La Fórmula E tiene pocos años de vida y también bastante extraña para muchos fanáticos de los autos y los deportes de motor, por lo que es útil explicar un poco más sobre la serie y su tecnología. |
A menudo se supone que la Fórmula E es simplemente una versión electrificada de un auto con motor originalmente convencional, y también se piensa que es un rival de la F1.
Pero esto no es el caso.. la Fórmula E se propuso ser muy diferente de otras series de monoplazas; no tenía un legado histórico que seguir, por lo que se han evitado todas las normas y clichés de las series de carreras más antiguas.
Mantiene un formato de chasis y batería de una sola marca, con los equipos competidores alentados a desarrollar el hardware y el software para el tren motriz, sin desperdiciar así sus recursos en otros lugares del automóvil.
La Fórmula E aprovecha su formato limpio y silencioso...se corre exclusivamente en centros urbanos para llevar las carreras a los fans, en lugar de hacerlo en algún circuito de carreras distante fuera de las ciudades, como ocurre en la mayor parte del calendario de F1.
Utiliza un formato de un día para minimizar las interrupciones en la ciudad y muchas de sus ideas operativas y logísticas tienen en cuenta la sostenibilidad; Por ejemplo, todo se transporta por mar para evitar las emisiones del transporte aéreo.
Los neumáticos Michelin son para todo clima, por lo que solo se trae un tipo de neumático a cada carrera; no se envían neumáticos para clima húmedo o compuestos alternativos a todo el mundo, y esto pone un límite al rendimiento de los neumáticos, pero en el formato de una carreras de calle esto no es un problema. La serie incluso trae su propia fuente de alimentación con generadores que proporcionan la energía de carga a las baterías de los automóviles con combustible limpio y renovable.
El formato del circuito urbano se adapta bien al rendimiento de los autos que están cerca de los autos F3 en relación potencia / peso. Una crítica a menudo dirigida a la serie es cuando estarán en niveles de rendimiento de F1... Al igual que todas las series de carreras, la "fórmula" está diseñada para las pistas en las que se compite, por lo que la Fórmula E nunca irá por la potencia y el peso a los que corre la F1, dado su formato de centro de la ciudad.
Si bien es nueva, la Fórmula E se encuentra ahora en su sexta temporada, (comenzó en Beijing en 2014). Durante los seis años transcurridos, la categoría ha experimentado muchos cambios. En la temporada 1, todos los autos eran idénticos; El chasis diseñado por Spark Racing Technology con Dallara como su socio técnico fue un diseño bajo estrictas especificaciones, al igual que la batería diseñada por Williams Advanced Engineering, la caja de cambios Hewland y el Motor / inversor / ECU de McLaren Applied Technology.
Todos los equipos solo pudieron modificar la configuración del automóvil y desarrollar el software que controlaba el tren motriz. Para la temporada 2, el tren motriz se abrió para que los fabricantes desarrollen su propia configuración de motor / inversor / caja de cambios. Desde un formato completamente específico y único, la serie floreció inmediatamente en una fórmula técnica diversa, con muchas variaciones en el formato del tren motriz; no todos tuvieron éxito, y pocos diseños continuaron hasta la actualidad.
Durante las primeras cuatro temporadas, la capacidad de la batería y la potencia del tren motriz limitaron el rango a solo la mitad de la distancia de carrera completa. Por lo tanto, el conductor tenía que cambiar a otro auto idéntico pero completamente cargado a mitad de la competencia. Si bien no era atractivo ni bueno para las carreras de autos eléctricos, esto era una necesidad, pero se convertiría en una desventaja para superar con un mayor desarrollo a medida que avanza la serie.
Para administrar los costos, el chasis y la batería específicos están sujetos a un proceso de licitación para cuatro temporadas; Por lo tanto, estamos en la mitad de la segunda generación de automóviles. Aunque cada dos años hay un cambio de imagen o actualización tanto para el chasis como para las especificaciones de la batería, la evolución del chasis Gen 1 trajo el alerón del biplano y la batería Williams tenía actualizaciones internas. Luego, cada temporada hay algunos cambios detallados en las reglas para mejorar el auto luego de evaluar a la temporada anterior.
Para la temporada 5, estaba el nuevo automóvil Gen2, este era un diseño totalmente nuevo, con una carrocería de aspecto más agresivo, sobre un nuevo chasis, que incluía un nuevo diseño de batería, ahora suministrado por McLaren Applied Technology. Para un tamaño y peso similar, la nueva batería tenía el doble de almacenamiento de energía y, por lo tanto, se abandonaron los incómodos intercambios de autos a mitad de carrera.
