Как работает управляющая электроника на машинах Ф1 2014 года
Они скрыты от посторонних глаз – и вскоре дадут о себе знать, когда команды получат первые штрафы за превышение установленных лимитов, – но электронные системы являются в этом сезоне одним из ключевых элементов сложных систем рекуперации последнего поколения. Крэг Скарборо объясняет, как они работают
После введения в 2009 году самых первых KERS о батареях и электронике говорили меньше всего, хотя без них рекуперация и последующее использование собранной энергии были бы невозможны.
С увеличением мощности ERS в 2014-м конструкция этих элементов приобрела еще большее значение – учитывая, что отныне количество запасников энергии (батарей) и электронных блоков управления ограничено пятью единицами на сезон.
А это значит, что надежность названных компонентов имеет первостепенное значение, если в решающие моменты сезона команды хотят избежать штрафов за превышение их допустимого числа.
Запасник энергии - это, собственно говоря, батарея. Она играет ключевую роль в сохранении электрической энергии, которую вырабатывают мотор-генераторы кинетической (MGU-K) и тепловой (MGU-H) энергии.
В 2013-м первый (и в ту пору единственный) из них мог вырабатывать не больше 0,5 мегаджоулей энергии, тогда как сейчас это значение возросло до 4 мегаджоулей. В случае с MGU-H количество вторично используемой энергии и вовсе не ограничено.
На клеммах батареи напряжение составляет сотни вольт и ограниченно значением в 1000 вольт, а электрический ток достигает десятков ампер. Так что мощность этой системы очень велика, а батарея должна быть таких размеров, чтобы обеспечить одновременную работу обоих мотор-генераторов.
Батарея представляет собой крупный массив литиево-ионных ячеек. Вся конструкция имеет известное сходство с аккумуляторами мобильных телефонов, но в Ф1 всё, разумеется, гораздо сложнее. Чтобы разместить многочисленные ячейки в корпусе батареи, им придана цилиндрическая или прямоугольная форма.
Запасник энергии требуется сделать сравнительно небольшим в размерах, чтобы уместить под топливным баком, при этом весить он может не меньше 20 и не больше 25 килограмм, как установлено регламентом. В то же время батарея должна отвечать необходимым требованиям по количеству запасенной энергии, из-за чего инженерам приходится решать непростые вопросы, изучая различные варианты её исполнения.
Также здесь важно участь размещение управляющей электроники, которая отвечает за функционирование отдельных ячеек. Батарея включает тысячи ячеек, параметры которых, включая температуру, напряжение и силу тока, постоянно контролируются. Если какая-то ячейка отказала, то её можно заменить - правда, не все производители предусмотрели такую функцию для своих запасников энергии.
В батарее энергия может запасаться только при постоянном электрическом токе, в то время как мотор-генераторы используют трехфазный переменный ток. В связи с этим возникает необходимость в преобразовании электрического тока для обеспечения совместной работы двух этих режимов. Добиться этого позволяет использование электронного блока управления.
Подписи по часовой стрелке: конденсаторы, контрольный блок; переключатель на биполярных транзисторах; 3-фазный кабель переменного тока на MGU; 2 кабеля постоянного тока к запаснику энергии
Обычно за работу MGU-K и MGU-H отвечает однотипные управляющие элементы. В режиме накопления энергии мотор-генераторы направляют энергию к батарее переменный ток по трём кабелям повышенной мощности.
Внутри управляющего блока находятся несколько сильноточных переключателей, называемых БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором). К ним подводится переменный электрический ток, который с помощью конденсаторов преобразуется в постоянный, после чего по двум кабелям направляется к запаснику энергии. Процесс подачи электрического тока от батареи к мотор-генераторам протекает в обратном порядке.
Эти же электронные блоки отвечают за питание всех бортовых потребителей с напряжением в бортовой сети 12(24) вольт – они обеспечивают работу электросистем, зажигания и впрыска топлива. Больше нет необходимости в использовании генераторов и отдельных аккумуляторов.
Компоновка двух этих управляющих блоков зависит от конкретного производителя двигателя и команды. Они могут располагаться в корпусе запасника энергии - или же отдельно в боковых понтонах. В последнем случае появляется больше различных вариантов компоновки, но тогда вся система становится тяжелее из-за более длинных кабелей и воздуховодов системы охлаждения.
При преобразовании переменного тока в постоянный - и в обратном процессе - возникают потери, которые выражаются в переходе энергии в тепловую форму, равно как и при зарядке и разрядки ячеек. Потому обе системы нуждаются в охлаждении.
Обычно отвод тепла происходит при помощи водяной системы, которая требует весьма крупных радиаторов, располагающихся в боковых понтонах.
Несмотря на значимость охлаждения, максимальной эффективности батареи достигают в узком температурном диапазоне. Он выше температуры окружающей среды, потому перед стартом сессий необходим предварительный прогрев воды, использующейся в системе охлаждения - подобно тому, как поступают с двигателями перед тем, как их завести.
В то же время, для батарей предпочтительней работа при строго определенном уровне заряда - это количество энергии, которое они хранят в конкретный момент времени.
Подписи по часовой стрелке: контрольный блок ERS-K; питание систем машины 12V; запасник энергии; ячейки; система водяного охлаждения; контрольный блок ERS-H
Состояние батарей тщательно контролируется. Необходимо подзаряжать аккумуляторы и поддерживать определенный уровень заряда в узком рабочем диапазоне. Разрешается заряжать батареи до старта сессии, но по ходу заездов регламент запрещает подобную практику.
Запасник энергии также может быть оперативно выведен на необходимый уровень заряда сразу после выезда из боксов в самом начале сессии. FIA не стремится делать из этого процесса еще одно поле битвы, потому в боксах команд вы не найдёте высокотехнологичного зарядного оборудования.
Согласно новым правилам в отношении силовых установок, есть пять отдельных элементов общей системы, которые командам разрешено использовать по ходу сезона в количестве пяти единиц. В этот список входят запасник энергии и электронный блок управления.
Особенность этих компонентов такова, что при любых проблемах повреждаются элементы их конструкции. Директор гоночных программ Renault в Ф1 Роб Уайт сказал: «Когда что-то идёт не так, то токи достигают предельных значений - и пути назад уже нет».
И уже совсем скоро незаметные постороннему взгляду элементы силовых установок станут главными темами для заголовков, когда их отказ повлечет за собой штрафы для пилотов.
