Para muchas personas como lo que hacemos parte de esta organización nos gusta observar como personas llamadas pilotos llevan a los limites los vehículo de carreras de alto rendimiento al límite para encontrar con ello la forma optima para dar más capacidad y adecuación de los vehículos de uso diario o eventual de las demás personas en el planeta Tierra.
La tecnología que se utiliza en estos vehículos viene de investigaciones en laboratorios, otras llegan de empresas dedicadas a la producción en muchas áreas del conocimiento como la aero espacial, que debe optimizar cada componente de su sistema (vehículo, plataforma, sistemas de información, ... ) para lograr que se logren los objetivos trazados y resultados esperados, con mínima cantidad de fallas.
Lo primero a destacar es que las competencias ( carreras ) se llevan a cabo las calles de las ciudades, las cuales se organizan para que los vehículos usen tecnología en ambientes callejeros, así que con carreras callejeras con autorización especial, es por ello que llevan llantas de uso de calle como las que pueden llevar muchos vehículos actuales, principalmente los que son afinados para tener comportamiento similar a los automóviles de Formula E.
Diseño Exterior y Aerodinámica
El diseño exterior de un vehículo de Fórmula E es una combinación meticulosa de estética y funcionalidad, con el objetivo principal de maximizar la eficiencia aerodinámica y la estabilidad en la pista. Cada componente, desde el alerón delantero hasta el difusor trasero, está diseñado para reducir la resistencia al aire y aumentar la carga aerodinámica en curvas rápidas. El coeficiente aerodinámico (Cd) es una medida crucial que indica qué tan aerodinámico es un vehículo, y en la Fórmula E, se trabaja constantemente en la optimización de este factor para mejorar el rendimiento en la pista.
Para optimizar uso de estas llantas se utilizan cubiertas en la parte superior de las mismas las cuales permiten disminuir el coeficiente de rozamiento del vehículo y hacer que la corriente de aire pase sobre el vehículo manteniendo la adherencia el vehículo en el suelo, acoso opuesto que sucede con los aviones que deben aprovechar las áreas de baja presión para lograr la sustentación.
Mecánica Interna: Motor y Sistema de Propulsión
El motor eléctrico es el corazón palpitante de un vehículo de Fórmula E, proporcionando una potencia instantánea y controlable que impulsa el vehículo a velocidades vertiginosas. Estos motores difieren significativamente de sus contrapartes de combustión interna en varios aspectos clave.
La propulsión del automóvil se da por una tracción trasera con un motor a sincrónico que le brinda ### Newton/metro y se mueve a ### RPM lo que la brinda una potencia de ### Kilo watts lo que hace que pueda llegar a velocidades de ### kilómetros / hora, este motor tiene un consumo de energía de ### kilo watts/hora por cada ### kilómetros recorridos, valor que ha venido siendo optimizado para realizar mas giros a la pista de carreras (en las calles de la ciudad - Callejero ) y a mayor velocidad, además debe poder disminuir rápidamente la velocidad y acelerar como pocos vehículos en pocas centésimas de segundo, como ves estos requerimientos hacen que este motor se el recomendado.
En primer lugar, los motores eléctricos no requieren cambios de marcha, lo que significa que la potencia se entrega de manera continua y sin interrupciones. Esto permite una aceleración suave y lineal, sin la necesidad de un embrague o una caja de cambios. Además, los motores eléctricos tienen un par motor instantáneo, lo que significa que pueden alcanzar su máximo torque desde el inicio, proporcionando una respuesta rápida y ágil al acelerador.
En cuanto al diseño, los motores eléctricos de los vehículos de Fórmula E
suelen ser motores de imanes permanentes o motores de reluctancia
conmutada. Estos motores están diseñados para ser compactos y ligeros,
maximizando la eficiencia y el rendimiento. Además, los vehículos de
Fórmula E utilizan sistemas de refrigeración avanzados para mantener los
motores dentro de su rango de temperatura óptimo durante la carrera,
garantizando un rendimiento constante y confiable en condiciones
extremas.
