Desde que la FIA potenció el uso de nuevas tecnologías para permitir que la actual F1 sea más ecológica y sostenible hemos podido leer infinidad de artículos que explican el funcionamiento de los sistemas que forman el ERS. La bibliografía es amplia en este sentido pero todos, en mayor o menor medida han cometido un error grave, dejar de lado a uno de los elementos que más desarrollo futuro tiene y que sin él sería imposible esta tecnología. Estamos hablando de las baterías.
El concepto de batería en la F1 es bastante más complejo de lo que creemos. La mayoría piensa en un contenedor más o menos pequeño, similar al usado en nuestros coches que suministra la energía cuando es necesaria, pero no es así. Si tuviéramos que buscar un símil en la tecnología actual, tendríamos que fijarnos más en las baterías de los móviles, de los portátiles y otros ingenios miniaturizados, que en las utilizadas por nuestros vehículos de calle. Lo que habitualmente se entiende como batería o unidad de almacenamiento de energía, es un complejo sistema formado por varios elementos: El conjunto de celdas que forman la batería, el convertidor (también llamado inversor) y por último un imprescindible sistema de refrigeración. Iremos por partes para describirlos uno a uno.
BATERÍA
La batería en un F1 es la encargada de almacenar la energía obtenida por los sistemas de recuperación de energía que forman el ERS. El MGU-K (unidad de recuperación cinética, el antiguo KERS) se encarga de obtener por normativa hasta 2 MJ por vuelta aunque la FIA permite gastar hasta 4 MJ para impulsar el coche. Esa divergencia la resuelve el MGU-H (Unidad de recuperación de calor que está conectada al turbocompresor) ya que puede recuperar y gastar lo que quiera, sin límite alguno.
En los terminales de la batería el voltaje es muy alto, estando limitada a 1.000 voltios con una intensidad de corriente eléctrica de decenas de amperios. Por lo tanto es un sistema de alta potencia, y la batería tiene que tener suficiente capacidad para poder usar los dos sistemas simultáneamente.
Hacer las baterías cada vez menos pesadas, pero más pequeñas y potentes, es el gran desafío del futuro. Las actuales tienen que tener por motivos de seguridad una estructura unitaria, es decir no puede haber varios núcleos repartidos a lo largo del coche y su peso debe de estar comprendido entre los 20 kg del mínimo permitido y los 25 kg del máximo. A pleno rendimiento es capaz de descargar la energía suficiente para que el ERS genere aproximadamente unos 160 CV de potencia. Por su tamaño los ingenieros sitúan la batería debajo del depósito de combustible. Esta pieza es un lastre muy grande de ahí que, cuanto más cerca del suelo esté mejor ya que facilita su extracción pero sobre todo, mejora el centro de gravedad del coche.
El futuro está en manos de las baterías y todos lo saben. La apuesta de la industria de la electrónica de consumo ya es firme pero la inversión de importantes cantidades de dinero en investigación y desarrollo tanto en la F1 actual como en su hermana menor, la Formula E, tampoco se queda atrás. El gran empujón lo está dando la decidida apuesta de las grandes compañías de la automoción para impulsar tanto los coches híbridos como los eléctricos que permitirá dar en pocos años un salto de gigante es sus prestaciones. Así, dentro de poco, estos dispositivos pesarán menos, se recargarán antes, tendrán una mayor potencia, dicen que se podrán recargar sin necesidad de cables mediante determinadas redes WiFi y su duración será más prolongada.
Llegados a este punto, y antes de profundizar más en el tema, sería conveniente darle un repaso a algunas nociones básicas sobre estos dispositivos.
¿QUÉ ES Y CÓMO FUNCIONA UNA BATERÍA?
Una batería es un elemento capaz de generar energía eléctrica a partir de reacciones químicas. Existen dos tipos básicos, por un lado las baterías primarias que son de un solo uso como es caso de las pilas no recargables de toda la vida y por otro las baterías secundarias, que son recargables gracias a que sus reacciones electroquímicas son reversibles. Estas son obviamente las que nos interesan a efectos de este artículo.
Las baterías están compuestas a nivel muy básico de tres elementos:
Cátodo: Es un electrodo que tiene una carga negativa el cual sufre una reacción de reducción (recibe electrones).
Electrolito: Es cualquier sustancia que en solución acuosa o fundida conduce la corriente eléctrica gracias a que contiene iones libres, que son los encargados de “transportar” la electricidad permitiendo que los electrones fluyan sin trabas desde el ánodo al cátodo. Pongamos un ejemplo automovilístico para hacerlo más comprensible. Un viajero quiere ir de Cádiz a Sevilla en coche. Siendo así, el viajero serían el electrón, el electrolito sería la autopista y los iones libres el coche.
