La vulgata vuole che la guida delle monoposto elettriche di Formula E sia tutto sommato semplice. Le principali motivazioni portate a sostegno di questa tesi sono legate ai numeri che, per l’appassionato medio, rappresentano le prestazioni e quindi la difficoltà di controllo al limite di una macchina da corsa. Effettivamente le monoposto di questa categoria hanno una velocità massima limitata per regolamento dalla FIA, per questioni di sicurezza, a 225 km/h; la potenza in qualifica è per regolamento pari a 272 CV (300 CV dalla prossima stagione), mentre in gara è di 231 CV e rimarrà invariata nei prossimi anni per consentire di percorrere tutto l’e-Prix senza il cambio macchina. Il peso minimo è di 888 kg (con il pilota), quindi in gara il rapporto potenza/massa è circa 0.26, decisamente più basso di una vettura di F1. Il contraltare alle caratteristiche tecniche di queste monoposto è la difficoltà di adattamento che diversi piloti professionisti hanno incontrato nel portarle al limite, sia in qualifica che in gara. L’esempio più evidente è quello di Lotterer che, in veste di debuttante in F1, si permise il lusso di andare decisamente più forte in qualifica del compagno di squadra (per la verità non un campionissimo), mentre in queste sue prime apparizioni in Formula E sta decisamente subendo le ottime prestazioni di Vergne, senza riuscire a sfruttare il potenziale della propria Techeetah motorizzata Renault.
Ma allora cosa rende difficile la guida in questo “monomarca”, visto che i numeri sembrano descrivere una formula poco prestazionale ma i piloti sostengono tutto il contrario? Cosa rende così selettivo questo campionato, tanto da poter apprezzare le differenze fra i conduttori in modo perfino maggiore che nella complicatissima Formula 1?
Innanzitutto una provocazione sui numeri non contestualizzati e legati alle prestazioni: un motore V8 di F1 precedente all’era delle PU ha una coppia che si aggira fra i 270 e i 300 Nm, mentre un turbodiesel 1600 cc che equipaggia la MiTo del 2008 ha una coppia massima dichiarata di 320 Nm!
Come già visto in uno dei precedenti articoli (http://nordschleife1976.com/high-voltage-bring-trasmissione-di-un-veicolo-elettrico/) la curva di coppia di un motore elettrico è decisamente vantaggiosa per l’utilizzo nella trazione stradale, in quanto il suo andamento è praticamente sovrapponibile a quello della curva di coppia ideale che si cerca di ottenere tramite l’impiego del cambio di velocità su un veicolo dotato di tradizionale motore a scoppio. Il vantaggio di un motore elettrico, che nel caso della guida al limite di una FE diventa anche un problema, è che la coppia massima è disponibile non appena la bobina inizia a girare all’interno dello statore; si ottiene così l’effetto del “calcio nella schiena” che subivano i piloti di F1 nella prima era turbo degli anni ’80. Il range di utilizzo del motore elettrico da parte del pilota sta fra la base speed e la velocità di rotazione massima consentita dal livello tecnologico del powertrain. Se si ipotizza di trovarsi quindi ad accelerare alle basse velocità, cioè con un numero di giri vicino alla base speed, si ha la potenza massima disponibile con una velocità di rotazione molto bassa. Dalla definizione di coppia ( dove P è la potenza e ω è la velocità di rotazione) è facile capire che siamo in presenza di valori molto elevati di questa grandezza, che corrispondono a notevoli forze di trazione applicate alle ruote posteriori difficilmente controllabili dal pilota. Se uniamo a questa caratteristica le specifiche tecniche di queste monoposto per quanto riguarda i parametri geometrici fondamentali (la carreggiata massima è di 1800 mm da regolamento, contro i 2000 mm delle monoposto di F1), le caratteristiche degli pneumatici (gomme intagliate per lavorare anche in condizioni di pioggia e abbastanza dure da non dover essere sostituite per tutte le sessioni del fine settimana) e il layout dei circuiti, sia per quanto riguarda la presenza di muretti che delle sconnessioni sull’asfalto, è chiaro che questo insieme di fattori da solo rende queste vetture tutt’altro che semplici da portare al limite.
