Forschung & Entwicklung

Mit Innovation an die technologische Spitze fahren: eine leidenschaftliche Paradedisziplin von Porsche. Das Unternehmen bietet die sportlichsten Fahrzeuge im jeweiligen Segment und setzt auch auf anderen Gebieten wichtige Meilensteine – von alternativen Antrieben bis hin zu digital unterstützten Produktionsabläufen. Was das bedeutet, zeigen aktuelle Beispiele aus dem Berichtsjahr.

911 Turbo, 2020, Porsche AG

E-Motoren mit Know-how aus Weissach

Porsche setzt auf einen Dreiklang der Antriebsarten: dynamische Elektroantriebe, effiziente Plug-in-Hybride und emotionale Verbrennungsmotoren. Trotz aller Unterschiede ist ihnen eines gemein – die für Porsche typische Sportlichkeit, mit der unsere Kunden sich ihre Träume mit jedem Antriebskonzept erfüllen können.

Der vollelektrische Porsche Taycan setzt Maßstäbe in Sachen Innovation. Er hat bereits rund 50 internationale Preise gewonnen, vor allem in den Hauptmärkten Deutschland, China, USA und Großbritannien. Unter anderem kürte der AutomotiveINNOVATIONS Report des Center of Automotive Management (CAM) den Elektrosportwagen im Juli 2020 mit insgesamt 27 Neuerungen zum bedeutendsten Innovationsträger auf dem globalen Automobilmarkt. Die CAM-Wissenschaftler stuften 13 dieser Innovationen als Weltneuheiten ein. Darunter die 800-Volt-Architektur, das Zweiganggetriebe an der Hinterachse, die hohe Rekuperationsleistung von bis zu 265 kW (Taycan Modelle: CO2-Emission kombiniert 0 g/km (NEFZ), Stromverbrauch kombiniert 28,7 – 26,2 kwh/100 km (NEFZ)) sowie den besten cW-Wert im Segment (ab 0,22).

Das Technologielabor von Porsche ist der Motorsport – auch für Serienfahrzeuge. Erkenntnisse aus der LMP1-Hybridtechnik bilden zum Beispiel eine starke Basis, die Elektrofahrzeuge der Marke zu entwickeln. Der Porsche 919 Hybrid hat von 2015 bis 2017 dreimal das 24­-Stunden-Rennen von Le Mans gewonnen. Er verfügte bereits über die 800-Volt-Technologie, die der Taycan später in die Serie brachte. Diese Spannungslage hat mehrere Vorteile: Sie ermöglicht eine hohe Dauerleistung des Antriebs und reduziert die Ladezeit. Geringere Kabelquerschnitte senken zudem das Gewicht. In den „Porsche E-Performance Powertrain“ des Rennwagens Porsche 99X für die ABB FIA Formel-E-Meisterschaft flossen die in der LMP1 gesammelten Erfahrungswerte ebenfalls ein.

Bei Porsche hat es Tradition, für die Antriebsentwicklung immer wieder neue Wege einzuschlagen. Dies gilt auch für Elektromotoren. Eigenentwicklungen optimieren den Leistungsverlauf für elektrisch angetriebene Sportwagen der Marke und verbessern ihre Effizienz. Die permanenterregten Synchronmaschinen des Taycan verfügen aufgrund zahlreicher Einzelmaßnahmen über einen sehr hohen Wirkungsgrad. So wurden beispielsweise die Magnetfeldverläufe optimiert. Außerdem ist jede Maschine mit einem Kühlwassermantel um den Stator versehen.

Dieser unbewegliche Teil des Elektromotors wiederum ist nicht, wie sonst üblich, von isoliertem Kupferdraht mit rundem Querschnitt umwickelt. Beim Taycan hat der Draht einen rechteckigen Querschnitt, weshalb die Wicklungen extrem eng beieinanderliegen können. „Hairpin“ heißt diese Technologie: Die Drähte werden gebogen und erinnern in ihrer Form vor dem Einbringen in den Stator an Haarnadeln. Ein Laserstrahl schweißt die offenen Enden zusammen. Das Ergebnis ist ein kompakter und vergleichsweise leichter E‑Motor mit verbesserter Wärmeableitung und optimiertem Wirkungsgrad. Das bringt mehr Reichweite und garantiert dauerhaft hohe Leistung.