El electrolito normalmente suelen ser un líquido como puede ser el usado en las baterías de nuestros coches pero también se emplean materiales secos, esencialmente geles que presentan una estructura molecular cristalina flexible pero siempre tiene que existir una constante, iones libres que puedan trasladar electrones, de no ser así el material no sería conductor de la electricidad como le sucede al agua destilada al carecer de iones libres para hacerlo. Esos electrones que viajan de un electrodo a otro son los encargados de crear la corriente que activa nuestros aparatos y mueve nuestros sorprendentes coches eléctricos.
Las dos reacciones que se producen en la creación de la corriente eléctrica siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida (cede electrones), siempre es por la acción de otra que se reduce (recibe electrones). Por esta razón, a este tipo de reacciones se las denomina Redox. Este sistema es muy bueno ya que se genera electricidad de forma espontánea, sin que tengan que intervenir más elemento pero tiene sus límites. El principal es el agotamiento del ánodo que llega a un punto de corrosión que deja de ceder electrones.
Todos los tipos y modelos de baterías que hay en el mercado tienen el mismo funcionamiento, la diferencia estriba en el material utilizado en sus tres elementos básicos. La F1, como sucede con la mayoría de las aplicaciones tecnológicas más populares han optado por la utilización de una gama de materiales que permiten tanto la creación de corriente eléctrica como su recarga y dentro de la amplia gama de materiales a usar han optado por las baterías de ión litio para esa función. Voy a intentar explicar, de manera breve, su estructura.
¿QUÉ ES UNA BATERÍA DE IÓN-LITIO?
Este tipo de batería está compuesta de una determinada cantidad de celdas de ion-litio. Cada celda es una pila en sí. Su estructura se asemeja a un sándwich pero siguiendo un patrón. Por un lado tienen una fina capa de grafito que hace las funciones de ánodo, una capa porosa que permite el tránsito de electrones por ella a la vez que actúa de barrera de separación y por último el cátodo que suele ser el gran diferenciador en este tipo de tecnología.
El material utilizado es muy variado siendo los más comunes el cobalto, manganeso, fosfato de hierro u otros metales. En los coches eléctricos, el material más utilizado es el NMC que una mezcla de níquel, manganeso y cobalto. Pero falta algo, el electrolito. El nombre de este tipo de baterías (ión-litio) viene dado por el material utilizado como electrolito que funciona como conductor y que, casi siempre, es un líquido basado en sales de litio.
Si estas tres capas finas humedecidas con electrolito la estiramos, comprimimos, enrollamos y la metemos en una capsulas diferenciando las capas para dar salida a la polaridad, ya tenemos una celda lista.
¿POR QUÉ SON RECARGABLES?
Para explicar por qué es posible el recargado es necesario recordar un aspecto comentado en la explicación sobre el funcionamiento de una batería. Como dije, uno de los inconvenientes de las pilas normales era que al producirse la reacción redox (oxidación-reducción) el ánodo se oxida y corrosiona dejando de generar electrones. ¿Qué pasaría si se encontrara un ánodo que no se oxidara? Sería un gran avance para la ciencia pero eso es imposible que suceda ya que la cesión de electrones siempre acarrea una descomposición del material. ¿Cómo solucionarlo? Encontrando materiales que en determinadas circunstancias se regeneren.
Esa es la utilizada en las baterías recargables. Sin intervención externa el dispositivo actúa como una pila normal, las reacciones electroquímicas generan corriente eléctrica pero si se le aplica una corriente en sentido inverso, los materiales que se habían consumidos se regeneran. ¿Cómo? Cuando la batería está en recarga, los iones se desplazan del cátodo al ánodo, fijándose en este último, es decir todo lo contrario que harían en condiciones normales. En el ejemplo anterior, los coches irían de Sevilla a Cádiz. Cuando se quita el aporte de electricidad todo vuelve a la normalidad y los iones se sueltan del ánodo y terminan agrupados en el cátodo.
VENTAJAS E INCONVENIENTES
El litio es el sólido más ligero que existe haciendo que, los dispositivos creados con él, sean menos pesados en comparación a otros materiales. No obstante, su utilización no se basa sólo en un tema de peso, sino a la densidad de energía que va asociada a él o lo que es lo mismo, la cantidad de energía que puede acumularse por unidad de masa o de volumen. Cuanto mayor sea la densidad energética, mayor será la cantidad de energía disponible para almacenar por kilogramo o litro de batería. Así por ejemplo una batería de puede almacenar 125 Wh/kg (vatios por hora y kg) y una eficiencia energética del 90% mientras que la usada en nuestro coche que están hechas de plomo-ácido tan sólo son capaces de almacenar 40 Wh/kg.
