XX sogar mit 300 km/h unterwegs. Bei dieser Geschwindigkeit werden 83 Prozent der Energie für die Überwindung des Luftwiderstands benötigt.
Rund einen Kilometer vor dem Ende der zweiten Runde erhält der Fahrer ein Signal, dass er den Fuß vom Fahrpedal nehmen soll. Dank des geringen cw-Wertes von 0,19 segelt der AMG zunächst weiter, ohne viel an Tempo zu verlieren. Dann wird die Testfahrt spannend: An der Ausfahrt des Rundkurses tritt der Fahrer auf die Bremse. Die Rekuperationsleistung schnellt auf mehr als 500 kW in die Höhe und bringt das Auto mit einer Verzögerung von 0,6 g an einer Ladesäule von Alpitronic zum Stillstand.
Auf 950 kW in 100 Millisekunden
Dort soll der Ladevorgang – wie auf der Rekordfahrt – möglichst schnell beginnen. Schon 100 Millisekunden nach der Initialisierung des Ladevorgangs wird eine Ladeleistung von rund 950 kW bei einem Ladestand (SoC) von 23 Prozent erreicht. Knapp eine Minute dauerte es, um auf 35 Prozent zu kommen. AMG nennt die Größe der Akkukapazität nicht, doch sie dürfte bei etwas mehr als 100 kWh liegen.
Das Geheimnis hinter der hohen Ladeleistung ist ein neues Kühlsystem, von AMG als Direktkühlung bezeichnet. Das bedeutet, dass in dem Akkupaket nicht nur die größeren Module, sondern sämtliche Zellen von einer Flüssigkeit gekühlt werden. Dazu entwickelte AMG eine spezielle Zellchemie auf Basis von NCMA (Nickel/Kobalt/Mangan/Aluminium).
Darüber hinaus sind die Rundzellen recht schmal und hoch, wobei bislang weder genaue Maße noch der Hersteller genannt werden. Mit dem speziellen Format soll erreicht werden, dass die Wärme gleichmäßig abgegeben werden kann und sich keine Wärmeinseln in der Mitte der Zelle bilden. Bei den Zellen handelt es sich um sogenannte Full-Tab-(öffnet im neuen Fenster) oder Tabless-Zellen, wie Tesla sie im Falle der 4680er-Zellen bezeichnet.
Kühlaggregat ermöglicht hohe Leistungen
In einer VR-Präsentation zeigt AMG das Akkupaket, das aus 22 Modulen besteht. Darin sind mehr als 3.000 Zellen enthalten. Was an der Konstruktion auffällt: Anders als bei anderen Elektroautos gibt es einen großen Mitteltunnel, der die Kühl- und Stromleitungen aufnimmt. Das Herz der Ölkühlung sitzt dabei vorne neben dem Axialflussmotor. Das Aggregat, Central Coolant Hub (CCH) oder Zentraler Kühlmittelverteiler genannt, soll die optimale Ladetemperatur der Zellen ermöglichen und Motor nebst Inverter kühlen.
Das Modul enthält drei Hochleistungspumpen, Temperatursensoren und neu entwickelte Fünfwege – beziehungsweise Vierwegeventile. Das System dient zudem als Wärmepumpe und sorgt für die Klimatisierung des Innenraums. Batterie, Motoren und Inverter verfügen dabei über eigene Wärmetauscher. Der Akku wird zudem über eine Unterbodenplatte passiv gekühlt. Der CCH ist zudem mit dem Hauptkühler und zwei Radlaufkühlern vorne links und rechts verbunden.
Wozu der ganze Aufwand? Schließlich wird die maximale Leistung von Elektroautos nur selten voll abgerufen.
Kompakte Axialflussmotoren für hohe Dauerleistungen
Das System des GT XX ist aber darauf ausgelegt, dass das Fahrpedal nicht nur ab und zu durchgetreten werden kann. Diese Möglichkeit spielt vor allem auf der Rennstrecke eine Rolle, was einen Hinweis auf die Zielgruppe des Elektro-Boliden gibt. Die hohe Ladeleistung soll dabei sicherstellen, dass eine Fahrt auf der Nordschleife des Nürburgrings nicht durch lange Ladepausen unterbrochen wird.
Ein limitierender Faktor bei der Dauerleistung von E-Autos stellte in früheren Jahren noch der Wechselrichter dar. Doch das spielt beim GT XX keine Rolle mehr, was an der neuen Silizium-Karbid-Technik und dem Kühlsystem liegt. Der Wechselrichter ist dabei, wie heute vielfach üblich, in die Antriebseinheit integriert.
Mehr Leistung bei weniger Größe und Gewicht
Die Entwickler entschieden sich bei der Hinterachse für eine Art Zwillingsantrieb, der zwei Axialflussmotoren, zwei Inverter und zwei Planetengetriebe spiegelbildlich enthält. Von der Größe her ist das Aggregat mit einem Elektroantrieb vergleichbar, der herkömmliche Radialflussmotoren nutzt.
