Los hipercoches de Le Mans (LMH), como los que compiten en el Campeonato del Mundo de Resistencia (WEC ) y en las 24 Horas de Le Mans, utilizan sofisticadas cadenas cinemáticas híbridas que les permiten alternar a la perfección entre la energía eléctrica total y el motor de combustión interna (ICE) durante la conducción. Esta capacidad de alternar entre fuentes de energía es un aspecto clave del sistema híbrido, ya que permite una mayor eficiencia, una mejor gestión de la energía y una reducción de las emisiones durante fases específicas de la carrera. La transición entre estas fuentes de energía se lleva a cabo mediante avanzados sistemas de control que gestionan el motor eléctrico, el almacenamiento de energía (baterías) y el motor de combustión en tiempo real. Los polímeros desempeñan un papel crucial para garantizar el funcionamiento fluido y fiable de este proceso, especialmente en áreas como la gestión térmica, el aislamiento eléctrico y la amortiguación de vibraciones.
Cómo pasan los coches LMH de la electricidad al motor de combustión
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Modo sólo eléctrico: En el modo sólo eléctrico, la unidad de motor-generador (MGU ) impulsa las ruedas utilizando la energía almacenada en el depósito de energía (ES) (la batería). Este modo se utiliza normalmente en situaciones de baja velocidad, como cuando el coche sale del pit lane o durante secciones lentas de la pista para ahorrar combustible y reducir las emisiones. En este modo, el motor de combustión interna permanece apagado y el coche funciona silenciosamente con energía eléctrica.
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Modo híbrido (transición): A medida que el conductor demanda más potencia -durante la aceleración o en tramos de alta velocidad- el sistema híbrido conecta sin problemas el motor de combustión interna (ICE) para proporcionar potencia adicional. Esta transición está gestionada por el Sistema de Recuperación de Energía (ERS) y es automática: la unidad de control del coche decide cuándo activar el motor en función de la velocidad, el acelerador y el estado de la batería. El motor eléctrico puede seguir aportando par junto con el motor de combustión interna, proporcionando un aumento de potencia cuando sea necesario.
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Modo sólo motor de combustión interna: A velocidades más altas o en rectas largas, el coche puede funcionar principalmente con el motor de combustión interna. El sistema híbrido seguirá utilizando el MGU para capturar energía a través de la frenada regenerativa, almacenando esta energía en la batería para su uso posterior. El cambio al modo sólo ICE permite obtener la máxima potencia durante las secciones rápidas de la carrera.
A lo largo de estas transiciones, el sistema híbrido garantiza que el cambio entre la energía eléctrica y la de los motores de combustión interna se produzca sin interrupciones, evitando interrupciones en el rendimiento y optimizando la entrega de potencia en función de las condiciones de la pista.
Papel de los polímeros en el sistema híbrido
Los polímeros se utilizan ampliamente en los sistemas híbridos, especialmente en áreas críticas como las baterías, los motores y los componentes eléctricos, donde proporcionan ventajas esenciales como la gestión térmica, el aislamiento eléctrico y la resistencia a las vibraciones. Estas propiedades ayudan a mantener la eficiencia, fiabilidad y seguridad del sistema híbrido durante el cambio constante entre energía eléctrica e ICE.
1. 1. Gestión térmica
Durante la transición de la energía eléctrica a la ICE, tanto el motor eléctrico como la batería generan un calor significativo. La gestión de este calor es crucial para mantener la eficiencia del sistema y evitar el sobrecalentamiento, que podría dañar los componentes sensibles o reducir el rendimiento. Los polímeros desempeñan un papel fundamental a la hora de disipar el calor y proteger las piezas clave del estrés térmico.
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El PEEK (poliéter éter cetona) se utiliza en varios componentes del sistema híbrido debido a su gran estabilidad térmica. A menudo se encuentra en las carcasas de las baterías, las carcasas de los motores y los materiales aislantes alrededor de los sistemas eléctricos, garantizando que estos componentes no se sobrecalienten durante el cambio entre modos de potencia.
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Los polímeros a base de silicona se emplean en las juntas y sellos de los sistemas de motor y batería para garantizar una gestión eficaz del calor. La capacidad de la silicona para soportar altas temperaturas la hace ideal para garantizar que estos componentes permanezcan seguros y protegidos de daños térmicos.
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Las interfaces de gestión térmica, como las almohadillas térmicas fabricadas con materiales a base de polímeros, se utilizan entre los componentes clave para facilitar la disipación del calor, ayudando a mantener la temperatura óptima de funcionamiento tanto para el ICE como para el motor eléctrico durante las transiciones.
