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Análisis técnico: ¿Cómo funciona la electricidad en un Fórmula 1?

Analizamos los motores de Mercedes y Ferrari para ver cómo es el sistema eléctrico

AmpliarLa unidad de potencia de Mercedes - LaF1La unidad de potencia de Mercedes

Hace poco, Omnicorse sacó a la luz un dato que de ser verdad habla sobre las diferencias de rendimiento entre motores. Dado que durante las dos primeras sesiones de entrenamientos libres en Sochi se ha rodado tan poco, casi no se ha visto nada en pista, así que ese dato me viene de perlas para un artículo que hoy se saldrá un poco de lo habitual.

El dato en cuestión es el del voltaje de funcionamiento en los motores de Ferrari y Mercedes. Los alemanes han optado por una filosofía de alto voltaje, optando por unos 700 voltios. Ferrari, por el contrario, han optado por unos altos también, pero no tanto, 350 V.

Vamos a ver cómo funciona el sistema eléctrico. Antes de nada, vamos a ver cuáles son los flujos de energía permitidos por la FIA. Y aunque parezca que la parte importante está a la derecha, con los motores, el dato que nos interesa está a la izquierda. Las baterías no pueden experimentar una diferencia entre máximo y mínimo de carga mayor que 4 MJ.

pol_electricidad_1.jpg

Que no es lo mismo que decir que la batería puede almacenar 4 MJ. Los Fórmula 1 utilizan una batería de ión-litio, como las de vuestros teléfonos móviles u ordenadores portátiles. Y uno de los mitos que corren acerca de estas baterías es que hay que dejarlas descargarse del todo. Nada más lejos de la realidad, pues estas baterías sufren muchísimo cuando esto sucede. Entendemos pues que realmente tienen algo más de capacidad, si:

Energía máx. = 4 MJ = 1111,1 Wh

Que esa es otra, las baterías de los móviles miden su capacidad en mAh, lo cual no es una medida de energía, pues para tener una idea aproximada de la duración necesitaremos saber el voltaje al que funciona. Así que desconfiad de esa medida que os dan, lo que nos permite calcular el tamaño y duración de la batería son los Wh.

Otras características de esas baterías es que el voltaje que ofrecen fluctúa bastante, de ahí la mención en la parte de abajo del cuadro que menciona que el convertidor corriente continua a corriente continua que se utiliza para estabilizarlo no puede ganar energía, solo consumirla. Se cubre las espaldas aquí la gente de la FIA.

Ese cuadro con línea discontinua que vemos en el esquema superior lo forman el anteriormente mencionado convertidor y otro, un convertidor de corriente continua a alterna. Las baterías almacenan la electricidad en corriente continua, mientras que los motores eléctricos funcionan en alterna.

pol_electricidad_2.jpg

Además vemos en esa imagen de Magneti Marelli que se trata de un motor trifásico. A diferencia de los motorcillos que podemos ver en cochecillos de juguete u otros objetos pequeños, que son de corriente continua, la velocidad de los mismos no se modifica con el voltaje, sino con la frecuencia de la corriente que le estamos metiendo. Así que para que el motor 'lo dé todo' tenemos que trabajar con el mayor voltaje que nos permite nuestro sistema.

Y después de dar tantas vueltas, y sabiendo que potencia eléctrica es igual a voltaje por intensidad –en trifásica multiplicando por raíz de tres y aplicando un factor de desfase-, os estaréis preguntando qué más dará usar una cosa o la otra. Si tenemos en cuenta el dato que calculé al principio, y la potencia máxima del MGU-K es de 120 KW, nos da el famoso dato de los 33,3 segundos de uso a máxima potencia.  

