Le Hypercar Le Mans (LMH), come quelle che partecipano al World Endurance Championship (WEC) e alla 24 Ore di Le Mans, utilizzano sofisticati propulsori ibridi che consentono di passare senza soluzione di continuità dall'alimentazione completamente elettrica al motore a combustione interna (ICE) durante la guida. Questa capacità di alternare le fonti di alimentazione è un aspetto chiave del sistema ibrido, che consente di ottenere efficienza, una migliore gestione dell'energia e una riduzione delle emissioni durante fasi specifiche della gara. La transizione tra queste fonti di energia è gestita da sistemi di controllo avanzati che gestiscono in tempo reale il motore elettrico, l'accumulo di energia (batterie) e il motore a combustione. I polimeri svolgono un ruolo cruciale nel garantire il funzionamento regolare e affidabile di questo processo, soprattutto in aree come la gestione termica, l'isolamento elettrico e lo smorzamento delle vibrazioni.
Come le auto LMH passano dall'alimentazione elettrica a quella ICE
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Modalità solo elettrica: In modalità solo elettrica, l'unità motore-generatore (MGU) aziona le ruote utilizzando l'energia immagazzinata nell'accumulatore di energia (ES) (la batteria). Questa modalità viene tipicamente utilizzata in situazioni di bassa velocità, come quando la vettura esce dalla corsia dei box o durante le sezioni lente della pista, per risparmiare carburante e ridurre le emissioni. In questa modalità, il motore a combustione interna rimane spento e la vettura funziona silenziosamente con l'energia elettrica.
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Modalità ibrida (transizione): Quando il guidatore richiede più potenza, durante le accelerazioni o le sezioni ad alta velocità, il sistema ibrido inserisce senza problemi il motore a combustione interna (ICE) per fornire ulteriore potenza. Questa transizione è gestita dal sistema di recupero dell'energia (ERS) ed è automatica: l'unità di controllo dell'auto decide quando attivare il motore in base alla velocità, all'acceleratore e allo stato della batteria. Il motore elettrico può ancora contribuire alla coppia insieme al motore elettrico, fornendo una spinta di potenza quando necessario.
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Modalità ICE-Only: A velocità più elevate o durante i lunghi rettilinei, l'auto può funzionare principalmente con l'alimentazione ICE. Il sistema ibrido continuerà a utilizzare l'MGU per catturare l'energia attraverso la frenata rigenerativa, immagazzinandola nella batteria per un uso successivo. Il passaggio alla modalità solo ICE consente di ottenere la massima potenza nei tratti veloci della gara.
Durante queste transizioni, il sistema ibrido assicura che il passaggio tra alimentazione elettrica e ICE avvenga senza soluzione di continuità, evitando interruzioni delle prestazioni e ottimizzando l'erogazione di potenza in base alle condizioni della pista.
Il ruolo dei polimeri nel sistema ibrido
I polimeri sono ampiamente utilizzati nei sistemi ibridi, in particolare in aree critiche come le batterie, i motori e i componenti elettrici, dove forniscono vantaggi essenziali come la gestione termica, l'isolamento elettrico e la resistenza alle vibrazioni. Queste proprietà contribuiscono a mantenere l'efficienza, l'affidabilità e la sicurezza del sistema ibrido durante la costante commutazione tra energia elettrica e ICE.
1. Gestione termica
Durante il passaggio dall'alimentazione elettrica a quella ICE, sia il motore elettrico che la batteria generano un notevole calore. La gestione di questo calore è fondamentale per mantenere l'efficienza del sistema e prevenire il surriscaldamento, che potrebbe danneggiare componenti sensibili o ridurre le prestazioni. I polimeri svolgono un ruolo fondamentale nella dissipazione del calore e nella protezione dei componenti chiave dallo stress termico.
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Il PEEK (Polietere Etere Chetone) è utilizzato in vari componenti del sistema ibrido grazie alla sua elevata stabilità termica. Si trova spesso negli involucri delle batterie, negli alloggiamenti dei motori e nei materiali isolanti intorno ai sistemi elettrici, per garantire che questi componenti non si surriscaldino durante il passaggio tra le modalità di alimentazione.
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Ipolimeri a base di silicone sono impiegati nelle guarnizioni e nelle tenute dei sistemi di motori e batterie per garantire una gestione efficace del calore. La capacità del silicone di resistere alle alte temperature lo rende ideale per garantire che questi componenti rimangano sicuri e protetti dai danni termici.
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Leinterfacce di gestione termica, come le piastre termiche realizzate con materiali a base di polimeri, sono utilizzate tra i componenti chiave per facilitare la dissipazione del calore, contribuendo a mantenere la temperatura operativa ottimale sia per l'ICE che per il motore elettrico durante le transizioni.