Nella figura successiva sono riportate le curve di coppia e potenza per un veicolo elettrico, con funzione esplicativa dei concetti precedentemente espressi.
Alle difficoltà appena descritte è necessario inoltre aggiungere quelle relative all’assetto del veicolo. A differenza di una monoposto tradizionale, il cui setup è definito per avere la massima prestazione in termini di aderenza in curva, in Formula E le scelte aerodinamiche sono, per la gara, volte a ridurre al minimo la resistenza all’avanzamento, con l’obiettivo di consumare il minor quantitativo possibile di energia. Come è noto infatti in questo campionato vince chi è maggiormente efficiente, ma il carico aerodinamico comporta attriti e quindi perdite, per cui far lavorare la vettura con le incidenze minime è fondamentale. Dal punto di vista del pilota ciò equivale a gareggiare in condizioni simili a quelle che si sperimentano in F1 a Monza, applicate però agli angusti e sconnessi circuiti cittadini della categoria elettrica.
Le caratteristiche appena elencate sarebbero sufficienti per mostrare che in realtà guidare una monoposto di Formula E non è un’operazione assolutamente facile, ma a queste condizioni è necessario aggiungerne altre, che rappresentano la vera peculiarità della categoria e derivano dalla natura elettrica del campionato.
Innanzitutto analizziamo la qualifica: come detto, in questa sessione del week-end i piloti hanno a disposizione la massima potenza, 200 kW. Per regolamento nella fase finale della SuperPole i cinque che si giocano la partenza al palo hanno a disposizione un solo giro lanciato, nello stesso stile delle qualifiche di F1 dei primi anni 2000, prima dell’introduzione delle tre manche. In realtà, anche nella fase di qualificazione alla SuperPole, i giri lanciati sono al massimo due, in quanto il tempo a disposizione è molto ridotto (5 minuti), la batteria si scarica molto velocemente in modalità di qualifica e la percorrenza del giro di uscita, di quello di lancio e di quello di raffreddamento comporta una perdita elevata di tempo. La necessità di ottenere un buon crono con pochi tentativi, se non con uno solo, è già una difficoltà notevole che i piloti di altre categorie non devono affrontare. Si deve inoltre considerare che non sono ammesse le termocoperte, quindi il pilota esce con gomme fredde e deve riuscire a scaldarle nel giro di uscita dal box e in quello di lancio, operazione certamente non semplice, specialmente per pneumatici duri come quelli utilizzati in Formula E. La stessa operazione di riscaldamento deve essere eseguita dal pilota per quanto riguarda i freni. Nel giro lanciato si recupera energia solo tramite due sistemi:
- il sistema automatico che si attiva agendo sul pedale del freno (brake ReGen)
- il sistema automatico che si attiva lasciando il pedale dell’acceleratore (engine braking)
La prima tipologia agisce con lo stesso principio del MGU-K in F1, quindi è una frenata rigenerativa, effettuata nella parte centrale della staccata. Viene determinata tramite mappatura e fornisce una ricarica proporzionale alla forza applicata al pedale del freno.
La seconda modalità fornisce semplicemente un freno motore che può essere paragonato a quello che si ha in un veicolo dotato di motore a scoppio quando si rilascia l’acceleratore ad un numero di giri superiore al minimo. In questo modo il rotore lavora non come motore ma come dinamo e ricarica così la batteria. Agisce in tutti i momenti della frenata, in quanto il pilota non ha mai il pedale sull’acceleratore.
