Potenza e prestazioni: la batteria della Formula E

Potenza e prestazioni: la batteria della Formula E

18 set, 2014

ha superato i vincoli tecnici e di tempo per sviluppare una batteria per la Formula E.

La batteria è l’auto, secondo , operations manager alla e responsabile del programma per progettare la batteria per la Formula E. E’ un commento che è difficile da afferrare fino a vedere la batteria stessa.

di Stuart Nathan

Fonte: The Engineer

 

16 settembre 2014. La batteria delle vetture di Formula E è un oggetto ingombrante ed imponente.

Si tratta di un enorme blocco trapezoidale, avvolto in fibra di carbonio composito e costellato di tubi e punti di ancoraggio; molto più grande anche di un motore di Formula Uno. Da una parte ci sono i bulloni che la fissano alla cella di sicurezza della monoscocca, e l’inverter, il gruppo motore e gli attacchi delle sospensioni posteriori sono sul lato opposto, il che la rende una grande parte strutturale della vettura. Quando normalmente si parla di batterie strutturali ci si riferisce ai materiali della carrozzeria che ospitano le batterie; ma non di cose che in realtà tengono la macchina insieme e prendono i momenti flettenti, le sollecitazioni e le forze generate dall’interazione della macchina con la strada – soprattutto non a velocità di corsa.

“La batteria è l’auto”. E ‘difficile da afferrare questo commento fino a vedere la batteria stessa.

Il percorso di Williams Advanced Engineering per diventare fornitore delle batterie delle auto si è sviluppato in un anno un po’ più tortuoso rispetto a quello degli altri membri del consorzio fornitore dell’automobile. “Un altro potenziale interessato è stato originariamente in fila per fornire la batteria, ma poi abbiamo visto il progetto presentato”, ha spiegato Ekerold.

“Così abbiamo aderito al consorzio circa sei mesi dopo la (che ha progettato e costruito il telaio) e (che ha costruito il motore e il suo sistema di gestione). Siamo saliti a bordo nel mese di giugno 2013, il che significa che abbiamo avuto un po’ meno di un anno per completare il progetto”.

 

CX-75

Williams ha sviluppato il sistema di batteria per la Concept Car Jaguar CX-75 ibrida.

I tempi stretti non sono insoliti per le aziende del motorsport, ma lo è collaborare molto strettamente con altre aziende che sono normalmente acerrimi rivali. Inoltre, il team si è riunito al progetto in un momento in cui molti dei parametri vitali erano già stati decisi dagli altri partner. In particolare, ha osservato , capo specialista tecnico per i sistemi ibridi e leader della progettazione per gli aspetti elettronici della batteria, le sue dimensioni erano state decise in modo che Dallara e , membri del consorzio e leader per la consegna di tutta la vettura, potevano andare avanti con la loro parte del disegno.

“Quando siamo andati per aderire al progetto ci hanno dato delle specifiche e dei requisiti in base alle norme FIA di quel momento e del progetto esistente dalla Spark Racing Technologies” – ha detto Tur. “Ci hanno dato una dimensione predefinita del contenitore della batteria e perché la batteria è un elemento strutturale della vettura doveva essere progettata sulla base di una serie di norme e regolamenti FIA e come abbiamo aderito sei mesi dopo, le dimensioni esterne erano già state stabilite – anche se la scatola stessa non era stata progettata’.

“Due progetti – KERS per la Formula Uno e il sistema di batterie per la supercar Jaguar CX-75 ci hanno dato la credibilità per affrontare questa sfida” – ha detto Gary Ekerold

 

Gli altri parametri sono stati basati sulle prestazioni che la batteria doveva sviluppare.

“Di alto livello, la FIA ha dichiarato 200 kW di potenza massima dalla batteria, e in quel momento l’energia totale utilizzabile era limitata a 30 kWh compreso il contributo della frenata rigenerativa. C’era un limite al peso di 200 kg della cella, qualunque sia la chimica usata”, ha detto Tur. In sintonia con il lavoro di McLaren sul motore, è stata comunicata a Williams una gamma di tensione e due profili “uno per la qualifica e uno per la corsa” per fornire la potenza per le prestazioni attese dal motore. “Quindi sapevamo cosa avremmo dovuto fare, quanti cicli avrebbero dovuto supportare attraverso quanti weekend di gara”. La squadra sapeva anche quali erano i requisiti di raffreddamento della batteria e che si doveva ricaricare completamente al massimo in un’ora.

 

Formula E batteria 6

La vettura di Formula E è il prodotto di un consorzio di imprese, molte delle quali sono di solito rivali.

