Формула 1

Формула-1 2026, Малайзия: Теплоемкость

Места для накопления электричества на трассе «Сепанг» есть. Остается разобраться, сможет ли система рекуперации в полной мере ими воспользоваться. Все из-за погоды.

Возвращение Формулы-1 на «Сепанг» обещает уникальный эксперимент над машинами образца 2026 года. Команды ожидают температуру около 32 °C воздуха, асфальт прогреется под 60 °C, а влажность составит выше 80%. Сама трасса по энергетической чувствительности считается примерно средней для нынешней «Формулы-1», но две длинные прямые, тяжёлые торможения и скоростная середина круга всё равно требуют аккуратно распределять электрическую энергию.

Только в Малайзии к обычному вопросу «где взять электричество?» добавляется другой: а куда потом деть тепло?

У нынешней машины мотор-генератор (MGU-K) может работать с электрической мощностью до 350 кВт, а разрешённое изменение запаса энергии в батарее по-прежнему составляет всего 4 МДж. То есть электрическая половина силовой установки не похожа на большой бак, который однажды наполнили и потом постепенно опустошают. Она постоянно гоняет энергию туда и обратно: рекуперировали - потратили - снова рекуперировали. ФИА разрешает мотору-генератору принимать до 350 кВт, причём весной максимальную мощность рекуперации дополнительно подняли именно ради сокращения времени, которое машины проводят в режиме принудительного сбора энергии.

И всё это электричество проходит не по эфиру Николо Теслы, а через вполне себе материальные обмотки, шины, транзисторы и аккумуляторные ячейки. Те, кто учил физику в школе, сообразит, в чем дело. Часть электричества неизбежно превращается в тепло.

Батарея стала мощнее не по ёмкости

В апрельском «Рейскар Инжиниринге» Нил Хоулди (Neil Houldey) из «Макларена», рассказывая о машине 2026 года, отдельно замечает: сама архитектура охлаждения принципиально не перевернулась, зато сильно выросла потребность в охлаждении накопителя энергии (ES).

Причины хорошо сформулированы уже в июльском номере. Мощность мотор-генератора подняли со 120 до 350 кВт, а батарея сохранила прежние 4 МДж. Рекуперации при обычном торможении всё равно недостаточно: генератор действует только через заднюю ось, тогда как значительная часть тормозной работы приходится на передние тормоза (о чем все сознательные болельщики давно твердят).

Получается переусложненная правилами конструкция. Через примерно тот же энергетический «чайник» теперь надо пропускать гораздо больший поток энергии. Ясное дело, когда-нибудь он закипит.

А увеличение потока всегда заставляет вспомнить про потери!

Пусть вся цепочка (MGU-K - силовая электроника – батарея) имеет фантастически хороший КПД 97%. При рекуперации 350 кВт три процента потерь означают:

350 × 0,03 = 10,5 кВт тепла.

Если потери составят 5% - уже 17,5 кВт.

И это не одна раскалённая деталь, к которой можно прикрутить огромный радиатор. Тепло возникает в обмотках электрической машины, преобразователях, соединениях и самих аккумуляторных элементах. Более того, отдельные элементы имеют разную тепловую инерцию и разные допустимые температуры.

Кружка кипятка против «Формулы-1»

Температура объекта определяется не каким-то магическим свойством «охлаждения», а балансом между выделяемым и отводимым теплом. Чем меньше разница температур между горячим телом и окружающей средой, тем труднее отводить следующий ватт.

В первом приближении можно записать:

Q̇ = K(Tсист − Tвозд).

Для настоящего радиатора «Формулы-1» коэффициент K, конечно, не постоянен: он зависит от расхода воздуха, его плотности, конструкции теплообменника и ещё вороха разных сопутствующих проблем. Но для нашей первой прикидки этого достаточно.

Допустим, совершенно условный контур работает при 50 °C.

При воздухе 20 °C: ΔT = 30 °C.

В Малайзии при 32 °C: ΔT = 18 °C.

При прочих равных способность этого условного теплообменника отводить тепло станет уже не 100%, а

18 / 30 = 0,6.

То есть всего 60% прежней!

Разумеется, команда не оставит всё «прочее равным»: увеличит расход жидкости, откроет выходы горячего воздуха, изменит размеры охлаждающих каналов. Но бесплатным охлаждение не бывает. Большие отверстия и больший расход воздуха означают аэродинамические потери.

Вот мы и опять купили электричество сопротивлением воздуха.

Каверзная задача

Теперь можно загнать всю эту вашу «Формулу-1» обратно в школьную физику.

Условная гибридная система рекуперирует 350 кВт. Три процента мощности превращаются в тепло. Значит, нужно отвести: 10,5 кВт.

Пусть при температуре воздуха 20 °C радиатор мог отводить 15 кВт, имея температурный напор 30 °C.

Воздух прогрелся до 32 °C. Рабочую температуру системы повышать больше нельзя. Температурный напор уменьшился с 30 до 18 °C.

Тогда по нашей грубой модели: 15 × 18 / 30 = 9 кВт.

А выделяется 10,5.

Можно ли продолжать рекуперировать 350 кВт постоянно?

Нет!

Причём аккумулятор может быть ещё далеко не заполнен. Мотор-генератор совершенно исправен. Регламент тоже по ходу гонки (пока еще) не подкручивают, и он разрешает все 350 кВт.