„Die Elektromobilität ist eine absolut begeisternde und überzeugende Technologie. Aber für sich allein genommen bringt sie uns in Richtung Nachhaltigkeit weniger schnell voran, als wir vorankommen wollen. Deshalb engagieren wir uns zusätzlich beim Thema eFuels – auch im Hinblick auf etwaige Einsatzmöglichkeiten im Motorsport.“

Michael Steiner Mitglied des Vorstandes, Forschung und Entwicklung

Neuer 911 GT3 Cup, 2020, Porsche AG
Panamera - Technology

Hybridmodelle mit neuer Batterie und mehr Reichweite

Die Batterien für Elektroantriebe werden laufend weiterentwickelt. Davon profitieren auch die neu vorgestellten Cayenne- und Panamera-Modelle mit Hybridantrieb. Die Bruttokapazität der flüssigkeitsgekühlten Lithium-Ionen-Batterie beträgt nun 17,9 kWh statt bisher 14,1 kWh. Das Ergebnis ist eine um bis zu 30 Prozent gesteigerte, rein elektrische Reichweite. Im neuen Panamera Turbo S E-Hybrid (Kraftstoffverbrauch kombiniert 2,7 l/100 km (NEFZ), CO2-Emission kombiniert 62 g/km (NEFZ), Stromverbrauch kombiniert 21,8 kwh/100 km (NEFZ)) beträgt sie jetzt bis zu 50 Kilometer und im Cayenne E-Hybrid (Kraftstoffverbrauch kombiniert 2,5 – 2,4 l/100 km (NEFZ), CO2-Emission kombiniert 58 – 56 g/km (NEFZ), Stromverbrauch kombiniert 22,0 – 21,6 kwh/100 km (NEFZ)) bis zu 48 Kilometer (jeweils WLTP EAER City).

Der Elektromotor ist bei den Plug-in-Hybrid-Modellen des Cayenne in das Achtgang-Automatikgetriebe Tiptronic S und beim Panamera in das Achtgang-Doppelkupplungsgetriebe (PDK) integriert. Mit 100 kW (136 PS; Panamera Turbo S E-Hybrid: Kraftstoffverbrauch kombiniert 2,7 l/100 km (NEFZ), CO2-Emission kombiniert 62 g/km (NEFZ), Stromverbrauch kombiniert 21,8 kwh/100 km (NEFZ)) und 400 Newtonmetern Drehmoment ist beim Panamera Turbo S E-Hybrid eine rein elektrische Maximalgeschwindigkeit von 140 km/h möglich. Bei erhöhtem Leistungsbedarf oder einem Wechsel in die Fahrmodi „Sport“ beziehungsweise „Sport Plus“ schaltet sich der Verbrennungsmotor zu. Außerdem steht jederzeit die volle Rekuperationsleistung zur Verfügung. Damit ist der E-Charge-Modus nun effizienter als bisher. In den performanceorientierten Modi „Sport“ und „Sport Plus“ wird die Batterie stets auf ein Mindestniveau geladen, um ausreichende Boost-Möglichkeiten für eine sportliche Fahrweise bieten zu können. Dies geschieht nun noch effektiver mit einer höheren, reproduzierbaren Ladeleistung.

Der Panamera Turbo S E-Hybrid ist mit insgesamt 515 kW (700 PS; Kraftstoffverbrauch kombiniert 2,7 l/100 km (NEFZ), CO2-Emission kombiniert 62 g/km (NEFZ), Stromverbrauch kombiniert 21,8 kwh/100 km (NEFZ)) und einem Drehmoment von 870 Newtonmetern das leistungsstärkste Modell der Baureihe. Die Werte ergeben sich aus der Kombination eines Vierliter-V8-Biturbomotors mit 420 kW (571 PS) und der elektrischen Maschine mit 100 kW (136 PS). Das ermöglicht außergewöhnliche Fahrleistungen: In Kombination mit dem serienmäßigen Sport Chrono-Paket gelingt dem Panamera Turbo S E-Hybrid der Sprint von null auf 100 km/h in 3,2 Sekunden – 0,2 Sekunden weniger als beim Vorgänger. Bei 315 km/h ist die Höchstgeschwindigkeit erreicht – plus fünf km/h.

