Spitzenperformance durch Simulation: Wie Porsche in der Formel-E-WM um den Titel kämpft

Kommt Hochspannung von Strom? Als erstes rein elektrisches Racing-Format gilt die ABB FIA Formel-E-Weltmeisterschaft als nachhaltigste und innovativste Rennserie der Welt. Aber auch in puncto Action und Spektakel ist die Formel E für viele Fans und Fahrer mittlerweile das Nonplusultra. Kein Wunder, dass sich mit Audi, BMW, Nissan, DS, Jaguar, Porsche, Renault, Mahindra, McLaren, Cupra und Maserati 2024 (und in den vergangenen Saisons) mehr Hersteller in der Rennserie tummelten als etwa in der Formel 1. 

Die Formel E bietet also definitiv ein wettbewerbsstarkes Umfeld, um die Entwicklung von High-Performance-Fahrzeugen im Hinblick auf Umweltfreundlichkeit, Energieeffizienz und Nachhaltigkeit voranzutreiben. Seit 2019 geht Porsche daher mit seinem eigenen TAG Heuer Porsche Formel-E-Team bei den spannenden Rennen in angesagten Metropolen wie London, Berlin, Tokio, Shanghai oder São Paulo mit an den Start. Seinen ersten großen Erfolg feierte der Rennstall mit einem Doppelsieg in Mexiko-Stadt 2022. Ein Jahr später folgte schließlich die bislang erfolgreichste Saison mit vier Rennsiegen und insgesamt sieben Podiumsplatzierungen.

Als offizieller Simulationspartner unterstützt Ansys dabei die Entwicklung des ersten vollelektrischen Rennwagens von Porsche: des Porsche 99X Electric. Die Zusammenarbeit verbindet die branchenführenden technischen Simulationstechnologien von Ansys mit der leistungsstarken Automobiltechnik von Porsche, zum Beispiel bei der Entwicklung des Porsche E-Performance-Antriebsstrangs. Das erklärte Ziel: dessen Effizienz in den Elektro-Rennwagen maximieren, um in der Folge letztlich auch die Elektro-Pkw aus Zuffenhausen technologisch in die Pole Position zu bringen.

Von der Steigerung des elektromagnetischen Drehmoments und der Leistungsdichte über die schnelle Vorhersage der Temperaturen von Stromrichter und Batterie bis hin zur Maximierung des Gesamtwirkungsgrads des elektrischen Antriebsstrangs – die Porsche-Ingenieure nutzten die Multiphysics-Tools von Ansys, um die Erfolgsformel für den Porsche 99X Electric zu erarbeiten.

Dank der Ansys-Technologien mussten sie viel weniger echte Prototypen bauen – zeitlich und mit Blick auf das Budget ein enormer Vorteil. Und über eine Vielzahl virtueller Tests, etwa von Designkonzepten, gelangten die Ingenieure deutlich schneller zu einem optimalen Set-up, so dass der Porsche 99X Electric auf dem Asphalt gegen die anderen Rennställe nicht nur bestehen, sondern souverän voraus fahren kann.

Mit einem festen Limit für den Gesamtenergieverbrauch pro Team werden Siege in der Formel E nicht nur durch die Geschwindigkeit, sondern auch durch Kilowattstunden definiert. Die Effizienz des Antriebsstrangs eines Rennwagens bestimmt deswegen mit über Sieg oder Niederlage. Für das TAG Heuer Porsche Formel- E-Team hängt ein Erfolg am Renntag somit zum Teil davon ab, dass Zugang zu einer Simulationsumgebung besteht, mit der sie die Leistung der Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs schnell analysieren können. Die entscheidende Frage: Welche Mechanismen wirken sich auf die Effizienz in welcher Weise aus? Mithilfe der Simulationssoftware Ansys Maxwell und Ansys Twin Builder kann das Team selbst kleinste Details ständig verbessern. Schließlich zählt auf der Rennstrecke jede Millisekunde!

