Todo sobre los nuevos sistemas de recuperación de energía

Como adición al nuevo motor turbo, los sistemas de recuperación de energía se convertirán a partir de este año en una parte mucho más importante del rendimiento de los Fórmula 1. Con dos sistemas de este tipo que proporcionarán 160 cv para la mayor parte de la vuelta, esta tecnología llega como un enorme desafío para los ingenieros y pilotos. Su eficiencia y robustez decidirán gran parte de los resultados, e incluso el campeonato, por lo que el 2014 se convierte en el año de la gestión de la energía.

El KERS conocido hasta ahora

Fue en el año 2000 cuando Toyota introdujo en el mercado el primer coche híbrido de éxito, y mientras aumentaba la conciencia de respeto al medio ambiente, en 2009 la tecnología híbrida llegó a la F1 con los KERS.

Cada vez que un coche acelera, quema importantes cantidades de energía (combustible), y cuando frenamos, la energía cinética se desperdicia en forma de calor en los frenos. Los sistemas de recuperación de energía (en adelante ERS, de Energy Recovery Technologies), pretenden almacenar la energía desperdiciada y reutilizarla para proporcionar después potencia.

Con el KERS empleado hasta ahora en la F1 (la K viene de Kinetic, puesto que sólo recuperaba energía cinética), en las frenadas la energía que se desperdiciaría por lo frenos traseros era recuperada con un generador unido al cigueñal del motor. La resistencia ofrecida por el generador realizaba una fuerza de frenado en las ruedas traseras a la vez que cargaba las baterías.

Luego, cuando el piloto necesitaba potencia extra, la electrónica invertía las conexiones y devolvía la energía almacenada en las baterías al generador, que actuaba como motor (es un motor-generador, o MGU, de Motor-Generator Unit) para proporcionar 80 cv durante 6,7 segundos. Esta potencia se solicitaba por los pilotos mediante un botón en el volante, y los equipos les recomendaban dónde usarlo y por cuanto tiempo para lograr la mayor ventaja por vuelta, aunque también podía usarse como herramienta táctica para adelantar o evitar ser adelantado.

Como había una restricción en cuanto a la energía que el sistema podía proporcionar, el reto para los ingenieros estaba en hacer sus KERS eficientes, fiables y ligeros. Para el final del 2013, todo el conjunto de baterías, motor-generador y la electrónica pesaban menos de 25 kilos. Su eficiencia estaba en el 80%, lo que significa que de la energía almacenada, el 80% volvía a las ruedas traseras. En cuanto a fiabilidad, aunque se llegó a un buen nivel, todos los equipos han perdido el KERS en algún momento por alguna avería o sobrecalentamiento, pero siendo su beneficio de alrededor de 0,3 segundos por vuelta su pérdida tampoco era un desastre.

El motor-generador (MGU) se solía unir mediante un engranaje a la parte delantera del cigueñal del motor, robando espacio al depósito de combustible, y en la parte posterior del monocasco tenía que ser moldeado un hueco. Con toda la alta corriente que fluye a través del sistema durante la carga y descarga, el MGU, el controlador de potencia y las baterías se calentaban mucho. Estos sistemas trabajan mejor con temperatura más elevada que la de ambiente, pero tampoco funcionan bien con calor extremo. Por eso los equipos gestionaban el precalentamiento y refrigeración para mantenerlos en su temperatura óptima de funcionamiento, y por eso también en algunos momentos se les pedía a los pilotos que dejaran de utilizar el KERS, para que las temperaturas bajaran de nuevo a la ventana operativa. Para refrigerar la electrónica de potencia y las baterías de Ion-Litio se empleaba agua, mientras que para la MGU se solía emplear aceite.

Aunque el KERS en la F1 debería ser considerado como un éxito y haya sido el precursor del ERS en los deportes del motor, su impacto ha sido limitado. Las restricciones en la potencia de salida significaban que no podía existir una carrera tecnológica para lograr el sistema más potente.

ERS del 2014

Este año los sistemas de recuperación de energía (ERS) se amplían, y una parte mucho mayor del rendimiento del coche vendrá de las tecnologías hibridas. Para ello la FIA ha aumentado el límite en la recuperación de energía cinética y ha incluido otros medios para recuperar energía perdida. Como parte de este nuevo mundo, tendremos que adaptarnos a toda la nueva terminología. Ahora todo el conjunto motor es una «unidad de potencia», compuesto por el motor de combustión interna y dos tipos de ERS.