Pues bien, llegamos a lo interesante. Como todo en esta vida, gracias a la termodinámica, tenemos pérdidas. Y para la electricidad, se calcula como la multiplicación de la resistencia por la intensidad al cuadrado, el llamado efecto Joule, que cuantifica la potencia que se pierde en forma de calor:

Potencia perdida = Intensidad2 x Resistencia

Nada de voltaje como observáis. Estas pérdidas se suelen llamar pérdidas en el cobre, vamos, en los cableados, bobinados del motor, etc. A una misma potencia de Ferrari y Mercedes en el MGU-K, esos 120 KW, si el voltaje es la mitad en el Ferrari, la intensidad será el doble. Las pérdidas, por tanto, cuatro veces mayores.

pol_electricidad_3.jpg

Los cables utilizados son unos conductores geniales y las pérdidas minimizadas –hablamos de la categoría reina del automovilismo-, pero vaya, cuatro veces más son cuatro veces más. Obviamente, trabajar con más voltaje no es moco de pavo, trae inconvenientes como por ejemplo una mayor exigencia para la batería.

En la calle esa es también la tendencia, marcas como Audi o BMW están olvidando la batería de 12 voltios a favor de otras de alto voltaje, sin llegar a los extremos que la F1 exige. Sin más, acabamos aquí, espero que os haya gustado este artículo. Ya era bastante largo, así que si algo no ha quedado bien explicado, ya sabéis, ¡a comentarios!

