Electric Power In F1: A Decade Of Hybrid Success

Energia elétrica na F1: Uma década de sucesso híbrido. Crédito da imagem: Mercedes Motorsports Media

O Grande Prêmio da Hungria de 2019 marca o 10º aniversário da primeira vitória híbrida na Fórmula 1

Há dez anos, no Grande Prêmio da Hungria de 2009, Lewis Hamilton foi o primeiro piloto da Fórmula 1 a vencer uma corrida com um motor híbrido. O Sistema de Recuperação de Energia Cinética (KERS) foi o primeiro passo para a eletrificação das unidades de potência na Fórmula 1. Hoje, estamos analisando a unidade de potência híbrida da F1 e a jornada de desenvolvimento que levou a um dos motores de combustão interna mais eficientes já fabricados.

Lewis Hamilton começou a temporada de Fórmula 1 de 2009 em um McLaren-Mercedes MP4-24. Nessa temporada em particular, ele venceu o Grande Prêmio da Hungria e o Grande Prêmio de Cingapura. Crédito da imagem: Mercedes Motorsports Media

O que torna o Grande Prêmio da Hungria de 2009 a primeira vitória híbrida na F1?

Os regulamentos da Fórmula 1 de 2009 deram às equipes a chance de adicionar um componente híbrido aos seus grupos motopropulsores - o Sistema de Recuperação de Energia Cinética, conhecido pela sigla KERS. Os regulamentos atuais tornam obrigatória uma unidade de potência híbrida; no entanto, em 2009, cabia às equipes decidir se queriam usar o KERS. Tanto a Brawn quanto a Red Bull, as duas equipes que venceram as primeiras corridas de 2009, optaram por usar um motor convencional. No entanto, a Mercedes-Benz havia desenvolvido um sistema híbrido que a McLaren-Mercedes estava usando em 2009. Assim, quando Lewis venceu o Grande Prêmio da Hungria em 26 de julho, foi a primeira vitória de um carro de Fórmula 1 híbrido. De fato, o KERS desempenhou um papel fundamental na corrida de Lewis: ele fez a ultrapassagem decisiva sobre Mark Webber para ficar em segundo lugar com a ajuda do KERS. Quando o líder da corrida, Fernando Alonso, se retirou algumas voltas mais tarde, Lewis assumiu a liderança e conquistou sua 10ª vitória.^th vitória no Grande Prêmio - e a primeira vitória híbrida na história do esporte.

Como funciona o sistema híbrido atual?

A FIA faz distinção entre seis componentes em uma unidade de potência da Fórmula 1, quatro dos quais formam o sistema híbrido oficialmente conhecido como Sistema de Recuperação de Energia (ERS). Dois desses elementos do ERS são máquinas elétricas que recuperam energia e a fornecem na forma de desempenho adicional. Há a Motor Generator Unit-Kinetic (MGU-K), que recupera a energia cinética do carro durante a frenagem. Embora seja mais avançado e mais potente do que o KERS de 2009, o princípio básico é semelhante. A energia recuperada pelo MGU-K pode então ser usada para impulsionar o carro.

A segunda máquina elétrica é a Motor Generator Unit-Heat (MGU-H), que fica entre o compressor e a turbina do turbocompressor, aninhada entre os dois bancos de cilindros do motor no projeto da Mercedes.

O próprio turbocompressor é alimentado pelos gases de escape do motor; no entanto, quando o compressor é ligado, há excesso de energia no fluxo de escape que pode ser recuperado pelo MGU-H. Essa energia elétrica pode então ser usada para manter o compressor funcionando durante a frenagem, de modo que não haja atraso do turbo quando o motorista pisar no acelerador novamente.

As duas máquinas elétricas são conectadas por meio de um cabo trifásico a inversores que convertem a energia elétrica em tensão CC para o conjunto de baterias, mais conhecido como Energy Store (ES), onde a energia recuperada é armazenada quimicamente em células de íons de lítio. Em termos de jornada de energia, as máquinas transformam a energia rotacional em energia elétrica, que é então armazenada como energia química.

Todo o sistema híbrido, na verdade, toda a Unidade de Potência, é controlado pela Eletrônica de Controle (CE), que fica ao lado do Armazenamento de Energia em um único compartimento. Ao longo de uma corrida, o CE realizará, em média, mais de 43 trilhões de cálculos, incluindo a velocidade em que os motores elétricos devem funcionar e a quantidade de energia que deve ser utilizada, ao mesmo tempo em que cuida do ES para garantir que ele seja otimizado para o desempenho máximo.

Como o sistema híbrido evoluiu na última década?

O início da era híbrida na Fórmula 1 remonta a 2007, quando um sistema de recuperação de energia foi usado para testes de desenvolvimento.

O conjunto de baterias pesava 107 kg e alcançava 39% de eficiência, e os componentes eletrônicos de potência resfriados a água eram acondicionados em uma caixa volumosa que ocupava um espaço significativo no carro.

Dois anos depois, quando o KERS foi usado pela primeira vez em uma corrida, o sistema pesava muito menos. O Energy Store de 2009 pesava 25,3 kg - mais de 75% menos do que a bateria de dois anos antes. Ao mesmo tempo, a eficiência foi aumentada para 70%. Os componentes eletrônicos de potência usaram ar em vez de água para resfriamento e foram embalados em uma caixa de fibra de carbono muito menor.