Aber es liefert deutlich mehr Leistung. Konkret ist die Leistungsdichte dreimal und die Drehmomentdichte zweimal so groß. Und das bei einer Reduzierung von Größe und Gewicht um zwei Drittel. AMG macht noch keine Angaben zur Motordrehzahl und zur Getriebeübersetzung.
Frontmotor kann getrennt werden
Der Axialflussmotor mit Permanentmagneten verursacht im Leerlauf ebenso wie Radialflussmotoren sogenannte Schleppverluste. Deshalb wird der Frontmotor durch eine Disconnect Unit abgekoppelt, wenn er nicht für den Antrieb oder die Rekuperation benötigt wird. Das ist auch beim neuen CLA der Fall.
Denn um die Rekordfahrt zu ermöglichen, sollte der GT XX nicht nur schnell laden können, sondern möglichst effizient auf der Teststrecke unterwegs sein. Der cw-Wert von 0,19 ist sehr niedrig, was unter anderem durch die tropfenförmige Karosserie, spezielle Reifen sowie verbesserte Außenspiegel und einen optimierten Unterboden erreicht wird.
Zwar hat AMG inzwischen den sogenannten Plasma-Aktuator(öffnet im neuen Fenster) weiterentwickelt, um Luftverwirbelungen an der Karosserie zu reduzieren. Doch bei den Rekordfahrzeugen in Nardò kam diese Technik nicht zum Einsatz.
Die genannten technischen Neuerungen reichten in der Simulation zunächst jedoch nicht aus, um den Langstreckenrekord von 40.000 km in 7,5 Tagen zu erzielen.
Mercedes-Vorstand: Aus 80 müssen 8 Tage werden
In Anlehnung an Jules Vernes In 80 Tagen um die Welt sollte der GT XX die Strecke in weniger als acht Tagen schaffen. Diese Direktive kam direkt von der Unternehmensspitze. "Die Geschichte funktioniert nicht mit 10 Tagen, die Geschichte funktioniert nur mit 8 Tagen" , sagte Mercedes-Technikvorstand Markus Schäfer am Abend nach der Rekordfahrt zur Begründung.
Die Herausforderung war daher groß, die Fahrtzeit unter diese Vorgabe bringen. "Wir haben bis zu drei Jahre daran gearbeitet, es ist also strategisch lange vorbereitet" , sagte Schäfer. Entscheidend war dabei, sämtliche Aspekte der Fahrt zu optimieren. So erhielten die Fahrer im Cockpit die Signale, wann genau sie den Fuß vom Fahrpedal nehmen und wann sie den Bremsvorgang vor dem Ladestopp einleiten sollten. Die Rekordfahrt wurde dabei nicht nur per Software simuliert, sondern auch auf dem eigenen e-Drive-Prüfstand mit Akku und Ladeelektronik in Stuttgart-Untertürkheim. Mit den dabei gewonnenen Erkenntnissen wurde dann die jeweils nächste Simulation optimiert.
Parameter permanent angepasst
Auf dieser Basis entwickelte das Team von Mercedes-AMG High Performance Powertrains im britischen Brixworth beispielsweise ein Tool entwickelt, das die Fahrzeugdaten in Echtzeit analysieren und daraus die optimale Fahr- und Ladestrategie ableiten kann. Ein zweites Tool, Predictive Performance Manager genannt, gibt dem Fahrer im Auto akustische und visuelle Hinweise im Augmented-Reality-Helm und in der Instrumententafel zur Umsetzung der Fahrstrategie.
Während des Ladestopps werden dem Fahrer neue Parameter mitgeteilt, die auf der Auswertung der letztgefahrenen Runden basieren. Diese kann der Fahrer über Satellitenschalter am Lenkrad einstellen. Das betrifft beispielsweise die Kühlleistung, das Rundenziel und die Zielgeschwindigkeit.
Kleine Änderungen mit großer Wirkung
Den Entwicklern zufolge haben kleine Änderungen an den Parametern, wie dem Startpunkt für die Segel- und Bremsphase, bereits große Auswirkungen auf die gesamte Dauer der Rekordfahrt. Das gelte beispielsweise für das Öffnen und Schließen der Lufteinlässe unter der Fronthaube.
Wenn man die richtige Temperatur beim Laden verfehle, könne dies die Ladeleistung um 100 kW reduzieren. Obwohl die Fahrzeuge mit einer Dauerleistung von mehr als 100 kW liefen, nahm die Akkutemperatur während der Fahrt kontinuierlich ab. Während des Ladens steige die Temperatur hingegen an.
Das Batteriemanagementsystem (BMS) nutzt dabei nicht nur die real gemessenen Daten aus dem Akku. Die Entwickler statteten die Batteriezellen mit speziellen Referenzelektroden und Kerntemperatursensoren, um sie bei Test detailliert vermessen zu können. Diese Daten wurden in die BMS-Software implementiert und sollen eine bessere Modellierung des Zellverhaltens ermöglichen. Mit diesen "virtuellen Sensoren" könne die Software während der gesamten Fahrt einen Blick in den Kern der Batteriezellen simulieren.
