Le Mans Hypercar (LMDh & LMH) hybride systemen uitgelegd

Le Mans Daytona Hybrid (LMDh) en Le Mans Hypercar (LMH) auto's die meedoen aan enduranceraces zoals het IMSA WeatherTech SportsCar Championship (IMSA), het World Endurance Championship (WEC) en de 24 uur van Le Mans maken gebruik van geavanceerde hybride aandrijflijnen om prestaties, efficiëntie en duurzaamheid in balans te brengen. Deze hybride systemen combineren traditionele verbrandingsmotoren (ICE) met elektromotoren en batterijpakketten om de vermogensafgifte en energieterugwinning te optimaliseren, wat cruciaal is voor de lange en slopende uithoudingsraces die deze kampioenschappen kenmerken.

De hybride systemen in LMDh- en LMH-auto's zijn ontworpen om een combinatie te bieden van hoge prestaties, energieterugwinning (regeneratief remmen) en verbeterde brandstofefficiëntie, waardoor de auto's een uitzonderlijk vermogen kunnen leveren en tegelijkertijd voldoen aan de duurzaamheidsdoelstellingen van de moderne motorsport. Polymeren spelen een belangrijke rol in de constructie van zowel de motoren als de batterijsystemen en bieden belangrijke voordelen zoals thermisch beheer, lichtgewicht eigenschappen, elektrische isolatie en corrosiebestendigheid. Hier lees je hoe deze hybride aandrijflijnen werken en waar polymeren in hun onderdelen worden gebruikt.

Hoe hybride aandrijflijnen werken in LMDh- en LMH-auto's

1. Interne verbrandingsmotor (ICE)

De ICE in hybride LMDh- en LMH-auto's is meestal een krachtige, zuinige motor die naast de elektromotor werkt. Afhankelijk van de fabrikant hebben deze motoren een turbo of natuurlijke aanzuiging en zijn ze vaak V6-, V8- of V10-configuraties. De ICE levert het grootste deel van het vermogen voor hogesnelheidssecties en lange rechte stukken en levert ook vermogen tijdens intense acceleraties.

2. Elektromotor en motor-generatoreenheid (MGU)

De elektromotor, ook bekend als de Motor Generator Unit (MGU), werkt naast de verbrandingsmotor om extra vermogen te leveren en de efficiëntie te verbeteren. De MGU vervult twee functies:

• Hij wint energie tijdens het remmen (regeneratief remmen) en zet deze om in elektrische energie, die wordt opgeslagen in de accu.
• De opgeslagen energie uit de accu wordt gebruikt om de wielen van de auto aan te drijven, voor extra vermogen tijdens het accelereren of op belangrijke momenten in een race (zoals inhalen).

De MGU assisteert de ICE door het koppel te verhogen, waardoor de acceleratie verbetert en de auto sneller hogere snelheden kan bereiken. Dit systeem met dubbele vermogensafgifte helpt om prestaties en brandstofefficiëntie in balans te brengen, omdat de elektromotor het kan overnemen of kan assisteren in situaties met lage snelheden of een hoog koppel, waardoor minder brandstof nodig is.

3. Energieopslag (batterij)

De batterij in hybride raceauto's is een essentieel onderdeel van de aandrijflijn, omdat het de energie opslaat die wordt geoogst tijdens het regeneratief remmen. De energie opgeslagen in de batterij wordt vervolgens gebruikt door de elektrische motor om extra vermogen te leveren wanneer dat nodig is. Deze krachtige accusystemen moeten licht en efficiënt zijn en bestand tegen de extreme eisen van enduranceracen.

De batterijen die worden gebruikt in LMDh- en LMH-auto's zijn meestal lithium-ionbatterijen of solid-state batterijen, die grote hoeveelheden energie kunnen opslaan en snel en efficiënt grote vermogens kunnen leveren.

4. Regeneratief remmen

Een van de belangrijkste voordelen van hybride aandrijflijnen is het regeneratieve remsysteem. Wanneer de auto remt, vangt de MGU de kinetische energie op die door het remmen wordt gegenereerd en zet deze om in elektrische energie. Deze energie wordt vervolgens opgeslagen in de accu en kan opnieuw worden gebruikt om de elektromotor aan te drijven. Dit proces vermindert energieverspilling en verbetert de algehele efficiëntie.

De rol van polymeren in hybride aandrijflijnen

Polymeren worden op grote schaal gebruikt in de constructie van hybride aandrijflijnen, met name in de motoren en batterijsystemen, omdat ze essentiële voordelen bieden zoals een lichtgewicht constructie, thermisch beheer, elektrische isolatie en corrosiebestendigheid. Deze eigenschappen zijn essentieel om ervoor te zorgen dat de motoren en batterijen betrouwbaar kunnen presteren onder de extreme omstandigheden van duurraces.

1. Polymeren in motoren

Hybride motoren of MGU's werken bij hoge snelheden en temperaturen en vereisen materialen die bestand zijn tegen deze belastingen en toch efficiënt blijven. Polymeren spelen een cruciale rol in verschillende onderdelen van de motor.

• Elektrische isolatie: De elektromotor genereert aanzienlijke hoeveelheden elektriciteit, die veilig moet worden opgevangen om kortsluiting of elektrische storingen te voorkomen. Polymeren zoals PTFE (Polytetrafluoroethyleen) en polyimide (PI) worden gebruikt als isolatie voor draden en elektrische wikkelingen in de motor om elektrische lekkage te voorkomen en een efficiënte energieoverdracht te garanderen.

