Formula 1 Yarışları; Ferrari’nin Düzlük Hızı

FLOOD: Ferrari’nin düzlük hızının nereden geldiğini inceliyorum.

  • Ferrari’nin bu sezon düzlüklerde kazandığı tur zamanı rakiplerinin kafasını karıştırıyor. 0.8 saniye gibi bir düzlük avantajı sadece aero verimlilik ile açıklanamaz. Bu zincirde bunu açıklayacağım. #F1 #JaponyaGP

  • Geçen yıl Charlie Whiting’in demeçleriyle Ferrari’nin ERS bataryasının farklı bir yapıya sahip olduğu ve iki sanal batarya gibi göründüğü ortaya çıkmıştı ve FIA bir kural ihlali yapılıp yapılmadığını kontrol etmek için batarya üzerine ek sensörler yerleştirmişti.
  • Ferrari’nin bunu yapma amaçlarından biri batarya paketinin içindeki pil hücrelerinin sıcaklıklarını kontrol altında tutmaya çalışması ve sonraki kullanım için sıcaklığı daha uygun seti seçebilecek bir yapı ortaya koymak istemesi olabilir.
  • Bataryayı oluşturan pillerin tasarım anma akımlarına yaklaştıkça verimleri düşer. Nikel Kadmiyum piller bu iş için daha uygun olsa da, kapasite ve dayanıklılık için F1’de Lityum İyon piller kullanılıyor ve C-Rate denilen anma akımı değerinden fazlasını kullanmak pil için zararlı.
  • Sıcaklık da C-Rate değerini yukarıya çektiği için pillerin anma akımlarını etkiler ve aynı zamanda ömürlerini de düşürür. Ferrari bunu önlemek için batarya paketinin içindeki pilleri farklı gruplara ayırmış olabilir. Ancak bu her şeyi açıklamıyor. Çünkü herkes bu soruna sahip.
  • Ferrari’nin düzlük hızının nereden kaynaklandığı konusunda bir patern yakalayabildiğimizi düşünüyorum. Ferrari’nin düzlüklerdeki azami hızlarına baktığınızda devasa bir fark olduğunu göremiyoruz. Mercedes ile olmasa da, diğer rakipleri ile benzer azami hızlara sahipler.
  • Peki Ferrari’nin bu düzlük hızı nereden kaynaklanıyor? Ben söyleyeyim, düzlük ortası hızlanmadan. Bunu geçen sene de küçük miktarlarda görmüştük. Bu sene ise daha da geliştirerek arşa çıkardılar.
  • Ferrari düzlüğe yeni çıkıldığında daha hızlı değil, düzlük sonunda da hızlı değil. Ferrari aracının hızı kabaca 250 km/saat hıza ulaşıldıktan sonra, 300’e yaklaşılırken ortaya çıkıyor ve bu kısa zamanda ciddi bir hızlanma elde edebiliyorlar.
  • Düzlük sonunda ise bu hızlanma birden yavaşlıyor ve frenleme öncesinde azami hızları rakipleri ile benzer kalıyor. Düzlüğün sonunda ortaya çıkan bu yavaşlama herkeste görülüyor, çünkü boşalan bataryaları bir sonraki düzlükte kullanmak için doldurmak zorundalar.
  • Araçların arkalarında yanıp sönen ışıklar olduğunu görürsünüz. Bu ışıklar araç enerji depolamaya başladığı zaman yanmaya başlıyor. Ferrari aracının düzlüklerin başlarında ek bir ERS enerjisi kullanmadıklarını anlıyoruz.
  • Düzlük sonu telemetrisine baktığımızda ciddi bir hız düşümü görüyoruz, yani içten yanmalı motor aracı itmeye devam ederken, MGU-K ve MGU-H ile birlikte bir enerji depolanması gerçekleşiyor.
  • Düzlük sonuna yaklaşılırken, hız 250’ye çıktığında ise tüm bu gücü kullanıyorlar ve bu bölgede rakiplerine göre ciddi bir avantaj elde ediyorlar. Rakipleri bu avantajı 50 beygir olarak tanımlıyor, Binotto ise 10-20 beygir civarı bir güce sahip olduklarını iddia ediyor.
  • Binotto yalan söylemiyor, eksik söylüyor. Düzlüklerde Mercedes gibi bir rakibe karşı 0.8 saniye bir avantaj kazanmak 10-20 beygir ile açıklanamaz. Aerodinamik verimlilik de bunu tek başına açıklayamıyor.
