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POWER UNIT: una elettronica da urlo!

Con i test di Jerez è stato dato il via alla nuova stagione di Formula 1, la seconda dopo i grandi cambiamenti regolamentari intervenuti con la cosi soprannominata “era dell’ibrido”. Cambiamenti cosi radicali da costringere i tecnici persino a cambiare nome ai propulsori: Power Unit. Unità di potenza, perché di questo si tratta.
Non più “semplici” motori endotermici aspirati o sovralimentati ma veri e propri gioielli a tecnologia ibrida endotermica-elettrica.
Sei sono i componenti principali di cui sono composti questi propulsori:
  •       Motore a Combustione Interna (MCI o ICE)
  •       Turbocompressore
  •       MGU-H : Motor Generator Unit – Heat
  •       MGU-K : Motor Generator Unit – Kynetic
  •       Batterie
  •      Elettronica di controllo e gestione
Fatto salvo che sia già chiaro il principio di funzionamento di un motore sovralimentato, si riporta uno schema molto semplificativo di quelli che sono i flussi di energia e potenza tra componente elettrica e componente termica di questi propulsori approdati in F1.



Motore a combustione interna

Il motore termico che le scuderie utilizzeranno nel 2015 sarà un evoluzione del propulsore della passata stagione. Il compatto 1600 cm3 dal peso di circa 150 kg , 6 cilindri, turbocompresso è in grado di erogare una potenza di circa 600 CV.
Varie sono le soluzioni adottate dalle scuderie per quanto riguarda i parametri di lavoro del motore termico, cosi come differenti sono le soluzioni scelte sul sistema di aspirazione con cornetti di aspirazione mobili (Renault, Honda, Mercedes) o fisse (Ferrari, per ora) e la scelta del layout dei componenti delle stesse P.U.

MGU-H
Motor Generator Unit – Heat: questo è il nome che è stato affidato al componente rigenerativo presente sul sistema turbocompressore. Nome improprio a dirla tutta, dato che Heat (calore ) sembrerebbe indicare che il sistema sia in grado di lavorare recuperando calore dai gas di scarico. Di fatto cosi non è, dato che, ingegneristicamente, quando si parla di recupero termico si intende tutt’altro principio fisico, ovvero il recovery di potenza termica sottratta al sistema e messa a disposizione di una seconda utenza.
Ciò che viene recuperata è l’energia cinetica presente nei gas di scarico.
Come noto, il turbocompressore è un accoppiamento di due macchine termiche, operanti coassialmente, il cui compito è quello di riuscire ad aumentare la pressione dell’aria comburente immessa nel motore sfruttando il potenziale cinetico dei gas combusti. Quest’ultimi dopo aver azionato la turbina, che a sua volta permette la movimentazione del compressore, escono dal condotto di scarico portando con se una quota di energia cinetica e di pressione ancora presente nei gas esausti.


L’MGU-H, montata sull’albero delle giranti di turbina e compressore, agisce da carico sull’albero del gruppo di sovralimentazione recuperando quell’energia cinetica altrimenti dispersa. Il recupero interviene perché parte di questa energia serve per mettere e mantenere in rotazione i rotori del motore elettrico dell’ MGU-H che gravano quindi sull’albero del sistema di sovralimentazione.
Di per se il principio di funzionamento è molto semplice, seppur i componenti siano estremamente complessi: mettendo in movimentazione relativa rotore e statore di un generatore elettrico si è in grado di erogare corrente.
I sistemi MGU (sia H che K) sono in grado di lavorare sia in assorbimento che in cessione di energia elettrica. Ciò vuol dire che si comportano da generatori di corrente (cessione), comportandosi da carico nelle fasi di rilascio e decelerazione della vettura e da motori elettrici (assorbimento) nelle fasi di accelerazione e spinta.
Parlando dell’MGU-H, in particolar modo, si comporta da generatore nella fase di rilascio e viene utilizzata da motore nella fase di accelerazione per compensare l’effetto turbolag del gruppo turbina-compressore ai regimi di rotazione inferiori.

MGU-K
Motor Generator Unit – Kynetic: è il secondo componente elettrico della parte ibrida ERS (energy recovery system) derivato dalla tecnologia già utilizzata dal 2009 con il KERS.