  • PTFE wordt vaak gebruikt voor draadisolatie vanwege zijn uitstekende diëlektrische eigenschappen en hoge temperatuurbestendigheid.
  • Polyimide films, zoals Kapton, worden gebruikt vanwege hun vermogen om structurele integriteit te behouden bij extreme temperaturen en om elektrische isolatie te bieden in krappe ruimtes binnen de motor.

• Thermisch beheer: Motoren genereren veel warmte tijdens bedrijf en oververhitting kan de prestaties ernstig beïnvloeden. PEEK (Polyether Ether Ketone) en op siliconen gebaseerde polymeren worden gebruikt in koelsystemen, motorbehuizingen en pakkingen om de warmte te beheren en de motor te beschermen tegen thermische schade.

  • PEEK is zeer goed bestand tegen hitte en mechanische belasting, waardoor het ideaal is voor motoronderdelen die aan hoge temperaturen worden blootgesteld.
  • Siliconenpolymeren worden gebruikt voor pakkingen en afdichtingen die de koelsystemen van de motor helpen onderhouden door vloeistoffen vast te houden en de luchtstroom rond kritieke gebieden te beheren.

• Lichtgewicht componenten: Motoren in hybride systemen moeten zo licht mogelijk zijn om het totale gewicht van de auto te optimaliseren. Koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP) worden vaak gebruikt bij de constructie van motorbehuizingen en structurele onderdelen om sterkte te bieden en tegelijkertijd het gewicht te minimaliseren. Dit is cruciaal om ervoor te zorgen dat de hybride aandrijflijn niet te veel gewicht toevoegt aan de auto, wat de prestaties negatief zou kunnen beïnvloeden.

2. Polymeren in batterijen

Accu's in hybride raceauto's moeten grote hoeveelheden energie opslaan, deze efficiënt afgeven en bestand zijn tegen de extreme omstandigheden van duurraces. Polymeren zijn essentieel voor de veiligheid, efficiëntie en duurzaamheid van deze krachtige batterijsystemen.

• Elektrische isolatie: Lithium-ion en solid-state accu's genereren hoge spanningen, waardoor elektrische isolatie een kritieke factor is in het ontwerp van de accu. Polyimide en PTFE worden gebruikt om accucellen en bedrading te isoleren, zodat de elektrische stromen binnen de perken blijven en kortsluiting of oververhitting wordt voorkomen.

  • Polyimide films worden vaak gebruikt om accucellen van elkaar te scheiden, om isolatie te bieden en de veiligheid te handhaven in de hoogspanningsomgeving van de accu.
  • PTFE-coatings en -bekledingen worden gebruikt voor bedrading en connectoren om te beschermen tegen elektrische ontlading.

• Thermisch beheer: Hybride accu's genereren aanzienlijke warmte tijdens de opslag en het gebruik van energie. Polymeren zoals PEEK en materialen op siliconenbasis worden gebruikt in accubehuizingen en koelsystemen om de warmte effectief te beheren.

  • PEEK wordt gebruikt voor accubehuizingen en koelkanalen omdat het bestand is tegen hoge temperaturen zonder te vervormen of af te breken.
  • Op siliconen gebaseerde polymeren worden gebruikt in thermische interfaces om warmte weg te leiden van de batterijcellen, zodat de batterij binnen een veilig temperatuurbereik werkt en thermische runaway wordt voorkomen.

• Corrosiebestendigheid: Accu's worden blootgesteld aan zware omstandigheden, zoals vocht, brandstof en chemicaliën. Polymeren zoals PEEK en PTFE zijn corrosiebestendig en beschermen de batterijcomponenten tegen degradatie door blootstelling aan deze elementen.

  • PEEK wordt vaak gebruikt voor batterijbehuizingen en beschermkappen omdat het licht en sterk is en bestand tegen zowel corrosie als hoge temperaturen.
  • De deklagen van PTFE worden gebruikt om elektrische schakelaars en terminals tegen chemische blootstelling te beschermen, zodat de betrouwbaarheid van het batterijsysteem op lange termijn wordt verzekerd.

• Lichtgewicht constructie: Gewicht is een kritieke factor in endurance racen, waar elke bespaarde kilogram bijdraagt aan betere prestaties. Polymeren zoals CFRP worden gebruikt in accubehuizingen en beschermende structuren om een lichtgewicht maar sterke oplossing te bieden, die het totale gewicht van het accusysteem vermindert zonder de veiligheid of prestaties in gevaar te brengen.

Conclusie

De hybride aandrijflijnen die worden gebruikt in LMDh- en LMH-auto 's vertegenwoordigen het neusje van de zalm op het gebied van enduranceracetechnologie, waarbij verbrandingsmotoren, elektromotoren en batterijsystemen worden gecombineerd voor hoge prestaties, brandstofefficiëntie en energieterugwinning. Polymeren spelen een cruciale rol in deze systemen door te zorgen voor lichtgewicht materialen, thermisch beheer, elektrische isolatie en corrosiebestendigheid in de motoren en batterijen. Deze voordelen zorgen ervoor dat de hybride aandrijflijnen betrouwbaar kunnen presteren in de veeleisende omgevingen van IMSA, WEC en Le Mans, en helpen de teams de balans te vinden tussen prestaties, efficiëntie en duurzaamheid die kenmerkend is voor de moderne uithoudingsracerij.