También la normativa en su artículo 5.1.5 limita la inyección de combustible aplicando una fórmula por la cual por debajo de 10500 rpm el flujo de combustible inyectado no puede sobrepasar del valor de cálculo Q (kg/h) = 0.009 N(rpm)+ 5.5. Esto limita la potencia a bajas revoluciones por lo que se hace imprescindible un motor adicional, que será de tipo eléctrico.
Por otra parte el rendimiento térmico de los V6 ronda el 40%, por lo que existe un 60% de energía perdida que se puede tratar de recuperar. El sistema ERS tratará de aprovechar esta energía convirtiéndola en energía eléctrica para alimentar el motor eléctrico de tracción.
El sistema de recuperación de energía ERS (Energy Recovery System) tendrá dos sistemas combinados, más potencia, más tiempo de utilización. La temporada pasada el conocido KERS (Kinetic Energy Recovery System) aportaba una potencia extra de 60 Kw durante 6,67 segundos por vuelta. En esta temporada el nuevo sistema ERS empujará durante 33,3 segundos y el impulso máximo pasa de ser de 120 Kw, equivalente a unos 163 caballos de potencia con el fin de compensar la pérdida de potencia producida por la reducción del motor.
Este sistema ERS está formado por tres módulos principales: dos sistemas MGU (Motor Generator Unit) llamados MGU-H (Motor Generator Unit – Heat) y MGU-K (Motor Generator Unit – Kinetic). Estas unidades serán las encargadas de recuperar la energía y convertirla en eléctrica para almacenarla en tercer módulo del ERS, el sistema de almacenamiento de energía (Energy Store). Todo ello precisará de mucho cálculo y dimensionamiento previo pero además llevará añadido una fuerte implementación de sistemas electrónicos de alimentación y control.
En esta figura se pueden ver los elementos componentes del ERS en el nuevo motor Renault (Renault Energy F1).
Y a continuación se puede ver la disposición en el caso del motor Mercedes.
MGU
El MGU es una máquina eléctrica que actúa como motor-generador. Es muy importante recalcar el concepto de dualidad de funcionamiento. Cuando funciona a modo de motor, el MGU convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Cuando funciona como generador, el MGU convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Un Formula 1 alberga dos unidades de recuperación de energía MGU; el MGU-H (para la recuperación de la energía de los gases de escape del turbocompresor) y el MGU-K (para la recuperación de la energía cinética durante la frenada).
Pasemos ahora a explicar cada una de las unidades:
MGU K
Es el sistema utilizado anteriormente como KERS y simplemente su potencia se ha aumentado considerablemente. Está conectado al cigüeñal del motor de combustión interna y es capaz de recuperar o suministrar potencia (limitada a 120 kW o 160CV según el reglamento). En el momento de la frenada, cuando el piloto pisa el freno, el MGU-K hace de freno motor colaborando para disminuir la velocidad (reduciendo el calor que se disipa en los frenos) y recupera una parte de la energía cinética para convertirla en electricidad. A su vez, cuando el piloto demanda más potencia de la que puede proporcionar el ICE, en el momento de la aceleración, el MGU-K actúa como mecanismo de propulsión del vehículo.
MGU-H
El MGU-H es la unidad de recuperación de calor y está conectado al turbocompresor. Su objetivo es doble:
•Al actuar a modo de generador, absorbe la potencia del eje de la turbina para recuperar la energía térmica de los gases de escape. La energía eléctrica puede dirigirse al MGU-K o a la batería para almacenarla y aprovecharla más adelante.
•El MGU-H también se utiliza en modo motor para controlar la velocidad del turbocompresor e igualarla a las necesidades de aire del motor (por ejemplo, para descender la velocidad en lugar de la válvula wastegate o acelerar la velocidad con el fin de compensar el turbo-lag). El turbo-lag es un concepto importante; se trata del tiempo que transcurre desde que se pisa el acelerador hasta que empieza a ser efectivo el aumento de presión en la alimentación. En este funcionamiento el MGU-H utilizará para su funcionamiento energía de la batería.
El MGU-H será por lo tanto una máquina eléctrica que en modo motor eléctrico permite controlar el turbo, acelerarlo y frenarlo según la demanda, dosificando la presión de soplado que genera según sea necesario. Por otro lado cuando actúa como generador aprovechara la energía de frenado, siendo accionada por los gases de escape y crearía electricidad. Nunca se utilizará esta máquina como sistema propulsor del vehículo.
Su objetivo al trabajar como motor es controlar el turbo, de forma que cuando el coche gire a bajas revoluciones aumenta la presión en el turbo y mejorar la potencia de forma inmediata, eliminando el retraso en la respuesta del turbocompresor y permitiendo así que el motor disfrute de una respuesta más progresiva durante un mayor número de revoluciones.
SISTEMA DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA
Lo que habitualmente se entiende como batería o unidad de almacenamiento es un complejo sistema formado por varios elementos: El conjunto de celdas de batería, el inversor o convertidor y el sistema de refrigeración. Como se puede ver en este esquema del Renault F1, se puede apreciar que el MGU-H y el MGU-K no suministran la energía directamente a la batería, sino a unos "convertidores", que lo que hacen es transformar la energía a unos parámetros que permitan su entrada en la batería. Los generadores MGU son trifásicos y de corriente alterna, mientras que la batería se carga en corriente continua, luego se necesita un sistema electrónico que convierta la energía y la adecue para su entrada en la batería. Normalmente este tipo de elementos se llaman inversores (inverters), y son claves en la gestión de la energía como se verá más adelante.
