Formula E – Previsioni tecniche

Rubrica: Curiosità della tecnica da corsa
Titolo o argomento: Tra regolamento, ipotesi tecniche e possibili sviluppi

Con la dovuta cautela e approssimazione una Formula E necessiterebbe di 480 kw (c.a. 650 cv) per accelerare la sua massa di 780 kg da 0 a 200 km/h in circa 5 secondi, ovvero nel tempo che impiegherebbe mediamente una F1 per raggiungere la medesima velocità d’uscita. Questo calcolo basilare non tiene però conto della resistenza aerodinamica, dell’attrito e, cosa più importante, della grande differenza che si manifesta tra i combustibili fossili e gli accumulatori elettrochimici in merito alla costanza di prestazioni. A mano a mano che il carburante si esaurisce su una Formula 1, le prestazioni non subiscono calo alcuno imputabile al carburante le cui proprietà rimangono inalterate e, anzi, la vettura trae vantaggi dalla sua maggiore leggerezza. Al contrario su una Formula E, con l’esaurirsi della carica, la massa degli accumulatori rimane la medesima ed altro non è che un carico ulteriore gravante sulle prestazioni le quali tendono a ridursi tanto più quanto più ci si avvicina alla scarica completa. Si presenta quindi la necessità di lasciare un margine consistente di carica.

Considerato che 1 kg di benzina contiene oltre 12 kWh di energia contro i circa  0,13 kWh di energia accumulata in 1 kg della migliore batteria attualmente disponibile in commercio (le Formula E si prevede faranno uso di batterie Li-Ion ai nanofosfati attualmente in fase di sviluppo per contenere la massa dei pacchi batterie mantenendo prestazioni, in termini di potenza specifica, energia specifica e capacità, superiori alla media), se anche si risolvesse il problema del collocamento a bordo di una enorme massa di batterie, quest’ultime avrebbero prestazioni in netta diminuzione a mano a mano che ci si avvicina alla profondità di scarica massima. Ciò significa che non solo è al momento impossibile raggiungere le prestazioni di una Formula 1 con una Formula E, ma se anche la massa del sistema d’accumulo fosse relativamente limitata grazie ad accumulatori elettrochimici nanostrutturati ad alte prestazioni (in grado di esprimere potenze specifiche a partire da circa 2,7 kw/kg), l’energia accumulata dovrebbe essere comunque maggiore di quella utilizzata durante la gara, al fine di permettere alla vettura di raggiungere il termine della competizione con prestazioni ancora di rilievo. Si ricorda che la capacità effettiva delle batterie dipende dal regime di scarica, dal peso specifico dell’elettrolita, dalla temperatura dell’elettrolita, dalla tensione finale di scarica, dal tipo costruttivo di batteria e dalla loro vita utile. Inoltre la potenza di scarica incide notevolmente sull’effettiva energia utile erogabile dalle batterie. Ed è proprio per tali ragioni che il regolamento prevede gare della durata totale di un’ora suddivise in due curiose manches nelle quali il pilota tornerà ai box per salire a bordo di una nuova vettura già pronta, carica e con gomme nuove. Insomma un pit per il cambio auto. In visione di simili limiti, sui quali dovrebbero compiersi notevoli sforzi di ricerca, gli organizzatori parlano di prestazioni della Formula E confrontabili più con una vettura a cavallo tra la Formula 3 e la GP2.

I prototipi già esistenti, realizzati e testati da Formulec, sono dotati di impianti elettrici progettati per sopportare correnti di scarica con picchi di ben 250 Ampere e tensioni attualmente comprese tra 400 ed 800 Volt (la FIA ha già fissato il limite a ben 1000 Volt per le Formula E), dispongono di 2 motori elettrici da 125 kw e, nonostante il totale potenziale sia di 250 kw, la potenza massima esprimibile delle batterie a bordo è di 180 kw (c.a. 245 cv). Altro parametro importante che dovrà essere assimilato dagli appassionati sarà proprio il fatto che la potenza espressa dai motori elettrici non sarà quella indicata sui dati di targa dei motori stessi, bensì quella che effettivamente le batterie potranno rendere fruibile ai motori (il calcolo del bollo auto sulla Toyota Prius, ad esempio, non tiene conto della potenza massima di 60 kw del motore elettrico, bensì dei 27 kw di potenza massima erogabili dal pacco batterie sommati ai 73 kw erogabili dal motore endotermico).

Un pacco batterie come quello della Formula E, di massa non superiore ai 300 kg, se realizzato ad esempio con batterie la cui potenza specifica è pari a 2,7 kw/kg potrà permettere assorbimenti di potenza da parte dei motori fino ad un massimo, puramente teorico, di 810 kw (valore dal quale i costruttori si manterrebbero decisamente lontani per garantire l’autonomia e l’affidabilità necessaria). Saranno necessari numerosi test affinché si possa stabilire con precisione per quanto tempo sia realmente possibile mantenere elevate prestazioni e quali correnti di scarica (che possono raggiungere picchi compresi tra 10C e 100C, ovvero intensità della corrente di scarica espressa in Ampere pari a 10-100 volte il valore della capacità totale del pacco batterie espressa in Ah) possano tollerare le batterie più evolute al mondo senza superare le temperature di esercizio limite alle quali si rischiano gravi danni a partire dalla deformazione delle celle fino al rischio di incendio ed esplosione.

Certamente, visto che si parla della massima categoria di vetture elettriche a ruote scoperte, non mancherà l’esasperazione di ogni dettaglio che vedrà motore elettrico e pacco batterie raffreddati a liquido al fine di prolungare i picchi della corrente di scarica contenendo i danni semplicemente ad un ridottissimo numero di cicli di ricarica possibili e sanando l’appetito del pubblico desideroso di veder sfrecciare schegge elettriche con una sorprendente coppia subito disponibile e con un effetto velocità incrementato dai ristretti tracciati cittadini.

Da un punto di vista sportivo fondamentale sarà la gestione elettronica della scarica delle batterie, una serie di variabili nasconte in una “scatolina elettronica” saranno il nuovo parametro determinante per le strategie di gara soprattutto tenendo conto del fatto che la vettura dovrà completare almeno 25 minuti di gara per poter essere sostituita al box, 25 minuti di puro agonismo che potrebbero comportare un ridotto numero di cicli di ricarica viste le forti sollecitazioni subite dalle batterie. Probabilmente sentiremo una telecronaca inusuale dove si parlerà più della gestione elettronica delle batterie che dell’usura delle gomme e dei freni (abbondantemente agevolati in questo caso dai sistemi di recupero dell’energia). Le vetture disporranno di tre modalità di ricarica: tramite la rete elettrica, tramite sistemi ad induzione implementati nei pavimenti dei box o tramite generatori quando le vetture si troveranno sulla griglia di partenza. Il numero delle marce sarà libero (ma si prevede saranno almeno 2) così come sarà libera la gestione della coppia motrice.

Continua…

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Sotto il vestito delle prime Formula E

Sotto il vestito delle prime Formula E.
Per cortesia di Formulec.