Una buena ración de fuerza

Lo ha vuelto a hacer: Porsche ha conquistado para sí un nuevo campo tecnológico a la velocidad de las carreras. En el Mission E, los ingenieros de desarrollo han apostado por la tecnología de 800 voltios ya aplicada en el Porsche 919 Hybrid.

El valor también es una cuestión de imaginación. Alexander Hitzinger, Director Técnico del Programa LMP1, es capaz de imaginarse muchas cosas. Y se atrevió a aplicar en el campeón de Le Mans, el Porsche 919 Hybrid, todo lo que parecía técnicamente posible. Especialmente en el concepto de la tracción. A modo de recordatorio: la tracción consta de un motor turbo de gasolina de cuatro cilindros y dos litros de cilindrada, el motor de combustión más eficiente que Porsche ha construido hasta el momento, así como de dos sistemas diferentes de recuperación de energía.

Al frenar, la energía cinética del eje delantero se convierte en energía eléctrica. En el tramo de escape, además del turbocompresor hay también una segunda turbina que transforma la energía residual en energía igualmente eléctrica. La aportación de la energía de frenado supone un 60% y la del escape, un 40%. La corriente eléctrica obtenida se almacena temporalmente en una batería de ion de litio para abastecer al motor eléctrico cuando este lo necesite. Así, cuando el conductor quiere acelerar, no tiene más que pulsar un botón para obtener la energía necesaria. La potencia procedente del motor de combustión es, en palabras de Hitzinger, «claramente superior a 500 CV». Respecto a la potencia que se obtiene del motor eléctrico la sitúa «claramente por encima de 400 CV».

La acción conjunta de estas dos fuentes de energía requiere una elaborada estrategia. En el circuito de carreras, esta estrategia es la responsable de que en cada fase de frenado el acumulador almacene energía, es decir que ésta se recupera. En los 13,6 kilómetros de Le Mans esto ocurre 38 veces, antes de cada curva. En algunas ocasiones con más intensidad y en otras con menos, dependiendo de la vehemencia de la maniobra, es decir, de la velocidad a la que los pilotos llegan a la curva y lo cerrada que es la siguiente. Hasta el vértice de cada curva se frena y se recupera. A continuación, el conductor vuelve a acelerar y justo para este momento es cuando se debe disponer de la mayor cantidad posible de energía.

Por un lado, el conductor pisa el acelerador a fondo consumiendo energía procedente del combustible y, por otro, extrae energía eléctrica adicional del acumulador a través del boost. Mientras el motor de combustión acciona el eje trasero, el motor eléctrico se encarga del delantero. El 919 Hybrid sale de la curva con tracción total y, al mismo tiempo, ya vuelve a acumular energía. Es sobre todo en las rectas extremadamente largas de Hunaudières, en las que el 919 Hybrid supera los 330 km/h, donde la turbina se aplica a fondo. Hasta aquí todo resulta sencillo. Pero el problema es que las dos fuentes de energía están limitadas: según el reglamento, el coche no puede absorber más de 4,65 litros de gasolina por vuelta ni más de 2,22 kWh de corriente.

El piloto tiene que gestionar la energía con sumo cuidado para que al final de la vuelta todo vaya conforme al plan y, en la medida de lo posible, no consuma ni un ápice más de lo admisible, pero a poder ser tampoco menos. Es decir que tiene que hacer malabarismos, pues si consume más se le castiga y si consume menos pierde potencia. Todo consiste en dejar de suministrar energía eléctrica adicional en el momento justo y soltar el pie del acelerador en el momento justo. 2,22 kWh equivale a una energía eléctrica de ocho megajulios: la clase energética más alta prevista en el reglamento. Porsche fue el primero y, en 2015 también el único fabricante que se atrevió a ir tan lejos. Audi y Toyota solo estaban en condiciones de desarrollar, respectivamente, cuatro y seis megajulios. Gracias a que en su momento se habían tomado decisiones valientes, Porsche se atrevió a enfrentar este reto.

