Dans les voitures de Formule 1 modernes, le réservoir d'énergie (ES) joue un rôle essentiel dans le système de propulsion hybride, en servant de batterie qui stocke l'énergie électrique récupérée des systèmes de récupération d'énergie (ERS) de la voiture, qui comprennent le MGU-K (Motor Generator Unit - Kinetic) et le MGU-H (Motor Generator Unit - Heat) . L'ES est chargé de stocker l'énergie capturée lors du freinage (via le MGU-K) et du turbocompresseur (via le MGU-H), puis de déployer cette énergie stockée pour améliorer les performances de la voiture, en fournissant une puissance supplémentaire à la transmission lorsque cela est nécessaire.
L'Energy Store est essentiellement un bloc-batterie lithium-ion hautes performances conçu pour stocker et libérer de l'énergie électrique avec une efficacité maximale. Fonctionnant dans un environnement extrême, l'ES doit résister à des températures élevées, à des contraintes mécaniques, à des vibrations et à une exposition à des produits chimiques et à d'autres conditions difficiles. Pour répondre à ces exigences, les polymères sont largement utilisés dans la construction et la protection de l'ES. Les polymères sont choisis non seulement pour leurs propriétés de légèreté et de résistance thermique , mais aussi pour leur nature non corrosive et non conductrice , qui sont essentielles pour assurer la sécurité, la durabilité et l'efficacité du système.
Le rôle des réserves d'énergie en Formule 1
Le système Energy Store est au cœur du fonctionnement du groupe motopropulseur hybride des voitures de Formule 1. Il fonctionne en capturant et en stockant l'énergie provenant de deux sources principales :
- Freinage (MGU-K) : Lorsque la voiture freine, le MGU-K capte l'énergie cinétique qui serait autrement perdue sous forme de chaleur. Cette énergie est convertie en énergie électrique et envoyée au réservoir d'énergie.
- Chaleur du turbocompresseur (MGU-H) : Le MGU-H récupère l'énergie des gaz d'échappement qui entraînent le turbocompresseur. Cette énergie est également convertie en énergie électrique et stockée dans l'ES.
Une fois l'énergie stockée dans l'ES, elle peut être utilisée pour fournir une puissance supplémentaire à la voiture, par exemple lors d'une accélération ou pour faciliter un dépassement. L'ES permet à la voiture de fonctionner plus efficacement, réduisant la consommation de carburant tout en offrant un gain de performances lorsque cela est nécessaire.
Pourquoi les polymères sont-ils largement utilisés dans le stockage d'énergie ?
Le système ES fonctionne dans un environnement difficile où il est exposé à une chaleur élevée, à des courants électriques, à des vibrations et à des éléments corrosifs tels que des carburants, des huiles et des liquides de refroidissement. Les polymères sont des matériaux idéaux pour divers composants du stockage d'énergie car ils offrent plusieurs avantages clés :
1. Propriétés non corrosives
L'une des principales raisons pour lesquelles les polymères sont largement utilisés dans les batteries de stockage d'énergie est leur résistance inhérente à la corrosion. Les batteries de stockage d'énergie sont souvent exposées à des produits chimiques, tels que le carburant, les fluides hydrauliques et le liquide de refroidissement, qui peuvent provoquer la corrosion des composants métalliques au fil du temps. La corrosion peut dégrader les performances et la sécurité du système de batterie, entraînant des pannes ou des inefficacités.
- Les polymères tels que le PTFE (polytétrafluoroéthylène) et le PEEK (polyéther éther cétone) sont naturellement résistants à la corrosion chimique, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les boîtiers de batterie , les joints et les revêtements de protection . Ces matériaux garantissent que l'Energy Store reste intact et opérationnel même après une exposition prolongée à des produits chimiques agressifs et à des environnements extrêmes. En empêchant la corrosion, les polymères contribuent à prolonger la durée de vie de l'ES et à réduire le besoin d'entretien ou de remplacement fréquents.
2. Nature non conductrice
Les polymères sont d'excellents isolants électriques , ce qui signifie qu'ils ne conduisent pas l'électricité. Dans le stockage d'énergie, où les courants électriques à haute tension sont générés, stockés et transmis, il est essentiel d'utiliser des matériaux qui empêchent les courts-circuits électriques et garantissent que l'énergie électrique reste contenue en toute sécurité.
-
Les films polyimides tels que le Kapton sont utilisés pour isoler les cellules de batterie et le câblage dans le système ES. Ces films offrent une rigidité diélectrique élevée, garantissant une isolation sûre des courants électriques dans le système. Cela empêche l'énergie de s'échapper involontairement et minimise le risque de dysfonctionnements électriques ou de courts-circuits.
-
Le PTFE est également largement utilisé dans les systèmes électriques comme isolant pour les câbles et les connecteurs. Sa nature non conductrice garantit que les composants électriques des systèmes électriques sont protégés des hautes tensions générées par les systèmes de récupération d'énergie, préservant ainsi l'intégrité des circuits électriques.