911 GT3 RS, 2020, Porsche AG

eFuels für Verbrennungsmotoren

Porsche wird ab 2025 die Hälfte aller Fahrzeuge mit E-Antrieb verkaufen – sowohl mit voll- als auch mit teilelektrischem Antrieb. Üblicherweise werden die Fahrzeuge des Sportwagenherstellers sehr lange gefahren: Rund 70 Prozent aller jemals gebauten Porsche existieren noch. Auch deswegen hat das Unternehmen 2020 bekannt gegeben, dass es sich an der Erforschung und Industrialisierung synthetischer Kraftstoffe beteiligen wird. Da solche Kraftstoffe mithilfe regenerativ erzeugter elektrischer Energie hergestellt werden, spricht man von eFuels. Die von Porsche angestrebten eFuels sollen in ihren Eigenschaften den aktuellen Kraftstoffnormen entsprechen. Sie können somit in allen Verbrennungsmotoren eingesetzt werden – in aktuellen Modellen ebenso wie in Klassikern der Marke und im Motorsport. Ein großer Vorteil etwa im Vergleich zu Wasserstoffgas ist, dass eFuels über das vorhandene Tankstellennetz vertrieben werden können.

Das entscheidende Argument für eFuels: Sie können dazu beitragen, dass weniger fossiles CO2 in die Erdatmosphäre gelangt. Für eFuels wird zunächst bei der Elektrolyse normales Wasser (H2O) unter Zuführung von Strom in die Gase Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten. In einem nächsten Schritt wandelt die Methanolsynthese den Wasserstoff mit der Luft entzogenem Kohlendioxid (CO2) in Methanol (CH3OH) um.

Das so gewonnene eMethanol kann in vielen Industrieprozessen als „grüner Ersatzstoff“ für herkömmliches Methanol eingesetzt werden. Dieses wird üblicherweise aus fossilem Rohöl oder Erdgas produziert. Die von Porsche angestrebte Verfahrensroute wandelt das eMethanol mit dem Methanol-to-Gasoline-Verfahren (MtG) in einen Ottokraftstoff um und veredelt diesen nachfolgend zu einem normkonformen Ottokraftstoff.

Entscheidend für die Gesamtbilanz der eFuels ist eine effiziente und ökologische Herstellung des für die Elektrolyse notwendigen elektrischen Stroms. Er entsteht idealerweise in Weltregionen mit guten Ökostrom-Rahmenbedingungen. So können beispielsweise Windräder in Südamerika eine ungefähr viermal höhere Energiemenge bereitstellen als an deutschen Standorten. Vor diesem Hintergrund entwickelt und realisiert Porsche gemeinsam mit Siemens Energy und einer Reihe von internationalen Unternehmen in Chile ein Pilotprojekt. Daraus soll die weltweit erste integrierte und kommerzielle Großanlage zur Herstellung von eFuels hervorgehen. Die Methanolsynthese sollte idealerweise direkt vor Ort erfolgen, da Strom sich nur mit sehr hohen Verlusten interkontinental transportieren lässt. Das entstandene Methanol oder gegebenenfalls auch den daraus hergestellten Treibstoff können Tankschiffe hingegen mit vergleichsweise geringen Transportkosten zu europäischen Raffinerien bringen, die dann den fertig veredelten Kraftstoff produzieren.

Laser-Metall-Fusion-Verfahren. 3D-Druck, 2020, Porsche AG

Produktionsmethode 3D-Druck

Die Entwicklung innovativer Fahrzeugtechnologien führt immer wieder auch zu neuen Produktionsansätzen. So könnten verschiedene Fahrzeugkomponenten – etwa für Klein- oder Sonderserien – künftig aus dem 3D-Drucker kommen. Davon sind die Spezialisten im Entwicklungszentrum Weissach überzeugt und sie haben bereits gute Argumente vorgelegt. Dazu gehören im 3D-Metalldrucker hergestellte Kolben für den Hochleistungsmotor des 911 GT2 RS. Der Clou des Pilotprojekts: Die Kolben sind mit einem integrierten Kühlkanal versehen, der mit herkömmlichen Verfahren nicht herstellbar ist. Das verringert die Temperaturbelastung der Kolben.