En la Fórmula E, se utilizan tanto motores síncronos como asíncronos, cada uno con sus propias ventajas y aplicaciones específicas. Los motores síncronos son conocidos por su alta eficiencia y capacidad para producir un par constante en un amplio rango de velocidades. Esto los hace ideales para aplicaciones donde se requiere una alta velocidad máxima y una respuesta rápida del motor. Por otro lado, los motores asíncronos, también conocidos como motores de inducción, son conocidos por su capacidad para producir un alto par motor desde el arranque. Esto los hace ideales para aplicaciones donde se requiere un alto torque de salida, como en situaciones de aceleración rápida desde parado.
Motores Síncronos
Los motores síncronos son conocidos por mantener una relación de velocidad constante entre el campo magnético del rotor y el campo magnético giratorio del estator. Esto se logra mediante el uso de imanes permanentes en el rotor, que generan un campo magnético constante. La sincronización entre los campos magnéticos del rotor y el estator asegura un par constante y una alta eficiencia en un amplio rango de velocidades.
Dentro de un motor síncrono, el estator está compuesto por bobinas de alambre enrolladas alrededor de un núcleo de hierro laminado. Cuando se aplica una corriente eléctrica al estator, se genera un campo magnético giratorio, que interactúa con el campo magnético del rotor para producir un par motor. El rotor, por otro lado, está compuesto por imanes permanentes dispuestos en una configuración específica para maximizar la eficiencia y el rendimiento del motor.
Motores Asíncronos
Por otro lado, los motores asíncronos, también conocidos como motores de inducción, no mantienen una relación de velocidad constante entre el rotor y el estator. En lugar de eso, el rotor gira a una velocidad ligeramente menor que el campo magnético giratorio del estator, lo que crea un deslizamiento entre ambos componentes. Esto provoca la inducción de corrientes en el rotor, generando un par motor que impulsa el movimiento del vehículo.
El estator de un motor asíncrono es similar al de un motor síncrono, con bobinas de alambre enrolladas alrededor de un núcleo de hierro laminado. Cuando se aplica una corriente eléctrica al estator, se genera un campo magnético giratorio que induce corrientes en el rotor, generando así un par motor. El rotor de un motor asíncrono consiste en barras conductoras dispuestas en un núcleo de hierro laminado, que interactúan con el campo magnético giratorio del estator para generar movimiento.
Comparación y Aplicaciones
Ambos tipos de motores tienen sus propias ventajas y desventajas en términos de rendimiento, eficiencia y aplicabilidad en diferentes escenarios de carrera. Los motores síncronos son conocidos por su alta eficiencia y capacidad para producir un par constante en un amplio rango de velocidades, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se requierEn resumen, el Sistema de Telemetría en Tiempo Real en la Fórmula E es una herramienta invaluable para los ingenieros mecánicos, electrónicos y eléctricos, que proporciona información detallada y en tiempo real sobre el rendimiento del vehículo durante una carrera. Este sistema permite ajustes y optimizaciones precisas para mejorar el rendimiento y la fiabilidad del vehículo, y representa una parte integral de la tecnología avanzada que impulsa la innovación en el mundo del automovilismo eléctrico.
Componentes Internos y Software:
Sistema de Gestión de Energía (SGE) en la Fórmula E
El Sistema de Gestión de Energía (SGE) en los vehículos de Fórmula E es un componente crucial que desempeña un papel fundamental en la optimización del rendimiento y la eficiencia del vehículo en la pista. A nivel científico, el SGE se basa en una combinación de algoritmos avanzados, modelos matemáticos y sistemas de control para supervisar y gestionar la distribución de energía en el vehículo de manera dinámica y precisa.
