Electric Power In F1: A Decade Of Hybrid Success

La energía eléctrica en la F1: Una década de éxitos híbridos. Crédito de la imagen: Mercedes Motorsports Media

El Gran Premio de Hungría de 2019 marca el 10º aniversario de la primera victoria híbrida en Fórmula 1

Hace diez años, en el Gran Premio de Hungría de 2009, Lewis Hamilton fue el primer piloto de Fórmula Uno en ganar una carrera con un motor híbrido. El sistema de recuperación de energía cinética (KERS) fue el primer paso hacia la electrificación de las unidades de potencia en la Fórmula Uno. Hoy nos ocupamos de la unidad de potencia híbrida de la F1 y del proceso de desarrollo que condujo a uno de los motores de combustión interna más eficientes jamás fabricados.

Lewis Hamilton comenzó la temporada 2009 de Fórmula 1 a los mandos de un McLaren-Mercedes MP4-24. En esta temporada en particular, ganó el Gran Premio de Hungría y el Gran Premio de Singapur. Crédito de la imagen: Mercedes Motorsports Media

¿Qué convierte al Gran Premio de Hungría de 2009 en la primera victoria híbrida de la F1?

El reglamento de Fórmula 1 de 2009 dio a los equipos la oportunidad de añadir un componente híbrido a sus trenes motrices: el Sistema de Recuperación de Energía Cinética, conocido por sus siglas KERS. El reglamento actual hace obligatoria la unidad de potencia híbrida; sin embargo, en 2009, los equipos podían decidir si querían utilizar el KERS. Tanto Brawn como Red Bull, los dos equipos que habían ganado las primeras carreras de 2009, optaron por utilizar un motor convencional. Sin embargo, Mercedes-Benz había desarrollado un sistema híbrido que McLaren-Mercedes utilizó en 2009. Así que cuando Lewis ganó el Gran Premio de Hungría el 26 de julio, fue la primera victoria de la historia para un coche híbrido de Fórmula Uno. De hecho, el KERS desempeñó un papel decisivo en la carrera de Lewis, que adelantó a Mark Webber por la segunda plaza con la ayuda del sistema. Cuando el líder de la carrera, Fernando Alonso, se retiró unas vueltas más tarde, Lewis se puso en cabeza y consiguió su 10ª victoria de la temporada.^th y la primera victoria híbrida en la historia de este deporte.

¿Cómo funciona el sistema híbrido actual?

La FIA distingue seis componentes en una unidad de potencia de Fórmula 1, cuatro de los cuales forman el sistema híbrido conocido oficialmente como Sistema de Recuperación de Energía (ERS). Dos de esos elementos del ERS son máquinas eléctricas que recuperan energía y la entregan en forma de prestaciones adicionales. Está la Unidad Generadora de Motor Cinético (MGU-K), que recupera la energía cinética del coche al frenar. Aunque es más avanzado y potente que el KERS de 2009, el principio básico es similar. La energía recuperada por el MGU-K puede utilizarse para propulsar el coche.

La segunda máquina eléctrica es la Unidad Generadora de Motor-Calor (MGU-H) que se sitúa entre el compresor y la turbina del turbocompresor, encajada entre las dos bancadas de cilindros del motor en el diseño Mercedes.

El propio turbocompresor se alimenta de los gases de escape del motor; sin embargo, una vez que el compresor se pone en marcha, hay un exceso de energía en la corriente de escape que el MGU-H puede recuperar. Esta energía eléctrica se puede utilizar para mantener el compresor en funcionamiento al frenar, de modo que no se produzca un retardo del turbo cuando el conductor vuelva a pisar el acelerador.

Ambas máquinas eléctricas están conectadas mediante un cable trifásico a inversores que convierten la energía eléctrica en tensión continua para el paquete de baterías, más conocido como almacén de energía (ES), donde la energía recuperada se almacena químicamente en celdas de iones de litio. En términos de recorrido energético, las máquinas convierten la energía rotacional en energía eléctrica que luego se almacena como energía química.

Todo el sistema híbrido, de hecho, toda la Unidad de Potencia, está controlado por la Electrónica de Control (CE), que se encuentra junto al Almacén de Energía en una única carcasa. En el transcurso de una carrera, la CE realiza más de 43 billones de cálculos de media, incluida la velocidad a la que deben funcionar los motores eléctricos y la potencia que debe desplegarse, al tiempo que vigila el ES para asegurarse de que está optimizado para obtener el máximo rendimiento.

¿Cómo ha evolucionado el sistema híbrido en la última década?

Los inicios de la era híbrida en la Fórmula 1 se remontan a 2007, cuando se utilizó un sistema de recuperación de energía para pruebas de desarrollo.

Su paquete de baterías pesaba 107 kilogramos y alcanzaba una eficiencia del 39%; su electrónica de potencia refrigerada por agua estaba empaquetada en una voluminosa caja que ocupaba un espacio considerable en el coche.

Dos años más tarde, cuando el KERS se utilizó por primera vez en una carrera, el sistema pesaba bastante menos. El almacén de energía de 2009 pesaba 25,3 kilogramos, más de un 75 por ciento menos que el paquete de baterías de dos años antes. Al mismo tiempo, la eficiencia se incrementó hasta el 70 por ciento. La electrónica de potencia utilizó aire en lugar de agua para la refrigeración y se empaquetó en una carcasa de fibra de carbono mucho más pequeña.

