Al Grand Prix di Ungheria di F1 del 2009, dieci anni fa, Lewis Hamilton è stato il primo pilota in Formula 1 a vincere una gara con un motore ibrido.
Il Grand Prix ungherese del 2019 segna il decimo anniversario della prima vittoria ibrida in Formula 1.
Il Kinetic Energy Recovery System (KERS) è stato il primo passo verso l’elettrificazione delle power unit in Formula 1. Oggi esaminiamo la centralina ibrida F1 e il percorso di sviluppo che portano a uno dei motori a combustione interna più efficienti mai realizzati.
Cosa ha permesso la prima vittoria ibrida in F1 nel Gran Premio di Ungheria 2009?
I regolamenti della Formula 1 del 2009 hanno dato ai team la possibilità di aggiungere un componente ibrido ai loro propulsori: il Kinetic Energy Recovery System, noto con il suo acronimo KERS. Le normative odierne rendono obbligatoria un’unità ibrida; tuttavia, nel 2009, spettava ai team decidere se volessero usare il KERS. Sia Brawn che Red Bull, i due team che avevano vinto le gare di apertura del 2009, optarono per un motore convenzionale. Tuttavia, Mercedes-Benz aveva
sviluppato un sistema ibrido che la McLaren-Mercedes stava eseguendo nel 2009. Quindi, quando Lewis vinse il Gran Premio di Ungheria il 26 luglio, fu la prima vittoria in assoluto per un’auto ibrida di Formula Uno. In effetti, il KERS ha giocato un ruolo fondamentale nella gara di Lewis: ha fatto il decisivo sorpasso su Mark Webber per il secondo posto con l’aiuto del KERS. Quando il leader della corsa Fernando Alonso si ritirò qualche giro dopo, Lewis prese il comando e conquistò la sua decima vittoria del Gran Premio – e la prima vittoria ibrida nella storia di questo sport.
Come funziona il sistema ibrido di oggi?
La FIA distingue tra sei componenti in una Power Unit di Formula 1, quattro dei quali formano il sistema ibrido ufficialmente noto come Energy Recovery System (ERS). Due di questi elementi ERS sono macchine elettriche che recuperano energia e la forniscono sotto forma di prestazioni aggiuntive. C’è il Motor Generator Unit-Kinetic (MGU-K) che recupera l’energia cinetica dall’auto in frenata. Mentre è più avanzato e più potente del KERS del 2009, il principio di base è simile. L’energia recuperata dalla MGU-K può quindi essere utilizzata per spingere la macchina. La seconda macchina elettrica è il Motor Generator Unit-Heat (MGU-H) che si trova tra il compressore e la turbina del turbocompressore, incastonato tra i due cilindri del motore nel design Mercedes. Lo stesso turbocompressore è alimentato dai gas di scarico del motore; tuttavia, una volta acceso il compressore, c’è energia in eccesso nel flusso di scarico che può essere recuperata dall’MGU-H. Questa energia elettrica può quindi essere utilizzata per mantenere il compressore in funzione in frenata, in modo che non si verifichino turbo lag quando il pilota preme nuovamente l’acceleratore. Entrambe le macchine elettriche sono collegate tramite un cavo trifase agli inverter che convertono l’energia elettrica in tensione CC per il pacco batterie, meglio noto come Energy Store (ES) dove l’energia recuperata viene immagazzinata chimicamente in celle agli ioni di litio. In termini di percorso energetico, le macchine trasformano l’energia di rotazione in energia elettrica che viene quindi immagazzinata come energia chimica. L’intero sistema ibrido, infatti, l’intera power unit, è controllato dall’elettronica di controllo (CE) che si trova accanto all’Energy Store in un unico alloggiamento. Nel corso di una gara, la CE completerà in media oltre 43 trilioni di calcoli, compresa la velocità a cui dovrebbero funzionare i motori elettrici e la quantità di energia che dovrebbe essere distribuita, controllando anche l’ES per assicurarsi che sia ottimizzato per le massime prestazioni.
Come si è evoluto il sistema ibrido nell’ultimo decennio?
Gli inizi dell’era ibrida in Formula 1 risalgono al 2007, quando per i test di sviluppo è stato utilizzato un sistema di recupero dell’energia. Il suo pacco batteria pesava 107 chilogrammi e raggiungeva il 39 percento di efficienza, l’elettronica di potenza raffreddata ad acqua era racchiusa in una scatola robusta che occupava una notevole quantità di spazio nell’auto. Due anni dopo, quando KERS fu usato per la prima volta in una gara, il sistema pesò significativamente meno. L’Energy Store del 2009 pesava 25,3 chilogrammi – oltre il 75 percento in meno rispetto al pacco batteria due anni prima. Allo stesso tempo, l’efficienza è stata aumentata al 70 percento. L’elettronica di potenza utilizzava l’aria anziché l’acqua per il raffreddamento e veniva confezionata in un alloggiamento in fibra di carbonio molto più piccolo. Il prossimo grande passo sono stati i regolamenti del 2014 Power Unit, che hanno visto l’introduzione di motori V6 da 1,6 litri turbocompressi con un sistema ibrido ad alta capacità. Oltre a recuperare energia cinetica dalla frenata con l’uso dell’MGU-K, le squadre sono state autorizzate a raccogliere energia attraverso l’MGU-H. Fin dai primi passi ibridi nel 2007, il peso delle batterie è stato ridotto dell’81% al limite normativo di 20 kg. La densità di potenza nelle celle della batteria è stata aumentata di dodici volte e l’Energy Store raggiunge ora un livello di efficienza del 96 percento.