O próximo grande passo foram os regulamentos da unidade de potência de 2014, que introduziram motores V6 de 1,6 litro turboalimentados com um sistema híbrido de alta capacidade. Além de recuperar a energia cinética da frenagem com o uso do MGU-K, as equipes foram autorizadas a coletar energia por meio do MGU-H. Desde as primeiras etapas híbridas em 2007, o peso das baterias foi reduzido em 81%, atingindo o limite regulamentar de 20 kg. A densidade de energia nas células da bateria foi aumentada em doze vezes e o Energy Store agora atinge um nível de eficiência de 96%.

Por que a eficiência é importante na Fórmula 1?

The efficiency of the Power Unit has an impact on the on-track performance of the car, both in terms of the power output and weight saving. The power output of the engine is determined by two factors – the fuel flow rate and the efficiency of the engine. In F1, the fuel flow rate is limited to a maximum of 100 kg per hour, so the only factor the teams can influence is the efficiency of the engine. A more efficient engine therefore means more power output and thus better on-track performance.

Outro aspecto é a economia de peso: De acordo com os regulamentos, as equipes podem usar um máximo de 110 kg de combustível por corrida. No entanto, o peso do combustível não faz parte do peso mínimo regulamentar do carro, portanto, se você precisar de menos combustível do que o máximo permitido, poderá começar a corrida com um carro mais leve. Isso se traduz diretamente em tempos de volta mais rápidos: para cada cinco quilos de peso economizados, o carro é cerca de dois décimos mais rápido.

Como as equipes se certificam de que estão tirando o máximo proveito do sistema híbrido?

A união entre o ERS e o motor é uma das partes mais importantes para fazer com que uma unidade de potência funcione da melhor forma possível, e é algo em que as equipes se concentram a cada fim de semana de corrida. Trata-se de descobrir como fornecer e recuperar a energia da melhor maneira possível.

Antes de um fim de semana de corrida, as simulações são executadas com o computador, que elabora as configurações e os cenários ideais. Em seguida, eles são testados pela primeira vez no simulador Driver in Loop (DiL), para criar um perfil para aquela pista específica. Cada circuito exigirá que o sistema ERS recupere e utilize a energia de maneiras diferentes, portanto, o DiL é um bom primeiro passo para entender como os resultados do computador estão funcionando.

O perfil criado no DiL é então transferido para o dinamômetro, onde o hardware é realmente testado. Essa etapa serve para ver o que o hardware pode oferecer. Uma vez concluído o trabalho no dinamômetro, segue-se para a pista de corrida, para ver e entender a realidade. A preparação do ERS para cada pista depende da quantidade de desempenho de frenagem e de curvas do carro, para calcular quanto tempo de aceleração total será necessário para uma volta, porque isso determinará quanto tempo o MGU-K precisa funcionar, quanta energia precisa ser retirada da bateria e também quanto tempo o MGU-H estará absorvendo energia e quanta energia pode ser colocada na bateria.

Os aprendizados são extraídos dos treinos de sexta-feira e trabalhados durante a noite, antes de serem aplicados no sábado na qualificação, onde a bateria pode ser totalmente descarregada. Durante a corrida, a bateria permanecerá no mesmo estado de carga. Isso ocorre porque, ao contrário de um carro elétrico, em que você enche a bateria e a esgota, o ERS recupera o que pode, armazena-o brevemente na volta e o aciona no melhor momento.

Qual é a relevância da tecnologia KERS e ERS para as estradas?

KERS, ERS, MGU-H e MGU-K - nós adoramos um bom acrônimo de engenharia na Fórmula Um. Não é de se surpreender, porém, que essas letras não tenham grande relevância fora do mundo da F1; as tecnologias que se escondem por trás desses acrônimos, no entanto, são muito relevantes. No mundo dos carros de rua, um sistema como o KERS ou o MGU-K é conhecido como Sistema de freio regenerativo.

Durante a frenagem, o carro recupera parte da energia cinética e a utiliza para carregar uma bateria que pode ser usada para impulsionar o carro novamente. A tecnologia por trás do MGU-H é mais comumente conhecida como compressor de reforço elétrico ou Reforço eletrônico. Outra área em que é possível ver desenvolvimentos semelhantes no mundo dos carros de rua e da Fórmula 1 é a introdução de sistemas de alta tensão.

Por quê? Em um sistema elétrico, a perda de energia se manifesta como calor, o que não é um efeito bem-vindo em um carro. As perdas podem ser reduzidas com a redução da corrente. Para reduzir a corrente e manter a mesma potência, é necessário aumentar a tensão. Na F1, estamos agora perto de 1.000 volts com a bateria ERS. Os carros elétricos de estrada modernos geralmente operam sistemas de até 400 volts; no entanto, a tensão aumentará no futuro e se aproximará da tensão usada na Fórmula 1 atualmente.

Embora a jornada de desenvolvimento da F1 e do setor automotivo seja muito semelhante, há uma diferença. Na F1, essas tecnologias são usadas para fazer com que os carros andem mais rápido. No mundo dos carros de rua, elas são usadas para ir mais longe com a mesma quantidade de energia.