El equipo TAG Heuer Porsche de Fórmula E corre hacia la eficiencia con la simulación

Mientras nos preparamos para un futuro automovilístico totalmente eléctrico, fabricantes de equipos originales como Porsche están poniendo a prueba la agilidad de algunos de los vehículos más rápidos y ligeros jamás fabricados. En realidad, sólo hay una competición en el planeta en la que se puedan ver coches eléctricos circulando a toda velocidad por las calles de una ciudad durante 45 minutos a una velocidad de hasta 320 km/h: el Campeonato Mundial de Fórmula E ABB FIA.

Las carreras de Fórmula E no son sólo cuestión de potencia, sino de la eficiencia con la que se utiliza para ganar una carrera. Aquí, ser el más rápido coincide con ser el más eficiente, y las pérdidas se miden no sólo en kilovatios, sino en milisegundos. Para hacer frente a este desafío totalmente eléctrico, se han replanteado, rediseñado y reconstruido todos y cada uno de los aspectos de un coche de Fórmula 1 para que sea eficiente, sostenible y de alto rendimiento.

Para alcanzar un nivel de eficiencia ganador, las cadenas cinemáticas eléctricas Gen3 deben optimizarse en una amplia gama de puntos de funcionamiento. Estos requisitos de rendimiento se extienden a diferentes pistas en múltiples continentes sobre terrenos variados, donde una combinación perfecta de eficiencia y velocidad gobierna el día.

La optimización continua conduce a un consumo energético más inteligente

Leonard Mengoni, de Porsche Motorsport, entiende los retos de las carreras de Fórmula E ABB FIA y el impacto que la eficiencia tendrá en el desarrollo de coches de carreras eléctricos en el futuro. Es uno de los varios ingenieros de diseño que participan en la optimización en curso de la cadena cinemática eléctrica del Porsche 99X Electric Gen3 de Fórmula E. Utiliza la simulación como punto de referencia en el que intervienen numerosas variables. Utiliza la simulación como punto de referencia para evaluar cualquier número de variables y ayudar a mantener el máximo nivel de eficiencia durante una carrera.

«Durante una carrera puede haber diferentes escenarios, como un coche de seguridad o una bandera amarilla, que obliguen a completar vueltas adicionales», dice Mengoni. «En cuanto se produce un evento de este tipo, se adapta el objetivo de consumo de energía del piloto. También monitorizamos a nuestros competidores para estimar qué estrategia están utilizando y adaptar nuestra estrategia a ello.»

El equipo de Mengoni examina habitualmente modelos detallados de los componentes del tren de potencia para identificar oportunidades de optimización y aligeramiento de la máquina eléctrica del Porsche 99X Eléctrico y su inversor. A partir de ahí, el equipo realiza cambios graduales para lograr el máximo nivel de eficiencia durante toda una carrera. Disponer de una cadena cinemática eficiente ayuda al equipo TAG Heuer Porsche de Fórmula E durante la carrera, ya que puede utilizar la cantidad de energía ahorrada gracias a la optimización para adelantar a sus competidores.

«Al comparar nuestros datos de simulación previos al evento con los datos que obtuvimos en la pista durante las sesiones de práctica, podemos evaluar si nuestras estimaciones sobre las condiciones de la pista, como el agarre o las temperaturas, coinciden con la realidad», dice Mengoni. «Utilizar los datos para analizar estas diferencias y erradicar las causas nos permite mejorar nuestros modelos de simulación y adaptar nuestra estrategia general antes de la carrera.»

Ansys pone a prueba los conceptos de propulsión de Porsche

La última iteración del coche eléctrico Porsche 99X Gen3 supone un cambio significativo respecto a su predecesor. Tiene un propulsor de mayor potencia y recuperación de energía, pero menos capacidad de batería, lo que exigió al equipo encontrar el equilibrio adecuado entre alta densidad de potencia y alta eficiencia.

Antes de iniciar cualquier actividad de ensayo y validación, se simulan posibles modificaciones del hardware y el software del tren de potencia para juzgar su potencial. En la fase previa al desarrollo, la simulación desempeña un papel fundamental, ya que hay muchas tecnologías y topologías de propulsión entre las que elegir. Determinar el enfoque más prometedor antes de las pruebas garantiza que el equipo utilice el tiempo de pruebas de la forma más eficiente posible.

De cara a la novena temporada, el equipo TAG Heuer Porsche de Fórmula E se fijó en el aumento de potencia del coche como motivación para investigar una amplia gama de conceptos de cadena cinemática. Tras haber analizado inicialmente diferentes variantes de la cadena cinemática, el equipo no pudo decidirse por un camino a seguir. Así que, revisando su análisis con simulación, se dedicó un tiempo considerable a profundizar en los detalles sobre cómo se generan las pérdidas en los componentes y cómo se pueden modelar de la manera más eficiente.

El equipo TAG Heuer Porsche de Fórmula E realizó un gran trabajo iterativo utilizando la simulación para desarrollar una cadena cinemática eficiente en prácticamente todas las condiciones. En concreto, el equipo utiliza Ansys Maxwell 2D y 3D para la simulación de máquinas eléctricas, ya que ofrece muchos grados de libertad y número de parámetros en el modelo que se estiman a partir de los datos. El apoyo de los expertos de Ansys permitió al equipo TAG Heuer Porsche de Fórmula E incorporar modelos de pérdidas adicionales y tener en cuenta las tensiones de salida conmutadas del inversor.

Ansys Motor-CAD también se utilizó para evaluar el rendimiento térmico de la máquina eléctrica, ya que el equipo comprobó que ofrece resultados rápidos pero precisos. Para el inversor, el equipo se basó en una mezcla de cálculos analíticos y un modelo de inversor en Ansys Twin Builder para realizar cálculos más detallados y validar sus diseños.

La simulación en la validación

En un entorno de competición, toda simulación debe validarse mediante mediciones. Siempre que se utiliza la simulación durante el predesarrollo, el equipo intenta validarla lo antes posible para asegurarse de que incluyen todos los efectos físicos relevantes. En general, una validación más precisa con simulación significa que a la larga se necesitan menos actividades de medición, siempre que la tecnología y los materiales investigados estén dentro de una cierta varianza.

«Tenemos que utilizar la simulación para obtener una evaluación precisa de qué concepto o tecnología es beneficioso para la nueva cadena cinemática antes de que empiece la temporada», dice Mengoni. «Comparando nuestros resultados de simulación con los datos de medición del banco de pruebas y la pista, podemos mejorar aún más nuestros modelos. Es importante que sepamos de antemano qué modificaciones son necesarias, ya que durante la temporada sólo podemos mejorar el coche mediante actualizaciones de software.»