Electric Power In F1: A Decade Of Hybrid Success

Электроэнергетика в Формуле-1: Десятилетие гибридного успеха. Image Credit: Mercedes Motorsports Media

Гран-при Венгрии 2019 года знаменует 10-летие первой победы гибрида в Формуле-1

Десять лет назад, на Гран-при Венгрии 2009 года, Льюис Хэмилтон стал первым гонщиком в Формуле-1, выигравшим гонку с гибридным двигателем. Система рекуперации кинетической энергии (KERS) стала первым шагом к электрификации силовых установок в Формуле-1. Сегодня мы рассмотрим гибридную силовую установку Формулы-1 и путь развития, который привел к созданию одного из самых эффективных двигателей внутреннего сгорания, когда-либо созданных.

Льюис Хэмилтон начал сезон Формулы-1 2009 года на автомобиле McLaren-Mercedes MP4-24. В этом сезоне он выиграл Гран-при Венгрии и Гран-при Сингапура. Image Credit: Mercedes Motorsports Media

Что делает Гран-при Венгрии 2009 года первой гибридной победой в Формуле-1?

Регламент Формулы-1 2009 года дал командам возможность добавить в свои силовые агрегаты гибридный компонент - систему рекуперации кинетической энергии, известную под аббревиатурой KERS. Сегодняшний регламент делает гибридную силовую установку обязательной, однако в 2009 году команды сами решали, использовать ли им KERS. Brawn и Red Bull, две команды, выигравшие первые гонки 2009 года, предпочли использовать обычный двигатель. Однако Mercedes-Benz разработал гибридную систему, которую McLaren-Mercedes использовала в 2009 году. Поэтому, когда Льюис выиграл Гран-при Венгрии 26 июля, это была первая в истории победа гибридного автомобиля Формулы-1. Действительно, KERS сыграла важную роль в гонке Льюиса: он совершил решающий обгон Марка Уэббера и занял второе место благодаря KERS. Когда лидер гонки Фернандо Алонсо сошел с дистанции через несколько кругов, Льюис вышел в лидеры и занял свое 10-е место.^th Победа в Гран-при - и первая гибридная победа в истории спорта.

Как работает современная гибридная система?

FIA различает шесть компонентов в силовой установке Формулы-1, четыре из которых образуют гибридную систему, официально известную как система рекуперации энергии (ERS). Два из этих элементов ERS - электрические машины, которые рекуперируют энергию и отдают ее в виде дополнительной производительности. Это Motor Generator Unit-Kinetic (MGU-K), который рекуперирует кинетическую энергию автомобиля при торможении. Хотя эта система более продвинутая и более мощная, чем KERS 2009 года, основной принцип ее работы схож. Энергия, рекуперированная MGU-K, может быть использована для приведения автомобиля в движение.

Вторая электрическая машина - моторно-генераторный агрегат (MGU-H), который располагается между компрессором и турбиной турбокомпрессора, между двумя блоками цилиндров двигателя в конструкции Mercedes.

Сам турбокомпрессор питается от выхлопных газов двигателя, однако после включения компрессора в потоке выхлопных газов остается избыточная энергия, которая может быть рекуперирована MGU-H. Эта энергия может быть использована для поддержания работы компрессора при торможении, чтобы не было запаздывания турбонаддува, когда водитель снова нажмет на педаль газа.

Обе электрические машины подключаются через трехфазный кабель к инверторам, которые преобразуют электрическую энергию в постоянное напряжение для блока батарей, более известного как накопитель энергии (ES), где восстановленная энергия хранится в химическом виде в литий-ионных элементах. С точки зрения перемещения энергии, машины превращают энергию вращения в электрическую энергию, которая затем сохраняется в виде химической энергии.

Вся гибридная система, фактически вся силовая установка, управляется управляющей электроникой (УЭ), которая находится рядом с накопителем энергии в одном корпусе. За время гонки CE выполняет в среднем более 43 триллионов вычислений, в том числе определяет, на какой скорости должны работать электродвигатели и сколько энергии должно быть использовано, а также следит за работой ЭСУ, чтобы убедиться, что она оптимизирована для максимальной производительности.

Как изменилась гибридная система за последнее десятилетие?

Начало эры гибридов в Формуле-1 относится к 2007 году, когда система рекуперации энергии была использована для опытно-конструкторских испытаний.

Его аккумуляторный блок весил 107 килограммов и обеспечивал 39-процентный КПД, а силовая электроника с водяным охлаждением была упакована в громоздкий ящик, который занимал значительное пространство в автомобиле.

Два года спустя, когда KERS впервые была использована в гонке, система весила значительно меньше. Накопитель энергии 2009 года весил 25,3 килограмма - на 75 процентов меньше, чем блок батарей двумя годами ранее. При этом эффективность была увеличена до 70 процентов. Силовая электроника использовала для охлаждения воздух вместо воды и была упакована в гораздо более компактный корпус из углеродного волокна.

