F1: Die Red Bull Traktionskontrolle erklärt

Wir haben ein wenig recherchiert, telefoniert, gelesen und nachgedacht. Und vielleicht eine Erklärung dafür gefunden, wie die „Traktionskontrolle“ von Red Bull funktioniert.

Die plötzliche Siegesserie von Sebastian Vettel und Red Bull hinterlässt ein paar Fragezeichen. Der RB9 war schon vor der Sommerpause sehr schnell, immerhin konnte Vettel vier Rennen gewinnen. Aber man war bei weitem nicht so dominant, wie seit dem Rennen in Spa. Wirklich ausschlaggebend für alle Gerüchte war das Rennen in Singapur, als Vettel teilweise zwei Sekunden schneller als der Rest der Welt war. Der Weltmeister sprach nach dem Rennen in Singapur selber davon, dass man „die Hosen runter gelassen“ habe. Aber seit diesem Rennen geistern Theorien durchs Netz, was genau Red Bull da veranstaltet. Wir haben unsere Köpfe rauchen lassen und dank der Hilfe von einigen Chatteilnehmern und einem Insider in Sachen KERS haben wir zwei Varianten gefunden, die Red Bull eventuell einsetzen könnte. Dafür müssen wir aber technisch etwas ausholen…

Dass das Team auf eine Art Traktionskontrolle setzen könnte, kam als Gerücht schon einmal nach dem Rennen in Kanada auf, als ein körniges Video von Mark Webber die Runde machte, in dem unterbrochene Beschleunigungsstreifen zu sehen waren. Ein mögliches Indiz dafür, dass eine Art mechanische Traktionskontrolle zum Einsatz kommen könnte. Das Gerücht ging relativ schnell wieder unter.

Grund dafür sind die strikten Regel und Kontrollen der FIA. Die technischen Regularien der FIA (pdf) sind da ziemlich klar. Die gesamte Motorsteuerung läuft über die Einheits-ECU, die den Teams von der FIA gestellt wird. Mögliche Manipulationen am Code werden regelmäßig überprüft, die Änderungen, die vorgenommen werden dürfen, müssen von der FIA abgenommen werden. Theoretisch ist es möglich, einen Code in einem Code so zu verstecken, dass er bei einer oberflächlichen Überprüfung nicht gefunden wird. Auch Lücken im Code (man kennt das auch als „Zero-Day-Exploit“) könnten von begabten Hackern gefunden und ausgenutzt werden. Aber selbst versteckter Code lässt sich mit einigem Aufwand finden, und man kann sich vorstellen, was los wäre, sollte man in der ECU eines Teams eine Manipulation finden. Ausschluss aus der WM wäre die Mindeststrafe.

Wenn man also die ECU nicht überlisten kann, muss man einen anderen Weg finden. Die FIA schreibt in Sachen KERS weniger vor, als man vielleicht denken würde. Ihr geht es vor allem um die Menge an gespeicherter Energie, die pro Runde abgerufen werden kann und die Tatsache, dass man mit dem elektronischen Gaspedal nicht die Leistungsabgabe des Motors beeinflussen kann.

In den technischen Regeln gibt es im für eine Traktionskontrolle wichtigen Punkt „5.5 Engine torque demand“ zwei wichtige Passagen:

5.5.1 The only means by which the driver may control the engine torque is via a single chassis mounted foot (accelerator) pedal.

5.5.3 The maximum accelerator pedal travel position must correspond to an engine torque demand equal to or greater than the maximum engine torque at the measured engine speed. The minimum accelerator pedal travel position must correspond to an engine torque demand equal to or lower than 0Nm.

Zusammengefasst: Das Drehmoment muss bei voll durchgetretenem Gaspedal auch voll da sein, man darf zur Kontrolle des Drehmoments nichts anderes als das elektronische Gaspedal einsetzen.

Was also an der Kurbelwelle beim Motor rauskommt, darf nicht beeinflusst werden. So einfach, so klar. Weitaus weniger klar ist aber die Frage, was mit dem Drehmoment passiert, bevor es am Differential ankommt bzw. dieses verlässt.

Die Theorie in Sachen „Traktionskontrolle“ bei Red Bull setzt genau an diesen Punkt an. Damit das funktionieren kann, kommt einiges zusammen.

Zum einen muss ich wissen, wann die Reifen durchdrehen, denn genau das will ich ja vermeiden. Hierfür gibt es grundsätzlich die Möglichkeit über Sensoren die Winkelgeschwindigkeit der Räder und der Antriebswellen und vor allem die Winkelbeschleunigung, also die Änderung der Winkelgeschwindigkeit pro Zeit, zu messen. Eine hohe Winkelbeschleunigung der Reifen wird angestrebt, resultiert dies doch in einer hohen Beschleunigung. Liegt diese aber über einem kritischen Wert, fängt das Rad an durchzudrehen und man verliert Zeit und der Reifen baut schneller ab.

