Vecchio pezzo sul KERS
Il 2011 potrebbe essere definito l’anno 0 per la Formula 1. Erano anni che il campionato del mondo non aveva cosi tante modifiche regolamentari.. Una delle modifiche più interessanti a livello tecnico è il KERS (già usato nel campionato mondiale F1 nel 2009).
Il KERS (Kinetic Energy Recovery System, ossia “Sistema di recupero dell’energia cinetica”), è un dispositivo che permette, all’occorrenza, un aumento di potenza di 60 Kw, pari a 80 Cv, per 6,7 secondi. La FIA ha introdotto questo sistema/meccanismo (non obbligatorio) per facilitare le manovre di sorpasso e quindi aumentare lo spettacolo..
Tutti i team, eccetto la Williams, hanno optato per il KERS elettrico; a Grove, per quello elettro – meccanico. Entrambi i sistemi possono immagazzinare energia elettrica per un quantitativo massimo di 400 KJ al giro. L’accumulo di energia, per entrambi i sistemi, avviene in fase di frenata anzi, per essere più precisi avviene addirittura, già in fase di rilascio del gas.
Quando di parla di KERS è bene non parlare di “recupero d’energia” ma semplicemente di “trasformazione di energie”
Ora analizziamo, specificatamente, il funzionamento del KERS elettrico.
Il KERS elettrico ha lo scopo di produrre energia elettrica mediante un moto – alternatore elettrico (MGU Motor Generator Unit). Tale dispositivo, può essere collegato, direttamente all’albero motore oppure alla trasmissione parallelamente al cambio attraverso una cascata di ingranaggi riduttori. Quest’ultima soluzione è assai complessa infatti tutti i team che utilizzano il KERS elettrico si sono orientati verso il posizionamento del MGU davanti al tradizionale motore endotermico. La trasformazione dell’energia cinetica in elettrica avviene quando il pilota aziona il pedale del freno a determinate pressioni, tarate in precedenza e gestite dalla centralina.
Quando si frena (o si rilascia il gas), infatti, il moto –alternatore, grazie ad un sistema di frizioni idrauliche, va in presa sull’albero motore. In condizioni normali, il moto – alternatore deve essere per forza scollegato, altrimenti ci sarebbe una dispersione di potenza, oltre a produrre nocivi attriti.
In fase di frenata, dunque l’MGU funge da dinamo (come l’alternatore delle vetture di serie). L’energia prodotta viene immagazzinata in batterie al litio, il cui complesso è definito HVB (Hight Voltage Battery Pack).
Quando il pilota richiederà la potenza extra, gli basterà premere un pulsante sul volante. In questa fase l’MGU non agisce più come alternatore, bensi come motore – elettrico, andando nuovamente in presa sull’albero motore o sulla trasmissione e restituendo l’energia accumulata in precedenza. In questa fase l’energia elettrica viene trasformata in energia meccanica.
Il pilota potrà usare la potenza extra, in una sola volta al giro (80 Cv per 6,67 s continuati),oppure modularla e spartita in più occasioni come meglio crede. Il “boost” è azionabile anche nelle fasi della partenza, ma non nell’immediato spegnersi del semaforo rosso. Il sistema infatti può caricare e rilasciare energia a velocità superiori ai 100 Km/H.
Il KERS elettrico, secondo fonti ufficiose, lavora a 400 V e 700 – 800 A e pesa tutto compreso attorno ai 25 –30 Kg. Tale peso, non andrà a sommarsi al peso minimo imposto per regolamento (605 Kg). Pertanto i tecnici, debbono provvedere, prima di alloggiare il KERS, al alleggerire la vettura e a studiare una nuova distribuzione dei pesi.
L’idea del KERS è sicuramente interessante ma nella stagione 2009 non ha avuto un grandissimo successo. I forti limiti regolamentari ne hanno in parte castrato la potenzialità, facilitando il compito di quelle squadre che hanno puntato sull’esasperazione dell’aerodinamica, ricunciando da subito allo sviluppo del KERS, visto che l’uso nel 2009 era facoltativo. Non è un caso che Brawn GP e RedBull Racing, che hanno lottato per il titolo mondiale, non abbiano mai utilizzato il recupero di energia, mentre Ferrari, McLaren, Renault e BMW abbiano investito cifre ingenti. Fin dai primi test in pista erano emersi problemi di affidabilità e sicurezza che avevano spinto la Toyota a non avventurarsi su questo terreno, dal momento che la casa Nipponica era quella che sul mercato di serie era leader delle vetture ibride e non voleva che un problema in F.1 si potesse rispecchiare negativamente sulle vendite. Nei primi test un meccanico della BMW era stato folgorato da una scarica di correnti parassite. e cosi, meccanici, tecnici e commissari di percorso erano stati dotati di speciali guanti isolanti per evitare le violente correnti parassite. I guai di sicurezza, in realtà, erano stati abilmente risolti, ma i quasi 40 Kg che il sistema pesava all’inizio condizionava pesantemente le prestazioni, che non venivano controbilanciate dall’overboost di potenza disponibile in un tempo troppo limitato.