Doch um die hohe Ladeleistungen zu ermöglichen, müssen im Boxenstopp auch entsprechende Ladesäulen bereitstehen.
Alpitronic entwickelt Megawattlader mit CCS-Anschluss
Im Gespräch mit Golem erläuterte Alpitronic-Chef Philipp Senoner, was sich die Ladesäule für die Rekordfahrt von einer bislang üblichen unterscheidet. "Das ist ein Mix zwischen einem Megawatt-Lader und einem CCS-Lader, den wir hier dargestellt haben" , sagte Senoner. Die eigentliche Leistungselektronik, Power Cabinet genannt, die den Drehstrom in Gleichstrom umwandelt, blieb dabei unverändert.
Angepasst wurde hingegen die Abgabeeinheit, Dispenser genannt, die aus Anzeigeeinheit, Zahlterminal und Kabel besteht. "Der Dispenser hat besonders viel Leitungsfläche oder Kupfer verbaut, um diese hohen Ströme aus der zentralen Leistungselektronik mit möglichst geringen Verlusten bis ins Fahrzeug zu transportieren" , sagte Senoner. Um die hohe Leistung mit einem CCS-Stecker zu ermöglichen, muss die entstehende Wärme an den Steckerkontakten besonders effizient abgeführt werden. Zudem erfordern die hohen Ströme von bis zu 1.000 Ampere eine stärkere Kühlleistung im Kabel.
Norm geht erst bis 800 Ampere
Ebenfalls sollte die Säule in der Lage sein, die abgegebene Leistung innerhalb möglichst kurzer Zeit auf den vollen Strom hochzufahren. Um den Start des Ladevorgangs zu beschleunigen, verbesserten AMG und Alpitronic die Kommunikation zwischen Auto und Ladesäule. "Wir waren sehr positiv überrascht über die Performance, so dass wir einiges für unser Serienprodukt nutzen können" , sagte Senoner.
Doch für den Serieneinsatz eines Autos mit mehr als 900 kW Ladeleistung sind noch einige Hürden zu überwinden. Lange Zeit habe die Norm für den CCS-Standard maximal 500 Ampere vorgesehen, sagte Senoner. In der aktuellen Revision sei dieses Limit auf 800 Ampere erhöht worden. Doch das reiche nicht aus.
Batteriepuffer statt Hochspannungsleiter
Ein weiteres Problem stellt der Anschluss solcher Megawattsäulen an das Stromnetz dar. Ladeparks für Lkw sind sehr aufwendig und erfordern ab einer Leistung von 10 Megawatt einen Anschluss an das Hochspannungsnetz. Im Falle von Pkw hält Senoner das jedoch nicht erforderlich, da diese über kleinere Akkus als Lkw verfügten und nur kurze Zeit solche hohe Leistungen abriefen.
"Lokales Lastmanagement ist ein wichtiger Punkt, das heißt der Ausgleich zwischen den einzelnen Fahrzeugen, die an dem gleichen Standort laden, muss gemanagt werden und dann sehe ich das Thema Speicher als einen wichtigen Bestandteil" , sagte Senoner. Die Installation eines solchen Batteriepuffers könnte dazu beitragen, Anschluss-, Netz- und Bereitstellungsgebühren zu senken. "Insbesondere, wenn die Leistungen nur für kurze Peaks abgerufen werden und keine kontinuierliche Leistungsabnahme erfolgt, kann der Speicher wirklich ausschlaggebend sein" , sagte der Alpitronic-Chef.
Die nächsten Rekorde fallen bestimmt
Zwar wird die Serienversion auf Basis der AMG.EA-Plattform nicht so aussehen wie der GT XX, doch die Käufer dürften dennoch die hohen Ladeleistungen erwarten. Vermutlich dürften die ersten Megawattlader für Pkw daher an den eigenen Ladestationen von Mercedes-Benz auftauchen. Nicht ganz abwegig dürfte die Überlegung sein, solche Schnelllader an Rennstrecken aufzustellen. Denn vor allem dort dürfte es für AMG-Fahrer wichtig sein, ihr Fahrzeug möglichst schnell wieder aufzuladen.
Selbst in Nardò musste zunächst ein 2,5 km langes Mittelspannungskabel für 2,5 Megawatt an die Ein- und Ausfahrt zu Teststrecke verlegt werden. Wobei unklar ist, ob Teststrecken-Betreiber Porsche das Kabel weiternutzen wird. Der Bedarf an einer stärkeren Ladeinfrastruktur für das Testen von E-Autos dürfte sicherlich bestehen. Denn obwohl die Rekordtafel in Nardò schon ziemlich voll ist, könnten künftig weitere Elektroautorekorde auf der Strecke gebrochen werden.
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