Diese Datan darf man aber z.B nicht für die ECU verwenden. Red Bull hat also wohl auch eine zweite Möglichkeit gefunden, nämlich eine Messung über das dynamische Verhalten der Hinterachsgeometrie und vor allem über deren Feder und Dämpferwege. Die Dämpfer in der F1 sind wirklich winzig und gerade mal so groß wie eine Männerhand (siehe Vergleichsbild unten). Der Federweg beträgt nur wenige Millimeter, ein großer Teil der Energie wird durch die Reifen und die Aufhängung abgefangen. Aber sie bewegen sich dennoch und man kann messen, wann ein Dämpfer komplett zusammengedrückt wird und wann er nur teilweise belastet ist. Dazu kommen dann die Werte, welche Beschleunigungs- und Drehsensoren an meiner Antriebswelle bzw. an meinem Radträger liefern.

Beim Herausbeschleunigen aus einer Kurve geht ein Wagen hinten in die Knie. Je mehr Leistung abgerufen wird, desto mehr wird er auf die Strasse gepresst. So lange, bis die Reifen die Energie nicht mehr weitergeben können und durchdrehen. Man weiß also, dass die Reifen dann den besten Grip aufbauen, wenn die Dämpfer komplett auf Anschlag sind. Würde man die gesamte Leistung des Motors auf die Reifen geben, wenn die Dämpfer nicht voll belastet sind, drehen die Räder schneller durch.

Red Bull hat nun anscheinend einen Weg gefunden, diese Messungen mit dem KERS Elektromotor zu koppeln und in Verbindung mit zusätzlichen Komponente eine Regelung aufzubauen und damit eine Traktionskontrolle, die über das KERS erzeugt wird. Wie diese Traktionskontrolle nun wirklich funktioniert, dafür gibt es wohl zwei Möglichkeiten:
Variante 1:

Der E-Motor sitzt bei Renault in der Getriebe/Differentialeinheit hinter dem Motor. Theoretisch (und wir bewegen uns hier wirklich in der Theorie) ist es möglich, den E-Motor als „Schleppmotor“ zu benutzen. Das heißt, er leistet einen Widerstand gegenüber dem eigentlichen Antriebsaggregat.

Anders gesagt: Der E-Motor zapft einen Teil der vom Motor erbrachten Energie ab und leitet sie in die KERS-Batterie bzw. in einen weiteren Zwischenspeicher (Kondensator, Akku). Dafür müsste der Motor eine veränderbare Drehmomentcharakteristik besitzen. Dies kann z.B über Kondensatoren geschehen. Beim Torque Vectoring passiert nichts anderes, denn hier muss auch permanent das Drehmoment des Motors variiert werden, allerdings eher um die Querdynamik zu beeinflussen. Die Funktionsweise wäre bei Red Bull dann im Ablauf so:

– Stoßdämpfer misst Kompression

– Wird über die Sensoren an Feder, Dämpfer, Rad, Antriebswelle registriert, dass an den Rädern Schlupf vorherrscht bzw. wird in kürzester Zeit eintreten, schaltet sich der E-Motor hinzu, der die Energie des Drehmomentes zum Teil abgreift. So wird nur ein Teil an die Räder weitergeleitetet, der Rest landet in der KERS-Batterie bzw. einem weiteren Hochleistungsakku, welcher im Motor oder der Leistungselektronik versteckt wäre.

– Wird kein Schlupf mehr registriert, wird der „Bremsmotor“ abgeschaltet, die gesamte Energie des Motors wird an die Räder gegeben.

Regeltechnisch ist das ok, aber haarig. Ich habe nichts zum Thema gefunden, wie das KERS eigentlich aufgeladen werden soll, es kann auch Energie vom Motor genommen werden. Es gibt auch keine Vorschriften, wann das KERS geladen werden darf. Es ist quasi meine Entscheidung, wann ich die Energie vom Motor wegnehme. Logischerweise macht man das normalerweise in der Bremsphase, wo ich die Energie des Motors nicht benötige. Es spricht aber keine Regel dagegen, das beim Beschleunigen oder in einer Kurve zu machen. Dazu muss man sagen, dass die Regelmacher auch nur zwei Szenarien im Hinterkopf hatten, die absolut plausibel sind und auf denen die Regeln aufgebaut sind.

Szenario 1: Auto bremst, E-Motor läuft als Generator und gewinnt beim Bremsvorgang Energie.

Szenario 2: Auto beschleunigt, E-Motor gibt seine Energie bei der Beschleunigung ab.