Para la temporada 8 hay un auto actualizado, llamado Gen2EVO, con carrocería revisada. Luego llegará el automóvil de tercera generación, con más sistemas de recuperación de energía y energía que demostrarán ser otro hito más en la serie.
La mayoría estará familiarizado con el tren motriz de un auto de carreras con el habitual motor de combustión, ahí está el depósito de combustible, motor, caja de cambios y la electrónica que se ocupa de los sistemas de encendido e inyección. Con un vehículo eléctrico, se puede comparar el diseño básico, pero es poco lo que queda en común entre los dos tipos de autos. La batería es análoga al tanque de combustible, almacenando la energía para el motor. Aunque la batería es mucho más pesada para el mismo almacenamiento de energía que la gasolina, pero también hay que resaltar que la batería no se vuelve más liviana que con un tanque de combustible durante una carrera.
A diferencia de la batería, un motor eléctrico es más pequeño y ligero que un motor térmico equivalente. Además, solo tiene una parte móvil, por lo tanto, menos rodamientos, fricción y cosas que puedan fallar y desgastarse.
Una ventaja genuina es que el motor también puede actuar como generador, creando energía eléctrica bajo frenado que puede almacenarse en la batería. Esto es equivalente a un motor de combustión que creara gasolina para volver al tanque, ¡algo que simplemente no puede hacer! Como un único dispositivo puede funcionar en ambos modos, el motor a menudo se denomina Unidad de generador de motor o MGU para abreviar.
Además, el motor produce el par máximo desde cero RPM, a diferencia de los térmicos que lo logran a mucho más altas vueltas.
Como estos autos tienen una salida de torque tan fuerte, no se requiere la necesidad de una caja de cambios de relación múltiple para multiplicar el torque. Incluso en la temporada 2, los equipos de Renault operaron un automóvil con una sola marcha durante gran parte de la carrera, aunque estaba disponible una primera marcha más corta para el inicio y la curva más lenta. ¡E este momento ningún automóvil tiene una caja de cambios de varias velocidades!
Sin la necesidad de inyección de combustible o ignición, se requiere el papel de la electrónica en el auto de carreras eléctrico para cambiar la electricidad de CA a CC entre el motor y la batería, respectivamente. En la terminología adecuada, esto se llama Inversor / Rectificador, pero simplemente se denomina Inversor en la Fórmula E.
Bajo aceleración, la batería proporciona energía a través del inversor y la potencia del motor, impulsando las ruedas traseras a través de una caja reductora y diferencial. Al frenar, el inversor cambia y el motor genera electricidad, creando un arrastre en la transmisión para ayudar a "frenar" las ruedas traseras. La electricidad creada va a la batería y aumenta la carga restante disponible para el conductor durante la carrera.
Lo central para el auto de carreras de Fórmula E es la batería, ya que está montada en el medio del auto. La comúnmente llamada Batería, en la nomenclatura de Fórmula E es RESS (Sistema de almacenamiento de energía recargable), mientras que a veces también se la denomina batería de "Tracción", ya que conduce el automóvil en lugar de la batería auxiliar de 12 voltios.
Una batería está formada por lo que llamamos pilas...(el pequeño objeto cilíndrico que pones en los controles remotos de tu televisor). De hecho, eso es una celda, una batería es básicamente una colección de celdas. ¡Una batería de Fórmula E es una colección de más de 5000 celdas! Dentro de la carcasa de carbono hecha por McLaren Applied Technologies hay módulos separados, cada uno con una gran cantidad de celdas pequeñas de tamaño AA hechas por Murata (Sony). Al conectar las celdas dentro de cada módulo en serie y en paralelo, luego interconectar los módulos, toda la batería puede producir 800v y una capacidad de almacenamiento de 54kwh.
Esto es el doble del rendimiento de la batería Gen1 más antigua, el aumento en el almacenamiento de energía permite a los autos correr por la carrera completa de +45 minutos sin recargar o intercambiar autos. La desventaja es el peso de la unidad.... 250 kg solo de celdas, además de la estructura interna asociada, las conexiones, el enfriamiento y la carcasa hacen que la batería supere nada menos que los 400 kg.
El beneficio de la celda de formato de bolsa era que se podía colocar una placa de enfriamiento entre cada celda para enfriar tanto la celda de la bolsa como los contactos eléctricos. Las baterías de alta especificación como estas necesitan una gestión térmica cuidadosa, hay una ventana de temperatura en la que les gusta trabajar, y fuera de eso se afecta la eficiencia. Si una célula se calienta, entonces puede fallar y hacer que se caliente aún más, un proceso llamado fuga térmica.