Perché l’efficienza è importante in Formula 1?
L’efficienza della Power Unit ha un impatto sulle prestazioni in pista della vettura, sia in termini di potenza che di risparmio di peso. La potenza erogata dal motore è determinata da due fattori: la portata del carburante e l’efficienza del motore. In F1, la portata del carburante è limitata a un massimo di 100 kg all’ora, quindi l’unico fattore che i team possono influenzare è l’efficienza del motore. Un motore più efficiente significa quindi maggiore potenza e quindi migliori prestazioni in pista. Un altro aspetto è il risparmio di peso: secondo le normative, i team possono utilizzare un massimo di 110 kg di carburante per gara. Tuttavia, il peso del carburante non fa parte del peso minimo regolamentare dell’auto, quindi se hai bisogno di meno carburante rispetto alla tolleranza massima, puoi iniziare la gara con un’auto più leggera. Ciò si traduce direttamente in tempi sul giro più rapidi: per ogni cinque chilogrammi di peso risparmiato, l’auto è circa due decimi al giro più veloce.
In che modo i team si assicurano di ottenere il massimo dal sistema ibrido?
Il matrimonio tra ERS e il motore è una delle parti fondamentali per far funzionare una power unit al meglio delle sue capacità, ed è qualcosa su cui i team si concentrano ogni fine settimana di gara. Si tratta di capire come fornire e recuperare l’energia in modo ottimale. Prima di un weekend di gara, le simulazioni vengono eseguite con il computer che elabora scenari e scenari ideali. Questi vengono quindi testati per la prima volta nel simulatore Driver in Loop (DiL), per creare un profilo per quella traccia specifica. Ogni circuito richiederà al sistema ERS di recuperare e distribuire energia in diversi modi, quindi DiL è un buon primo passo per capire come funzionano i risultati del computer. Il profilo creato sul DiL viene quindi spostato sul dyno, dove l’hardware viene davvero messo alla prova. Questo passaggio consiste nel vedere cosa può offrire l’hardware. Una volta che il lavoro è completo sul dinamismo, passa alla pista, per vedere e comprendere la realtà. La preparazione dell’ERS per ogni tracciato dipende dalla quantità di prestazioni in frenata e dalle prestazioni in curva dell’auto, per capire quanto tempo di accelerazione richiederà un giro – perché questo determinerà per quanto tempo deve funzionare la MGU-K, quanto l’energia deve essere prelevata dalla batteria, e anche per quanto tempo l’MGU-H assorbirà energia e quanta energia può mettere nella batteria.
Gli apprendimenti sono tratti dalle prove libere del venerdì e hanno funzionato durante la notte, per poi essere dispiegati sabato nelle qualifiche, dove la batteria può essere completamente scarica. Durante la gara, la batteria rimarrà allo stesso stato di carica. Questo perché, a differenza di un’auto elettrica in cui si riempie la batteria e la scarica, l’ERS recupera ciò che può, la conserva brevemente in grembo e la distribuisce nel momento migliore.
Quanto è importante la tecnologia KERS ed ERS?
KERS, ERS, MGU-H e MGU-K: adoriamo solo un buon acronimo di ingegneria in Formula 1. Non sorprende però che quelle lettere non abbiano una grande rilevanza al di fuori del mondo della F1; le tecnologie che si nascondono dietro quegli acronimi, tuttavia, sono molto rilevanti. Nel mondo delle auto stradali un sistema come KERS o MGU-K è noto come sistema di frenata rigenerativa. In frenata, l’auto recupera parte dell’energia cinetica e la utilizza per caricare una batteria che può quindi essere utilizzata per spingere nuovamente l’auto. La tecnologia alla base dell’MGU-H è più comunemente nota come compressore booster elettrico o e-booster. Un’altra area in cui è possibile vedere sviluppi simili nel mondo delle auto stradali e la Formula 1 è l’introduzione di sistemi ad alta tensione. Perché? In un sistema elettrico, la perdita di energia si manifesta come calore che non è un effetto positivo in un’auto. Le perdite possono essere ridotte riducendo la corrente. Al fine di ridurre la corrente mantenendo la stessa potenza, è necessario aumentare la tensione. In F1, ora siamo vicini a 1.000 volt con la batteria ERS. Le moderne auto elettriche da strada funzionano normalmente con sistemi fino a 400 volt; tuttavia, la tensione aumenterà in futuro e sarà più vicina alla tensione utilizzata oggi in Formula 1. Mentre il percorso di sviluppo della F1 e dell’industria automobilistica è molto simile, c’è una differenza. In F1 queste tecnologie sono utilizzate per rendere le auto più veloci. Nel mondo delle auto stradali, vengono usate per avere una maggiore percorrenza con la stessa quantità di energia.
Fonte: Mercedes-AMG Motorsport
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