En utilisant des polymères non conducteurs, les équipes de Formule 1 peuvent garantir que l'Energy Store fonctionne de manière sûre et efficace, évitant ainsi les défauts électriques qui pourraient compromettre les performances ou mettre en danger la sécurité.
3. Résistance thermique
Lors de la récupération et du déploiement de l'énergie, le système ES génère d'importantes quantités de chaleur et les cellules de la batterie doivent être maintenues dans une plage de température de fonctionnement sûre pour maintenir leurs performances et éviter la surchauffe. Les polymères sont idéaux pour la gestion thermique car ils peuvent résister à des températures élevées sans se dégrader ni perdre leurs propriétés isolantes.
- Le PEEK et le PTFE sont souvent utilisés dans les couches isolantes et les boucliers thermiques du stockage d'énergie. Ces matériaux peuvent supporter des températures élevées tout en offrant une isolation efficace entre les cellules de la batterie, contribuant ainsi à prévenir l'emballement thermique (une situation dans laquelle une chaleur excessive provoque la dégradation ou la défaillance des cellules de la batterie).
En maintenant la stabilité thermique de l'ES, les polymères contribuent à garantir que les processus de stockage et de libération d'énergie se déroulent efficacement, même sous la chaleur extrême générée pendant la course.
4. Construction légère
La réduction du poids total d'une voiture de Formule 1 est essentielle pour améliorer ses performances, car une voiture plus légère peut accélérer plus vite et se comporter plus efficacement sur la piste. Les polymères sont nettement plus légers que les métaux, ce qui les rend idéaux pour la construction du boîtier et des composants de protection de l'Energy Store.
- Les polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) sont couramment utilisés pour le boîtier extérieur de l'Energy Store, offrant une coque de protection solide mais légère pour les cellules de la batterie. L'utilisation de PRFC réduit le poids de l'ES, permettant à la voiture d'être plus performante sans sacrifier la résistance ou la durabilité.
Cette réduction de poids est essentielle en Formule 1, où chaque gramme économisé contribue à des temps au tour plus rapides et à une meilleure efficacité énergétique, donnant aux équipes un avantage concurrentiel.
5. Amortissement des vibrations et durabilité
L'Energy Store est soumis à des vibrations et des chocs importants lors d'une course de Formule 1, en particulier lorsque la voiture négocie des virages à grande vitesse, freine brusquement ou accélère rapidement. Les polymères aident à protéger la batterie de ces contraintes mécaniques, garantissant que les composants restent intacts et fonctionnels tout au long de la course.
- Des polymères élastomères tels que le silicone et l'EPDM (caoutchouc monomère éthylène-propylène-diène) sont utilisés pour amortir les vibrations des supports et des joints du Energy Store. Ces matériaux absorbent les vibrations et offrent une certaine flexibilité, évitant ainsi d'endommager les cellules de batterie sensibles et les connexions électriques.
En réduisant l’impact des vibrations et des chocs, les polymères élastomères contribuent à prolonger la durée de vie de l’Energy Store et à améliorer sa fiabilité pendant les courses.
Principaux avantages de l’utilisation de polymères dans le stockage d’énergie
-
Résistance à la corrosion : Les polymères tels que le PTFE et le PEEK empêchent la corrosion causée par l'exposition aux produits chimiques et aux environnements difficiles, garantissant ainsi la longévité et la fiabilité de l'ES.
-
Isolation électrique : Les propriétés non conductrices des polymères comme le polyimide et le PTFE protègent le système de batterie des courts-circuits et des défauts électriques, garantissant ainsi un stockage et un déploiement sûrs de l'énergie.
-
Gestion thermique : Les polymères à haute résistance thermique, tels que le PEEK , aident à gérer la chaleur générée par les cellules de la batterie, évitant ainsi la surchauffe et maintenant un fonctionnement efficace.
-
Réduction du poids : le CFRP et d'autres polymères légers réduisent le poids total de l'Energy Store, contribuant ainsi à améliorer les performances et la maniabilité de la voiture.
-
Amortissement des vibrations : les polymères élastomères offrent flexibilité et absorbent les vibrations, protégeant ainsi les cellules de la batterie contre les dommages et garantissant la durabilité du stockage d'énergie.
Conclusion
Dans le système Energy Store de Formule 1, les polymères sont essentiels pour garantir un fonctionnement sûr et efficace du système dans l'environnement exigeant d'une voiture de course. Leurs propriétés non corrosives et non conductrices , combinées à leur résistance thermique , leur construction légère et leurs capacités d'amortissement des vibrations , font des polymères le matériau idéal pour divers composants du système ES. En utilisant des polymères avancés, les équipes de F1 peuvent optimiser les performances, la sécurité et la fiabilité du système Energy Store, permettant une récupération et un déploiement efficaces de l'énergie, ce qui est essentiel pour le succès du groupe motopropulseur hybride sur la piste.