Ein weiterer Vorteil: Im Vergleich zu den geschmiedeten Serienkolben verringert sich das Gewicht um mindestens zehn Prozent. Dadurch steigen die Motordrehzahl und damit die Leistung um bis zu 22 kW (30 PS). Zusätzlich halten die Kolben aus dem 3D-Drucker höchsten Anforderungen stand. Unbeschadet haben sie ein Testprogramm über simulierte 24 Stunden auf einer Hochgeschwindigkeitsstrecke bei 250 km/h überstanden. Das entspricht einer Strecke von 6.000 Kilometern. Hinzu kamen 135 Stunden unter Volllast sowie 25 Stunden Schlepplast bei verschiedenen Drehzahlen. Das Projekt hat Porsche gemeinsam mit den Partnern Mahle, Trumpf und Carl Zeiss umgesetzt.

Ebenfalls im 3D-Druck entstand der Prototyp des kompletten Leichtmetallgehäuses eines E-Antriebs. Es wiegt weniger als ein konventionell gegossenes Bauteil und reduziert das Gesamtgewicht des Antriebs um rund zehn Prozent. Spezielle Strukturen, die erst im 3D-Druck möglich werden, erhöhen die Steifigkeit in stark belasteten Bereichen gleichzeitig auf das Doppelte. Ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung: Zahlreiche Funktionen und Bauteile sind integriert. Das reduziert den Montageaufwand erheblich und bringt unmittelbare Vorteile für die Bauteilqualität mit sich.

Der 3D-Druck ist derzeit insbesondere für Sonder- und Kleinserien sowie für den Motorsport interessant – wirtschaftlich und auch technisch. Seit Mai 2020 bietet Porsche zudem einen individuell per 3D-Druck hergestellten Bodyform-Vollschalensitz für die 911- und 718-Modelle an. Porsche Classic lässt Kunststoff-, Stahl- und Leichtmetallteile mit additiven Verfahren nachfertigen und schließt damit Lieferlücken für Klassiker der Marke.

Patente als Innovationsbasis

Patente sind die Basis für die langfristige und sichere Nutzung innovativer Entwicklungen. Allerdings ist das Patentrecht im Fluss: In der Vergangenheit lag der Schwerpunkt von Porsche mehrheitlich im Bereich klassischer Automobiltechnik – von der Fahrwerksentwicklung bis zum Verbrennungsmotor. Nun kommen immer stärker Themen wie E-Mobilität, Konnektivität, autonomes Fahren und Digitalisierung hinzu. Wichtige Patente für heutige Fahrzeugkomponenten liegen somit nicht mehr allein bei klassischen Automobilherstellern, sondern auch bei Unternehmen aus Elektronik und Mobilfunk. Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) gewinnen ebenfalls zunehmend an Bedeutung.

Die Porsche-Abteilung „Schutzrechte und Lizenzen“ in Weissach hat sich darauf eingestellt und unter anderem KI-Spezialisten in ihre Reihen aufgenommen. Die Abteilung leistet Basisarbeit für modernen Patentschutz: Die Software als solche – eine zentrale Komponente heutiger Fahrzeuge – gilt beispielswiese nicht als Erfindung und lässt sich daher auch nicht patentrechtlich schützen. Das ändert sich, wenn grundlegende Konzepte einer technischen Anwendung von einem neuen Computerprogramm gesteuert werden. Oder anders gesagt: Wenn Software einen technischen Beitrag zur Lösung eines Problems liefert, lässt das Patentrecht deren Schutz zu.

Ein Beispiel: Porsche hat ein umfangreiches Patent für die Steuergerätekalibrierung mithilfe von KI angemeldet. Sensoren erfassen dabei die Daten des zu steuernden Geräts – wie Parameter zu Schaltvorgängen eines PDK-Getriebes oder zu Klopfgeräuschen im Motor – und übergeben diese an Algorithmen zur Auswertung. Das KI-Verfahren sucht nun selbstständig die optimale Steuergeräteeinstellung, indem es die Getriebeabstimmung oder den Zündzeitpunkt verändert. Es registriert, wenn etwa ein Schaltvorgang flüssiger geworden ist oder ein Brennverfahren ohne Klopfen stattgefunden hat, speichert den entsprechenden Einstellwert und optimiert so die Abläufe.

Wo die Entwickler bisher mühselig mit einer Trial-and-Error-Methode vorgehen mussten, erreicht diese Technik mithilfe des „KI-verstärkten Lernens“ den optimalen Wert eigenständig und schneller. Die Methode lässt sich auch in anderen Technikbereichen anwenden. Wichtig für die Patentanwälte ist das Wort „Technizität“. Weil in diesem Fall die im deutschen und europäischen Patentrecht geforderte Technizität gegeben ist, kann so ein Verfahren ähnlich gut geschützt werden wie klassische Erfindungen im Bereich des Automobilbaus.