El siguiente gran paso fue el reglamento de la Unidad de Potencia de 2014, que supuso la introducción de motores V6 de 1,6 litros turboalimentados con un sistema híbrido muy capaz. Además de recuperar la energía cinética de la frenada con el uso de la MGU-K, se permitió a los equipos cosechar energía a través de la MGU-H. Desde los primeros pasos del sistema híbrido en 2007, el peso de las baterías se ha reducido en un 81% hasta el límite reglamentario de 20 kg. La densidad de potencia de las celdas de las baterías se multiplicó por doce y el almacén de energía alcanza ahora un nivel de eficiencia del 96%.

¿Por qué es importante la eficiencia en la Fórmula 1?

La eficiencia de la unidad de potencia influye en el rendimiento del coche en la pista, tanto en términos de potencia como de ahorro de peso. La potencia del motor viene determinada por dos factores: el caudal de combustible y la eficiencia del motor. En la F1, el caudal de combustible está limitado a un máximo de 100 kg por hora, por lo que el único factor sobre el que pueden influir los equipos es la eficiencia del motor. Un motor más eficiente significa más potencia y, por tanto, mejor rendimiento en pista.

Otro aspecto es el ahorro de peso: Según el reglamento, los equipos pueden utilizar un máximo de 110 kg de combustible por carrera. Sin embargo, el peso del combustible no forma parte del peso mínimo reglamentario del coche, por lo que si se necesita menos combustible que el máximo permitido, se puede empezar la carrera con un coche más ligero. Eso se traduce directamente en tiempos por vuelta más rápidos: por cada cinco kilos de peso ahorrado, el coche es unas dos décimas por vuelta más rápido.

¿Cómo se aseguran los equipos de sacar el máximo partido del sistema híbrido?

La unión entre el ERS y el motor es una de las piezas clave para que una unidad de potencia funcione al máximo de sus posibilidades, y es algo en lo que los equipos se centran cada fin de semana de carrera. Se trata de averiguar cómo suministrar y recuperar la energía de forma óptima.

Antes de un fin de semana de carreras, se realizan simulaciones en las que el ordenador calcula los reglajes y escenarios ideales. A continuación, se prueban por primera vez en el simulador Driver in Loop (DiL), para crear un perfil para ese circuito específico. Cada circuito requerirá que el sistema ERS recupere y despliegue energía de formas diferentes, por lo que el DiL es un buen primer paso para entender cómo funcionan los resultados del ordenador.

A continuación, el perfil creado en el DiL se traslada al banco de potencia, donde el hardware se pone a prueba. En este paso se trata de ver lo que puede dar de sí el hardware. Una vez completado el trabajo en el banco de potencia, se pasa a la pista de carreras, para ver y comprender la realidad. Preparar el ERS para cada circuito depende de las prestaciones de frenado y de paso por curva del coche, para calcular el tiempo que durará una vuelta con el acelerador a fondo, porque esto determinará cuánto tiempo tiene que funcionar el MGU-K, cuánta energía tiene que extraer de la batería y también cuánto tiempo absorberá energía el MGU-H y cuánta energía puede introducir en la batería.

Las conclusiones se extraen de los entrenamientos del viernes y se trabajan durante la noche, antes de utilizarlas el sábado en la clasificación, donde la batería puede agotarse por completo. Durante la carrera, la batería se mantendrá en el mismo estado de carga. Esto se debe a que, a diferencia de un coche eléctrico en el que se llena la batería y se agota, el ERS recupera lo que puede, lo almacena brevemente en la vuelta y lo despliega en el mejor momento.

¿Hasta qué punto son relevantes para la carretera las tecnologías KERS y ERS?

KERS, ERS, MGU-H y MGU-K: en la Fórmula 1 nos encantan los acrónimos de ingeniería. Sin embargo, como era de esperar, esas letras no tienen una gran relevancia fuera del mundo de la F1; las tecnologías que se esconden detrás de esas siglas, sin embargo, son muy relevantes. En el mundo de los coches de calle, un sistema como el KERS o el MGU-K se conoce como sistema de frenado regenerativo.

Al frenar, el coche recupera parte de la energía cinética y la utiliza para cargar una batería que puede volver a utilizarse para propulsar el vehículo. La tecnología que hay detrás del MGU-H se conoce más comúnmente como compresor de refuerzo eléctrico o e-booster. Otro ámbito en el que se observan desarrollos similares en el mundo de los coches de carretera y la Fórmula 1 es la introducción de sistemas de alto voltaje.

¿Por qué? En un sistema eléctrico, las pérdidas de energía se manifiestan en forma de calor, un efecto nada agradable en un coche. Las pérdidas pueden reducirse disminuyendo la corriente. Para reducir la corriente manteniendo la misma potencia, hay que aumentar la tensión. En la F1, ahora estamos cerca de los 1.000 voltios con la batería ERS. Los coches de carretera eléctricos modernos suelen funcionar con sistemas de hasta 400 voltios; sin embargo, el voltaje aumentará en el futuro y se acercará más al que se utiliza actualmente en la Fórmula 1.

Aunque el recorrido de desarrollo de la F1 y la industria automovilística es muy similar, hay una diferencia. En la F1, estas tecnologías se utilizan para que los coches vayan más rápido. En el mundo de los coches de carretera, se utilizan para llegar más lejos con la misma cantidad de energía.