Следующим важным шагом стал регламент 2014 года на силовые установки, в котором появились турбированные 1,6-литровые двигатели V6 с гибридной системой, обладающей широкими возможностями. Помимо рекуперации кинетической энергии при торможении с помощью MGU-K, командам было разрешено собирать энергию с помощью MGU-H. Со времени первых гибридных этапов в 2007 году вес батарей был снижен на 81 процент до нормативного предела в 20 кг. Плотность энергии в элементах батареи была увеличена в 12 раз, а КПД накопителя энергии теперь составляет 96 процентов.

Почему эффективность важна в Формуле-1?

Эффективность силового агрегата влияет на ходовые качества автомобиля как с точки зрения выходной мощности, так и с точки зрения снижения веса. Мощность двигателя определяется двумя факторами - расходом топлива и эффективностью двигателя. В Формуле-1 расход топлива ограничен максимум 100 кг в час, поэтому единственный фактор, на который команды могут повлиять, - это эффективность двигателя. Более эффективный двигатель означает большую мощность и, следовательно, лучшие результаты на трассе.

Еще один аспект - экономия веса: Согласно регламенту, команды могут использовать не более 110 кг топлива за гонку. Однако вес топлива не входит в нормативный минимальный вес автомобиля, поэтому если вам требуется меньше топлива, чем разрешено, вы можете начать гонку на более легком автомобиле. Это напрямую влияет на более быстрое время прохождения круга: на каждые пять килограммов сэкономленного веса машина становится быстрее примерно на две десятых круга.

Как команды добиваются максимальной отдачи от гибридной системы?

Взаимодействие между системой ERS и двигателем - одна из ключевых составляющих, позволяющих силовой установке работать на максимуме своих возможностей, и это то, над чем команды работают каждый гоночный уик-энд. Все дело в том, чтобы разработать оптимальный способ доставки и рекуперации энергии.

Перед началом гоночного уик-энда компьютер проводит симуляцию, разрабатывая идеальные настройки и сценарии. Затем они впервые тестируются в симуляторе Driver in Loop (DiL), чтобы создать профиль для конкретной трассы. На каждой трассе система ERS должна по-разному восстанавливать и распределять энергию, поэтому DiL - это хороший первый шаг к пониманию того, как работают компьютерные результаты.

Профиль, созданный на DiL, затем переносится на динамо-машину, где оборудование действительно испытывается на прочность. Этот этап позволяет увидеть, на что способно оборудование. После завершения работы на диноскопе можно отправляться на гоночную трассу, чтобы увидеть и понять реальность. Подготовка системы ERS для каждой трассы зависит от эффективности торможения и прохождения поворотов автомобиля, чтобы определить, сколько времени на полном газу займет круг - ведь от этого зависит, как долго должен работать MGU-K, сколько энергии нужно взять из батареи, а также как долго MGU-H будет поглощать энергию и сколько энергии он сможет отдать в батарею.

Полученные данные берутся из пятничных тренировок и отрабатываются в течение ночи, а затем используются в субботу в квалификации, где батарея может быть полностью разряжена. Во время гонки батарея остается в том же состоянии заряда. В отличие от электромобиля, где вы наполняете батарею и разряжаете ее, система ERS восстанавливает все, что может, сохраняет это на короткое время на круге и использует в оптимальный момент.

Насколько актуальны для дорог технологии KERS и ERS?

KERS, ERS, MGU-H и MGU-K - мы просто обожаем хорошие инженерные аббревиатуры в Формуле-1. Неудивительно, что эти буквы не имеют большого значения за пределами мира F1; однако технологии, которые скрываются за этими аббревиатурами, очень актуальны. В мире дорожных автомобилей такая система, как KERS или MGU-K, известна как система рекуперативного торможения.

При торможении автомобиль восстанавливает часть кинетической энергии и использует ее для зарядки аккумулятора, который затем может быть использован для приведения автомобиля в движение. Технология, лежащая в основе MGU-H, более известна как электрический бустерный компрессор или e-booster. Еще одна область, в которой можно увидеть схожие разработки в мире дорожных автомобилей и Формулы-1, - это внедрение высоковольтных систем.

Почему? В электрической системе потери энергии проявляются в виде тепла, что нежелательно для автомобиля. Потери можно уменьшить, снизив силу тока. Чтобы уменьшить ток при сохранении прежней мощности, нужно увеличить напряжение. В Формуле-1 напряжение батареи ERS приближается к 1 000 вольт. Современные дорожные электромобили обычно работают с системами до 400 вольт, однако в будущем напряжение будет расти и приблизится к тому, которое используется в Формуле-1 сегодня.

Хотя путь развития Формулы-1 и автомобильной промышленности очень похож, есть одно отличие. В Формуле-1 эти технологии используются для того, чтобы машины ехали быстрее. В мире дорожных автомобилей они используются для того, чтобы проехать большее расстояние при том же количестве энергии.