Modelado Matemático y Simulación
El SGE utiliza modelos matemáticos complejos para representar la dinámica del vehículo y predecir su comportamiento en diferentes condiciones de carrera. Estos modelos tienen en cuenta una variedad de factores, como la dinámica del motor eléctrico, la resistencia aerodinámica, la fricción de los neumáticos y la eficiencia de la batería. Utilizando estos modelos, el SGE puede simular diferentes estrategias de gestión de energía y prever cómo afectarán al rendimiento general del vehículo.
Estrategias de Control
El SGE implementa estrategias de control sofisticadas para gestionar la entrega de potencia en el vehículo de manera óptima. Esto incluye el control de la velocidad del motor, la distribución de par entre las ruedas motrices, la activación del frenado regenerativo y la gestión del flujo de energía entre la batería y el motor. Estas estrategias se adaptan continuamente en función de las condiciones de la pista, la posición del vehículo y la cantidad de energía disponible, garantizando un rendimiento óptimo en todo momento.
Optimización de la Eficiencia
Uno de los principales objetivos del SGE es maximizar la eficiencia energética del vehículo, asegurando que cada vatio de energía se utilice de manera efectiva para impulsar el vehículo hacia adelante. Esto se logra mediante la optimización de la velocidad del motor, la gestión del frenado regenerativo y la recuperación de energía durante la desaceleración. Además, el SGE puede ajustar la entrega de potencia en función de la distancia restante en la carrera y las condiciones de carga de la batería, garantizando que el vehículo pueda cruzar la línea de meta con la máxima eficiencia posible.
Monitorización y Diagnóstico
El SGE también realiza funciones de monitorización y diagnóstico para identificar posibles problemas o anomalías en el sistema de propulsión. Esto incluye la supervisión de la temperatura del motor y las baterías, la detección de fallos en los componentes eléctricos y la evaluación del estado de carga de la batería. En caso de detectarse alguna anomalía, el SGE puede tomar medidas correctivas, como ajustar la entrega de potencia o activar medidas de protección para evitar daños en el vehículo
A continuación, se describen con más profundidad los componentes clave del SGE y se presentan ecuaciones matemáticas relevantes para cada uno.
1. Gestión de Potencia y Torque
El SGE controla el flujo de potencia entre la batería y el motor eléctrico, y la distribución de torque entre las ruedas. El control de potencia y torque se basa en ecuaciones que relacionan variables como la velocidad del motor, la corriente, la tensión y la resistencia eléctrica.
- Ecuación de potencia del motor eléctrico:
P=τ⋅ωP=τ⋅ω
Donde:
- PP es la potencia eléctrica (en vatios).
- ττ es el torque generado por el motor (en newton-metros).
- ωω es la velocidad angular del motor (en radianes por segundo).
- Ecuación de corriente del motor eléctrico:
I=V−EindRI=RV−Eind
Donde:
- II es la corriente eléctrica (en amperios).
- VV es la tensión de la fuente de alimentación (en voltios).
- EindEind es la fuerza electromotriz inducida (en voltios).
- RR es la resistencia eléctrica del motor (en ohmios).
2. Frenado Regenerativo
El SGE gestiona el frenado regenerativo, que permite recuperar energía durante las frenadas y recargar la batería. Este proceso se basa en la relación entre la energía cinética del vehículo y la energía recuperada.
- Ecuación de energía cinética del vehículo:
Ec=1/2*m*v^2
Donde:- EcEc es la energía cinética (en julios).
- mm es la masa del vehículo (en kilogramos).
- vv es la velocidad del vehículo (en metros por segundo).
- Ecuación de energía recuperada por frenado regenerativo:
Erec=η⋅EcErec=η⋅Ec
Donde:
- ErecErec es la energía recuperada (en julios).
- ηη es la eficiencia del sistema de frenado regenerativo (como un valor decimal entre 0 y 1).
3. Gestión de la Carga de la Batería
El SGE controla la carga de la batería para garantizar su longevidad y rendimiento óptimo. Esto implica gestionar el voltaje y la corriente durante la carga.