2. Aislamiento eléctrico
La transición entre la energía eléctrica y el ICE implica el uso de sistemas eléctricos de alta tensión que deben aislarse cuidadosamente para garantizar un funcionamiento seguro. Los polímeros con excelentes propiedades de aislamiento eléctrico son fundamentales para evitar cortocircuitos y proteger los componentes eléctricos del sistema híbrido.
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ElPTFE (politetrafluoroetileno) y la poliimida (PI) se utilizan para aislar los componentes eléctricos del sistema híbrido, especialmente en el cableado y los conectores que gestionan el flujo de electricidad entre la batería, el motor y la unidad de control. El PTFE se utiliza por sus excelentes propiedades dieléctricas, mientras que las películas de poliimida (como Kapton) proporcionan un aislamiento fiable en entornos de altas temperaturas.
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Aislamiento en mazos de cables: El cableado que conecta el motor eléctrico a la batería y a los sistemas de control debe estar aislado para evitar cortocircuitos o pérdidas de energía. El PTFE se utiliza habitualmente como aislante para estos cables de alta tensión, garantizando que el flujo de energía entre los componentes sea eficiente y seguro durante las transiciones de potencia.
3. Construcción ligera
Los sistemas híbridos añaden complejidad y componentes a un coche de carreras, por lo que la gestión del peso es crucial para mantener un rendimiento óptimo. Los polímeros se utilizan ampliamente en la construcción de motores, paquetes de baterías y otros componentes híbridos para reducir el peso sin sacrificar la resistencia o la durabilidad.
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Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) se utilizan en las carcasas de los motores híbridos y las cajas de las baterías, proporcionando una estructura resistente y ligera que minimiza el peso total del sistema híbrido. Al utilizar CFRP en componentes que no soportan carga, los fabricantes pueden mantener la cadena cinemática híbrida lo más ligera posible, mejorando la aceleración, el manejo y la eficiencia.
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Las carcasas de las baterías fabricadas con compuestos poliméricos garantizan que el paquete de baterías siga siendo ligero, al tiempo que ofrecen la protección necesaria contra el calor y las vibraciones. Estas carcasas también evitan daños durante las transiciones de energía que se producen durante la carrera.
4. Resistencia a las vibraciones y durabilidad
El cambio entre la energía eléctrica y la ICE genera vibraciones y tensiones mecánicas, especialmente cuando el motor aumenta o disminuye su velocidad. Los polímeros elastoméricos se utilizan para absorber estas vibraciones y garantizar el buen funcionamiento del sistema híbrido, protegiendo los componentes del desgaste.
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Los polímeros amortiguadores de vibraciones, como la silicona y el EPDM (caucho de etileno propileno dieno monómero), se utilizan en los soportes del motor, las carcasas de las baterías y otros componentes híbridos para absorber las vibraciones durante las transiciones entre los modos de potencia. Esto evita daños mecánicos y ayuda a mantener la integridad del sistema híbrido a lo largo del tiempo.
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Los bujes de polímero también se utilizan en el montaje del motor eléctrico y sus componentes asociados, reduciendo la transmisión de vibraciones al resto del coche, lo que es esencial para mantener el control del conductor y minimizar el desgaste de otros sistemas.
5. Resistencia a la corrosión
El sistema híbrido, especialmente sus componentes eléctricos y paquetes de baterías, está expuesto a una amplia gama de factores ambientales, como la humedad, la suciedad y los residuos. Los polímeros proporcionan una resistencia esencial a la corrosión, garantizando que estos componentes estén protegidos de los elementos externos.
- El PEEK y el PTFE se utilizan habitualmente en sellos y juntas para evitar que la humedad y otros contaminantes penetren en las zonas sensibles del sistema híbrido. Estos materiales resisten la corrosión y la exposición química, lo que es fundamental para mantener la fiabilidad y el rendimiento del sistema durante las carreras de resistencia.
Conclusión
Las cadenas cinemáticas híbridas de los hipercoches de Le Mans (LMH ) están diseñadas para alternar a la perfección entre la energía eléctrica y el motor de combustión interna (ICE ) durante la conducción, optimizando la entrega de potencia en términos de rendimiento, eficiencia y recuperación de energía. Los polímeros desempeñan un papel fundamental en este proceso, aportando ventajas esenciales como la gestión térmica, el aislamiento eléctrico, la construcción ligera y la resistencia a las vibraciones. Mediante el uso de polímeros avanzados en componentes críticos como el motor, la batería y los sistemas eléctricos, los fabricantes de LMH pueden garantizar que sus sistemas híbridos funcionen de forma eficiente y fiable en las condiciones extremas de las carreras de resistencia. Esto no sólo mejora el rendimiento de los coches, sino que también aumenta su capacidad para gestionar la energía de forma eficaz durante toda la carrera.