«Tras un minucioso estudio de las diferentes alternativas, se eligió el concepto», recuerda Hitzinger. Desde un principio estaba claro que había que aprovechar la energía de frenado del eje delantero. Para el técnico era evidente la gran cantidad de energía que se podía obtener ahondando en un terreno ya parcialmente explorado. «Como segundo sistema se pensaba en una recuperación de la energía de frenado del eje trasero o en la recuperación de los gases de escape». Había dos argumentos a favor de la solución de los gases de escape: primero, el peso y, segundo, la eficiencia. «En la recuperación de energía de frenado, el sistema tiene que acumular la energía en un lapso de tiempo muy breve, es decir que interviene una gran cantidad de potencia, lo que repercute en el peso. Las fases de aceleración, sin embargo, son mucho más largas que las de frenado, es decir, se recupera energía durante un tiempo más prolongado y eso hace que el sistema sea más ligero. Además, con el motor de combustión ya tenemos una tracción en el eje trasero. Si hubiésemos desarrollado todavía más potencia detrás, hubiésemos producido más deslizamiento», explica Hitzinger. El deslizamiento es prácticamene lo contrario a la eficiencia y, además, estropea los neumáticos.

Pero la decisión posiblemente más valiente fueron los 800 voltios por los que apostó Hitzinger para el sistema híbrido del 919. «En el motor eléctrico, la decisión que se tomó respecto a la tensión fue fundamental», subraya, pues «influye en todo: en el diseño de la batería, de la electrónica, de las máquinas eléctricas, en la tecnología de carga y en la infraestructura de carga. En este aspecto hemos ido tan lejos como ha sido posible». No ha sido nada fácil encontrar los componentes adecuados para una tensión tan alta ni, sobre todo, un medio de almacenamiento adecuado. ¿Una batería inercial, supercondensadores o batería? Hitzinger se decidió por una batería de ion de litio, que dispone de cientos de celdas individuales, cada una de las cuales está encerrada en una cápsula cilíndrica de metal de siete centímetros de altura y 1,8 de diámetro.

En un modelo para la vía pública, al igual que en un coche de carreras, se debe encontrar el equilibrio entre densidad de potencia y densidad de energía. Cuanto mayor sea la densidad de potencia de una celda, tanto más rápido se podrá cargar y podrá desprender energía. Por su parte, el otro parámetro, la densidad de energía determina la cantidad de energía que se puede acumular. En una carrera, hablando gráficamente, la celda tiene que tener una abertura muy grande puesto que tan pronto el conductor pise el freno tiene que entrar de golpe una enorme cantidad de energía y, cuando active la función boost tiene que salir igual de rápido. Por poner un ejemplo casero: si la batería de ion de litio vacía de un smartphone tuviese la densidad de potencia de la batería del 919, se cargaría al 100% en unos veinte segundos. El inconveniente sería que una llamada corta bastaría para que se quedase otra vez sin carga. Para que el smartphone dure cargado durante días, se le da prioridad a la densidad de energía (es decir, la capacidad de acumulación). Traducido a un coche eléctrico en el uso diario, capacidad de acumulación significa autonomía. «En este punto difieren los requisitos de un deportivo de los de un coche eléctrico para la vía pública», refiere Hitzinger, «pero con el 919 hemos llegado a áreas de la gestión híbrida hasta entonces inimaginables».

En el Mission E hay previstos motores síncronos de imán permanente. Son, por así decirlo, los hermanos civiles de la unidad Motor/Generador (MGU) del coche ganador de Le Mans. «El 919 fue el laboratorio experimental para el nivel de tensión de sistemas híbridos», resume Hitzinger sin ocultar su orgullo. A partir de esta experiencia, los colaboradores para la serie se atrevieron a imaginarse el concepto del Mission E con tecnología de 800 voltios. Del circuito de carreras a la vía pública: un perfecto trabajo en equipo à la Porsche.

Autora Heike Hientzsch
Fotografía Frank Kayser/Porsche