E’ giusto porsi delle domande sul KERS ed andare a capire quali siano stati i problemi da risolvere.
Il sistema, come detto in precedenza, era formato da tre elementi: il motor-generator che funzionava da alternatore e da motorino elettrico, le batterie al litio e la centralina elettronica. Il motor generator unit (MGU), durante la decelerazione, lavorava come un alternatore, producendo energia elettrica che veniva salvata nelle batterie, in attesa che il pilota scaricasse l’extra potenza durante l’accelerazione. In questo caso, la MGU, alimentata dalle batterie, funzionava da motore elettrico, in sincrono con quello endotermico, contribuendo all’aumento delle prestazioni della vettura. C’era anche una particolare centralina che gestiva tutti questi passaggi.
La Williams, invece aveva sperimentato un impianto elettro-meccanico al posto del motor generator. Il sistema Williams, più leggero del sistema elettrico, al posto delle batteria al Litio ha un volano in fibra di carbonio che ruota in un carter a vuoto al fine di ridurre gli attriti. Tale volano, che lavora accoppiato al solito motore elettrico, dovrebbe toccare regimi di rotazione ben superiori ai 40.000/50.000 giri minuto, se non addirittura prossimi ai 100 giri minuto. In tale sistema, l’energia accumulata in fase di decelerazione viene immagazzinata sotto forma di energia cinetica. In pratica, tale dispositivo, sul principio delle vecchie macchinette giocattolo a “frizione” (quelle che si caricavano facendo girare le ruote per poi rilasciarle e farle correre sul pavimento di casa) al cui interno vi era un volano (piuttosto pesante), il quale, una volta azionato, rilasciava la propria energia cinetica all’albero di trasmissione collegato alle ruote.
I tecnici, avevano deciso di installarlo tra il motore e la scocca, in un area critica della monoposto, circondata dal serbatoio del carburante. Il KERS pesava intorno ai 35-40 Kg, una massa che non è stata aggiunta al peso minimo delle F.1 (questo peso invece è stato aggiunto dal regolamento tecnico del 2011). I tecnici che hanno puntato su questo sistema, disponevano di meno zavorra utile a trovare l’ideale bilanciamento della monoposto con un adeguata distribuzione dei pesi. L’impianto non aveva solo l’handicap del peso, ma anche quello del volume: la massa in macchina del KERS ha condizionato pesantemente il disegno della vettura. I tecnici della Ferrari sono sttai abili nell’inserire tutto il sistema in una valigetta grande come una 48ore, e nel tempo sono sttai fatti passi importanti nella miniaturizzazione delle parti. I primi MGU pesavano circa 6/7 Kg: il motore sincrono a magneti permanenti girava al regime di rotazione dei propulsori V8 benzina: 18.000 giri. Raddoppiando il regime di rotazione a 36.000 giri, la massa era scesa di un terzo, rendendo però necessaria una frizione nell’accoppiamento fra i due propulsori (elettrico e benzina).
Ferrari e McLaren hanno potuto beneficiare del KERS in partenza: queste monoposto spesso hanno guadagnato delle posizione al via grazie all’overboost (funzionava oltre i 100 km/h).
Le difficoltà che erano emerse durante la stagione era la ricarica delle batterie al litio e il loro raffreddamento: anzi, per garantire un buon raffreddamento, si era arrivati ad un vero e proprio impianto di raffreddamento. Nei GP più caldi la difficoltà era quella di recuperare tutta l’energia necessaria per avere un boost sufficiente, dal momento che variava molto in funzione della conformazione del tracciato e dal numero delle staccate. La norma, infatti, in accelerazione limitava l’uso di energia pari a 400 Kj, ma non vietava uno stoccaggio maggiore nelle batterie.Siccome il rendimento del sistema non superava il 50%, per avere 400Kj utilizzabili, era necessario disporne più di 800. Ogni volta che non erano riusciti a raggiungere la soglia, la potenza in più per 6,6 s, non era di 80 Cv, ma sempre meno. La Ferrari pare non abbia mai sofferto di questo problema ma la McLaren si , proprio a causa delle batterie che lavoravano in un range di temperature ristretto. Se la batteria era troppo fredda non si rompeva, ma aveva una resistenza interna troppo alta, per cui non era efficiente, mentre se era troppo calda perdeva in prestazione giro dopo giro. L’ideale era farla lavorare in un range fra 75 e 85 gradi, mentre il motore elettrico e la centralina elettronica potevano sopportare tranquillamente le temperature dell’acqua motore, prossime ai 120 °C. Nella produzione di serie non c’erano accumulatori che rispondessero alle esigenze della F.1 e gli anni di ricerca nel Circus contribuiranno certamente allo sviluppo di nuove batterie per il mercato. E il KERS potrebbe diventare uno strumento utile non solo per incrementare le prestazioni ma anche nella riduzione dei consumi.