- Ecuación de carga de la batería: ibaterıía = Pcarga * Vbaterıía
Donde:- IbaterıˊaIbaterıˊa es la corriente de carga de la batería (en amperios).
- PcargaPcarga es la potencia de carga (en vatios).
- VbaterıˊaVbaterıˊa es el voltaje de la batería (en voltios).
4. Gestión de la Temperatura
El SGE monitorea y controla la temperatura de los componentes críticos, como el motor eléctrico y la batería, para evitar el sobrecalentamiento.
- Ecuación de transferencia de calor:
Q=k⋅A⋅ΔTQ=k⋅A⋅ΔT
Donde:
- QQ es el flujo de calor (en vatios).
- kk es la conductividad térmica del material (en vatios por metro-kelvin).
- AA es el área de la superficie de transferencia de calor (en metros cuadrados).
- ΔTΔT es la diferencia de temperatura entre las dos superficies (en kelvin).
El Sistema de Gestión de Energía (SGE) es un componente esencial para maximizar la eficiencia energética y el rendimiento del vehículo en la Fórmula E. Los ecuaciones matemáticas presentadas son fundamentales para comprender cómo se controla y gestiona la energía en estos vehículos eléctricos de alta competición.
Sistema de Telemetría en Tiempo Real en la Fórmula E
El Sistema de Telemetría en Tiempo Real en los vehículos de Fórmula E es una infraestructura tecnológica avanzada que permite la adquisición, transmisión y análisis de datos cruciales sobre el rendimiento del vehículo durante una carrera. Este sistema es esencial para los ingenieros mecánicos, electrónicos y eléctricos, ya que proporciona información detallada y en tiempo real sobre una variedad de parámetros clave, permitiendo ajustes y optimizaciones precisas para mejorar el rendimiento y la fiabilidad del vehículo.
Sensores y Dispositivos de Adquisición de Datos
El sistema de telemetría en tiempo real utiliza una variedad de sensores y dispositivos de adquisición de datos distribuidos estratégicamente en diferentes partes del vehículo. Estos sensores pueden medir una amplia gama de variables, incluyendo la temperatura del motor y las baterías, la presión de los neumáticos, la velocidad del vehículo, la aceleración lateral y longitudinal, el consumo de energía y muchos otros parámetros relevantes para el rendimiento y la seguridad.
Ecuaciones Matemáticas:
- Medición de la Temperatura del Motor (T):
- T=k⋅Vtemp +T0
Donde:- TT es la temperatura medida.
- VtempVtemp es la tensión de salida del sensor de temperatura.
- k es el coeficiente de sensibilidad del sensor.
- T0T0 es la temperatura de compensación.
- T=k⋅Vtemp +T0
- Medición de la Presión de los Neumáticos (P):
- P=Vpresión−V0*k
P=k*Vpresión−V0
Donde:- PP es la presión medida.
- Vpresión es la tensión de salida del sensor de presión.
- V0V0 es la tensión de offset del sensor.
- k es el coeficiente de sensibilidad del sensor.
- P=Vpresión−V0*k
- Medición de la Velocidad del Vehículo (V):
- V=ddtV=dtd
Donde:
- VV es la velocidad del vehículo.
- dd es la distancia recorrida respecto al tiempo.
- dtdt es el intervalo de tiempo.
- V=ddtV=dtd
Donde:
Transmisión de Datos y Comunicación Inalámbrica
Los datos recopilados por los sensores se transmiten de forma inalámbrica desde el vehículo a la infraestructura de pit lane utilizando tecnologías de comunicación avanzadas, como Wi-Fi, Bluetooth o sistemas de radiofrecuencia. Esta transmisión de datos en tiempo real permite que los ingenieros y mecánicos monitoreen continuamente el rendimiento del vehículo desde el box del equipo y realicen ajustes en tiempo real para optimizar su funcionamiento.
