Desde que se introdujera el KERS en 2009 se ha hablado poco de las baterías y la electrónica necesaria para gestionar la energía eléctrica que pasa por los motores-generadores. Con el enorme incremento de potencia del ERS en 2014, el diseño de estos sitemas es más crítico aún, sobre todo teniendo en cuenta el límite de cinco elementos de cada uno de los de almacenamiento de energía y electrónica de control por piloto y temporada. Esto significa que la fiabilidad es de suma importancia si los equipos quieren evitar sanciones en las parrillas de salida al final de la temporada.

Mercedes W05 en boxes en 2014

Batería

La batería se encarga de almacenar la energía recuperada por los sistemas de recuperación ERS-K (cinético) y ERS-H (calor). En el ERS-K el límite de energía recuperada se ha elevado de 0,5 MJ del año pasado a los 4 MJ de esta temporada. Además, no hay límite en la energía recuperada del ERS-H.

En los terminales de la batería el voltaje es de cientos de Voltios, estando limitada a 1.000 V. La corriente eléctrica es de decenas de Amperios. Por lo tanto es un sistema de alta potencia, y la batería tiene que ser dimensionada para poder usar los dos sistemas simultáneamente.

Dentro de la batería hay celdas de ion-litio, similares a las de las baterías de los teléfonos móviles, pero colocadas de una forma mucho más sofisticada. Hacer la batería lo suficientemente pequeña como para que quepa debajo del depósito de combustible y cumplir con el peso obligatorio de 20-25 kilos sin dejar de lograr los objetivos de potencia y energía es un difícil desafío.

Además de las celdas de ion-litio, la batería también tiene un sistema electrónico para gestionar el estado de cada una de las celdas. Cientos de parámetros de cada celda son monitorizados, incluyendo temperaturas, tensión y corriente. Cada celda puede dejarse fuera de servicio si está fallando, pero no todos los fabricantes tienen esta función en sus baterías.

Electrónica

Electrónica de un F1

La energía que se almacena en la batería es en corriente continua, y los motores-generadores emplean corriente alterna de tres fases, por lo que es necesario hacer una conversión eléctrica entre los dos sistemas. Esto se logra con la electrónica de control. Normalmente hay una unidad de control, tanto para el ERS-K como para el ERS-H. Al recuperar energía los motores-generadores envían corriente alterna mediante tres cables de alta corriente a la unidad de control.

En el interior, una serie de transistores de alta corriente hacen pasar la energía por condensadores para convertirlo a corriente continua. De ahí se envía a través de dos cables a la batería. Enviar la corriente de la batería al motor-generador es el proceso opuesto. Estas unidades de control también proporcionan al coche con la corriente de 12-24v para las necesidades habituales como el encendido y la inyección, por lo que estos coches no necesitan tener alternador u otra batería independiente.

El montaje de las unidades de control varía entre los diferentes fabricantes de motores y equipos. Pueden estar alojados en la batería o separados en los pontones. Tenerlos separados ofrece mayor libertad de diseño, pero es más pesado por el mayor cableado y conductos de refrigeración.

El proceso de conversión de corriente alterna a continua o viceversa genera pérdidas en forma de calor, al igual que la carga y descarga de la batería, por lo que ambos sistemas necesitan refrigeración. Normalmente se hace con un circuito de refrigeración de agua, que requiere un radiador en el pontón lateral.

Aunque la refrigeración es crítica, para operar con la máxima eficiencia las baterías tienen que funcionar en un rango de temperaturas estrecho, más caliente que la temperatura ambiente, por lo que se precalienta el agua del circuito antes de una sesión al igual que se precalienta el motor antes de arrancarlo.

Igualmente las baterías trabajan mejor con un estado de carga concreto, que se vigila cuidadosamente. Es necesario cargar y mantener la batería en una limitada ventana de funcionamiento, y esto permite precargar la batería antes de una sesión, pero no durante porque está prohibido. La batería también puede ser llevada rápidamente a un estado de carga concreto en la vuelta de salida de los F1 de boxes.

Las nuevas normas permiten sólo cinco elementos de cada uno de los cinco subsistemas de la unidad de potencia durante el año. Dos de estos subsistemas son la batería y la electrónica de control. Y tal es la naturaleza de estas unidades que cualquier problema puede hacer freir alguno de estos elementos. Pronto estos elementos comenzarán a provocar penalizaciones en las parrillas de salida.

fuente: autosport

7 COMENTARIOS

  1. Bueno, «La electrónica de un F1″… la electrónica de potencia. Porque, aunque esta va íntimamente ligada/asociada a la electrónica de gestión/control, todavía hay electrónica en el monoplaza para dar y tomar. Vamos, que ya sólo falta que se emplee un circuito electrónico para controlar dónde pone la lengua el conductor… ya te digo.

