Prototipo híbrido LMP1 de Porsche

El Porsche 919 Hybrid es un ejemplo de diseño extremamente liviano. El chasis y todas las partes principales de la carrocería son fabricados en fibra de carbono.

Este fin de semana el Porsche 919 Hybrid, prototipo que disputa la categoría LMP1 del Campeonato Mundial de Resistencia (WEC) de la FIA, disputará su única carrera en Alemania durante esta temporada al tomar parte de las Seis Horas de Nürburgring. En la cuarta fecha del Mundial, los actuales líderes de la máxima categoría lucharán por sumar más puntos que les permitan defender los títulos obtenidos el año anterior. Al mismo tiempo, su misión es ayudar al desarrollo de la tecnología de los autos deportivos del futuro.

Con el 919 Hybrid Porsche recorre un nuevo campo tecnológico a velocidad de carrera. Para el Mission E, un concepto de auto deportivo de calle completamente eléctrico que fue presentado en 2015, los diseñadores adoptaron la tecnología de 800 voltios utilizada por el prototipo LMP1. Porsche analizó todas las posibilidades existentes al diseñar al bicampeón de las 24 Horas de Le Mans –especialmente en términos de conceptos de tren de rodaje–. Al final los ingenieros de Weissach se inclinaron por un sistema que consiste en un motor V4 de gasolina de dos litros sobrealimentado por turbo, el motor de combustión más eficiente que ha fabricado Porsche en toda su historia, y dos sistemas de recuperación de energía.

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Porsche 919 Hybrid, Equipo de Porsche: Romain Dumas, Neel Jani, Marc Lieb, nuevas luces LED.

Durante las frenadas, un generador ubicado en el eje delantero convierte la energía cinética del auto en energía eléctrica. En el sistema de escape dual, una turbina acciona el turbocompresor mientras que otra convierte la energía excedente en energía eléctrica. La energía de frenado contribuye con 60 por ciento, mientras que el 40 por ciento restante proviene de los gases de escape. La energía eléctrica recuperada es almacenada temporalmente en una batería de iones de litio y alimenta a un motor eléctrico según lo demanda. ‘Demanda’ significa que cuando el piloto quiere acelerar al máximo y utilizar toda esa energía almacenada la puede obtener al presionar un botón. Para cumplir con los últimos cambios en el reglamento, la potencia del motor de combustión es un poco menos de 500 caballos (368 kW), mientras que el motor eléctrico entrega más de 400 caballos (294 kW).

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Porsche 919 Hybrid, Equipo de Porsche #1: Timo Bernhard, Brendon Hartley, Mark Webber.

El uso e interacción de estas dos fuentes de energía requiere una sofisticada estrategia. En cada fase de frenado se gana energía –es decir, es recuperada–. En los 5,148 kilómetros del trazado de Gran Prix de Nürburgring esto ocurre 17 veces por vuelta, antes de cada curva. La cantidad de energía recuperada depende de la fuerza empleada para la maniobra de frenado; en otras palabras, la velocidad a la que el piloto llega a la curva y lo cerrada que ésta sea. La frenada y la recuperación duran hasta el ápice de cada curva, ya que en ese punto el piloto debe acelerar de nuevo. En este preciso instante, el objetivo es utilizar tanta energía como sea posible. Por lo tanto, el conductor pisa el pedal del acelerador para utilizar energía proveniente del motor de combustión y al mismo tiempo energía eléctrica de la batería mediante un proceso llamado ‘boost’.

Der Hybrid-Antriebsstrang des Porsche 919 Hybrid. Der V4-Benzin-Direkteinspritzer mit Turboaufladung ist als Mittelmotor ins Chassis integriert. Die Batterien in der Fahrzeugmitte versorgen den Elektromotor an der Vorderachse mit Energie The hybrid powertrain of the Porsche 919 Hybrid. The V4 petrol engine with direct injection and turbocharging is integrated in the chassis as a mid-engine. The batteries at the centre of the vehicle supply the electric motor at the front axle with energy.

El tren de potencia hibrido del Porsche 919 Hybrid. El motor V4 de gasolina con inyección directa y turbo alimentación está integrado en el chasis como motor central. Las baterías en el centro de este vehículo suministran el motor eléctrico en el eje delantero con energía.

Mientras que el motor de combustión acciona al eje trasero, el motor eléctrico se hace cargo del delantero. El 919 Hybrid sale catapultado de cada curva sin perder nada de tracción gracias a su sistema de tracción total –y durante este proceso recupera de nuevo energía porque en las rectas la otra turbina del sistema de escapa está trabajando a toda capacidad–. Cuando el motor trabaja constantemente a altas velocidades incrementa la presión en el sistema de escape, lo cual alimenta la otra turbina conectada directamente a un generador eléctrico. Sin embargo, ambas fuentes de energía están limitadas por el reglamento. Un piloto no pude utilizar más de 1,8 litros de combustible por vuelta y no superar los 1,3 kilovatios por hora (4,68 megajulios) de electricidad. De manera que tiene que calcular esto de manera muy precisa para que al final de cada vuelta utilice esa cantidad exacta –ni más, ni menos–. El que utilice más es penalizado. El que utilice menos hace que su auto pierda rendimiento. Tiene que desactivar el llamado ‘boost’ y levantar su pie del acelerador en el momento justo.