Il principio di funzionamento resta il medesimo: il componente si comporta da generatore elettrico nelle fasi di decelerazione/frenata e da motore elettrico nelle fasi di accelerazione e spinta.
Nella fase di frenata la potenza meccanica disponibile all’albero motore viene utilizzata per mettere e mantenere in rotazione i rotori dell’MGU-K, che si comporta quindi da carico per il motore termico. Il “quanto” sia “frenante” questo carico del componente Kynetic viene stabilito dal sistema BrakeByWire, con il quale si regola l’intensità di carico resistente che la MGU-K applica sul motore termico.
Nella fase di spinta e accelerazione si può utilizzare il sistema Kynetic come motore e fornire dunque potenza aggiuntiva a quella già fornita dalla componente termica.
Sia la MGU-H che la MGU-K sono motori a magneti permanenti brushless a flusso radiale, raffreddati a liquido. Per il raffreddamento sono state testate 2 possibili soluzioni: la prima che prevede l’utilizzo della stessa acqua di raffreddamento del motore anche per le componenti elettriche e la seconda che prevede l’implementazione di un circuito di raffreddamento dedicato alle parti MGU.
La prima soluzione consente di avere un solo circuito ( ma non necessariamente lo stesso radiatore ) per l’acqua di raffreddamento del motore termico e dei motori elettrici, con il vantaggio di non dover creare un circuito secondario dedicato a cui andrebbe associato uno scambiatore di calore; con lo svantaggio di dover far lavorare i componenti elettrici con acqua di raffreddamento nell’intorno dei 100°C.
Un circuito dedicato potrebbe consentire un più efficiente raffreddamento delle componenti elettriche migliorando di conseguenza il rendimento delle stesse. Si renderebbe però necessaria la creazione della circuitazione dedicata del refrigerante.

Batterie
Le batterie che consentono l’accumulo e il prelievo dell’energia elettrica sono sistemi a ioni di litio da circa 20-25 kg di massa.
Anche questi componenti vengono raffreddati con liquido a circa 100°C, temperature superiori causerebbero cali di efficienza di scambio e accumulo elettrico.
È importante sottolineare come queste batterie, come del resto quelle tradizionali, lavorino con corrente continua. Questo ci consente di capire e spiegare uno dei principali ruoli che svolge la parte elettronica di controllo…

Elettronica di controllo e gestione
Fondamentale ma complessa, molto complessa.
Oltre alla tradizionale elettronica per il controllo del motore termico, con l’avvento di questi gioielli ibridi si è reso necessario sviluppare anche hardware e software in grado di gestire i due componenti elettrici MGU sia nelle fasi di rigenerazione ( fase in cui recuperano energia cinetica generando energia elettrica) che in fase di generazione (fase in cui si comportano da motori).
Da dove nasce il problema? Sia la MGU-H che la MGU-K nella fase di rigenerazione producono corrente alternata trifase mentre le batterie, come detto poco fa, lavorano in corrente continua monofase.
Identico problema si pone nella fase di generazione, dove la batteria può fornire energia elettrica con corrente monofase continua e i motori devono lavorare assorbendo corrente trifase alternata.
Anche in questo caso, seppur l’implementazione di tale elettronica è particolarmente complessa, il principio di funzionamento resta semplice : un inverter.
Un inverter altro non è che un componente elettronico in grado di convertire corrente continua in alternata o viceversa. Nel caso particolare delle P.U. si può parlare di “Co-Inverter” o inverter bidirezionale.


Come spiegato in precedenza, i flussi di corrente nei sistemi MGU non sono univoci ma doppi. Per tale motivo, nelle fasi di decelerazione/frenata, l’elettronica dedicata deve essere in grado di “raddrizzare” la corrente elettrica trifase alternata generata dalle MGU e trasformarla in corrente continua monofase (la trasformazione in monofase di solito avviene sfruttando un “ponte” elettrico ad alto voltaggio) per lo stoccaggio in batteria.



Mentre nelle fasi di accelerazione, la componente elettronica deve essere in grado di convertire la corrente elettrica monofase continua prelevata dal sistema di accumulo, in corrente alternata trifase che può dunque essere assorbita dai componenti MGU.