Technologien „Made in Weissach“

Mittelpunkt der Innovationen von Porsche ist das Entwicklungszentrum Weissach (EZW): Es ist die Denkfabrik des Unternehmens. Von der ersten Zeichnung bis zum fertigen Prototyp werden hier seit 1971 Fahrzeuge mit kurzen Wegen zwischen den einzelnen Fachgebieten entwickelt, erprobt und für die Serienfertigung vorbereitet. Design und Konzeption, Modellbau und erste Prototypen, Prüfung von Aerodynamik, Akustik und Elektronik, Entwicklung von Antriebssystemen, Lenkungen und Fahrwerken, Sicherheitsversuche und Erprobungen, eine eigene Teststrecke sowie die Motorsportabteilung von Porsche – all das umfasst das EZW.

Der Sportwagenhersteller setzt dabei auf traditionelle Handarbeit genauso wie auf hochmoderne Technologie. Aktuell sind knapp 6.800 Mitarbeiter am Standort beschäftigt, rund 80 Prozent davon in der Entwicklung. Sie gestalten den Wandel für Porsche, verbinden die traditionellen Gene der Marke mit den Technologien von morgen und schaffen immer wieder neue faszinierende und emotionale Produkte.

 

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Geschäfts- und Nachhaltigkeitsbericht 2020 Porsche AG
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Verbrauchsangaben

  • 2,5 – 2,4 l/100 km (NEFZ)
  • 58 – 56 g/km (NEFZ)
  • 22,0 – 21,6 kwh/100 km (NEFZ)

Cayenne E-Hybrid (NEFZ)

Kraftstoffverbrauch / Emissionen
Kraftstoffverbrauch kombiniert 2,5 – 2,4 l/100 km (NEFZ)
CO2-Emission kombiniert 58 – 56 g/km (NEFZ)
Stromverbrauch kombiniert 22,0 – 21,6 kwh/100 km (NEFZ)
  • 11,1 l/100 km (NEFZ)
  • 254 g/km (NEFZ)

911 Turbo (NEFZ)

Kraftstoffverbrauch / Emissionen
Kraftstoffverbrauch kombiniert 11,1 l/100 km (NEFZ)
CO2-Emission kombiniert 254 g/km (NEFZ)
  • 2,7 l/100 km (NEFZ)
  • 62 g/km (NEFZ)
  • 21,8 kwh/100 km (NEFZ)

Panamera Turbo S E-Hybrid

Kraftstoffverbrauch / Emissionen
Kraftstoffverbrauch kombiniert 2,7 l/100 km (NEFZ)
CO2-Emission kombiniert 62 g/km (NEFZ)
Stromverbrauch kombiniert 21,8 kwh/100 km (NEFZ)
  • 3,3 – 2,4 l/100 km (NEFZ)
  • 76 – 56 g/km (NEFZ)
  • 23,5 – 21,6 kwh/100 km (NEFZ)

Cayenne E-Hybrid Modelle

Kraftstoffverbrauch / Emissionen
Kraftstoffverbrauch kombiniert 3,3 – 2,4 l/100 km (NEFZ)
CO2-Emission kombiniert 76 – 56 g/km (NEFZ)
Stromverbrauch kombiniert 23,5 – 21,6 kwh/100 km (NEFZ)
  • 0 g/km (NEFZ)
  • 28,7 – 26,2 kwh/100 km (NEFZ)

Taycan Modelle

Kraftstoffverbrauch / Emissionen
CO2-Emission kombiniert 0 g/km (NEFZ)
Stromverbrauch kombiniert 28,7 – 26,2 kwh/100 km (NEFZ)
  • 2,8 – 2,0 l/100 km (NEFZ)
  • 63 – 47 g/km (NEFZ)
  • 22,8 – 17,0 kwh/100 km (NEFZ)

Panamera E-Hybrid Modelle

Kraftstoffverbrauch / Emissionen
Kraftstoffverbrauch kombiniert 2,8 – 2,0 l/100 km (NEFZ)
CO2-Emission kombiniert 63 – 47 g/km (NEFZ)
Stromverbrauch kombiniert 22,8 – 17,0 kwh/100 km (NEFZ)