Allerdings würde das Red-Bull-System ein eigenes Szenario darstellen: Auto beschleunigt und E-Motor gewinnt beim Beschleunigen Energie zurück. Ein solches Szenario wird auch in der aktuellen Racecar Eng. diskutiert und dort für möglich erachtet.

Es gibt aber noch eine zweite denkbare Variante, die mit der ersten Variante gewisse Ähnlichkeiten hätte, aber doch ein paar Unterschiede bzgl. des Eingriffs und weniger Speicherkapazität benötigen würde:

Sie wäre eine große Regelung zwischen Telemetrie, E-Motor, Motor, Fahrwerkssensoren, Leistungselektronik und (versteckten Kondensatoren). Sie würde im Prinzip wie folgt funktionieren:

– Telemetrie erkennt Schlupf an den Rädern

– E-Motor schaltet sich sofort als Schleppmotor für sehr kurze Zeit (z.B 0,1 sek) ein und gewinnt dabei Energie zurück

– Winkelbeschleunigung wurde reduziert und das Rad dreht sich perfekt.

– E-Motor gibt sofort wieder seine Energie ab, die er in Hochleistungskondensatoren gespeichert hat.

– Telemetrie erkennt wieder Schlupf

Für Variante 2 würden zwei Dinge sprechen: Zum einen die unterbrochen Streifen von Mark Webbers Auto, zum anderen aber auch das folgende Video. Der Chatuser Fermikante hat sich mal die Arbeit gemacht und die Frequenz der Geräuschsequenz rausgefiltert und ist auf ca. 11 Hz gekommen. Xander hat später ausgerechnet, dass die Ladezeit bei 120 kmh und 1m Ladeweg 0,03 Sekunden wäre. Wenn man nun davon ausgeht, dass das Laden, das perfekte Beschleunigen des Rades und das Entladen gleich lang dauert, kommt man auf 0,09 sek, was ziemlich genau 11 Hz wären.

Das bedeutet, dass es beim Rausbeschleunigen zwei Zustände gibt: Schlupf = E-Motor greift ein. Kein Schlupf = E-Motor/Superkondensator gibt Energie frei, Schlupf entsteht, die Beschleunigungsstreifen entstehen. Und so weiter und so fort. Die markanten Streifen, die bei Webber in Kanada zu sehen waren, sind nicht wieder aufgetaucht. Was darauf hinweisen kann, dass Red Bull das System perfektioniert hat.

In beiden Fällen ist der Trick genial. Die ECU überwacht zwar das KERS, aber es geschieht ja in beiden Varianten nichts illegales. Es gibt keine Regel, die besagt, wann und wie das KERS geladen wird, es gibt keine Regel, die vorschreibt, wann die gespeicherte Energie abgerufen wird. Was beschränkt wird, ist die Menge der Energie, die auf einer Runde abgerufen werden kann. Ein „geheimer“ Superkondensator, der zusätzlich Energie speichert, wäre illegal, wenn man ihn denn finden kann. Er lässt sich leicht als „Zwischenspeicher“ oder Spannungsausgleich deklarieren bzw. über eine aufgeblähte Spannungsausgleichung oder Dämpfung verstecken (Danke an Xander für den Tipp). Nachweisen, dass er Energie abliefert, kann man vermutlich nicht. Dies sagen wir allerdings mit der Einschränkung, dass wir nicht wissen, wie die ECU den gesamten Energieverkehr überwacht. Es ist ein Unterschied, ob die ECU die Menge der aufgefangenen Energie, die Menge der gespeicherten Energie im KERS oder die Menge der Energie misst, die aus dem KERS abgerufen wird. Die KERS-Batterie kann mehr Energie speichern, als man abrufen darf, weil eine Totalentleerung die Akkus schädigt. Das kennt jeder von seinem Smartphone-Akku. Es wäre also logisch, wenn die ECU nur die Menge der abgerufenen Energie überwacht und auf die vorgeschriebene Menge beschränkt. Eine Restspannung bleibt auch nach Abruf erhalten, um den Akku nicht zu beschädigen. Ein dazwischen geschalteter Superkondensator, der die Energie nur 0,001 bis 0,3 Sekunden hält und diese sofort wieder abgibt, würde nicht auffallen.

Solche Systeme haben aber eins gemeinsam: Sind sind extrem schwer zu programmieren, aber vor allem auch zu verstecken und noch mehr zu kühlen. Im Falle von Red Bull müsste man die Kondensatoren bzw. die Kondensatoren, die in der Leistungselektronik versteckt sind, kühlen. Da dies im wohl im Getriebehousing geschehen müsste, wäre das extrem schwer. Allerdings würde dass auch wieder zu den Überhitzungsproblemen passen, die Red Bull mit seinem KERS-System hat.