Tutte queste “trasformazioni” di corrente elettrica avvengono a voltaggi e amperaggi elevati che devono necessariamente esser tenuti sotto controllo, anche dal punto di vista termico.
Un’altra problematica che l’elettronica deve risolvere è associata alla variabilità del carico elettrico generato dai sistemi MGU. Prima si è voluto spiegare in modo semplificato ciò che succede nelle fasi di generazione ed assorbimento elettrico e la funzione di inverter dell’elettronica senza che sia mai stata contemplata la variabilità del carico stesso.
Allo scopo di spiegazione semplificativa, si analizza ora il comportamento in generazione elettrica, quindi con le MGU che lavorano in fase rigenerativa.
Un dato MGU avente rotore con N coppie polari erogherà una corrente con frequenza, voltaggio e amperaggio dipendenti dal numero di giri del rotore stesso.
È ovvio immaginare che durante la fase di decelerazione/frenata (fase rigenerativa per le MGU) il numero di giri del motore termico, per quel che riguarda la MGU-K, e dell’alberino del gruppo turbina-compressore, per quanto riguarda la MGU-H, sia variabile e in questo caso decrescente. Ne consegue che anche la corrente elettrica prodotta da entrambe i sistemi di recupero abbia frequenza, voltaggio e amperaggio variabile.
Ciò indica che l’elettronica dedicata alla gestione di questo flusso di corrente debba essere in grado di ricevere corrente con questo grado di variabilità e restituire corrente continua monofase e stabile alle batterie, qualsiasi sia il numero di giri del sistema MGU.
Il funzionamento si complica ulteriormente quando l’energia elettrica prodotta dalla MGU-H viene destinata, dato che il regolamento consente una produzione illimitata di energia elettrica da tale componente, ad alimentare direttamente il componente MGU-K.
La complicazione sta nel fatto che l’elettronica deve gestire tutte le variabili di corrente trifase alternata prodotte dalla MGU-H durante la variazione del proprio numero di giri e riversare tale energia al secondo sistema ibrido Kynetic rispettando a sua volta le caratteristiche di carico variabile del secondo MGU.
Tale problematica può essere affrontata utilizzato una logica a “doppio inverter” da parte dell’elettronica.


Lo schema mostra come l’energia elettrica trifase alternata a parametri variabili (in funzione del numero di giri) prodotta dalla MGU-H venga gestita dal primo inverter e trasformata in corrente continua monofase ad alto voltaggio. La medesima corrente monofase prodotta dal primo blocco ad “inverter elettronico” viene presa in gestione da un secondo blocco elettronico che ritrasforma tale corrente in trifase alternata al grado di carico idoneo per l’unità MGU-K.
In tal modo la componente “H” può essere utilizzata per garantire surplus di potenza extra alla componente “K”  oltre a quei 2 MJ/giro previsti dal regolamento.
Ciò lascerebbe anche credere che la componente MGU-H venga utilizzata in modalità rigenerativa, potendo dunque fornire direttamente energia al Kynetic, anche nelle fasi di accelerazione e spinta; lavorando anche in questo caso come “carico” sull’alberino del gruppo turbocompressore e svolgendo dunque anche la funzione di “limitatore di pressione” controllando il numero di giri del sistema di sovralimentazione.

Piergiuseppe Donadoni

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13 commenti

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11 febbraio 2015 12:06 delete

i motori bruhless sono a corrente continua, quindi MGU-H e MGU-K quando fungono da motori non c'è bisognio di trasformare la corrente della batteria da continua ad alternata.
http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_brushless

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11 febbraio 2015 12:15 delete

I sistemi MGU sono trifase e non possono essere alimentati in continua per via della loro dualità di funzionamento. Il termine "brushless" si riferisce semplicemente alla mancanza delle spazzole e non a caratteristiche precise riguardo al funzionamento.

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11 febbraio 2015 12:38 delete

Se tu togli l'elettronica che rilleva la posizione del rotore di un motore brushless, esso diventa un'alternatore sincrono; ecco a cosa è dovuta la loro dualità.

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11 febbraio 2015 13:00 delete

Non è l’aggiunta o la rimozione del resolver che definisce un motore sincrono o asincrono. Inoltre sarebbe ben pericoloso rimuovere il resolver dal generatore dato che verrebbe persa la lettura di posizione, velocità e accelerazione del rotore stesso. Per fare un esempio, la macchina ibrida di mia invenzione opera con un motore brushless sincrono e può lavorare sia in controllo sensorless che in controllo resolver; ma non è l’esclusione di quest’ultimo a cambiare la natura della macchina.

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12 febbraio 2015 15:19 delete

Bellissimo articolo! Complimenti!