  • Paterni yukarıda anlattım, her şey 250 km/saat hızdan sonraki hızlanmada. Bunları söylerken diğerlerini yalanlamıyorum.
  • Ferrari’nin içten yanmalı motoru görünüşe göre sıralamalarda 20, yarışta 10 beygir daha güçlü. Aynı zamanda aracın aerodinamik felsefesi de verimlilik üzerine kurulu.
  • Soru işareti şu; bunları üst üste koyduğunuzda 0.8 sn etmiyor. Ferrari ve Mercedes güç ünitelerinin düzlüklerdeki güç kullanımları ve yönlendirmeleri arasında farklar olduğunu düşünüyorum.
  • İçten yanmalı motor, düzlüğe çıkarken patinaj sınırı bitene kadar tek başına yeterli. Ondan sonra ise ERS’nin akıllı programlanması devreye giriyor.
  • Öncelikle bu sürecin nasıl işlediğini basit şekilde anlatmam gerekiyor. Virajdan çıkılıp düzlük için gaza basıldığında;
  • 1. Önce içten yanmalı motorun gücü kullanılır. Bu süreçte MGU-H, bataryadan güç çekerek turboyu hızlıca devirlendirir ve motorun daha iyi çalışması sağlanır.
  • 1.(devam) Bu süreçte MGU-K denen ve krank miline bağlı olan 160 beygirlik motor herhangi bir işlem yapmaz. Onun zamanı daha sonra gelecek.
  • 2. İçten yanmalı motor belirli bir sınıra ulaştığında, yani turbo artık azami devirlenmesine geldiğinde ERS programlaması devreye girer.
  • 2.(devam) İçten yanmalı motor artık MGU-H’ye gerek duymaz, böylece MGU-H bataryadan güç çekmeyi bırakır, hatta MGU-K’ya doğrudan güç aktarabilmeye başlar. Kurallar gereği MGU-H’den MGU-K’ya güç akışında herhangi bir sınırlama bulunmuyor. Bu önemli bir nokta.
  • 2.(devam) MGU-K da bu anda ERS bataryasından güç çekerek motor krankına 160 beygirlik gücünü eklemeye başlar. Ferrari’nin hızlı olduğu yer tam da burası. Ama bunu herkes benzer şekilde yapıyor, Ferrari’nin neyi farklı yapıyor olabileceğini ileride anlatacağım.
  • 3. Belirli bir hıza ulaşıldığında, artık daha fazla ERS bataryası tüketmenin mantıklı olmaktan çıktığı an bataryadan ERS kullanımı durdurulur.
  • Bu durumda MGU-H’den MGU-K’ya doğrudan güç aktarımı devam eder, batarya ise soğumaya bırakılır, çünkü birazdan tekrar doldurulacak.
  • 4. Artık düzlük sonuna yaklaşılmıştır ve bataryanın sonraki kullanım için doldurulması gerekiyordur. Bu zamanda aracı içten yanmalı motor ilerletirken, MGU-K ve MGU-H birlikte bataryayı doldurmakla meşgul olur. Ancak burada bir sınır var, pillerin ısınmasını engellemeniz gerek.
  • 4.(devam) Bu bölümde yaptığınız enerji depolaması bataryanın ısınmasına neden olur ve bu yüzden belirli bir seviyede tutmak zorunda kalırsınız.
  • Ferrari’nin bu bölümde Mercedes’e nazaran bir avantaja daha sahip olduğunu düşünüyorum. Bu da bataryanın yapısından kaynaklanıyor.
  • 5. Frenleme zamanı gelmiştir ve pilot frenlere asılırken MGU-K bağlı olduğu krank vasıtasıyla arka tekerlerden enerji çekmeye başlar. Böylece arka tekerleklerde bir frenleme etkisi oluşur ve arka fren diskleri çok daha az çalışır. Bu bölüm her motor üreticisi için aynı işler.
  • Yukarıda bir V6 turbo hibrid F1 motorunun düzlükte nasıl enerji kullandığını açıkladım. Sonda yazacağımı başta yazayım, Ferrari’nin düzlük avantajı 2 ve 4 numaralı adımlarda bir şeyleri farklı yapmasından dolayı geliyor. Şimdi bunu inceleyelim. Bataryanın kapağını açıyoruz.
  • Bataryanın içinde Lityum İyon piller bulunduğunu söylemiştim. Kurallar ERS’de 1000 Volt’a kadar kullanıma izin veriyor.
  • Bu şekilde düşünecek olursak, biraz elektronik bilgisiyle bir F1 bataryasının iç yapısını anlamak çok kolay. Sihirli rakam: 18650.