Para evitar que esto suceda, la batería tiene un sistema de administración electrónica (BMS) para monitorear cada celda en términos de voltaje, estado de carga y temperatura. Si la temperatura de la celda es demasiado alta, el BMS se "reducirá", lo que significa que advertirá a la ECU que restrinja la salida de energía para proteger la temperatura de la celda. Si eso falla, le indicará a la ECU que corte el motor, como última medida de seguridad para proteger las células.
Como la batería permanecerá activa incluso si ha estado en un choque, el riesgo de una descarga eléctrica al conductor y los auxiliares de pista es muy real. La carcasa está hecha de fibra de carbono resistente, con paneles externos anti-intrusión de Xylon y capas internas de fibra de vidrio aislante. Esta estructura se prueba a prueba de choques y, en el improbable caso de una ruptura de la carcasa exterior, el medio de enfriamiento es un fluido dieléctrico, que es un líquido a base de aceite, por lo que no puede conducir electricidad, a diferencia del agua / glicol.
El motor probablemente se verá como un motor eléctrico o generador habitual, como el tipo de cosa que se usa como alternador o motor de arranque en un automóvil de carretera. Estos son motores donde el estator magnético está afuera y la armadura enrollada gira adentro. Los bloques de carbón (escobillas) transfieren la corriente entre el estator y el cableado, al frotar literalmente contra los contactos de la armadura giratoria, lo que no es una configuración muy eficiente.
Los motores modernos invierten este diseño, el rotor magnético permanente ahora gira en su interior, mientras que los devanados en espiral se forman en el cuerpo que lo rodea. Por lo tanto, las bobinas son estacionarias y ya no necesitan las escobillas de carbón. Por lo tanto, este tipo de cuidado motor se llama "sin escobillas".
A continuación, la configuración eléctrica utiliza alimentación de CA y no de CC, al utilizar múltiples pares de imanes / bobinas (polos), para mejorar aún más la eficiencia de la configuración. Dada una fuente de alimentación de CC en forma de batería, se requiere un inversor para crear la salida de CA trifásica requerida. En este diseño, el motor genera par dos veces desde cada polo a medida que la CA cambia de positivo a negativo, tirando y empujando el imán con cada ciclo.
En los motores el calor se acumula y se requiere enfriamiento para mantener las propiedades de los materiales. Tener las bobinas estacionarias en lugar de girar hace que este proceso sea más fácil y una camisa de refrigerante pasa agua / glicol para eliminar el calor. Un circuito de refrigerante con una bomba eléctrica y un radiador logran esto, el mismo sistema también puede enfriar el paquete del inversor.
Como se detalla anteriormente, un motor eléctrico puede crear un par máximo a bajas RPM, aunque puede hacer esto, hay una desventaja. Las salidas de bajo RPM / alto torque exigen mucha corriente de la batería, esto se vuelve ineficiente en una fórmula con límite de consumo de energía. Por lo tanto, los motores funcionan a mayores RPM, donde el par puede ser menor que a bajas RPM, pero la eficiencia eléctrica es mucho mejor. Cada motor tiene una curva de eficiencia, que asigna el par al consumo de energía, los equipos buscarán hacer funcionar el motor en los rangos de revoluciones más eficientes para la carrera, pero pueden optar por los rangos de rpm más bajos de mayor consumo para calificar cuando el consumo de energía no es un problema.
Ir a mayores RPM crea beneficios de eficiencia, pero el límite se convierte en la capacidad de cambiar la corriente eléctrica a esa velocidad y las propiedades del material de las partes giratorias.
Para hacer que un motor sea más potente, se vuelve restrictivo hacerlo de mayor diámetro ya que eso aumenta la velocidad de la punta de los imanes, por lo que el motor necesita ser más largo. Para la temporada 6, los motores pueden producir un máximo de 250kw que es 335hp. Actualmente en la Fórmula E, la mayoría de los equipos funcionan con un solo motor, estos todavía son pequeños, de 20-30 cm de diámetro y 30-40 cm de largo, ¡mientras solo pesan cerca de 20 kg!
El trabajo del inversor es realizar toda la conversión eléctrica de la CC de la batería a la CA de alta tensión y alta frecuencia del motor. Esta función eléctrica del inversor / rectificador se puede hacer simplemente con diodos, pero para el nivel de rendimiento requerido para un vehículo eléctrico, esto requiere algo más complejo, por lo que la conmutación se logra con tecnología de semiconductores
Para la temporada 5, la nueva batería saltó de 400v a 800v y la salida del motor aumentó. Pero para avanzar en frecuencia y corriente se requieren diferentes tecnologías, ya que los interruptores del inversor están limitados por su material y operación. Además, la corriente que pasa a través de los interruptores del inversor genera calor. Nuevamente, las propiedades materiales de los interruptores mismos y de las otras placas de circuitos se convierten en un factor limitante.