Lo que era el KERS ahora se llama ERS-K (la K es de Kinetic, cinética), y tiene el doble de potencia de salida y cinco veces la capacidad de almacenamiento que antes. Y después tenemos el nuevo sistema ERS-H (la H es de Heat, calor), que es otro motor-generador (MGU) montado en el turbocompresor del motor. A diferencia del ERS-K, el ERS-H puede o bien entregar la energía recuperada al motor, mediante el MGU del ERS-K, o hacer girar el propio turbo mediante su propio MGU para reducir el tiempo de respuesta del turbo.

En cuanto a la posición de los elementos, el MGU del ERS-K ya no estará en la parte frontal del motor, porque con el doble de tamaño y las nuevas normas sobre el montaje de los elementos, el MGU estará situado a un lado del motor y bajo los escapes. Esto necesitará de algunos cambios en las bombas de agua, alternador y bombas hidráulicas, que anteriormente estaban situadas en esta zona. Sin embargo el MGU del ERS-H tiene que estar en el propio turbocompresor. Cuando el turbo gire, el MGU lo hará a la misma velocidad, alrededor de 100.000 rpm, y hacer lidiar al dispositivo con semejantes velocidades y sus asociadas fricciones y calor, será todo un reto.

Los dos MGU irán conectadas como antes al control de potencia y a las baterías, que por las mayores corrientes tendrán que ser más grandes. Esto ocupará más espacio en los pontones y bajo el depósito de combustible, y todos los componentes del ERS necesitarán refrigeración, por lo que los pontones tendrán que tener mayor tamaño para alojar los radiadores más grandes.

Así que con todos los sistemas de energía, estos pequeños motores de gasolina producirán un pico de potencia similar a los empleados hasta ahora. A diferencia de los anteriores KERS, este año los pilotos sólo pueden solicitar potencia a través del pedal del acelerador. Esto deja a la electrónica decidir en cada momento si se envía potencia a las ruedas traseras mediante el motor de gasolina o el ERS. Pero como en 2013 el piloto tendrá acceso a diferentes mapas de potencia desde el volante y por supuesto que habrá un botón que ofrecerá la máxima potencia del motor de combustión y el ERS para un uso táctico en carrera.

Frenos traseros activos

Un problema del ERS-K es el efecto que tiene en los frenos traseros. A medida que el MGU recupera energía actua como un freno, y ese efecto de frenado depende del nivel de recuperación de energía y del estado de carga de las baterías. Antes los equipos ajustaban la recuperación de energía para proporcionar un frenado igual a lo largo de toda la vuelta, pero en 2014, con un ERS mucho más complejo y una mayor recuperación de energía, sería difícil controlar el efecto de frenado.

Por eso la FIA ha permitido un sistema de freno «by-wire» por primera vez. Descrito en la normativa como el «sistema de control del freno trasero», será un sistema que reacciona a las demandas del piloto sobre el pedal de freno y aplicará la correspondiente fuerza de frenado teniendo en cuenta el nivel de recuperación de energía del ERS. Aunque técnicamente es un sistema activo, no va a proporcionar ninguna forma de antibloqueo de frenos, porque el control del sistema estará vigilado por la centralita estándar de la FIA. El sistema sólo aplicará la fuerza de frenado resultante de los cálculos, si el piloto pisa demasiado fuerte, las ruedas se bloquearán.

Gestión de la energía

Solo el nuevo ERS-K será capaz de impulsar el coche durante la mayor parte del tiempo que el piloto está pisando el acelerador al máximo. Y cuando la batería se quede sin carga, el ERS-H puede proporcionar energía adicional para alimentar el MGU del ERS-K. Equilibrar el uso de la potencia y la energía será la clave para sacar el máximo del ERS en calificación y carrera, así como el uso de la potencia eléctrica para compensar la reducción del conbustible a emplear en carrera. Entender cuál es la mejor forma de emplear toda la energía disponible será un rompecabezas para los equipos.

Otra cuestión vital es la fiabilidad, porque todos los sistemas son complicados, operan en un entorno difícil de vibraciones, calor y cargas. Y a diferencia de hasta ahora, un problema en el ERS puede dejar un coche con tres cuartas partes de su potencia, lo que supondría mucho tiempo por vuelta además del aumento de consumo de combustible para compensar la pérdida de ERS. Averías de este tipo serán comunes y perjudicarán enormemente las carreras de los pilotos, pudiendo incluso obligar a retirarse.

Por el contrario, con un límite de sólo 100 kg de combustible para las carreras, un ERS eficiente puede reducir el consumo de combustible del motor. Es difícil imaginar que 160 cv de potencia vendrán sólo del aprovechamiento de la energía desperdiciada. Será una tecnología increíble que proporcionará grandes avances a nuestros coches de calle.

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fuente: autosport