L'accumulatore di energia della Formula 1 e il suo utilizzo di polimeri

Nelle moderne vetture di Formula 1, l'Energy Store (ES) svolge un ruolo fondamentale nel sistema di unità di potenza ibrida, fungendo da pacco batterie che immagazzina l'energia elettrica recuperata dai sistemi di recupero dell'energia (ERS) della vettura, che comprendono l'MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetic) e l'MGU-H (Motor Generator Unit - Heat). L'ES ha il compito di immagazzinare l'energia catturata dalla frenata (tramite l'MGU-K) e dal turbocompressore (tramite l'MGU-H), per poi utilizzarla per aumentare le prestazioni dell'auto, fornendo potenza aggiuntiva alla trasmissione quando necessario.

L'Energy Store è essenzialmente una batteria agli ioni di litio ad alte prestazioni progettata per immagazzinare e rilasciare energia elettrica con la massima efficienza. Operando in un ambiente estremo, l'ES deve resistere alle alte temperature, alle sollecitazioni meccaniche, alle vibrazioni e all'esposizione a sostanze chimiche e ad altre condizioni difficili. Per soddisfare queste esigenze, i polimeri sono ampiamente utilizzati nella costruzione e nella protezione dell'ES. I polimeri sono scelti non solo per le loro proprietà di leggerezza e resistenza termica, ma anche per la loro natura non corrosiva e non conduttiva, essenziali per garantire la sicurezza, la durata e l'efficienza del sistema.

Il ruolo dell'Energy Store in Formula 1

L'Energy Store è fondamentale per il funzionamento dell'unità di potenza ibrida nelle auto di F1. Funziona catturando e immagazzinando energia da due fonti chiave:

• Frenata (MGU-K): Quando l'auto frena, l'MGU-K cattura l'energia cinetica che altrimenti andrebbe persa come calore. Questa energia viene convertita in energia elettrica e inviata all'Energy Store.
• Calore del turbocompressore (MGU-H): L'MGU-H recupera l'energia dai gas di scarico che azionano il turbocompressore. Anche questa energia viene convertita in energia elettrica e immagazzinata nell'ES.

Una volta immagazzinata nell'ES, l'energia può essere utilizzata per fornire potenza aggiuntiva alla vettura, ad esempio in fase di accelerazione o per favorire i sorpassi. L'ES consente all'auto di funzionare in modo più efficiente, riducendo il consumo di carburante e fornendo un aumento delle prestazioni quando necessario.

Perché i polimeri sono ampiamente utilizzati nell'Energy Store

L'ES opera in un ambiente difficile, dove è esposto a calore elevato, correnti elettriche, vibrazioni ed elementi corrosivi come carburanti, oli e refrigeranti. I polimeri sono i materiali ideali per i vari componenti dell'Energy Store perché offrono diversi vantaggi chiave:

1. Proprietà non corrosive

Uno dei motivi principali per cui i polimeri sono ampiamente utilizzati nell'Energy Store è la loro intrinseca resistenza alla corrosione. L'ES è spesso esposto a sostanze chimiche, come carburante, fluidi idraulici e refrigeranti, che possono causare la corrosione dei componenti metallici nel tempo. La corrosione può degradare le prestazioni e la sicurezza del sistema di batterie, causando guasti o inefficienze.

• Polimeri come il PTFE (politetrafluoroetilene) e il PEEK (polietere etere chetone) sono naturalmente resistenti alla corrosione chimica e sono quindi ideali per l'uso in involucri di batterie, guarnizioni e rivestimenti protettivi. Questi materiali garantiscono che l'Energy Store rimanga intatto e operativo anche dopo una prolungata esposizione a sostanze chimiche aggressive e ad ambienti estremi. Prevenendo la corrosione, i polimeri contribuiscono a prolungare la vita dell'ES e a ridurre la necessità di frequenti interventi di manutenzione o sostituzione.

2. Natura non conduttiva

I polimeri sono eccellenti isolanti elettrici, cioè non conducono elettricità. Nell'Energy Store, dove vengono generate, immagazzinate e trasmesse correnti elettriche ad alta tensione, è essenziale utilizzare materiali che impediscano i cortocircuiti elettrici e garantiscano che l'energia elettrica rimanga contenuta in modo sicuro.

• Lepellicole di poliimmide, come il Kapton, sono utilizzate per isolare le celle delle batterie e i cavi all'interno dell'ES. Queste pellicole offrono un'elevata rigidità dielettrica, garantendo un isolamento sicuro delle correnti elettriche all'interno del sistema. In questo modo si evita la fuoriuscita involontaria di energia e si riduce al minimo il rischio di malfunzionamenti elettrici o cortocircuiti.

• IlPTFE è anche ampiamente utilizzato nell'ES come isolante per cablaggi e connettori. La sua natura non conduttiva garantisce che i componenti elettrici dell'ES siano protetti dalle alte tensioni generate dai sistemi di recupero dell'energia, salvaguardando l'integrità dei circuiti elettrici.