El inversor de tecnología aplicada McLaren de la temporada 1 utilizó interruptores de silicio conocidos como IGBT. En aquel entonces, estaban bien para el rendimiento, pero a medida que los equipos cambiaron a motores de giro más rápido y al aumento del voltaje de funcionamiento, los IGBT de silicio tienen sus límites antes de que corran demasiado cerca del sobrecalentamiento. La alternativa era utilizar el material de carburo de silicio (SiC), estos interruptores son diferentes internamente a las versiones de silicio y técnicamente se denominan MOSFET.
Pueden cambiar más corriente como frecuencias más rápidas, mientras funcionan más calientes, por lo tanto, necesitan menos enfriamiento.
Si bien un inversor que no requiere nada más que enfriamiento por aire es una posibilidad, actualmente los interruptores y las barras colectoras internas aún requieren enfriamiento, esto se hace con una placa de circuito de alimentación montada contra una placa de aluminio con pasajes internos de refrigeración por agua, para conducir el calor hacia el mismo circuito de refrigeración utilizado para el motor.
La Fórmula E exige que la energía se alimente desde el motor a las ruedas a través de un único diferencial, quizás no sea la mejor manera de operar la transmisión final del motor eléctrico, pero esto ha limitado la tecnología compleja. Esto restringe la vectorización de torque, donde la potencia se puede dirigir a cada rueda, no solo para replicar un diferencial sino para activar / dirigir activamente el automóvil a través de las ruedas traseras.
Potencialmente, esta es una gran ventaja de rendimiento y, sin duda, está en la hoja de ruta tecnológica futura de la serie, pero por ahora está debidamente prohibida, así que permita que se preste atención en otros lugares en áreas como la recuperación de energía y la eficiencia eléctrica.
Los motores de la temporada 1 y principios de la temporada no tenían la curva de par y eficiencia para permitir una configuración "sin engranajes". Por lo tanto, el motor se acopló a una caja de cambios de varias velocidades, 5 velocidades en la temporada 1, y los equipos redujeron la cantidad de marchas a medida que mejoró el rendimiento y la eficiencia del motor. Nuevamente, en la temporada 4, todos los equipos habían eliminado múltiples engranajes de su caja de cambios.
El desarrollo detallado se enfoca en reducir las pérdidas de la línea de transmisión, áreas tales como: diseño de dientes de engranajes, recubrimientos reductores de fricción, diseño de cojinetes y sellos de baja fricción. Todo el paquete de engranajes tiende a integrarse en una carcasa exterior de aluminio de la máquina para contener los engranajes, ejes, cojinetes y aceite.
Vale la pena recordar que, dado que los motores eléctricos no están inactivos sino que simplemente dejan de girar, no hay necesidad de un embrague. Ningún automóvil de Fórmula E ha utilizado un embrague, y durante algún tiempo ninguno ha cambiado de marcha, por lo que el conductor comienza y corre con una configuración giratoria.
Desde los primeros días relativamente relajados, el nivel de secreto en la Fórmula E ha crecido exponencialmente con la aparición de los principales fabricantes.
En las últimas temporadas, casi no han aparecido imágenes de las carcasas traseras, y mucho menos de los trenes de potencia ocultos en su interior. Sin embargo, sabemos un poco de lo que podría estar sucediendo en la parte trasera del automóvil.
La batería se encuentra en su ubicación especificada, atornillada debajo del centro del monocasco, en una posición convencional de tanque de combustible. Esto permite que la batería esté protegida contra daños accidentales tanto por su propia carcasa exterior como por la célula de supervivencia que la rodea. Unos orificios en el monocasco permiten el acceso a la conexión de CC de la batería, la conexión de datos de la ECU y las tuberías de enfriamiento. Al ser una parte específica, los equipos no pueden modificar la batería . Esto solo puede hacerlo el personal de McLaren que asiste a cada prueba y carrera.
Los equipos pueden diseñar su propia parte trasera para el automóvil, el sobre que se les permite cambiar alcanza desde la parte trasera del monocasco hacia los montantes de la suspensión trasera. Además, pueden colocar su propio paquete de refrigeración en el lateral izquierdo, así como también unidades de control electrónico, cajas de control y cableado alrededor de otras partes del automóvil.
Este extremo trasero se forma alrededor de una carcasa de fibra de carbono, alberga el tren motriz propio del equipo y conecta el monocasco / estructura de choque / suspensión. Si bien el resto del chasis es la construcción uniforme de acuerdo a las especificaciones, el nivel de ingeniería que se muestra en la configuración de la parte trasera del equipo es verdaderamente del nivel de la tecnología de F1.