Williams non era estraneo a questo campo. La sua esperienza nella batteria è iniziata con il lavoro sul proprio KERS (sistema di recupero dell’energia cinetica) per la Formula Uno, ha detto Ekerold, che era iniziato come un sistema a volano (la base di cui ha recentemente venduto il progetto a GKN) e poi si è spostato ad una batteria. Quando la divisione Advanced Engineering è stata istituita nel 2012, fornendo servizi specialistici ai clienti del settore automobilistico, ha usato la sua esperienza nella progettazione della sua batteria del KERS per costruire sistemi di batterie per la supercar Jaguar CX-75 hybird.

“Questi due progetti sono state le cose principali che ci hanno dato la credibilità per affrontare questa sfida” – ha detto Ekerold.

I vincoli delle prestazioni della batteria e il tempo limitato hanno fatto sì che la scelta della chimica da usare nella batteria fosse limitata; non potevano sviluppare e testare nuove sostanze chimiche, nonostante il coinvolgimento Williams con progetti di tecnologia Strategy Board finanziati per fare proprio questo. Tur quindi ha selezionato le celle off-the-shelf da un fornitore esistente con chimica di polimero ben compreso agli ioni di litio.

“La nostra prima sfida era adattare le celle all’ingombro della scatola” ha detto. “E’ stato giusto da un punto di vista volumetrico: avevamo il volume disponibile per adattare abbastanze celle per darci lo stoccaggio di cui avevamo bisogno. Ma nessuno dei terminali nella forma delle celle disponibili erano a destra, così i nostri progettisti hanno dovuto modificare con molta fatica per uscire con una disposizione meccanica molto difficile all’interno di quella scatola”. “Questo ha coinvolto non solo l’adattamento delle celle, ma anche la distribuzione del sistema di raffreddamento a liquido necessario per tenerle in un ‘spot’ termico per ottimizzare le loro prestazioni per tutto il tempo di gara; qualcosa che rende la batteria diversa da qualsiasi sistema di batterie per veicoli elettrici (EV) commerciali, che vengono raffreddati ad aria, così come il rapporto potenza energia, essendo significativamente più alto”.

Il design della batteria è modulare e progettato in un consorzio a quattro vie con Dallara, Spark e Renault Sport F1, che si occupa dell’integrazione del sistema.

“Questo è stato basato sulla batteria del KERS come punto di partenza, perché già avevano i necessari strati di protezioni elettronici, termici ed elettromagnetici integrati in esso” ha detto Tur. La scatola e le celle modulari hanno tutti gli elementi strutturali che contribuiscono alla performance meccanica complessiva della scatola, e il sistema live ha dovuto passare tutti i protocolli di crash-test della FIA.

“Io non conosco nessun altro che abbia fatto dei crash test  delle batterie di EV fino a quel punto”, ha detto Ekerold.

Dalla prossima stagione, la Formula E si apre in modo che le squadre possano sviluppare la propria auto piuttosto che utilizzare i veicoli dei clienti del consorzio; e per questo motivo molti degli aspetti tecnici della batteria di Williams – la chimica, ad esempio – vengono tenuti segreti. Ma con le norme della serie specificamente progettate per incoraggiare l’innovazione nel powertrain piuttosto che l’aerodinamica, Tur ed Ekerold sono sicuri che le prestazioni della batteria miglioreranno.

“Naturalmente non abbiamo ancora corso (ndr: l’intervista è stata fatta prima della gara di Pechino), ma sappiamo dalla F1 che una volta arrivati, i piloti coinvolti, mettono alla prova i limiti della tecnologia e aiutano a identificare dove è necessario un miglioramento”, ha detto Ekerold. “E ci sono molte cose che avremmo potuto fare diversamente se fossimo stati coinvolti nel progetto fin dall’inizio” – ha aggiunto Tur.

“E’ facile vedere come la Formula E agirà come una serra per le tecnologie degli EV, ed è impostata per rendere più semplice il trasferimento di tali tecnologie ai veicoli stradali convenzionali”, ha detto Ekerold. “Credo che abbiamo bisogno di un cambio di passo nella tecnologia delle batterie per aiutare i veicoli elettrici ad andare verso una migliore penetrazione nel mercato, ma il Motorsport è un modo superlativo per sviluppare quel cambio di passo;  se la Formula E prenderà piede come penso succederà – sarà un potente incentivo per accelerare la tecnologia da dare alle squadre per vincere come vorranno loro per mostrare ai propri sostenitori”.

Williams vuole continuare il suo coinvolgimento in Formula E, anche se Tur ed Ekerold non potevano dire in quale forma: discussioni commerciali vincolate sono all’inizio e continueranno una volta che la stagione entra nel pieno svolgimento.

“Per quanto riguarda l’intera catena cinematica, abbiamo esperienza in tutto questo. Potremmo sviluppare qualsiasi parte di un’auto, se vogliamo, o addirittura un singolo particolare. Vedremo come va” – ha detto Ekerold.

 


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TAGS: dallara FIA Formula E Championship Gary Ekerold litio ion polimeri McLaren Okan Tur Spark Racing Technologies williams williams advanced engineering

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