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[0695]Las Baterías en la Fórmula E


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Como decía en un tema anterior, en comparación con un coche normal de Fórmula 1 que tiene el tanque de combustible justo detrás del conductor en un lugar adecuado desde el punto de vista de la seguridad, en un Fórmula_E ese espacio está ocupado por un cubo que pesa aproximadamente 320 kg conteniendo 164 baterías de iones de litio. Diseñado por la firma británica Williams Advanced Engineering que es una rama de la exitosa Williams Gran Prix Engineering de la Fórmula 1, la fuente de alimentación tiene una capacidad de 30 kilovatios-hora, suficientes para correr de 20 a 30 minutos a velocidad extrema.
Debido a la obligación de que las carreras deben durar el doble, el piloto debe hacer una parada en boxes con una batería casi muerta y como su reemplazo demanda un tiempo prohibitivo, deberá salir con un coche diferente con las baterías completamente cargadas.


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Estas baterías son muy diferentes a las tradicionales de plomo-ácido que se usan aún después de más de 120 años en un coche de calle, al menos en el momento del arranque y como fuente de alimentación su uso sigue siendo insustituible por su rendimiento, duración, potencia y asequibilidad. Naturalmente fueron hasta hace unos años las únicas capaces de impulsar a un auto eléctrico pero su escaso perfeccionamiento y peso limitaron el desarrollo de autos eléctricos capaces de sustituir a los de motores de combustión interna y, aún con menos posibilidades, de entregar un coche de carreras totalmente eléctrico de altas perfomances.

Hoy sir Frank Williams ha sabido diversificar sus ganancias obtenidas por sus grandes logros en el ultra competitivo mundo de la Fórmula 1 en estas últimas cuatro décadas y se ha ganado una gran reputación por la excelencia de su ingeniería, aplicada en principio a sus coches y a un amplio espectro de la automoción en general, aunque de hecho, con la excepción de Ferrari, hoy en día fabrica más componentes de sus coches deportivos en sus propios establecimientos que cualquier otro equipo de la grilla.
Esta reputación ha llevado gracias a sus habilidades que muchos de sus componentes especializados sean empleados por algunos de los fabricantes de automóviles más grandes del mundo para una amplia variedad de proyectos.



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A mediados de la década de 1980 a la Williams Grand Prix Engineering le fue confiada el desarrollo del Austin Rover Metro 6R4, un monstruo del Grupo B del Rally mundial y si bien nunca estuvo a la altura de las expectativas, sus posteriores relaciones con la Renault en el British Touring Car Championship, y con BMW en Le Mans en la década de 1990 se hicieron eco del enorme éxito que el equipo estaba disfrutando en la Fórmula 1.
Una gran cantidad de los logros de Williams provinieron del éxito en las pistas que lo llevaron a ampliar los límites tecnológicos cada vez a mayores exigencias. A principios de los noventa sus coches fueron los primeros en explotar adecuadamente la suspensión activa y una caja de cambios totalmente automática con control de tracción estaba casi lista para la carrera antes de que los redactores de reglamento de este deporte la declararan fuera de la ley.



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Los cambios en las regulaciones son un factor constante en la Fórmula 1 y para el año 2008 se autorizó el uso de las unidades de energía regenerativas que, recordemos, previamente habían sido prohibidas. La llegada de esta tecnología, que se conoció como el KERS, Kinetic Energy Recovery System, hizo que Williams diversificara sus negocios y posicione en el mercado su Williams Advanced Engineering.
Además del propio KERS, la compañía comenzó a fabricar y desarrollar sus propias baterías, además de los inversores y conversores de voltaje, la Unidad Generadora del Motor, los cables distribuidores de alto voltaje y el sistema de gestión de la batería lo que la llevó a adquirir gran experiencia. Estos sistemas de almacenamiento son cruciales para aplicaciones donde se exigen un alto rendimiento y una gran resistencia al uso tanto del hardware como del software necesario.
Si bien para la compañía todos estos avances han tenido un gran éxito, la gran mayoría de las labores que realiza son de desarrollo secreto, pero algunos de los proyectos en los que ha estado involucrado han trascendido, como el concepto del hypercar, un espectacular Jaguar C-X75 en la que la compañía de sir Frank ha sido socia, que demuestra hasta qué punto la tecnología regenerativa ha llegado.


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Por supuesto, entre otros proyectos de la avanzada ingeniería de Williams estuvo el diseño y fabricación de las baterías que proveen a la Fórmula E.
En esta serie deportiva, que es única e innovadora, el componente más innovador de todos es la batería concebida y fabricada por Williams. Construido en base a una rigurosa especificación determinada por la FIA en cuanto a potencia, tiempo de carga y longevidad, el trabajo que se ha invertido para proveer la alimentación de los autos de la primera serie de carreras totalmente eléctrica del mundo sólo podría haber sido realizado por una empresa con el pedigrí de carreras del equipo de Frank Williams que se destacó por el tiempo empleado entre la adjudicación de la licitación y la fecha de entrega para poner en la pista a tiempo para la primera prueba: ¡le llevó sólo seis meses poder entregarlas!