En comparación con las baterías tradicionales, las baterías de iones de litio se cargan más rápido, duran más y tienen una densidad de potencia más alta ofreciendo unas baterías más livianas con una mayor duración, pero no se quedan ahí las ventajas. Hay más.
Este tipo de baterías, sólo puede perder, en el peor de los casos, un 5% de su energía acumulada frente al 20% de otras. No tienen lo que se denomina efecto memoria, un problema que afecta a las baterías corrientes y que consiste en que, si no se han descargado completamente, sólo podrán recargarse hasta un límite, en las de ión litio no pasa eso, pueden soportar cientos y cientos de ciclos de carga y descarga sin que se vea afectado su rendimiento.
La F1 actual aprovecha todas estas ventajas pero, como siempre sucede, hay algunos problemas. Esta tecnología dista de ser un sistema perfecto para el almacenaje de energía, pues tiene varios defectos. La duración media es menor, soportan un número limitado de cargas (entre 300 y 1000), menos que una batería de Ni-Cd pero suficiente para la vida útil estimada de las usadas en las nuevas Unidades de Potencia (en adelante UP) que deben durar como mínimo cinco carreras de media si no quieren ser sancionados. Son costosas de fabricar en comparación con otros materiales pero sobre todo la temperatura les afecta y ese es uno de los aspectos que más preocupa a los ingenieros de la F1. Este aspecto lo veremos más adelante.
Igualmente las baterías trabajan mejor con un estado de carga concreto, que se vigila cuidadosamente. Es necesario cargar y mantener la batería en una limitada ventana de funcionamiento, y esto permite precargar la batería antes de una sesión, pero no durante ella pues está prohibido. La batería de los F1 también puede llevarse rápidamente a un estado de carga concreto mediante la vuelta de salida de los de boxes.
Bien, llegados a este punto, sería conveniente seguir adelante con el sistema de almacenamiento. Además de las celdas de ion-litio, la batería cuenta con un sistema electrónico para gestionar el estado de cada una de las celdas, del conjunto de ellas y otros parámetros del funcionamiento de la UP. Vamos a verlo.
UNIDAD DE CONTROL: CONVERTIDORES
La unidad de control ERS es un dispositivo electrónico que controla cómo se utiliza la energía en la unidad de potencia. Es el cerebro de la unidad propulsora y su software determina cómo funciona el motor, la batería y los MGU. En cualquier coche eléctrico es necesario un conjunto de hardware y software que mantiene la batería funcionando de manera segura y fiable mediante el equilibrio de las cargas en las celdas y seguimiento de la temperatura, el voltaje y la corriente. En la F1 este conjunto es más importante aún ya que en la competición hay mayores exigencias para cada celda, se agotan mucho más rápido que en un coche eléctrico de calle y se recarga constantemente a través del sistema de regeneración.
Las nuevas UP llevan un gran número de sensores que permiten supervisar, con nivel de detalle muy alto, infinidad de parámetros. Cada segundo, la unidad captura unas 350.000 entradas que ayudan al software a maximizar la salud y el rendimiento de la batería. Tanto es así que pueden dejar fuera de servicio a celdas que muestren síntomas de estar fallando. La dificultad radica en hacerlo de manera constante, permitiendo a la electrónica determina cuál es la mejor manera de suministrar o recibir la energía creada teniendo en cuenta los constantes cambios ambientales y las diferentes condiciones de pilotaje. Esta es sólo una de las labores encomendadas, pero tiene otra más importante aún. Sigamos.
Uno de los errores más comunes a la hora de describir el funcionamiento del ERS es creer que los dos elementos encargados de crear electricidad para el coche, el MGU-H y el MGU-K suministran la energía directamente a la batería, pero no es así. Antes de almacenar la electricidad creada es necesario realizar un paso intermedio y ahí es donde entran en funcionamiento los convertidores que se encargan de transformar la energía creada en otra con unos parámetros que permitan su entrada en la batería.
Los generadores MGU son trifásicos y crean corriente alterna (AC), mientras que la batería se carga en corriente continua (DC) por tanto es necesario que exista un sistema electrónico que convierta la energía. Normalmente este tipo de elementos se llaman inversores (inverters), y son claves en la gestión de la energía como se verá más adelante.