Twitter şimdilik buraya kadar izin veriyor, bekleyin, altına gerisini ekleyeceğim. En eğlenceli yere daha gelmedik.

  • Google’da 18650 diye aratırsanız bahsettiğim pil standardını bulabilirsiniz. 18 mm çağında, 65 mm uzunluğunda olduğu için bu ismi alıyor.
  • Tesla Model S’te de, kullandığınız laptopta da bu piller kullanılıyor. Model 3’te 20700 var. F1 takımları da bu pilleri kullanıyor olmalı.

  • Farklı boyutta ürettirme olasılıkları her zaman var, ancak bu Tesla gibi çok fazla pile ihtiyaç duyan firmalar haricinde bunu yapabilecek olan yok. Yassı tip Polimer pilleri kullandıklarını düşünmüyorum, genel kullanım açısından silindirik piller çok daha mantıklı.
  • Küçük bir ekleme yapayım, Formula E yarış macerasına yassı tip Polimer piller kullanarak başlamıştı, 5. sezonda Sony üretimi 18650’lere geçtiler ve küçük bir ağırlık artırımı ile kapasiteyi iki katına çıkarabildiler. Artık yarışın ortasında araç değiştirmeleri gerekmiyor.
  • 18650 piller 4.2 Volt azami güce sahip, kuralların izin verdiği 1000 Volt düşünülecek olursa bir F1 bataryasında 240 tane pilin seri bağlanmasıyla bu güç elde edilebiliyor.
  • Takımların bataryayı tam doldurmadıklarını, bu sistemi 850 ile 900 Volt arasında kullandığını düşünüyorum.
  • Batarya paketinde 480 tane pil olduğunu düşünebiliriz. İki tane pilin paralel bağlı olduğunu, bu mini kitlerden de 240 tanesinin seri bağlanarak 1000 Volt’a ulaşıldığını tahmin ediyorum. Bu hesapla 20 kg’lık bir batarya paketine ulaşmak mümkün ve tam F1 paketini işaret ediyor.
  • Yine aynı hesapla ‘standart üst kalite bir 18650’ setiyle 15 megajoule enerji elde edilebiliyor. Yani takımların bataryadaki enerji konusunda bir güç sıkıntıları asla yok.
  • Zaten Lityum İyon bataryaları sonuna kadar bitirmek ve tamamen şarj etmek sağlıklı bir şey değil. Üstelik takımların bizim satın alabildiğimizden daha yüksek anma akımlı, daha kaliteli bataryalar edinebildiğini de düşünebiliriz.
  • Tam güçte bataryadan 200 kW çekilebildiğini düşünürsek batarya başına 100 Amper gibi bir değer ortaya çıkıyor, gerçekten inanılmaz.
  • Bunları nereden biliyorsun diye soracak olursanız, işim gereği mikro kontrolcülerden bataryalara, güç elektroniklerine kadar deneyimim var. Henüz bir projede kullanmasam da deneme amaçlı süperkapasitörler de kullandım.
  • Bu kadar teknik veri verdikten sonra asıl konumuza, en başa, Ferrari’nin iki yapılı bataryasına geri dönelim.
  • Ferrari’nin ERS bataryasının içinde iki farklı sanal batarya olduğu iddiası var ve son performanslar düşünüldüğünde bu bir temele de oturuyor. İlk seçeneği en başta anlatmıştım, Ferrari batarya içindeki pilleri iki gruba ayırmış ve istediğini kullanıyor olabilir.
  • Ancak bir ihtimal daha var ve bu sene gördüğümüz düzlüklerdeki aşırı hızlanmayı açıklayabilir. Çünkü elde edilen güçlerde bataryanın aşırı ısınması gerek. Ferrari bu durumda batarya içinde Lityum İyon pillerin yanında bir grup süperkapasitör de bulunduruyor olabilir.
