Le Mans Hypercars (LMH), zoals de auto's die deelnemen aan het World Endurance Championship (WEC) en de 24 uur van Le Mans, maken gebruik van geavanceerde hybride aandrijflijnen waarmee ze tijdens het rijden naadloos kunnen schakelen tussen volledig elektrisch vermogen en de interne verbrandingsmotor (ICE). Deze mogelijkheid om te wisselen tussen krachtbronnen is een belangrijk aspect van het hybride systeem, dat efficiëntie, beter energiebeheer en minder uitstoot mogelijk maakt tijdens specifieke fases van de race. De overgang tussen deze krachtbronnen wordt geregeld door geavanceerde regelsystemen die de elektromotor, energieopslag (batterijen) en de verbrandingsmotor in realtime beheren. Polymeren spelen een cruciale rol in de soepele en betrouwbare werking van dit proces, vooral op gebieden als thermisch beheer, elektrische isolatie en trillingsdemping.
Hoe LMH-auto's overschakelen van elektrische naar ICE-stroom
-
Alleen elektrische modus: In de enkel elektrische modus drijft de Motor Generator Unit (MGU) de wielen aan met energie die opgeslagen is in de Energy Store (ES) (de batterij). Deze modus wordt meestal gebruikt in situaties met lage snelheden, zoals wanneer de auto de pitstraat uitrijdt of tijdens langzame delen van het circuit om brandstof te besparen en emissies te beperken. In deze modus blijft de verbrandingsmotor uitgeschakeld en rijdt de auto geruisloos op elektrische energie.
-
Hybride stand (overgang): Als de bestuurder meer vermogen vraagt, tijdens acceleraties of hogesnelheidsonderdelen, schakelt het hybride systeem naadloos de verbrandingsmotor in om extra vermogen te leveren. Deze overgang wordt geregeld door het Energy Recovery System (ERS) en gebeurt automatisch, waarbij de regeleenheid van de auto beslist wanneer de motor wordt ingeschakeld op basis van de snelheid, het gaspedaal en de staat van de batterij. De elektromotor kan nog steeds koppel leveren naast de ICE en indien nodig het vermogen opvoeren.
-
Alleen verbrandingsmotor modus: Bij hogere snelheden of op lange rechte stukken kan de auto voornamelijk op ICE-vermogen rijden. Het hybride systeem gebruikt nog steeds de MGU om energie op te vangen via regeneratief remmen en slaat deze energie op in de accu voor later gebruik. De overschakeling naar de ICE-modus zorgt voor een maximaal vermogen tijdens snelle delen van de race.
Tijdens deze overgangen zorgt het hybride systeem ervoor dat er naadloos wordt overgeschakeld tussen elektrisch en ICE-vermogen, waardoor onderbrekingen in de prestaties worden voorkomen en de vermogensafgifte wordt geoptimaliseerd op basis van de omstandigheden op het circuit.
Rol van polymeren in het hybride systeem
Polymeren worden op grote schaal gebruikt in hybride systemen, vooral in kritieke gebieden zoals de accu's, motoren en elektrische componenten, waar ze essentiële voordelen bieden zoals thermisch beheer, elektrische isolatie en trillingsbestendigheid. Deze eigenschappen helpen de efficiëntie, betrouwbaarheid en veiligheid van het hybride systeem te behouden tijdens het constante schakelen tussen elektrisch en ICE-vermogen.
1. Thermisch beheer
Tijdens de overgang van elektrisch vermogen naar ICE genereren zowel de elektromotor als de batterij aanzienlijke warmte. Het beheren van deze warmte is cruciaal om de efficiëntie van het systeem te behouden en oververhitting te voorkomen, wat gevoelige onderdelen zou kunnen beschadigen of de prestaties zou kunnen verminderen. Polymeren spelen een cruciale rol bij het afvoeren van warmte en het beschermen van belangrijke onderdelen tegen thermische stress.
-
PEEK (Polyether Ether Ketone) wordt gebruikt in verschillende onderdelen van het hybride systeem vanwege zijn hoge thermische stabiliteit. Het wordt vaak aangetroffen in accubehuizingen, motorbehuizingen en isolatiematerialen rond de elektrische systemen, om ervoor te zorgen dat deze componenten niet oververhit raken tijdens het schakelen tussen energiemodi.
-
Polymeren op siliconenbasis worden gebruikt in de pakkingen en afdichtingen van zowel de motor- als batterijsystemen om ervoor te zorgen dat de warmte effectief wordt beheerd. Omdat siliconen bestand zijn tegen hoge temperaturen, zijn ze ideaal om ervoor te zorgen dat deze componenten veilig blijven en beschermd zijn tegen thermische schade.
-
Interfaces voor thermisch beheer, zoals thermische pads gemaakt van op polymeer gebaseerde materialen, worden gebruikt tussen belangrijke componenten om de warmteafvoer te vergemakkelijken, waardoor de optimale bedrijfstemperatuur voor zowel de ICE als de elektromotor tijdens de overgang behouden blijft.