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10 comentarios
Imagen de tombilla
[#9 psantos] buen articulo, un tanto complejo para quién no entiende de ecléctricidad, así que todo parte de baterías con mayor voltaje ? y se supone que con mayor intensidad, una batería de esas características ya se pueden considerar peligrosas para su manejo, sobre todo de cara al consumidor, audi y bmw, están optando por este tipo de baterías? buen dato y muy relevante. a mi entender el principal problema radica en la recarga y descarga de dichas baterías, pues no se trata de recargar una bateria de un coche para hacer uso de ella después en el nuevo encendido, más bien se trata de que su energía acumulada tiene que ser convertida a alterna para así alimentar un motor trifásico, que éste a su vez se encarga de ayudar al motor térmico, durante 33,3 sg, por lo tanto la recuperación de energía pasa a ser algo muy importante en competición,así que para ello y según mi entender, más bien escaso, el consumo de combustible del térmico debe de estar lo mas equilibrado posible en relación al sistema eléctrico,es decir de nada vale que este sistema entregue durante ese tiempo toda la potencia máxima si después cuando están en proceso de recuperación y recarga el termico penaliza por exceso de consumo, y en contra si su consumo es escaso tampoco podrán aportar potencia,. así que este equilibrio marcara la diferencia en pista, ahora bien, mas que hablar de entrega de energía, creo que el problema pasa por la recuperación. también sabemos que las recargas rápidas y descargas rápidas afectan a la vida de la batería estas se calientan se deterioran y van perdiendo su capacidad de recarga y entrega de energía. así que a mi entender, todo pasa por una recarga y descarga equilibrada con relación al consumo del motor térmico. así que por todo el dato de que si la batería es de mayor o menor voltaje, puede tener relación con este proceso de recarga y descarga rápida, con el deterioro y la vida útil de ésta, en lugar de que estas puedan dar al motor eléctrico una mayor potencia por mas tiempo debido a su voltaje de trabajo, es un campo poco experimentado en automoción. por lo cual la importancia de la resistencia eléctrica es un factor relevante, el cableado especial, puede tener sus ventajas, mas que inconvenientes pero lejos de ser algo decisivo. saludos
Imagen de psantos
[#8 Aero91most] Pues hay un detalle, y es que el motor solo puede entrar en funcionamiento a partir de los 100 km/h (excepto salidas de parado), así que con un embrague podrías hacer la trampa. Lo que no sé es si merece la pena cuando el sistema tiene que estar preparado para arrancar de parado también. O igual sale mejor prepararlo para que entre en cuanto haya cogido velocidad suficiente.
Imagen de Aero91most
[#5 geronimoelindigena] Las baterias almacenan electricidad en CC siempre, por eso siempre se necesitan convertidores de tension. En cuanto a perdidas en el motor, aparte de las del cobre (los motores llevan bobinados de cobre dentro) tambien son importantes las perdidas derivadas de rozamientos y por electromagnetismos, que son los que hacen que giren. Hay motores sin escobillas pero son CC de poca potencia. Los motores de gran potencia suelen ser trifasicos como es el caso. En la trifasica no solo tenemos tension de X voltios porque tenemos una onda sinusoidal, por lo que esa cifra dada será o la de pico, o la de pico-pico, no creo que sea la llamada "tension efectiva". Donde más consumen los motores es en el arranque desde parado, porque durante un instante tienen resistencia 0 por lo que hay un pico de intensidad. Como ese mismo motor se usa como generador, supongo que en el momento del cambio de uso habrá un pico de consumo. Estaria bien que la FIA permitiera que ese motor no dejara de girar nunca para evitarlo. Bueno, ya van muchos conceptos aqui condensados jajaja Esta clase de articulos son geniales, muchas gracias al autor por ellos ;)
Imagen de psantos
[#6 elazor] [#3 Aero91most] Efectivamente, es lo malo de querer simplificarlo mucho, al final se pasan cosas, buena puntualización. Lo que decimos, la pérdida es poca, supongo que para el cableado utilizarán cobres libres de oxígeno, monocristal... Y gordos como mangueras.
Imagen de elazor
Saludos Pol Santos, articulo breve pero entendible para la mayoría, solo hacerte un inciso, la pérdidas a las que te refieres, son en el motor eléctrico, que el voltaje de la batería sea de 700 o 350, no quiere decir ni mucho menos que el voltaje de ese motor sea el mismo, para que un convertidor saque 220v en alterna, necesita al menos una tensión de la batería de continua de 220*raiz de 2=311V, ademas que las resistencias internas de esos motores y en esas potencias son cercanas al 0, las perdidas son irrisorias en comparación con la potencia absorbida y aunque en F1 todo cuenta, para mi, la diferencia entre motores radica en la recuperación de energía y sobre todo en la entrega de la misma, el software del convertidor debe de ser altamente complejo.
Imagen de geronimoelindigena
el mejor motor termico usa una termodinamica de 42%.....en uno electrico el porcentaje es superior pero su problema es el suministro de energia que viene de la bateria yen los coches eso es falta de autonomia....la nota mezcla cosas que no tienen nada que ver pq la eficioencia termica es en competicion como nada si hablamos de rendimiento.....la prueba está en que mclaren ha corrido sin el motor electrico muchas carreras este año y su motor termico ha llegado a meta sin problemas.....eso siiiiiiiiTAMPOCO RENDIMIENTO....pq tuvo que mover el electrico y ademas el peso........HOY DIA UN MOTOR NO LLEGA AL 50% DE EFICIENCIA TERMICA......un motor electrico si la supera.....la unica ventaja aparente es que a mas rendimiento de baterias con el mismo espacio y peso si que deriva en rendimiento.....nada mas....pero por el ahorro de peso/potencia....no rendimiento termico.......si me equivoco.....podeis enseñarme o explicarme lo.....no soy experto
Imagen de geronimoelindigena
[#3 Aero91most] logicamente creo que al ser almacenada no es continua.....puede que al liberarla si lo sea pero eso tiene que estar regulada.....en un hibrido las baterias en paraleo no suministran un voltaje continuo.....se transforma a menos voltaje......creo ehhhh
Imagen de Aero91most
Ahora viene lo bueno, se supone que cada célula de ion-litio son de 3.3V, poniendolas en serie se aumenta el voltaje y poniendolas en paralelo se aumenta su capacidad de energia. De ahi se puede sacar mucho juego de cómo colocar las celulas, y los problemas derivados de colocar muchas juntas. Luego está que controlas 700V no es nada fácil, pero pregunto: 700V de continua en la bateria, o de funcionamiento de los motores? Si hay conversores CC-CC y CC-AC no tienen por qué ser la misma tension.
Imagen de Lobera
[#1 DeLaRosaTeam] Si, 0 voltios ya que la parte eléctrica no va ni a tiros XD No, ahora en serio, sería interesante saberlo para ver si van más con la idea de Mercedes y los 700v o van con la de Ferrarri y los 350v... Parece que la mejor es la de los 700v aún castigando más las baterías ya que la perdidas por ir con menos voltaje no creo que compensen el ahorrarle ese exceso de trabajo...
Imagen de DeLaRosaTeam
Buen artículo. Por cierto, alguien conoce el voltaje del motor Honda??
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