Durante l’EXPO dei veicoli elettrici a Shangai all’inizio del mese di Dicembre, gli ingegneri della Honda hanno presentato il progetto di un motore elettrico ad alte prestazioni che avevano realizzato come parte integrante del sistema KERS destinato al campionato mondiale 2009 di Formula1.
Il KERS (Sistema di recupero dell’energia cinetica) è un dispositivo che permette, all’occorrenza, un aumento di potenza di 60 KW(80 Cv) per 6,7 s al giro. Il KERS elettrico ha lo scopo di produrre energia mediante un moto alternatore elettrico; 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.
A seconda del design della pista, l’uso del KERS può aumentare l’accelerazione del veicolo fino a 15 km/h con un guadagno di circa 20 m sul singolo giro. Tuttavia, per introdurre il KERS bisogna progettare la monoposto in modo che non ci siano particolari alterazioni nel campo aerodinamico, del peso totale, della capacità del serbatoio, del centro di gravità, della distribuzione dei pesi e della sicurezza nel caso di eventuali collisioni.
Tenendo conto di tutto questo, gli ingegneri della Honda avevano deciso di realizzare un sistema KERS implementando un motore elettrico + una seria di batterie piuttosto che una soluzione meccanica a volano. Avevano deciso di installare il tutto all’interno di un telaio monoscocca, il motore elettrico davanti a quello endotermico e l’unità di controllo della Potenza PCU sul lato anteriore sinistro della monoposto (vedi disegno 1).
Il motore elettrico, doveva venire raffreddato con olio motore mentre il PCU veniva raffreddato con un circuito di raffreddamento dedicato. La batteria al litio (106 celle agli ioni di litio) doveva venire installata nella parte anteriore della monoposto (sotto il sedile del pilota) per preservare il centro di gravità più basso possibile e per raffreddare ad aria le batterie grazie ad un apposita fessura sul telaio della monoposto.
Dato il peso di 620 Kg di una monoposto di Formula 1 e il suo design estremamente compatto, la Honda ha calcolato che il motore elettrico avrebbe dovuto essere non più di 100 cm di diametro, 200 cm di lunghezza e produrre circa 8 KW per Kg del peso del motore. Per fare un esempio, i motori ibridi o elettrici, attualmente installati presso le auto di serie, producono da 1 a 2,5 KW per Kg.
STATORE: trifase, 4 poli, disegno a 12 denti con un doppio statore avvolto da spire e un rotore a magneti permanenti. La velocità di funzionamento del motore elettrico dovrebbe essere più o meno simile a quella del motore endotermico (range dai 13.000 – 21.000 giri/m) cge è stata limitata a 18.00 g/m durante la stagione 2009 di Formula 1.Una preoccupazione iniziale, data in particolare dall’elevata velocità del motore, è stata la notevole perdita di ferro nel nucleo dello statore che in genere è il componente più pesante di un motore elettrico. Per ovviare a questo problema, per produrre il nucleo dello statore sono state usate delle leghe di ferro e di cobalto pesante. Questo ha permesso un aumento del 30% della densità del nucleo dello statore ed ha permesso un aumento del 15% nella coppia del motore.
Grazie a particolari tecnologie chimiche e di costruzione dei componenti si è potuto ridurre le perdite di ferro nel nucleo dello statore del 60 %. Anche se la Honda non ha rilasciato nessun dettaglio sulla tecnologia di controllo del motore, si può dedurre che la frequenza massima della corrente di un motore che gira a 21.00 giri/m con 4 poli (si ipotizza egual numero di poli sia sul rotore che sullo statore), sia di circa 700 Hz. Gli impulsi elettronici che controllano un motore di questo tipo devono essere estremamente veloci.
Honda ha sviluppato un magnete ad alta coercività con una coercività intrinseca di circa 1,1 Ma/m a 160°C e messo a punto gli angoli di magnetizzazione per avere una coppia massima molto elevata. Sono stati usati, nel rotore, 448 magneti per cercare di ridurre al minimo l’aumento della temperatura con la conseguente perdita delle correnti parassite. Il diametro del rotore è stato ridotto con l’impiego dell’albero rotore come parte del circuito di flusso del rotore. È stato usato, inoltre, un filo di avvolgimento ad alta resistenza, composto da fibre organiche per avvolgere il rotore impedendo scoppi del rotore a causa della forza centrifuga prodotta a 21.00 giri/min.
I cuscinetti a sfere del rotore, fatti di ceramica, vengono lubrificati con grasso resistente alle alte temperature invece che con l’olio. Tutto questo è stato pensato per semplificare al massimo il circuito dell’olio e per ridurre le perdite.
All’inizio era stato pensato e sviluppato un motore raffreddato ad acqua ma non ha soddisfatto i tecnici Honda in fatto di dimensioni e prestazioni. Il motore finale è stato realizzato con un raffreddamento ad olio motore, sia sulla circonferenza del rotore sia attraverso il circuito che passa all’interno dell’albero. Una sottile struttura di resina è stata montata nel motore (rotore/statore) per isolare l’olio di raffreddamento dello statore dal rotore ed eliminare cosi le perdite di derivazione.
IMPLEMENTAZIONE E TEST. Il motore elettrico per essere testato è stato installato nella parte frontale del motore endotermico e collegato ad un cambio a 5 marce (vedi disegno).
I test sono iniziati nell’aprile del 2008 con accelerazioni in pieno rettilineo e poi sono preseguiti sul circuito di Silvestrone nel mese successivo. Ulteriori prove e test sono stati effettuati nel mese di settembre presso il circuito di Jerez ottenendo i seguenti risultati:
Il progetto finale del motore elettrico destinato all’uso del KERS ha raggiunto una potenza di 7,8 KW (10.46 Cv) per Kg che corrisponde con gli obiettivi che i tecnici della Honda si erano prefissati all’inizio del progetto. L’efficienza/rendimento di picco del motore è stato del 99% ed il picco di efficienza del generatore del 93%. Il peso del motore era di 6,9 Kg.
Il sistema KERS è stato introdotto in F.1 durante la stagione 2009 ed è stato la chiave di alcune vittorie avvenute in quella stagione. Successivamente è stato ritirato dal mondiale di F.1 del 2010 per alcuni problemi nello sviluppo ma verrà introdotto a partire dalla stagione 2011.
Come sappiamo, Honda, ha venduto il team nel 2009 a Ross Brawn ma il progetto del KERS Honda è rimasto nei cassetti e non è stato venduto a nessuno e perciò non è mai stato usato in gara e in nessun tipo di prova in pista.