2. Elektrische isolatie
Bij de overgang tussen elektrisch vermogen en ICE worden elektrische systemen met hoge spanning gebruikt die zorgvuldig moeten worden geïsoleerd om een veilige werking te garanderen. Polymeren met uitstekende elektrische isolatie-eigenschappen zijn essentieel om kortsluiting te voorkomen en de elektrische componenten van het hybride systeem te beschermen.
-
PTFE (Polytetrafluoroethyleen) en polyimide (PI) worden gebruikt voor het isoleren van elektrische componenten in het hybride systeem, met name in de bedrading en connectoren die de stroom regelen tussen de accu, de motor en de besturingseenheid. PTFE wordt gebruikt vanwege de uitstekende diëlektrische eigenschappen, terwijl polyimide films (zoals Kapton) betrouwbare isolatie bieden in omgevingen met hoge temperaturen.
-
Isolatie in kabelbomen: De bedrading die de elektromotor verbindt met de accu en de regelsystemen moet geïsoleerd worden om kortsluiting of energieverlies te voorkomen. PTFE wordt vaak gebruikt als isolator voor deze hoogspanningsdraden en zorgt ervoor dat de energiestroom tussen de componenten efficiënt en veilig verloopt tijdens stroomovergangen.
3. Lichtgewicht constructie
Hybride systemen voegen complexiteit en componenten toe aan een raceauto, dus gewichtsbeheersing is cruciaal voor het behouden van optimale prestaties. Polymeren worden op grote schaal gebruikt bij de constructie van motoren, batterijpakketten en andere hybride componenten om het gewicht te verminderen zonder aan sterkte of duurzaamheid in te boeten.
-
Met koolstofvezel versterkte polymeren (CFRP) worden gebruikt in de behuizingen van hybride motoren en accubehuizingen, waardoor een sterke, lichtgewicht structuur ontstaat die het totale gewicht van het hybride systeem minimaliseert. Door CFRP te gebruiken in niet-dragende componenten kunnen fabrikanten de hybride aandrijflijn zo licht mogelijk houden, wat de acceleratie, het rijgedrag en de efficiëntie verbetert.
-
Batterijbehuizingen gemaakt van polymeercomposieten zorgen ervoor dat het batterijpakket licht blijft en tegelijkertijd de nodige bescherming biedt tegen hitte en trillingen. Deze behuizingen voorkomen ook schade tijdens de energieovergangen die tijdens de race plaatsvinden.
4. Trillingsbestendigheid en duurzaamheid
Schakelen tussen elektrisch vermogen en ICE genereert trillingen en mechanische spanningen, vooral wanneer de motor versnelt of vertraagt. Elastomere polymeren worden gebruikt om deze trillingen te absorberen en ervoor te zorgen dat het hybride systeem soepel werkt en de onderdelen beschermt tegen slijtage.
-
Trillingsdempende polymeren, zoals siliconen en EPDM (Ethyleen Propyleen Diene Monomeer rubber), worden gebruikt in motorsteunen, accubehuizingen en andere hybride componenten om trillingen te absorberen tijdens de overgang tussen vermogensmodi. Dit voorkomt mechanische schade en helpt de integriteit van het hybride systeem in stand te houden.
-
Bussen van polymeer worden ook gebruikt voor de bevestiging van de elektromotor en de bijbehorende onderdelen, om de overdracht van trillingen naar de rest van de auto te verminderen, wat essentieel is voor het behoud van de controle van de bestuurder en het minimaliseren van slijtage aan andere systemen.
5. Corrosiebestendigheid
Het hybride systeem, vooral de elektrische onderdelen en accupacks, worden blootgesteld aan een groot aantal omgevingsfactoren, zoals vocht, vuil en afval. Polymeren bieden essentiële weerstand tegen corrosie en zorgen ervoor dat deze onderdelen beschermd zijn tegen externe elementen.
- PEEK en PTFE worden vaak gebruikt in afdichtingen en pakkingen om te voorkomen dat vocht en andere verontreinigingen de gevoelige delen van het hybride systeem binnendringen. Deze materialen zijn bestand tegen corrosie en chemische blootstelling, wat cruciaal is voor het behoud van de betrouwbaarheid en prestaties van het systeem tijdens duurraces.
Conclusie
De hybride aandrijflijnen in Le Mans Hypercars (LMH) zijn ontworpen om naadloos te schakelen tussen elektrisch vermogen en de interne verbrandingsmotor (ICE) tijdens het rijden, waarbij de vermogensafgifte wordt geoptimaliseerd voor prestaties, efficiëntie en energieterugwinning. Polymeren spelen een cruciale rol in het mogelijk maken van dit proces en bieden essentiële voordelen zoals thermisch beheer, elektrische isolatie, lichtgewicht constructie en trillingsbestendigheid. Door geavanceerde polymeren te gebruiken in kritieke onderdelen zoals de motor, accu en elektrische systemen, kunnen LMH-fabrikanten ervoor zorgen dat hun hybride systemen efficiënt en betrouwbaar werken onder de extreme omstandigheden van uithoudingsraces. Dit verbetert niet alleen de prestaties van de auto's, maar ook hun vermogen om tijdens de race effectief met energie om te gaan.