    Los 1000V de tensión, según el reglamento, es el valor máx. de pico de voltaje, en todo el sistema. Supongo que los voltajes de la parte de potencia serán ligeramente menores. Servidor siempre estimó que se habría ido a tensiones del orden de unos 5KV, pero ya veo que no es tan así… lo cual lleva a corrientes (valores medios, claro) del orden de los 120A… lo cual es algo más que decenas. En cualquier caso, un valor alto de cualquiera de ellos es una buena fuente de problemas. Por otra parte, los motores-generadores empleados no son de corriente alterna trifásica en el sentido clásico de motor trifásico asíncrono, con rotor jaula de ardilla que se emplea en c.a. senoidal. En realidad se trata de motores de corriente continua del tipo denominado brushless (sin escobillas). Es decir, motores de c.c. en los que la conmutación no se hace por el, ya hoy, antiguo sistema colector de delgas/escobillas sino que aquella se realiza por conmutación electrónica (con transistores bipolares o MOSFET, según la aplicación). Antes de seguir advertiré que la expresión «corriente continua», hoy día, no se refiere a la que es de un valor fijo (por ejemplo una batería) sino que se aplica (tanto la corriente como la tensión) a la que conserva la polaridad (no traspasa la línea de cero, en uno u otro sentido) pero puede estar variando de valor constantemente. Realmente sería más correcto decir «corriente pulsante». Por ejemplo, cuando se dice «una onda cuadrada» se puede referir a una onda (de V o de I) que estando en cero pasa, generalmente con rapidez, a valer digamos +7, permaneciendo en este valor durante un tiempo, pasado el cual vuelve a cero… y proceso repetitivo (ojo, una onda cuadrada puede ser también de tipo alterna, si cambia su polaridad). Volviendo a los motores-generadores, se trata de motores brushless, trifásicos. Son trifásicos porque el estator está devanado en tres juegos de bobinas desfasados 120 grados (eléctricos). Y precisamente ese desfase se controla con la conmutación electrónica que he dicho antes. El rotor es de imán permanente (realizado en Neodimio) y tiene montada una placa circular que gira con él y que, en su periferia, tiene unos taladros que permiten pasar la luz emitida por unos LEDS (describo este sistema porque me parece más asequible de entender que el otro, a base de efecto Hall) de manera que así se genera la información de la posición del rotor, y por tanto permite controlar la conmutación. El sistema de control permite que se trabaje como generador o como motor. El control/actuación es pues bidireccional, hay varios sistemas para hacerlo. Pienso que en la ERS lo harán en el modo llamado Boost, para uso como motor, y en modo Buck cuando trabajen como generador (todo esto hay casi tropecientas formas de hacerlo, según la aplicación).

    El asunto baterías es la leche. De complejo y de caro. Cada batería de esas debe costar uno y la yema del otro… y si hablamos de las que tienen control de celdas… añadir un riñon. Además fijaos en lo complejo que es el asunto, resulta que si la batería está «fría» no rinde, pero si está muy caliente se descaralla (esto también ocurre con las de, por ejemplo, los teléfonos móviles) así es que la tremenda tecnología de los F1 no se conforma con una solución de compromiso, en la temperatura, no, si está por debajo de la temp. mínima de buen rendimiento la calientan, y si está por encima la enfrían. Aunque me parece a mí que más que de enfriar será lo contrario pues con ese continuado ciclo de carga/descarga (ojo, a una leche de Amperios de mil demonios)…

    Bueno, pues a pesar de lo interesante que es todo este asunto electrónico, en mi caso por la parte profesional y lo que me gusta todo esto, servidor, en las carreras, no quiere estos monoplazas ni esta F1… que vuelva la F1 como debe ser… Saludos para todos

  2. @Mns, muchas gracias por la explicación ya que nunca biene mal aprender estas cosas. A mi me viene de lujo que estoy muy verde en temas electricos. La duda que me surge es que dices que seguramente la calienten para alcanzar la temperatura optima de funcionamiento pero que tiene un ciclo de carga/descarga de la leche. Esto no haría precisamente que se caliente? Además al estar muy cerca del motor veo probable que reciba ya de por sí mucho calor y posiblemente el problema sea la refrigeración no crees? Lo pregunto desde la ignorancia en este tema. Un saludo.

  3. Hola techf1. Sí, las calientan (su circuito de refrigeración) antes de comenzar las Qs o la carrera pero luego tienen que enfriar a toda pastilla porque entre los ciclos de carga/descarga y el calor que «pulula» por todo el entorno se pondrían a parir si no se hiciese así. Me imagino que la franja de temperatura óptima para ellas está por debajo (quizás bastante por debajo) de la temperatura que habría sin refrigerar. Vamos, que toda la parte del monoplaza que va detrás del conductor es un auténtico horno. Saludos.

  4. Muchas gracias MNS por la aclaracion. La duda es si usan algo especifíco para calentarlo, ya que supongo que será cuestión de arrancar el motor unos minutos antes para que coja temperatura y con hacerlo refrigerar con un termostato como si de un electroventilador se tratara. Saludos.

  5. Perdón techf1, no me extraña que te hayas liado un poco pues he cometido un error de escritura en mi pos #1. Donde he escrito » Aunque me parece a mí que más que de enfriar será lo contrario pues con ese continuado ciclo de carga/descarga (ojo, a una leche de Amperios de mil demonios)…» hay que sustituir «enfriar» por lo correcto «calentar». I’m sorry sire (je, je). Saludos y perdón por el lapsus.

  6. @mns
    muchisimas gracias por el post. Lo he releído como unas 8 veces y todavía lo estoy digeriendo. Mis conocimientos de electrónica son casi nulos, por lo que no me queda otra que leer y leer :-))
    Gracias de nuevo por el post y las aclaraciones 🙂
    Saludos,

  7. @MNS, no pasa nada! Solo que me extrañaba un poco. XD. Es de humanos equivocarse, y de sabios rectificar. Saludos.

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