El inversor hará a su vez la funcionalidad de convertir la energía de la batería de corriente continua a corriente alterna trifásica cuando el MGU-H y el MGU-K funcionen como motores para accionar el turbo o ayudar a la tracción respectivamente. La velocidad y el par que proporcionarán estas unidades en su funcionamiento como motor se controlan mediante la tensión y frecuencia suministradas en sus bornes, y es el convertidor el que proporciona los valores adecuados.
En la figura se puede apreciar también que parte de la energía del MGU-H puede pasar al inversor del MGU-K. Más adelante, explicaré el motivo.
Las baterías de los monoplazas del 2014 tienen por normativa un peso mínimo de 20Kg y un máximo de 25Kg, siendo capaces de generar 160 CV de potencia. Las baterías para almacenamiento de energía eléctrica están formadas por celdas que se pueden asociar entre sí para conseguir más o menos tensión, intensidad y potencia. El dilema es, por un lado seleccionar el tipo de tecnología y por otro el número de celdas a usar. Los dos factores clave en la definición de las baterías son la densidad de potencia (specific power o Watts per Kilogram) y la densidad de energía (specific density o Watts-hour per Kilogram). La combinación óptima de estos dos factores es la clave para la selección de la tecnología de celdas, así como el número de las mismas.
Las escuderías son muy celosas en cuanto a revelar su know-how, pero parece evidente que la tecnología de las baterías, al menos por ahora, se decanta por el uso del Ión-Litio, bien con Manganeso o con Hierro Fostato (LFP), dejando las puertas abiertas a la innovación con las baterías de Litio Polímero y Litio Aire. Sin duda es el reto tecnológico más importante y con una evolución más rápida.
EN CARRERA
¿Cómo afecta esto a la carrera? El nuevo MGU-K, que sustituye al KERS, permitirá utilizar 4MJ de energía por vuelta (art. 1.27 de la normativa). Estos 4MJ los puede obtener del sistema de almacenamiento (baterías) o bien recuperándolos por sí mismo. Sin embargo la normativa impide recuperar más de 2MJ por vuelta con el MGU-K (art. 1.25). Con lo cual el monoplaza deberá llevar incorporado otro sistema (MGU-H), que puede recuperar energía ilimitadamente (art. 1.26) y almacenar dicha energía en el sistema de batería o bien proporcionárselos directamente al MGU-K con el fin de disponer en cada vuelta de los 4MJ completos. Con esta energía suplementaria el piloto tendrá tracción suplementaria de 160CV durante 33 segundos. El uso de los diferentes componentes del ERS se resume en esta figura:
Los beneficios son claros, pero ¿Qué problemas puede acarrear esta tecnología?
La unidad MGU genera más calor que el KERS de 2013, sólo este fenómeno es capaz de generar gran cantidad de problemas y puede ser fuente de averías y afecta notablemente al funcionamiento de la batería. Por lo tanto el foco debe estar en los sistemas de refrigeración y su fiabilidad. Si el KERS se estropeaba en el campeonato de 2013 el monoplaza se quedaba con ¾ partes de su potencia y el tiempo perdido por vuelta era asumible (de unos 0.3 a 1 segundos por vuelta en función del circuito). Sin embargo un problema de avería en la unidad MGU provocaría problemas mucho más serios, puesto que no solo afectaría en términos de disminución de potencia frente a tus competidores, sino que también podría provocar turbo-lag (si la avería afectase al MGU-H).
Otro factor importante a tener en cuenta es la forma en la que se puede reducir tamaño y peso de baterías. Por ejemplo, si se llega a una curva lenta, el coche frena y activa el MGU-K que empieza a producir electricidad. Podría almacenarla en las baterías, pero también se podría utilizar de manera directa para accionar el turbo de manera que a la salida de la curva traccione con el turbo activado por medio del MGU-H. Es decir, no se almacena, se utiliza la electricidad generada de manera directa. Lo mismo sucede a la inversa, en recta el MGU-H genera electricidad que puede ser enviada a la otra unidad de motor-generador (MGU-K) para aumentar la velocidad del coche prácticamente en cualquier momento de la vuelta y sin la necesidad de almacenar grandes cantidades de electricidad.
El control electrónico es también muy importante. Al tener un poderoso MGU-K el monoplaza dispone de un sistema que es capaz de frenar el coche y ayuda a los frenos convencionales. En condiciones normales actuarán los dos a la vez en mayor o menor medida aunque puede suceder que, en determinadas condiciones, el MGU-K no actúe. Por ejemplo un circuito con gran cantidad de curvas como el circuito de Mónaco, no hay demasiadas zonas donde poder utilizar la energía del ERS y, sin embargo, hay muchas donde se pueden aprovechar las frenadas para recargar. Es el control electrónico el que decidirá como hacer el frenado, si bien más disipativo (con mayor carga de freno convencional) o bien más regenerativo (usando el MGU-K como freno motor).
Para solucionar este problema se utiliza el sistema de control electrónico de frenada (Brake by Wire) montado el eje trasero y que pretende mejorar el rendimiento de las frenadas midiendo la presión ejercida por el piloto sobre el pedal de freno y calcula como actuar, es decir realiza el reparto de la frenada para obtener el máximo de energía en ese momento.
Tampoco debemos olvidar los efectos electromagnéticos derivados del almacenamiento de energía y sus efectos sobre la adquisición de datos en carrera. El apantallamiento magnético y su fiabilidad son también un factor a tener en cuenta.