  • Ve tüm işaretler süperkapasitör gibi çok hızlı ve sorunsuzca şarj olabilen ve hızlıca boşalabilen bir yapı kullanıldığını gösteriyor. Açıklayalım derken yeniden teknik bilgiye girmek zorundayım.
  • Süperkapasitörler bataryaya yakın denebilecek miktarlarda enerji depolayabilen özel yapılar. Elektronikten anlayanlarınız kondansatör adıyla bir parça duyar. Temelde aynı işlevdedir. Ama süperkapasitör çok daha güçlü.
  • Bildiğimiz kondansatörler mikrofarad, milifarad seviyesindeyken, süperkapasitörler doğrudan faradlarla ölçülebilir ve daha da önemlisi, bu yükleri çok kısa sürede doldurup boşaltabilirler. Isı yönetimleri de Lityum İyon pillerden daha iyidir.
  • Ancak toplam kapasiteleri ve hacimleri Lityum İyon pillerden çok daha büyük olduğu için F1 aracında kullanmak için uygun değiller. Bataryanın tamamını süperkapasitörden yapmak yerine, iç kısma küçük bir ara tampon olarak yerleştirmek daha akıllıca bir fikir.
  • ERS’nin ihtiyaç duyacağı tüm enerji süperkapasitörler üzerinden hızlıca ve verimli bir şekilde aktarılıyor olabilir, böylece Lityum İyon pillerin C-Rate sınırlaması ve aşırı ısınması gibi dertleriyle uğraşılmaz. Akıllıca bir fikir.
  • Aynı şekilde düzlük sonlarında, kısa sürede yüksek enerji depolanması gerektiren “harvest” durumlarında da bu enerji süperkapasitörlere depolanabilir, sonrasında yavaş yavaş Lityum İyon pillere aktarılarak hem pillerin aşırı ısınmaması, hem de güç kaybının azaltılması sağlanır.
  • Yukarıda Ferrari’nin düzlük avantajının 2 ve 4 numaralı adımlardan geldiğini gördüğümüzü yazmıştım. Bu tam güç enerji tüketimi ve tam güç enerji depolaması gerektiren durumlarda Ferrari bataryasını çok daha hızlı boşaltıp daha hızlı doldurabiliyor olmalı.
  • Böylece bu ERS modu bölümlerini rakiplerinden daha iyi kullanabiliyorlar. Yani yukarıda 2 numara olarak bahsettiğim tam güç enerji tüketimini daha uzun süre kullanarak 250 km/saat üstü hızlarda daha fazla MGU-K kullanabiliyorlar.
  • Yine aynı şekilde, yukarıda 4 numarada bahsettiğim tam güç batarya doldurma sürecini süperkapasitörlerin yardımı ile daha kısa tutarak, daha fazla enerji depolayabilmeleri mümkün görünüyor. Yani düzlükte daha fazla hızlanıp, daha az yavaş kalıyorlar.
  • Bu da Ferrari’nin düzlüklerde kazandığı 0.8 saniye civarında olan farkın önemli kısmını açıklıyor. Ferrari’nin bataryasının içinde ne olduğunu asla bilemeyeceğiz, ancak bu tip telemetri ve benzeri analizlerle ne yaptıklarını anlamamız mümkün oluyor.
  • Lityum İyon + Süperkapasitör şeklinde bir batarya da kullanıyor olabilirler, mevcut Lityum İyon bataryalarını ikiye bölüp farklı yönlendirerek kullanıyor da olabilirler. Hangisini yapıyor olurlarsa olsunlar, yukarıda bahsettiğim ve detaylıca açıkladığım avantajı kazanıyorlar.
  • Mercedes’in (ve Honda’nın, ve Renault’nun) bunun farkında olmadığını düşünmek aptallık olur. Ancak sezon ortasında batarya tasarımlarını FIA’ya mühürlettikleri için ellerinden bir şey gelmiyor. Önümüzdeki sezon için benzer bir yapı kurmak adına çalıştıklarından şüphe yok. BİTTE!

Yazar; Mete K. Atay

Sen, Bu konuda ne düşünüyorsun?

avatar