Porsche-Pilot Pascal Wehrlein über die Arbeit mit Ansys:

Leonard Mengoni von Porsche Motorsport kennt die Herausforderungen der ABB FIA Formel E bestens. Er weiß ganz genau, welch entscheidenden Einfluss das Effizienz-Thema auf die zukünftige Entwicklung von Elektro-Rennwagen haben wird. Er ist einer von mehreren Konstrukteuren, die an der laufenden Optimierung des elektrischen Antriebsstrangs des Porsche 99X Electric Formel-E-Rennwagens beteiligt sind.

Mengoni nutzt Simulation dabei als eine Art "Wegweiser", bei dem eine Vielzahl von Variablen permanent einbezogen wird. Denn: "Während eines Rennens kann es zu verschiedenen Szenarien kommen, wie z. B. zu einem Safety-Car-Einsatz oder zu einer Gelbphase, die zu zusätzlichen Runden führen, die man fahren muss", erklärt Mengoni. "Sobald ein solches Ereignis eintritt, wird das Ziel für den Energieverbrauch des Fahrers angepasst. Wir beobachten auch unsere Konkurrenten, um abzuschätzen, welche Strategie sie verwenden – und passen unser Vorgehen daran an."

Auch im Motorsport muss jede Simulation natürlich durch Messungen validiert werden. Wenn die Simulation in der Vorentwicklung eingesetzt wird, versucht das Team, die Vorhersagen so schnell wie möglich mit Tests zu überprüfen. So wollen die Ingenieure sicherzustellen, dass alle relevanten physikalischen Effekte berücksichtigt wurden. Unterm Strich bedeutet eine exakte Validierung, dass auf lange Sicht weniger Messaktivitäten erforderlich sind, solange die untersuchte Technologie und die Materialien innerhalb einer bestimmten Varianz liegen.

"Wir nutzen Simulation nicht zuletzt, um vor der Saison genau zu beurteilen, welches Konzept oder welche Technologie für den neuen Antriebsstrang von Vorteil ist", sagt Mengoni. "Indem wir unsere Simulationsergebnisse dann mit Messdaten vom Prüfstand und von der Rennstrecke vergleichen, können wir unsere Modelle weiter verbessern. Es ist essentiell für uns, schon im Vorfeld zu wissen, welche Modifikationen nötig sind, denn während der Saison können wir das Auto nur über Software-Updates modifizieren." Am Ende gehe es wie bei jeder Rennserie darum, der Konkurrenz über die gesamte Saison hinweg konstant die entscheidende Nasenlänge voraus zu sein. Simulationstechnologie von Ansys leistet dazu einen kaum zu überschätzenden Beitrag.

Mehr Infos zur Formel E sowie den Rennkalender für die Saison 2023/24 und alle aktuellen Rennergebnisse gibt es bei der ABB Formel E Weltmeisterschaft und beim TAG Heuer Porsche Formel E Team.

Außerdem unbedingt einen Besuch wert: die Ansys Website zum Erfolgsteam aus Ansys und Porsche Motorsport.

Last bot not least ein Tipp und Hinweis in eigener Sache: Die "Innovation Conference" von Ansys im Oktober bietet eine wertvolle Gelegenheit, aktuelle Trends und Technologien im Bereich der Simulation und Produktentwicklung kennenzulernen. Teilnehmer erhalten Einblicke in Best Practices und Fallstudien führender Unternehmen, die innovative Lösungen mit Ansys-Tools realisiert haben, wie nicht zuletzt das Porsche-Team in der Formel-E-WM.

Die Konferenz fördert den Austausch zwischen Branchenexperten, Ingenieuren und Entwicklern, was den Wissenstransfer und die Vernetzung unterstützt. Zudem werden praxisnahe Workshops angeboten, die es ermöglichen, spezifische Anwendungsfragen zu klären und neue Ansätze direkt auszuprobieren. Ein Besuch ist für alle sinnvoll, die ihre Fähigkeiten in der Simulationstechnologie vertiefen möchten.

Wer Zeit und Lust hat, am besten gleich anmelden!