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"Hay muy pocas organizaciones en el mundo que podría haber hecho lo que hicimos en forma efectiva en esos seis meses", dice Doug Campling, que tiene a su cargo la dirección técnica de los programas de deportes de motor de la Williams Advanced Engineering. "Cuando se piensa en quién más podrían haberlo hecho la lista a mano es muy corta. Ha habido una gran cantidad de horas de trabajo nocturno. Es difícil imaginar otra empresa que no tiene una historia en las carreras tenga el mismo espíritu ".
Con el fin de suministrar las baterías a los 40 coches (además de las piezas de repuesto) Williams ha tenido que poner en marcha una línea de producción en el nuevo "edificio de las baterías" que se ha erigido en su sede de Grove, Oxfordshire.






Los equipos de Fórmula 1 son esencialmente promotores de la alta velocidad al tiempo que la forma del diseño individual también evoluciona rápidamente, lo mismo que las pruebas y construcción de nuevos componentes que mejoran el rendimiento de un fórmula 1 de carrera en carrera. Sin embargo, el contrato con la Fórmula E exige producir un componente que sea ciento por ciento compatible entre un equipo y otro, más aún, que siga siendo tan poderoso al final de la segunda temporada como lo fue en el inicio de la primera temporada.
"Tenemos más energía en la batería de la que la FIA permite a los equipos utilizar," revela Okan Tur, el jefe técnico especialista en sistemas híbridos. "Las regulaciones de la FIA dice que el peso de la célula tiene que limitarse a 200 kg y la salida de la batería no puede ser más de 28 kW/h, por lo que se diseñó una batería con algún exceso en los niveles de energía almacenada pero dentro de los parámetros de los reglamentos."


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Al ver el tamaño de la batería aplicada en la Fórmula E significa que no hay dudas de que para Williams ha sido un desarrollo de su programa original de la Fórmula 1 y el intercambio de conocimientos entre los dos programas ha sido muy evidente. "En términos de arquitectura del hardware electrónico, es ciento por ciento lo mismo apenas modificado para los requisitos adicionales para cumplir con las regulaciones de la Fórmula E", añade Tur.


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"La tecnología aplicada a la contención de incendios y de la supresión de altas temperaturas se ha debido usar otra vez," dice Campling, "hemos sido capaces de asesorar sobre la estrategia de contención de los excesos de temperatura. La estructura tiene una jaula de Faraday integrada y una barrera térmica, que es extremadamente importante en la Fórmula 1 donde se tiene la batería adosada al depósito de combustible ubicado por encima de la misma. Hemos podido demostrar en la Fórmula 1 que podríamos tener un incendio dentro de la batería sin embargo, la temperatura observada en la pila de combustible era menor a los 70°C y además hicimos factible pasar este concepto a Dallara para que construya su célula de seguridad.
Las dimensiones de la batería se determinaron por el espacio disponible dentro del diseño del chasis Dallara. Esto creó un desafío para el adecuado envasado y su correcta instalación que se exigía desde el principio. El siguiente reto era asegurarse de que la batería recibiera un enfriamiento suficiente además la batería es parte integrante del conjunto cockpit-motor y juntos forman un solo bloque autoportante idéntico a los chasis de la Fórmula 1..



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"La gestión térmica está en el centro del diseño, porque la temperatura define el conjunto de parámetros de rendimiento en los coches de carreras y casi toda nuestra batería no es diferente a eso", explica Tur.
Campling añade: "Teníamos la arquitectura básica y sabíamos que se podía empaquetar las células de una manera determinada, pero todo estaría muy apretado y necesitábamos llegar a un punto en el tiempo donde podríamos concretar el diseño de la célula de seguridad junto a Dallara, es decir, el tiempo necesario para la fabricación del prototipo y completar sus pruebas de seguridad.


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Había un par de direcciones en las que podíamos ir: Una por la refrigeración líquida y otra por refrigeración por aire. Obviamente cada piloto tiene dos coches, pero necesitábamos tener en cuenta el escenario en el que si se tenía un problema con un coche, un problema reparable, puede que se tenga utilizar un coche y luego volver a usarlo de inmediato. Para cargar la batería en 45 minutos o una hora y al mismo tiempo poder enfriar la batería, lista para ser utilizada de nuevo significaba que teníamos que tener un sistema post-acondicionado muy eficaz y la refrigeración líquida proporciona la mejor solución "



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Cuando la FIA estaba creando los reglamentos para la Fórmula E, se decidió que la célula de seguridad de la batería debía formar parte de la estructura del coche y que, en lugar de cambiar las pilas, por el bien de la seguridad, los pilotos cambiarían de automóviles.
Esto significa que, por primera vez, una batería debía ser utilizada en una prueba de choque estándar de la FIA equivalente a las que están sometidos los coches de la Fórmula 1.
"Estábamos obligados a tomar parte en la prueba de impacto frontal, en la que el chasis y la batería están montados en un trineo que se estrella contra un muro en donde la energía se disipa en la estructura de la nariz y también la prueba de impacto trasero, donde se tiene la caja de cambios y la estructura de choque atornillada a la misma embestida por ​​un trineo impulsado a gran velocidad", dice Campling. "Hemos sido capaces de demostrar que todas las funciones de información y seguridad de la salud de la batería estaban en su lugar después de cada prueba y la batería todavía se podrían utilizar si fuere necesario."