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Rob
AUTHOR
13 febbraio 2015 14:34 delete

Bell'articolo. Ti faccio i miei complimenti per la competenza e per la voglia di condividerla con gli altri appassionati.
Vorrei comunque approfittare per chiedere qualche chiarimento.
Nella illustrazione iniziale c'è un doppio verso alla freccia (verde) tra MCI e MGU-H. Non mi risulta che l'MGU-H possa alimentare (meccanicamente) il motore termico. L'MGU-H mi risulta che possa alimentare (meccanicamente) direttamente solo il compressore.
Mi risulta, inoltre, che l'energia recuperata dal MGU-H, oltre che a ricaricare la batteria, possa anche essere impiegata per alimentare direttamente l'MGU-K. E'il principio per il quale si è più volte sentito che Mercedes riusciva ad impiegare più potenza elettrica, oltre i 4 MJ/giro che l'MGH-K può assorbire dalla batteria.
Nel disegno, quindi, dovrebbe esserci una freccia tra MGU-H ed MGU-K.
Nel bilancio tra carica e scarica della bateria, poi, c'è qualcosa che non mi è chiaro.
Se ho interpretato correttamente, la ricarica della batteria (4MJ/giro) deve essere ottenuta metà e metà dal MGU-K e MGU-H?
La cosa mi sembra strana, considerando la netta differenza di potenza tra le due unità, e la possibile modalità di impiego del MGU-H precedentemente illustrata.
Ti sarei grato se potessi fornire qualche altra spiegazione.

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13 febbraio 2015 16:54 delete

Grazie innanzi tutto per i complimenti. Le tue osservazioni sono corrette e c’è una spiegazione. La freccia verde che dall’MGU-H va verso il motore termico non voleva indicare la cessione di energia elettrica convertita direttamente in meccanica al MCI ma semplicemente indicare che l’MGU-H può funzionare da motore per movimentare il compressore e dunque trasferendo indirettamente energia al motore termico.
Per il secondo quesito, riguardo al trasferimento diretto di energia elettrica tra MGU-H e MGU-K, se guardi l’immagine noterai una doppia freccia curva che passa dall’unità di controllo che collega direttamente le due MGU (con un trasferimento di energia non limitato dal regolamento).
Per rispondere all’ultimo quesito serve valutare ciò che dice il regolamento tecnico: non possono essere accumulati al giro più di 2MJ provenienti dalla MGU-K e la batteria al massimo può subire una variazione di carica di 4MJ. Ciò vuol dire che effettivamente se tu volessi ricaricare al limite dei 4MJ la batteria dovresti sfruttare per il 50% della carica la MGU-K e per il restante 50% la MGU-H. Vero è che le due unità elettriche hanno potenza nettamente diversa ma considera che l’MGU-H può caricare in modo illimitato nel tempo le batterie. In tal modo, pur fornendo una potenza inferiore ma per un arco temporale maggiore, anche la MGU-H può ricaricare i 2MJ/giro mancanti al limite di regolamento. Qui poi si dovrebbe parlare di strategia di utilizzo delle unità elettriche.
Proprio come hai detto, la MGU-H può alimentare direttamente la MGU-K e il come è possibile che ciò avvenga è riportato nell’ultima parte dell’articolo.
Spero di esser stato esaustivo nella spiegazione, in caso contrario resto a disposizione per chiarimenti.

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13 maggio 2015 08:59 delete

Ciao! ottima spiegazione e sono certo che mi sarà utilissima per la mia tesina sul motore e il parallelo tra kers ed ers...ciò che però vorrei chiederti è se questi tipi di motori (in particolare quello dell'MGU-K) sia lo stesso utilizzato in precedenza per il kers elettrico perchè continuo a trovare incongruenza a proposito di questo punto...grazie!

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17 luglio 2015 09:25 delete

Ciao, scusa se rispondo solo ora, non ho visto il tuo commento :D diciamo che la sostanza è la stessa. I nuovi MGU sono l'evoluzione del vecchio sistema Kers :)

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17 luglio 2015 17:23 delete

Posso gentilmente sapere a cosa è dovuto il meraviglioso fischio che si sente in scalata sulle PU Mercedes?sulla PU Ferrari è appena accennato,sulla PU Renault è totalmente assente.Grazie

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Unknown
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12 giugno 2016 20:16 delete Questo commento è stato eliminato dall'autore.
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