Die Formel Eins ist nicht die einzige Serie, die mit einem KERS-System arbeitet. Auch in der WEC wird ein solches eingesetzt. Toyota setzt ein System ein, dass nur auf die Hinterachse wirkt, auch hier wird man das Problem haben, dass die zusätzliche Leistung an der Hinterachse Probleme verursacht. Audi hat deswegen zwei Elektromotoren an der Vorderachse, die quasi einen Allradantrieb ergeben und Torque Vectoring beherrschen. Deswegen darf Audi sein KERS erst ab 120 km/h einschalten. Für Toyota, die nur über die Hinterachse gehen, ist das Problem also komplexer, auch hier gibt es Vermutungen, dass die abgegebene Energie mittels eines wie oben beschriebenen Systems eingesetzt wird. Die Beschleunigungsvorteile des Toyota sind in langsamen Ecken in Onboard-Aufnahmen jedenfalls gut dokumentiert.

Das sind Spekulationen, und man sollte ein paar Argumente, die gegen eine Traktionskontrolle sprechen, nicht vergessen.

– Ein solches System wäre, ob als Variante 1 oder 2 dargestellt, sehr komplex, weil das Zusammenspiel zwischen Motor, Stoßdämpfer, E-Motor, Telemetrie und KERS extrem kompliziert ist. Allein die Reaktionszeiten der Systeme sind ultrakurz, dazu kommt, dass es eine Steuereinheit im E-Motor geben muss, die diese Arbeit unentdeckt erledigen kann.

– Einen Hinweis, ob ein solches System existiert, könnte man bekommen, wenn man an die Datenaufzeichnungen von Red Bull kommen könnte. Dort wird nämlich auch die Gaspedalstellung festgehalten. Die FIA müsste nur mal ein Datenblatt von Red Bull mit dem eines Konkurrenten vergleichen, dann würde man anhand der Gaspedalstellung sehen, ob es massive Unterschiede gibt. Auch über die Drehzahlen des Motors aus der ECU müsste man im Vergleich etwas erkennen. Bisher gab es meines Wissens keine derartige Untersuchung, was nicht heißt, dass sie nicht stattgefunden hat. Wie wir wissen, passiert so etwas auch gerne mal hinter den Kulissen. Aber auch hier gibt es die zeitliche Einschränkung, denn das alles passiert in wenigen Hundertsteln. Selbst wenn man sehen würde, dass man in einem Red Bull 0,2 Sekunden (20 bis 50 Meter in einer Kurve) vor der Konkurrenz aufs Gas gehen kann, kann Red Bull das immer noch mit einer besseren Aerodynamik erklären.

– Dennoch, das Risiko, das Red Bull mit einer mehr oder weniger legalen Sache eingehen würde, ist enorm. Wie jedes andere Team arbeitet man an den Grenzen dessen, was die Regeln zulassen. Man probiert auch mal Dinge aus, die etwas tiefer in der Grauzone liegen. Aber Red Bull ist bisher nicht als ein Team aufgetreten, dass bewusst betrügt. Und ich traue das auch weder Adrian Newey zu, noch glaube ich, dass Dietrich Mateschitz so etwas begrüßen würde. Die Marke Red Bull würde erheblichen Schaden nehmen und die Marke ist mehr wert als das F1-Team.

– Ein weiteres Problem stellt die zusätzlich gespeicherte Energie dar. Die Idee eines zwischengeschalteten Superkondensators ist verlockend. Man könnte die Energie auch in größeren Hochleistungskondensatoren innerhalb der Leistungselektronik versteckt speichern und das ganze als große Leistungsregelung deklarieren.(Hinweis vom User Xander). Es wäre quasi eine zweite KERS-Batterie, die meine gesparte Energie wieder abgibt. Allerdings wäre das tatsächlich illegal. Zum einen ist für die Speicherung ausschließlich die KERS-Batterie vorgesehen, zum anderen würde es die Menge der Gesamtenergie (400 kj), die man in einer Runde speichern und wieder abgeben darf, überschreiten. Es wäre vielleicht dann halblegal, wenn der Red Bull insgesamt tatsächlich nicht mehr Energie aufnehmen bzw. abgeben würde. Wozu aber dann einen versteckten Superkondensator unterbringen?

– Wie bei allen Verschwörungstheorien gilt auch hier: Je komplexer die Materie, desto mehr Menschen sind damit beschäftigt. Je mehr Menschen damit beschäftigt sind, desto höher ist das Risiko, dass etwas rauskommt. Und die F1 ist ein Dorf, in dem jeder jeden kennt. Die Rennmanipulation von Renault ist rausgekommen, die Spionageaffäre zwischen McLaren und Ferrari auch.

Der Artikel entstand mit Informationen von Racecar Engineering, Jalopnik, Axis of Oversteer, der Chatusern Xander und Fermikante sowie einigen Tippgebern, die lieber nicht genannt werden möchten.