Ese puede ser el diseño básico, pero algunos equipos ejecutan diferentes configuraciones, ya que el automóvil Gen2 debutó en la temporada 5 ha habido dos variaciones principales que conocemos, de BMW y Nissan.
En la fórmula E, BMW ha sido durante mucho tiempo socio del equipo de Andretti, los ingenieros bávaros aprendieron de la experiencia y el tren motriz de la temporada 5 difería de una manera clave de la instalación transversal genérica, de hecho, literalmente cambió la idea de lado. BMW decidió montar el motor en sentido longitudinal dentro de la carcasa del extremo posterior, esto requiere un engranaje cónico para llegar a la transmisión / diferencial final. Como el diferencial está montado bastante alto en la parte trasera, el motor está inclinado a encontrarlo. Esta instalación en ángulo permite espacio para que el inversor se asiente debajo del motor creando un paquete excepcionalmente bajo y compacto.
Nissan en la temporada 5 fue aún más extremo. Nissan era nuevo en FE en la temporada 5, formándose a partir del equipo Renault que había sido pionero pero que dejó la serie al final de la temporada 4. Deseando encontrar un mayor rendimiento dentro de las estrictas reglas. Nissan se dio cuenta de que las reglas restringen la recuperación de energía eléctrica, el frenado regenerativo envía electricidad a la batería que se mide, no se permite un almacenamiento eléctrico considerable fuera de la batería. Pero las reglas son vagas sobre la recuperación de energía cinética, por lo que esta fue la ruta que se cree que tomaron.
Como se explicó anteriormente, los equipos tienden a hacer funcionar un motor, ya que eso es todo lo que se necesita. Se entiende que la solución de Nissan ha hecho funcionar dos motores; un motor más grande que realiza la mayor parte de la producción de par y uno más pequeño. Este último motor proporciona torque en la aceleración, pero también sirve como un dispositivo de recuperación de energía. Bajo aceleración, trabajan juntos, ambos conducen el automóvil hacia adelante con el mismo diferencial.
Pero tan pronto como el conductor levanta el acelerador, el más grande proporciona un frenado regenerativo eléctrico para devolver la energía a la batería mientras el motor más pequeño actúa como un volante, almacenando la energía acumulada en la recta. Cuando el conductor acelera la próxima vez, el motor más pequeño libera la energía cinética almacenada y conduce el automóvil hacia adelante con un par adicional.
Si bien la Fórmula E inicialmente era bastante abierta sobre su tecnología, ahora es difícil ver lo que está oculto dentro de las cajas de carbono traseras, y mucho menos obtener una buena fotografía de una. Nissan mantuvo su solución en secreto, de hecho, todavía es solo una especulación sobre cómo lo hicieron. Pero pronto, se descubrió suficiente conocimiento para hacer algunas suposiciones sobre lo que está sucediendo en el tren motriz de Nissan.
La Fórmula E tiene una hoja de ruta clara pero pragmática, trabajando con sus competidores para planificar la tecnología futura en las reglas. Aunque la situación de Covid ha retrasado el cronograma, en el automóvil Gen3 habrá nuevas especificaciones de batería y tren motriz para la temporada 9.
La batería será más liviana debido a una capacidad reducida, pero esta pérdida en el almacenamiento de energía se verá impulsada por un mayor frenado regenerativo del eje trasero, pero también por dos nuevas tecnologías, en primer lugar la recarga a mitad de carrera y, en segundo lugar, un sistema de recuperación de energía vinculado a las ruedas delanteras. En esta especificación, el automóvil no necesitará frenos de disco traseros, todo el esfuerzo de frenado trasero proviene solo del frenado de regeneración. Por lo tanto, ¡el automóvil Gen3 no tendrá frenos de disco traseros instalados!
Yendo más allá en el futuro, habrá un aumento en la potencia, sin dejar de entender que la serie corre en circuitos callejeros estrechos, por lo que hay un límite en la salida máxima por razones obvias de seguridad. Sin duda, también habrá un aumento en el frenado regenerativo, lo que significa que tampoco puede haber frenos de disco delanteros.
La recarga en boxes podría acelerarse o incluso extenderse a la carga de inducción inalámbrica desde el cableado eléctrico instalado a lo largo de las rectas. El cielo es el límite, pero todas estas tecnologías se reflejarán en la industria de los vehículos eléctricos de carretera y continuarán haciendo de la Fórmula E la incubadora tecnológica de gran tecnología que se creó.
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