KERS: il "teorema di conservazione dell'energia" nella Formula 1

Lo sviluppo del sistema KERS e' per gli ingegneri una "terra incognita". Il KERS (acronimo di Kinetic Energy Recovery System) e' un sistema di recupero dell’energia cinetica che il pilota potra' utilizzare per aumentare la potenza del motore V8 in fase di accelerazione. Il Regolamento concede spazio alla creativita' degli ingegneri, poiché definisce soltanto alcuni parametri prestazionali. Il "teorema di conservazione dell’energia" nella Formula 1 recita: in fase di accelerazione il sistema non dovra' fornire piú di 60 kW di potenza per un totale massimo di 400 kJ per giro. L’accumulo di energia nelle batteria puo' avvenire esclusivamente in frenata. Il Regolamento non prescrive soluzioni sistemiche.

A partire dalla stagione 2009, azionando il cosiddetto Boost Button i piloti disporranno di 60 kW in piú di potenza per 6,5 secondi di funzionamento totale
per giro per le manovre di sorpasso. A questo vantaggio fanno tuttavia da contraltare gli svantaggi del dispositivo in termini di peso e di distribuzione del
peso.

Il BMW Sauber F1 Team ha scelto un sistema KERS di tipo elettrico. Il cofano motore e le fiancate della F1.09 sono progettate in modo da poter ospitare il sistema ibrido consistente di motore elettrico e generatore, componenti elettronici e batteria.

Il sistema complessivo ha un peso di circa 30 chili. «Con cio' l’efficienza della tecnologia KERS di F.1 e' sensibilmente superiore alla tecnica adottata gia' oggi sulle vetture di serie», dice Mario Theissen. «Siamo alla soglia che da un pacchetto convenzionale, fatto di motore e di un cambio indipendente, porta
a una propulsione integrata. Con lo sviluppo del KERS, la Formula 1 fungera' da pioniere per future tecnologie destinate alla produzione di serie. Concept
innovativi la cui durata e affidabilita' non sono ancora sufficienti per l’implementazione nella produzione di serie vivono nella Formula 1 il ‘battesimo del fuoco’ e uno sviluppo a ritmi incalzanti. Da sempre, in casa BMW valorizziamo il progetto di Formula 1 come laboratorio per la produzione di serie. Con il
progetto KERS questo approccio acquista una dimensione inedita. La Formula 1 vivra' un nuovo posizionamento. La sua immagine cambiera': la sua accettazione da parte dell’opinione pubblica migliorera' sensibilmente».

Sviluppo «a tutto vapore».
Da quando si delinea l’ipotesi di un’introduzione del KERS nella Formula 1 – siamo a meta' 2007 – e' necessario sviluppare in tempi brevissimi un complesso sistema ibrido. Insieme agli ingegneri della Ricerca di BMW (BMW Forschung und Technik GmbH) i tecnici del BMW Sauber F1 Team esaminano le diverse tipologie di sistema ibrido ipotizzabili in vista dell’adozione nella Formula 1.

«C’erano diverse opzioni. Abbiamo esaminato varianti differenti: elettrica, meccanica, idraulica e perfino i sistemi pneumatici», spiega Duesmann,
«ma dopo quella fase di ricerca, durata diversi mesi, si e' visto che solo un sistema elettrico era in grado di assicurare – con la massima sicurezza e con
un peso che fosse il piú contenuto possibile – le quote di trasformazione dell’energia richieste.»

Nei mesi successivi il Team sviluppa il motore elettrico, la batteria e la centralina KERS. Nel marzo 2008 tutto e' pronto: il primo prototipo del KERS affronta il test sul banco di prova. Duesmann: «Abbiamo curato in particolare l’aspetto della sicurezza. Abbiamo realizzato diverse strutture per lavorare in condizioni di tutta sicurezza sulla batteria. Inoltre abbiamo sviluppato un catalogo di misure e di interventi atti ad escludere eventuali pericoli per gli addetti che lavoravano sulla vettura. Per quanto riguarda le questioni inerenti alla sicurezza cooperiamo strettamente con i colleghi dello Sviluppo dei veicoli di serie: in fondo anche li' i sistemi ibridi svolgo un ruolo sempre piú importante.»