Almacenamiento y Análisis de Datos
Una vez que los datos se reciben en el box del equipo, son almacenados y procesados por sistemas de software especializados diseñados para el análisis de telemetría en tiempo real. Estos sistemas pueden visualizar los datos de forma gráfica y tabular, permitiendo a los ingenieros identificar tendencias, patrones y anomalías en el rendimiento del vehículo. Además, los datos históricos pueden ser comparados con los datos en tiempo real para evaluar la evolución del rendimiento a lo largo de una carrera o una temporada.
Utilidad para Ingenieros Mecánicos, Electrónicos y Eléctricos
Para los ingenieros mecánicos, la telemetría en tiempo real proporciona información valiosa sobre el estado y el rendimiento de los componentes mecánicos del vehículo, como el motor, la suspensión y los frenos. Esto les permite diagnosticar problemas potenciales y realizar ajustes para maximizar la fiabilidad y el rendimiento del vehículo.
Para los ingenieros electrónicos y eléctricos, la telemetría en tiempo real ofrece una visión detallada del sistema eléctrico y electrónico del vehículo, incluyendo la gestión de la energía, la temperatura de las baterías y la integridad de los sistemas de control. Esto les permite identificar posibles fallos o sobrecargas y tomar medidas correctivas para garantizar un funcionamiento seguro y eficiente del vehículo.
En resumen, el Sistema de Telemetría en Tiempo Real en la Fórmula E es una herramienta invaluable para los ingenieros mecánicos, electrónicos y eléctricos, que proporciona información detallada y en tiempo real sobre el rendimiento del vehículo durante una carrera. Este sistema permite ajustes y optimizaciones precisas para mejorar el rendimiento y la fiabilidad del vehículo, y representa una parte integral de la tecnología avanzada que impulsa la innovación en el mundo del automovilismo eléctrico
Software de Control de Tracción y Estabilidad
El software de control de tracción y estabilidad es otro componente crítico en la Fórmula E, ayudando a los pilotos a mantener el control del vehículo en condiciones de conducción extremas. Este software utiliza algoritmos avanzados para monitorear constantemente las condiciones de la pista y ajustar la entrega de potencia y el frenado para maximizar la tracción y la estabilidad. Esto permite a los pilotos exprimir al máximo el rendimiento del vehículo sin comprometer la seguridad.
Gestión Térmica Avanzada
La gestión térmica es un aspecto crucial en los vehículos de Fórmula E, especialmente debido a las demandas extremas de potencia y rendimiento en la pista. Los sistemas de refrigeración y calefacción avanzados garantizan que todos los componentes del vehículo, incluyendo el motor, las baterías y los sistemas electrónicos, permanezcan dentro de su rango de temperatura óptimo durante la carrera. Esto no solo mejora el rendimiento del vehículo, sino que también prolonga la vida útil de los componentes y reduce el riesgo de fallos mecánicos.
Preguntas Frecuentes
Si bien las velocidades máximas de los vehículos de Fórmula E pueden ser más bajas que las de los vehículos de combustión interna, la aceleración y la eficiencia en la pista son impresionantes debido al par instantáneo de los motores eléctricos.
Los fabricantes están trabajando en el desarrollo de baterías de mayor capacidad y en la optimización de la gestión de la energía para aumentar la autonomía de los vehículos de Fórmula E en cada temporada.
Las baterías pueden experimentar una reducción en su rendimiento cuando están expuestas a temperaturas extremas, por lo que se implementan sistemas de enfriamiento y calefacción para mantenerlas dentro de un rango de temperatura óptimo durante la carrera.
El frenado regenerativo no solo aumenta la eficiencia del vehículo al recuperar energía durante el frenado, sino que también mejora la estabilidad y el control del vehículo al redistribuir el par entre las ruedas.
La Fórmula E ha implementado una serie de iniciativas para reducir su impacto ambiental, incluyendo la neutralidad de carbono, la promoción de la movilidad eléctrica y la utilización de energías renovables en los eventos.
Partes de un automóvil de Formula E