Durante il giro di qualifica è fondamentale mantenere la giusta temperatura dei freni. Si hanno infatti tre range di temperatura alle quali varia il comportamento dei materiali d’attrito:
- 0-300°C: bassa temperatura, ridotta coppia frenante
- 300-400°C: zona di transizione, la coppia cresce linearmente in questo range
- 400°C e maggiori: temperature ideali per la coppia frenante richiesta
La temperatura dei freni deve essere mantenuta lungo il tracciato anche con una accurata scelta della ripartizione della frenata; questa è influenzata, oltre che dalla scelta di ripartizione in uscita dai box, anche dall’impostazione del recupero dell’energia, dato dalla somma dei due contributi precedentemente mostrati. Questi agiscono sull’asse posteriore in quanto legati al motore elettrico; una qualsiasi modifica di setup sul fronte della rigenerazione di energia determina quindi una variazione della ripartizione di frenata (brake migration). Il problema principale è che questo fenomeno non è soltanto statico, cioè dipendente dalle scelte effettuate ai box prima di scendere in pista, ma anche dinamico, cioè attivo nelle fasi di percorrenza del giro di qualifica. Il giro lanciato infatti inizia con una carica della batteria (SoC) superiore all’80%. In questa configurazione (per decisione della FIA allo scopo di salvaguardare la vita della batteria) la capacità di ReGen cresce linearmente allo scaricarsi della batteria, per poi assestarsi su un valore costante massimo di 150 kW (imposto anch’esso dalla Federazione) per valori di SoC inferiori all’80%, come si può vedere in figura.
Questa caratteristica comporta un surriscaldamento dei freni nella fase iniziale del giro, in quanto tutta la coppia frenante è fornita dai materiali d’attrito; nella parte centrale del circuito, con una maggiore capacità di ReGen, la vettura viene arrestata anche grazie ai due sistemi di recupero di energia precedentemente descritti, per cui è facile che i dischi e le pastiglie posteriori si raffreddino e lavorino nella zona di transizione di temperatura, perdendo quindi efficienza frenante. Questo squilibrio comporta un trasferimento della ripartizione sull’anteriore, alla quale può facilmente seguire il bloccaggio delle ruote in staccata. Questo insieme di parametri è ulteriormente influenzato da un altro fattore: la temperatura della batteria. Sia in qualifica che soprattutto in gara è facile surriscaldare questo elemento del veicolo; se ciò si verifica vengono modificati i parametri di ReGen (come si può vedere nella figura successiva) con la conseguenza di avere un’ulteriore causa di variazione della ripartizione di frenata.
Infine, è necessario considerare l’effetto del valore massimo di ReGen imposto dalla FIA (150 kW): la ripartizione di frenata viene impostata ai box sulla base di certi picchi di forza frenante, alla quale deve essere combinata la decelerazione imposta dai sistemi di rigenerazione dello SoC. Supponiamo di settare la ripartizione della frenata per avere ottimo bilanciamento in fase di trail braking (zona di ingresso curva, media pressione sul pedale del freno) in considerazione anche degli effetti dell’azione di ReGen; nella parte iniziale della frenata, quando cioè si ha il picco di potenza frenante richiesta, il limite massimo di 150 kW non riesce con tale ripartizione a generare una coppia tale da garantire un equilibrio fra l’azione sull’assale anteriore e quello posteriore. Anche in questo caso si ha il bloccaggio delle ruote sterzanti.
Tutti questi fenomeni si amplificano in gara, a causa delle diverse condizioni di guida e delle scelte estreme di setup, ma anche per le maggiori possibilità di avere variazioni di temperatura della batteria e dei freni in un run di circa 25 minuti rispetto alle condizioni di giro singolo in qualifica. Questo spiega i frequenti bloccaggi che si vedono in Formula E, anche da parte dei piloti più esperti.
In gara il consumo per giro si attesta fra il 60% ed il 65% di quello che si ha in un giro di qualifica, grazie alla tecnica del lift (rilascio del pedale dell’acceleratore prima della zona di frenata). Se il pilota non chiede potenza si ha automaticamente engine braking (come visto in precedenza); per risparmiare energia senza avere freno motore viene utilizzata un’ulteriore leva, detta lift paddle, che permette di far avanzare la vettura per inerzia senza ricaricare la batteria. A questo risparmio di energia viene associato un maggior recupero della stessa grazie all’aggiunta di una terza tecnica, il paddle ReGen. Questo sistema consiste nell’incremento del freno motore richiesto direttamente dal pilota tirando una leva dietro al volante. Normalmente è settato alla massima potenza di recupero, agisce come gli altri sull’assale posteriore e fornisce un effetto “freno a mano”, che rende la vettura difficile da governare, specialmente in ingresso curva dove una elevata coppia sul posteriore genera un sovrasterzo certamente indesiderato dai piloti.