Просто следующий джоуль электричества уже сопровождается теплом, которое машине некуда деть.

Чтобы восстановить тепловое равновесие только уменьшением электрической мощности, придётся опуститься примерно до:

9 / 0,03 = 300 кВт.

Вот вам и потерянные 50 кВт рекуперации без единой поломки! Просто не хватило охлаждения.

Тепловая ловушка

Но, образованные вы наши, не торопитесь делать поспешных выводов. Если устройство работает импульсами, какой мощности соответствует его нагрев - пиковой, средней или какой-нибудь промежуточной?

Ответ неприятный для тех, кто привык делить все на «ведра» и «самовозки»: возможны все варианты. Всё определяется продолжительностью импульса и тепловой инерцией конкретной детали.

«Мотор-генератор», ведь, тоже не проводит весь круг при постоянных 350 кВт. Несколько секунд интенсивной рекуперации сменяются разгоном, снова торможением, частичной нагрузкой, очередной отдачей энергии.

Поэтому недостаточно сказать: «за круг средние тепловые потери составили столько-то киловатт».

Одна маленькая деталь инвертора может успеть нагреться почти до температуры, соответствующей пиковой нагрузке, прежде чем тепло доберётся до охлаждающей жидкости. Огромная масса батареи, наоборот, может в течение одного импульса почти не заметить происходящего, зато постепенно накапливать тепло круг за кругом.

Получается несколько совершенно разных температур у разных элементов одной цепи (обмотки мотор-генератора, силовые полупроводники, ячейки батареи).

Средние 10 кВт потерь ещё ничего не говорят о том, какая именно из них первой упрётся в ограничение. Именно поэтому инженер смотрит не только на энергетический бюджет, но и на тепловую постоянную времени каждого узла.

Медная ловушка

Есть ещё одна маленькая хитрость. Сопротивление медных обмоток с температурой растёт примерно на 0,4% на градус.

А тепловые потери в проводнике: P = I²R.

Допустим, обмотка нагрелась ещё на 20 °C. Её сопротивление увеличится примерно на 8%. При том же токе почти на те же 8% возрастут и медные потери. То есть, требуется еще больше охлаждения.

До бесконечности процесс, конечно, не разгонится: компьютерные мозги, «заподозрив» неладное, раньше ограничат ток. Расплавленных шматов провода мы не увидим, а вот падение темпа – запросто.

Батарея не обязана быть «полной»

С аккумулятором особенно легко сморозить глупость. Нельзя утверждать, что его внутреннее сопротивление обязательно увеличивается при любом нагреве. У литиевых элементов переход от низкой температуры к нормальной рабочей как раз обычно уменьшает внутреннее сопротивление.

Проблема начинается выше оптимального диапазона. Высокая температура ускоряет нежелательные химические процессы и деградацию, а потому система управления обязана защищать ячейки. Тогда допустимый ток заряда или разряда ограничивается уже не количеством свободного места в батарее, а температурой.

В обычном телевизионном репортаже всё это легко превратить в «не хватило энергии». Хотя энергии вокруг машины уйма. Её просто нельзя было безопасно затолкать в аккумулятор.

Почему «Сепанг»?

Перед последним поворотом «Сепанга» машина сильно тормозит, а затем выходит практически сразу на две длинные прямые, разделённые первой шпилькой. Энергия, собранная в торможениях, здесь имеет совершенно понятную цену на следующем разгоне.

При этом сама трасса не относится к экстремально энергодефицитным. В «Вильямсе» ставят её примерно рядом с Монреалем и Шпильбергом по энергетической чувствительности. Поэтому особенно интересно будет искать не машины, которым вообще не хватает электричества, а машины, у которых энергетическая картина начинает меняться вместе с температурой.

Например, длинная серия кругов хуже короткой. Чистый воздух лучше езды непосредственно за соперником. Более открытая система охлаждения может неожиданно окупить дополнительное сопротивление. А машина, прекрасно работающая утром, днём может раньше начинать ограничивать рекуперацию или отдачу.

С влажностью здесь все проще. Для гонщика 80% влажности - огромная проблема: человеческое тело охлаждается испарением пота (отсюда и нужда возить с собой лишние 5 кг на принудительное охлаждение). Для обычного автомобильного теплообменника куда важнее сама высокая температура входящего воздуха. Влажность несколько меняет свойства воздуха, но не она является главным убийцей температурного напора.

Получается, «Сепанг» нарочито выпукло поставит перед нами тот факт, что у «Формулы-1» образца 2026 года фактически два аккумулятора.

Первый - настоящий, электрический, ёмкостью в разрешённые четыре мегаджоуля.

Второй нигде в регламенте не нарисован. Это тепловой запас машины: сколько потерь способны принять батарея, инвертор, мотор-генератор и система охлаждения, прежде чем следующую порцию электричества придётся ограничить. В Малайзии именно этот второй аккумулятор вполне может закончиться раньше первого.

Кстати, из этого проистекает еще одна интереснейшая тема: баланс аэродинамики и охлаждения. Будь, у нас побольше времени, а главвред не отдыхай на больничном, мы бы разобрали, где именно проходит оптимальная линия между слишком раскрытыми (и оттого создающими сопротивление) воздухозаборниками и потерями от перегрева системы рекуперации.

Так что, следите сами. И думайте тоже сами.

• Вперёд >