Traducido a los 13,629 kilómetros de cada vuelta en Le Mans, que es el modelo utilizado para escribir el reglamento, la cantidad de energía eléctrica permitida es de 2,22 kilovatios por hora. Esto equivale a ocho megajulios –y ésta es la máxima categoría de energía estipulada en el reglamento–. Porche fue el primero y el único constructor que en 2015 se atrevió a llegar hasta ese límite. Este año Toyota también está compitiendo en la categoría de ocho megajulios. Audi utiliza seis megajulios. El reglamento del WEC equilibra esas diferencias casi por completo.

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Motor de combustión de 4 cilindros con turbo compresión

Para llegar al concepto del Porsche 919 Hybrid los ingenieros hicieron exámenes muy detallados de cada una de las alternativas. No había duda de que Porsche podría utilizar la energía de frenado generada en el eje delantero, ya que esto significaba una enorme cantidad de energía procedente de áreas que ya estaban desarrolladas parcialmente y en las que ya había ganado vasto conocimiento. Para el segundo sistema de recuperación de energía de frenado en el eje trasero los expertos consideraron utilizar los gases del tubo de escape. Existían dos aspectos a favor de utilizar la solución de estos gases: en primer lugar el peso, y en segundo lugar la eficiencia. Con la recuperación de energía de frenado el sistema tenía que recuperar la energía dentro de un rango muy corto de tiempo, lo que significaba hacer frente a una gran cantidad de energía, pero a costa del peso. Las fases de aceleración, sin embargo, son mucho más largas que las fases de frenado, y permiten un período de recuperación más largo y hacen que el sistema sea más liviano. Además del motor de combustión, el 919 ya tenía un sistema de accionamiento en el eje trasero. Una mayor potencia en el eje trasero habría generado una mayor deficiencia en el giro de los neumáticos, lo que llevaría a un mayor desgaste de los mismos.

Puede decirse que la decisión más valiente de Porsche para el sistema híbrido del 919 fue optar por los 800 voltios. La elección del voltaje es fundamental en los sistemas de rodaje eléctricos, ya que ello influye en todo lo demás –en el diseño de la batería, en el diseño del sistema electrónico, en el diseño del motor eléctrico y en la tecnología de carga–. Porsche llevó al límite este concepto tanto como pudo.

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Fue difícil encontrar componentes para este voltaje tan alto, en particular un medio de almacenamiento adecuado. La incógnita estaba en qué usar: un generador de rueda libre, súper condensadores o una batería. Porsche eligió una batería de iones de litio con refrigeración líquida, con cientos de células individuales, cada una encerrada en su propia cápsula cilíndrica de metal –siete centímetros de alto y 1,8 centímetros de diámetro–.

Tanto en vehículos de calle como en autos de carrera la densidad de la potencia y la densidad de la energía deben estar equilibradas. Cuanto mayor sea la densidad de la potencia de una célula, más rápido se puede recargar y liberar la energía. El otro parámetro, la densidad de la energía, determina la cantidad de energía que puede ser almacenada. Para las carreras de autos, las células –en sentido figurado– deben tener una gran apertura, porque tan pronto como el piloto frena entra una enorme cantidad de energía, y cuando el piloto acelera la energía debe salir con exactamente la misma velocidad. Hoy en día podríamos usar esta comparación: si una batería de iones de litio vacía en un teléfono inteligente tuviera la misma densidad de potencia que el 919, podría recargarse completamente en mucho menos que en un simple segundo. La desventaja sería que, con una breve charla, la batería se descargaría de nuevo. Como la carga de un teléfono inteligente dura varios días, es prioridad tener una batería con una buena densidad de energía y eso quiere decir que requiere de una buena capacidad de almacenamiento.

En un automóvil eléctrico para el uso diario, la capacidad de almacenamiento se traduce en el alcance. En este sentido, los requisitos para un auto de carreras y para un vehículo eléctrico de conducción urbana, son diferentes. Pero el Porsche 919 ha ofrecido avances en el terreno de los autos híbridos que antes eran inimaginables. El 919 sirve como el laboratorio de pruebas para el nivel de voltaje de los sistemas híbridos futuros. Mientras se desarrollaba el programa del prototipo LMP1 se hicieron descubrimientos muy importantes, tales como la refrigeración para el almacenamiento de energía (batería) y el motor eléctrico, la tecnología de cableado para altos voltajes extremos, así como la gestión de la batería y el diseño de los sistemas. A partir de este conocimiento, los colegas que trabajan en desarrollo de autos de producción obtuvieron un amplio conocimiento para el concepto del automóvil de cuatro puertas, el Mission E, que utiliza tecnología de 800 voltios. A partir de este auto concepto los vehículos de producción en serie saldrán de la línea de montaje a finales de esta década, lo cual dará origen al primer automóvil completamente eléctrico de Porsche.

A.M.

Revista de la Industria Automotriz, deportes y actividades afines.