Un inconveniente inaspettato.
Dopo il riuscito roll-out di una BMW Sauber F1.07 dotata del sistema KERS agl’inizi dell’estate 2008, il BMW Sauber F1 Team il 22 luglio passa allo step
successivo: Christian Klien gira con la vettura in un test ufficiale a Jerez. Ma l’uscita in pista e' di breve durata. Al rientro ai box dopo un giro di installazione e impostazione un meccanico tocca il volante ed e' colpito da una pesante scarica elettrica. «Li' per li' non ci spiegavamo cosa potesse essere successo. Era un mistero. Benché nessuno dei piú di mille sensori sulla macchina indicasse una difettosita', abbiamo ovviamente sospeso il test per ragioni di sicurezza», dice Duesmann. Fortunamente il meccanico se la cava con un arrossamento alla mano sinistra e alcune escoriazioni al braccio sinistro dovute
alla caduta.

Per ricostruire l’incidente, a Monaco di Baviera il Team simula le condizioni di impiego di Jerez e dopo sei settimane e quasi 2.000 ore di lavoro ottiene un
riscontro: «Nel toccare la pancia e il volante della vettura il meccanico ha subito una scossa perché tra quei due punti di contatto c’era una tensione alternata ad alta frequenza. La causa era la centralina KERS, nella quale sporadicamente c’e' stato un passaggio di corrente dalla rete ad alta tensione a quella da 12 Volt. Lungo i collegamenti della rete da 12 Volt la tensione e' arrivata al volante e attraverso il telaio in carbonio e' ritornata alla centralina», spiega ancora Duesmann.

L’approfondita analisi degli specialisti di elettronica, unitamente agli interventi realizzati nel concreto, fornisce anche altre indicazioni utili ai fini dell’affinamento del concept elettrico per il sistema KERS. Alcuni di questi interventi prevedono modifiche costruttive alla centralina destinate a evitare effetti di rimbalzo, funzioni di monitoraggio e di controllo ampliate nell’ambito delle alte frequenze e un collegamento a conduzione dei componenti del telaio per evitare qualsiasi potenziale di tensione. Il BMW Sauber F1 Team mette subito a disposizione della FIA e dei team della concorrenza l’analisi di sicurezza, compresi i relativi interventi e le raccomandazioni.

Test decisivi in primavera.
Quando un progetto tecnologico nuovo e cosi' sofisticato deve venir implementato in tempi brevi nella Formula 1, bisogna disporre di una soluzione alternativa. Theissen: «Sullo sviluppo del KERS stiamo ‘spingendo’, perché secondo noi avra' un grande futuro. Non so se la potenza aggiuntiva fornita dal KERS portera' subito a realizzare tempi migliori sul giro. Noi siamo decisamente a favore dell’adozione del KERS, ma la vettura e' progettata in modo da poter eventualmente smontare diversi componenti. La decisione se adottare o meno il KERS arrivera' con i test che precedono la stagione».

Il BMW Sauber F1 Team aumenta la competenza del BMW Group nell»ibrido».
Gia' oggi il BMW Group nel quadro di BMW EfficientDynamics adotta il sistema di recupero dell’energia su vari modelli di serie e sta preparando l’introduzione
della tecnologia BMW ActiveHybrid in diverse gamme di modello. Il dr. Klaus Draeger, Member of the Board e responsabile dello Sviluppo di BMW AG:
«Il BMW Group puo' trasferire direttamente il know-how acquisito dal BMW Sauber F1 Team nello Sviluppo di vetture di serie. La Formula 1, quindi, rappresenta una piattaforma di pre-sviluppo ideale per tecnologie propulsive innovative. Il nuovo Regolamento ci da' l’opportunita' di implementare la tecnologia ibrida in condizioni estreme e di acquisire dati importanti per lo Sviluppo dei veicoli di serie. Cio' tornera' a beneficio dei clienti BMW. L’unita' KERS progettata per la BMW Sauber F1.09 prevede infatti una variante altamente performante del sistema di recupero dell’energia in frenata, che per principio funzionale e' simile alla tecnologia ActiveHybrid sviluppata per le vetture BMW di serie.»

BMW Sauber F1