2. Isolamento elettrico
La transizione tra energia elettrica e ICE comporta l'utilizzo di sistemi elettrici ad alta tensione che devono essere accuratamente isolati per garantire un funzionamento sicuro. I polimeri con eccellenti proprietà di isolamento elettrico sono fondamentali per evitare cortocircuiti e proteggere i componenti elettrici del sistema ibrido.
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IlPTFE (politetrafluoroetilene) e la poliimmide (PI) sono utilizzati per isolare i componenti elettrici del sistema ibrido, in particolare i cablaggi e i connettori che gestiscono il flusso di elettricità tra batteria, motore e unità di controllo. Il PTFE è utilizzato per le sue eccellenti proprietà dielettriche, mentre i film di poliimmide (come il Kapton) garantiscono un isolamento affidabile in ambienti ad alta temperatura.
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Isolamento dei cablaggi: Il cablaggio che collega il motore elettrico alla batteria e ai sistemi di controllo deve essere isolato per evitare cortocircuiti o perdite di energia. Il PTFE è comunemente utilizzato come isolante per questi cavi ad alta tensione, assicurando che il flusso di energia tra i componenti sia efficiente e sicuro durante le transizioni di potenza.
3. Costruzione leggera
I sistemi ibridi aggiungono complessità e componenti a un'auto da corsa, quindi la gestione del peso è fondamentale per mantenere prestazioni ottimali. I polimeri sono ampiamente utilizzati nella costruzione di motori, pacchi batteria e altri componenti ibridi per ridurre il peso senza sacrificare la resistenza o la durata.
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Ipolimeri rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) sono utilizzati negli alloggiamenti dei motori ibridi e delle batterie, fornendo una struttura robusta e leggera che riduce al minimo il peso complessivo del sistema ibrido. Utilizzando il CFRP nei componenti non portanti, i produttori possono mantenere il gruppo propulsore ibrido il più leggero possibile, migliorando l'accelerazione, la maneggevolezza e l'efficienza.
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Gli involucri della batteria realizzati in compositi polimerici assicurano che il pacco batteria rimanga leggero, offrendo al contempo la necessaria protezione dal calore e dalle vibrazioni. Questi involucri prevengono anche i danni durante le transizioni di energia che si verificano durante la gara.
4. Resistenza alle vibrazioni e durata
Il passaggio dall'energia elettrica all'ICE genera vibrazioni e sollecitazioni meccaniche, soprattutto quando il motore sale o scende di giri. I polimeri elastomerici sono utilizzati per assorbire queste vibrazioni e garantire un funzionamento regolare del sistema ibrido, proteggendo i componenti dall'usura.
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I polimeri antivibranti, come il silicone e la gomma EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer), sono utilizzati nei supporti del motore, negli alloggiamenti della batteria e in altri componenti ibridi per assorbire le vibrazioni durante le transizioni tra le modalità di alimentazione. Questo previene i danni meccanici e contribuisce a mantenere l'integrità del sistema ibrido nel tempo.
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Leboccole in polimero sono utilizzate anche per il montaggio del motore elettrico e dei componenti associati, riducendo la trasmissione delle vibrazioni al resto dell'auto, il che è essenziale per mantenere il controllo del conducente e minimizzare l'usura degli altri sistemi.
5. Resistenza alla corrosione
Il sistema ibrido, in particolare i componenti elettrici e i pacchi batteria, è esposto a un'ampia gamma di fattori ambientali, tra cui umidità, sporcizia e detriti. I polimeri offrono una resistenza alla corrosione essenziale, garantendo la protezione di questi componenti dagli elementi esterni.
- Il PEEK e il PTFE sono comunemente utilizzati nelle guarnizioni per evitare che l'umidità e altri contaminanti penetrino nelle aree sensibili del sistema ibrido. Questi materiali resistono alla corrosione e all'esposizione chimica, fattore critico per mantenere l'affidabilità e le prestazioni del sistema durante le gare di resistenza.
Conclusione
I propulsori ibridi delle hypercar di Le Mans (LMH) sono progettati per passare senza soluzione di continuità dall'energia elettrica al motore a combustione interna (ICE) durante la guida, ottimizzando l'erogazione di potenza per ottenere prestazioni, efficienza e recupero di energia. I polimeri svolgono un ruolo fondamentale nel consentire questo processo, fornendo vantaggi essenziali come la gestione termica, l'isolamento elettrico, la costruzione leggera e la resistenza alle vibrazioni. Utilizzando polimeri avanzati in componenti critici come il motore, la batteria e i sistemi elettrici, i produttori di LMH possono garantire che i loro sistemi ibridi funzionino in modo efficiente e affidabile nelle condizioni estreme delle gare di endurance. Questo non solo migliora le prestazioni delle auto, ma aumenta anche la loro capacità di gestire efficacemente l'energia durante la gara.