Utilizzando polimeri non conduttivi, i team di Formula 1 possono garantire che l'Energy Store funzioni in modo sicuro ed efficiente, evitando guasti elettrici che potrebbero compromettere le prestazioni o mettere a rischio la sicurezza.

3. Resistenza termica

Durante il recupero e l'utilizzo dell'energia, l'ES genera una quantità significativa di calore e le celle della batteria devono essere mantenute entro un intervallo di temperatura operativa sicuro per mantenere le prestazioni ed evitare il surriscaldamento. I polimeri sono ideali per la gestione termica perché possono resistere alle alte temperature senza degradarsi o perdere le loro proprietà isolanti.

• Il PEEK e il PTFE sono spesso utilizzati negli strati isolanti e negli schermi termici dell'Energy Store. Questi materiali sono in grado di resistere alle alte temperature e di fornire un isolamento efficace tra le celle della batteria, contribuendo a prevenire la fuga termica (una situazione in cui il calore eccessivo causa il degrado o il guasto delle celle della batteria).

Mantenendo la stabilità termica dell'ES, i polimeri contribuiscono a garantire che i processi di accumulo e rilascio dell'energia avvengano in modo efficiente, anche in presenza del calore estremo generato durante le gare.

4. Costruzione leggera

La riduzione del peso complessivo di un'auto di Formula 1 è fondamentale per migliorare le prestazioni, in quanto un'auto più leggera può accelerare più velocemente e gestire meglio la pista. I polimeri sono molto più leggeri dei metalli e sono quindi ideali per la costruzione dell'alloggiamento e dei componenti protettivi dell'Energy Store.

• Ipolimeri rinforzati con fibre di carbonio (CFRP) sono comunemente utilizzati per l'involucro esterno dell'Energy Store, fornendo un guscio protettivo resistente ma leggero per le celle della batteria. L'uso del CFRP riduce il peso dell'ES, consentendo alla vettura di ottenere prestazioni migliori senza sacrificare la resistenza o la durata.

Questa riduzione di peso è fondamentale in Formula 1, dove ogni grammo risparmiato contribuisce a velocizzare i tempi sul giro e a migliorare l'efficienza dei consumi, dando ai team un vantaggio competitivo.

5. Smorzamento delle vibrazioni e durata

L'Energy Store è sottoposto a vibrazioni e urti significativi durante una gara di Formula 1, soprattutto quando la vettura affronta curve ad alta velocità, frena bruscamente o accelera rapidamente. I polimeri aiutano a proteggere il pacco batterie da queste sollecitazioni meccaniche, garantendo che i componenti rimangano intatti e funzionanti per tutta la durata della gara.

• Ipolimeri elastomerici, come il silicone e la gomma EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer), sono utilizzati per i supporti antivibranti e le guarnizioni dell'Energy Store. Questi materiali assorbono le vibrazioni e forniscono flessibilità, evitando di danneggiare le sensibili celle della batteria e i collegamenti elettrici.

Riducendo l'impatto di vibrazioni e urti, i polimeri elastomerici contribuiscono a prolungare la durata dell'Energy Store e a migliorarne l'affidabilità durante le gare.

Vantaggi principali dell'uso dei polimeri nell'Energy Store

1. Resistenza alla corrosione: Polimeri come il PTFE e il PEEK prevengono la corrosione causata dall'esposizione a sostanze chimiche e ambienti difficili, garantendo la longevità e l'affidabilità dell'ES.

2. Isolamento elettrico: Le proprietà non conduttive di polimeri come la poliimmide e il PTFE proteggono il sistema di batterie da cortocircuiti e guasti elettrici, assicurando un immagazzinamento e un utilizzo sicuro dell'energia.

3. Gestione termica: I polimeri ad alta resistenza termica, come il PEEK, aiutano a gestire il calore generato dalle celle della batteria, evitando il surriscaldamento e mantenendo un funzionamento efficiente.

4. Riduzione del peso: Il CFRP e altri polimeri leggeri riducono il peso complessivo dell'Energy Store, contribuendo a migliorare le prestazioni e la maneggevolezza dell'auto.

5. Smorzamento delle vibrazioni: I polimeri elastomerici forniscono flessibilità e assorbono le vibrazioni, proteggendo le celle della batteria da eventuali danni e garantendo la durata dell'Energy Store.

Conclusione

Nell'Energy Store della Formula 1, i polimeri sono fondamentali per garantire il funzionamento sicuro ed efficiente del sistema nell'ambiente esigente di un'auto da corsa. Le loro proprietà non corrosive e non conduttive, unite alla resistenza termica, alla leggerezza e alle capacità di smorzamento delle vibrazioni, rendono i polimeri il materiale ideale per i vari componenti dell'ES. Utilizzando polimeri avanzati, i team di F1 possono ottimizzare le prestazioni, la sicurezza e l'affidabilità dell'Energy Store, consentendo un recupero e un utilizzo efficiente dell'energia, elemento fondamentale per il successo del propulsore ibrido in pista.