Utilizar un motor trifásico tiene muchas ventajas, a igual potencia su tamaño y peso son menores, se pueden construir de cualquier tamaño, tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante. También su rendimiento es muy elevado y sobre todo, al ser más sencillos, necesitan menos mantenimiento reduciendo así el riesgo de averías, de ahí que sea un mal menor el tener que utilizar inversores.
Por tanto este dispositivo tiene doble función, por un lado convertir la energía de AC a DC para almacenarla mediante una serie de transistores que hay dentro de la unidad de control y enviarla, a través de dos cables, a la batería. Cuando sea necesario “rescatar” electricidad de las baterías volverá a transformarla, en esta ocasión al revés, de DC a AC trifásica para que el MGU-H y el MGU-K funcionen como motores para accionar el turbo o ayudar a la tracción respectivamente.
En un F1 hay dos dispositivos inversores cada uno conectado con su respectiva unidad de MGU. Al recuperar energía, los motores-generadores envían corriente alterna mediante tres cables de alta intensidad a la unidad de control como vemos en el esquema de arriba. En el caso del unido al MGU-K, también recibe energía del MGU-H mediante otra conexión. Es conveniente recordar que por normativa el MGU-K sólo puede generar 2 MJ de electricidad pero si puede utilizar hasta 4 MJ. Conectar el MGU-H al inversor permite suministrar un extra de electricidad que puede ser utilizada sin transformar para el uso del MGU-K.
Estas unidades también proporcionan al coche corriente de 12-24v para las necesidades habituales como es el encendido y la inyección, por lo que estos coches no necesitan tener alternador u otra batería independiente.
La unidad de control se encarga de gestionar la velocidad y el par que proporcionarán los MGU en su funcionamiento. Mediante la tensión y la frecuencia suministradas en sus bornes consigue regular los valores adecuados para controlar esos parámetros. Una vez realizado los cálculos, sacan la energía necesaria de la batería y es el convertidor el que transforma la electricidad necesaria.
Por tanto vemos como las unidades de control de ERS se encargan de gestionar y transformar toda la energía procedente de los sistemas de recuperación.
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
Mires por donde mires un F1 genera mucha cantidad de calor y el ERS no lo hace menos. Ya sabemos que el motor de combustión es el culpable de casi toda ella pero, incluso el proceso de conversión de la corriente alterna a continua o viceversa, genera pérdidas en forma de calor, al igual que la carga y descarga de la batería, por lo que ambos sistemas necesitan refrigeración.
Como dije antes, uno de los factores que más intervienen a la hora de evaluar las prestaciones que da una batería de ión litio es la temperatura, tanto altas como bajas y los ingenieros de la F1 trabajan duro para conseguir el máximo de ellas. Si hace frío es malo ya que reducen su eficacia y duración hasta en un 25%, pero si hace mucho calor, peor aún. Si la temperatura sobrepasa los límites permitidos la batería puede llegar a descargarse totalmente. A más calor, menos energía acumulada. Por tanto la refrigeración es crítica.
El calor actúa disminuyendo la resistencia de la batería, por lo que su capacidad para retener electricidad será cada vez menor. De hecho una batería de Ion-Litio nunca debiera trabajar a temperaturas superiores a 60ºC (entre 40 y 50ºC) para obtener la mayor eficiencia posible pero si baja de 40ºC es necesario en algunas ocasiones tener que precalentar el agua del circuito de refrigeración antes de iniciar una sesión para llegar a ese valor.
Su ubicación no es la más apropiada. La proximidad al motor hace que el calor irradiado por éste le afecte de ahí que sea necesaria su refrigeración. Para ello se utiliza un circuito de refrigeración por agua que requiere de un radiador en el pontón lateral. El núcleo de la electrónica del ERS necesita menos recursos y es refrigerado simplemente por aire.
Como hemos visto en este artículo, el sistema de almacenamiento de energía juega un papel vital en la actual F1. Cualquier fallo en el sistema ERS, y la batería que forma parte de él, hace que las prestaciones de los monoplazas se vean muy mermadas. 160 Cv son muchos y si no, que se lo pregunten a Nico Rosberg en la última cita del campeonato. Es importante comprender que el deporte del motor está siempre unido a otros aspectos de la vida.
La inversión en tecnología no sólo supone un avance importante para los equipos que participan en ella, sino una base fundamental para futuras aplicaciones a nivel usuario e industrial. La aparición de nuevos materiales abrirá nuevas vías de desarrollo que hasta ahora estaban cerradas, permitiendo crear baterías con mayores prestaciones en un espacio más reducido. Este deporte está poniendo su granito de arena para conseguirlo. Los pasos se están dando y el futuro está cada vez más próximo, pero eso será otra historia.
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