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Pero ¿qué pasa con el cambio de las baterías? ¿Podría hacerse si las reglas hubiesen sido escritas de forma diferente? "Sería un desafío técnico muy interesante", admite Campling, "teníamos una solución similar a la Fórmula 1, donde se permite que la batería sea retirada y reemplazada directamente por otra nueva junto con todas las soluciones de fluidos y conductores eléctricos en una sola incidencia por lo que lo vemos factible a ciencia cierta ".


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Para llegar a a los lugares donde se corren los e_Prix, los coches son transportados por vía aérea, lo que ha implicado otra serie de pruebas de seguridad de la batería pase, algo que el diseño interno segmentada única demostrado involuntariamente beneficioso para.
"La regulación UN 38.3 establece el régimen que cada batería de iones de litio tiene que cumplir con el fin de ser permitido su transporte aéreo que incluye pruebas mecánicas, térmicas y capaces de soportar el abuso en el traslado y hemos superado todas las pruebas y la batería estuvo disponible a tiempo para su certificación".



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Con los coches capaces de viajar por el mundo, el siguiente paso fue tomar las carreras de coches eléctricos en el centro de algunas de las ciudades más grandes y más contaminadas del mundo. Mediante la creación de un espectáculo emocionante, la Fórmula E tiene como objetivo cambiar la percepción de los coches eléctricos y promover su uso.
Campling respalda plenamente esta filosofía: "Creo que la ventaja de lo que estamos haciendo es que se está creando una oleada de interés y motivo de desarrollo acelerado. El interés más público que hay en vehículos EV en general, más los principales fabricantes con los presupuestos más grandes van a gastar en el desarrollo de sus productos ".


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Pero Tur calcula que habrá un legado más tangible de la Fórmula E: el avance de las fronteras tecnológicas.
"Hay una serie de áreas que la Fórmula E promueve: mayor densidad de almacenamiento, tener más energía dentro de un mismo peso con menores tiempos de carga, y también el aumento de la vida de estas baterías."
"Por ejemplo, hemos visto esto en la Fórmula 1 cuando comenzó a utilizar el KERS, inmediatamente vimos aumentada la potencia en los niveles de densidad en las baterías. Creo que a medida que avancemos en las temporadas venideras veremos que las regulaciones de la FIA presionarán por mejores densidades de energía en las baterías [en la Fórmula E] y vamos a llegar al punto en el que podremos cargar rápidamente las baterías y acometer duraciones más largas de las carreras".

Para realmente dimensionar el tamaño de estas baterías les dejo esta imagen de la planta ensambladora de Williams donde se puede compararlas con el porte de uno de sus operarioe.

Imagen de Alta Resolución, ver detalles en pestaña aparte
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Hay un viejo refrán que dice que sólo corriendo las carreras se mejoran, y la Fórmula E está ayudando a mejorar la próxima generación de vehículos eléctricos. Esto debe significar una mejor calidad del aire, y por lo tanto de la vida, para todos nosotros.









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Una Batería de Ion-Litio



Pero ¿qué es una Batería Ion-Litio?

Principio de Funcionamiento
Una batería de ion litio es una batería recargable en la que los iones de litio se mueven desde el electrodo negativo al electrodo positivo durante la descarga y a la inversa durante la carga.



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Animaciones para visualizar el intercambio iónico entre ambos electrodos


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Para coleccionar

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1 comentario - [0695]Las Baterías en la Fórmula E

foofight +1
Muy buena info cocho, pero me rehuso a carreras de licuadoras! No hay nada como el olor a combustible y aceite, ni hablar de la hermosa sinfonia que producen la mayoria de los autos de competicion... solo espero que las carreras no mueran siendo autitos a pila. (esto pienso en cuanto a la competicion, para autos de calle me parece muy buena idea la electricidad)
cocho57 +1
Totalmente de acuerdo pero tal vez esto sea el futuro, lo que me parece una excelente idea, pero se la dejo a mis bisnietos, por lo menos a mi nieto de casi 4 años le gusta el sonido de los fierros actuales, basta oírlo cuando acelera haciendo sonidos con la boca...Brrrrrrmmmmmmm!!!!!!!!! Jajaja ¡Si hasta BRM pronuncia!
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