L’introduzione di questo ulteriore elemento comporta una notevole modifica della tecnica di guida in gara rispetto alle categorie tradizionali del motorsport.
Particolarmente critica diventa infatti la fase di approccio alle curve, dall’inizio del lift fino al punto di corda. Nella figura successiva viene riportata la riproduzione della telemetria relativa ad una curva generica affrontata da un pilota di FE.
Come si può vedere, l’approccio alla curva in gara si può suddividere in quattro fasi fondamentali, che in qualifica si eliminano in quanto il recupero di energia avviene solo tramite il freno motore:
- Zona di lift
- Zona di paddle ReGen
- Zona di brake ReGen
- Zona di Engine Braking
Nella prima fase il pilota azione la lift paddle per far proseguire il veicolo verso la curva senza subire il freno motore di ricarica della batteria che si attiverebbe in automatico al rilascio dell’acceleratore. Questa operazione serve solo a ridurre il consumo di energia e non ne permette il recupero, come indicato nella parte bassa del grafico.
Nella seconda fase il pilota inizia a ricaricare la batteria tramite la paddle ReGen e inizia la frenata. Come si vede nella zona di grafico relativa all’energia, in questo tratto il recupero è massimo (-150 kW); la velocità diminuisce e si inizia ad approcciare l’ingresso curva. Questa fase è preferibile che si concluda prima di iniziare il trail-braking, infatti come anticipato l’effetto “freno a mano” potrebbe portare un forte sovrasterzo in grado di far andare in testacoda la vettura. In questa zona della frenata è fondamentale cercare di ottenere una velocità di inizio ingresso curva molto vicina a quella che si ha in qualifica, per non perdere troppa prestazione.
La terza fase si ha nella zona di ingresso curva, la ricarica avviene con il brake ReGen ed è ridotta rispetto a quella eseguita dal paddle. La transizione fra la seconda e la terza fase è molto critica anche perché è qui che il pilota aziona anche il pedale del freno, cercando di copiare con la curva di frenata l’andamento della pressione di fine frenata della modalità di qualifica, come si vede nel confronto fra la curva di brake blu e quella rossa. In questa fase è inoltre fondamentale cercare di copiare il più possibile il profilo di velocità di qualifica; la problematica maggiore è che l’andamento giusto deve essere ottenuto con la somma dei contributi frenanti del paddle della fase precedente e dell’impianto frenante nella fase di ingresso curva.
La zona di engine braking è comune ad entrambe le configurazioni e viene eseguita in automatico in base alla mappatura della centralina; c’è da considerare però che l’azione frenante imposta dal pilota deve terminare leggermente prima del raggiungimento del punto di corda, in quanto la velocità minima viene raggiunta grazie al contributo frenante del motore, per cui è necessario affidare ad esso l’ultima decelerazione nei metri immediatamente precedenti alla curva.
L’energia totale ricaricata è data dall’area sottesa alla curva di recupero ed è evidenziata con la campitura di colore azzurro per la modalità di gara e di colore rosso per la qualifica, sessione in cui viene persa tutta la zona di ripristino relativa alla fase di paddle ReGen.
Se a tutte queste tecniche di guida si aggiungono le difficoltà legate alla batteria ed all’impianto frenante che abbiamo già elencato, è chiaro che la guida di queste monoposto è tutt’altro che semplice, proprio al contrario di quanto la vulgata vuole ostinatamente continuare ad affermare.
Nel video seguente la tecnica del lift ‘n’ coast spiegata dal canale ufficiale della Formula E.
Buona stagione Ringers!
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