Dossier Spécial F1Central : KERS - mode d'emploi

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Dossier Spécial F1Central : KERS - mode d'emploi



Le KERS, tout le monde en parle, mais savez-vous vraiment comment cela fonctionne ? Modestement, simplement mais de façon assez détaillée, F1Central va vous présenter le fonctionnement du KERS.

Alors commençons par les présentations, KERS signifie Kinetic Energy Recovery System ou encore en français Système de Récupération d'Energie Cinétique. Son but est de récupérer l'énergie produite par une Formule 1 lors du freinage qui est sinon dissipée sous forme de chaleur. Cette énergie est collectée, stockée puis réutilisée. La réglementation technique imposée par la FIA pour le KERS est qu'il ne doit pas délivrer cette énergie avec une puissance supérieure à 60kW, ce qui équivaut à environ 80 chevaux. Autre restriction, l'énergie délivrée par le système sur un tour ne doit pas excéder 400kJ.Seulement attention, même si le KERS a un but bien précis, il n'existe pas qu'une seule manière d'y arriver. En effet, deux grandes idées s'affrontent concernant la manière de stocker l'énergie récupérée lors du freinage. Tout d'abord, la première façon de le faire, majoritairement plébiscitée par les équipes, est de stocker cette énergie cinétique sous forme d'énergie chimique dans des batteries. Seule une équipe a choisi une autre alternative, c'est Williams, qui a opté pour un stockage de l'énergie cinétique sous forme d'énergie mécanique grâce à un volant d'inertie (flywheel pour les anglophones). F1Central va maintenant vous expliquer comment fonctionne ces deux systèmes.

Stockage par Batteries:
Pour comprendre ce système, nous allons vous parler de celui mis en place par Renault dans sa R29. En effet, toutes les équipes qui ont opté pour ce type de stockage ont un principe de fonctionnement très similaire; seul l'emplacement des différents composants diffère.

Le KERS avec batteries est composé de trois éléments principaux :
un moteur électrique situé entre le réservoir et le moteur et directement relié à l'arbre moteur
des batteries ion-lithium de dernière génération situées sous le réservoir
une boite de contrôle (le KCU pour KERS Control Unit)

A gauche, la phase de charge. A droite la phase de restitution d'énergie.

Un moteur électrique [2] est directement relié à l'arbre moteur. Lorsque le pilote freine, l'énergie cinétique due au freinage est captée par le moteur qui la transforme en énergie électrique qui est ensuite stockée dans les batteries ion-lithium [4]. C'est la phase dite de charge.Dès lors, le pilote possède une énergie disponible à tout moment. Quand il décide de l'utiliser, il appuie sur le bouton prévu à cet effet sur son volant [5]. Ceci entraîne la décharge des batteries qui alimentent le moteur, qui lui même, étant relié à l'arbre moteur, apporte à ce dernier sa puissance, d'au maximum 60kW. C'est la phase de restitution de l'énergie.Bien sûr, toutes les informations transitent par la boîte de contrôle [3]. C'est elle qui contrôle la charge et la libération de l'énergie accumulée. Elle est reliée au cerveau électronique de la Formule 1 (l'ECU pour Electronic Control Unit).

Stockage par volant d'inertie:

Cette fois-ci, pour présenter ce principe de stockage, un seul exemple pourra être pris, c'est celui de Williams, étant la seule équipe à l'avoir développé. Il est à noter qu'elle n'utilise pas encore son KERS en course.
Le système développé par l'équipe anglaise est composé des éléments suivants :
un alternateur au niveau de la boite de vitesses
un volant d'inertie en fibre de carbone
un alternateur intégré au volant d'inertie
une boite de contrôle
Les alternateurs sont successivement en fonctionnement moteur ou générateur.

Schéma d'un volant d'inertie.

Lors de la phase de charge, le premier alternateur (en fonctionnement générateur) récupère l'énergie cinétique générée lors du freinage. Il transforme cette énergie cinétique en énergie électrique qui est transférée vers le second alternateur. Celui-ci (en fonctionnement moteur) est intégré au volant d'inertie. L'énergie électrique reçue par cet alternateur entraîne sa rotation qui entraîne elle-même le volant d'inertie dans sa course. Le volant d'inertie est dès lors en rotation. Quand l'alternateur s'arrête, le volant d'inertie lui continue à tourner avec très peu de perte de vitesse par frottements. Ce volant d'inertie comprend deux parties circulaires et concentriques, une partie magnétique et une partie en fibre de carbone, lourde, qui sert de corps au volant d'inertie. L'énergie récupérée est alors stockée de façon mécanique. Quand le pilote appuie sur le bouton du KERS sur son volant, le second alternateur est libéré, il peut tourner librement. Et comme cet alternateur est environné par un disque magnétique, le champ magnétique qu'il génère entraîne la rotation de l'alternateur (fonctionnement générateur). Dès lors, c'est la même histoire que lors de la charge entre les deux alternateurs, le second transmet l'énergie électrique qu'il crée au premier (fonctionnement moteur) qui va la restituer au moteur de la voiture au niveau de la boîte de vitesses. La phase de restitution de l'énergie est ainsi terminée.

Comparaison entre les deux méthodes:
Il est évident que si ces deux méthodes ont été employées par les équipes de Formule 1, c'est que chacune d'elles possède des avantages mais aussi des inconvénients.Tout d'abord, commençons par la méthode de stockage par volant d'inertie. Elle est sans doute la méthode la plus fiable car le volant d'inertie est très résistant et reste pleinement rentable durant toute une saison de Formule 1. C'est donc un avantage certain pour la préparation des voitures, un gain de temps certain pour les mécaniciens. Un autre atout pour ce système est qu'il peut stocker plus d'énergie qu'une batterie standard pour la même masse. En effet, on peut stocker jusqu'à 1 million de MJ par kg. Il est cependant plus volumineux et requiert plus d'espace pour être installé.Des recherches sans limite dans la miniaturisation des batteries ont permis à ce type de stockage de prendre l'avantage sur le volant d'inertie par leur faible encombrement. Mais elles ont un stockage d'énergie pour une masse donnée plus faible (de l'ordre de 1000 MJ/kg). Un autre désavantage demeure toutefois puisque les batteries ne tiennent que la durée d'un seul Grand Prix. Et on sait qu'installer ce type de KERS sur une Formule 1 demande beaucoup de temps aux mécaniciens. Autre différence avec le volant d'inertie, la vitesse d'échange de l'énergie entre les batteries et l'alternateur est plus lente qu'entre le volant d'inertie et l'alternateur qui lui est intégré.
Donc sur le papier, les avantages du volant d'inertie semblent plus attractifs que ceux des batteries mais les équipes ont tout de même opté massivement pour cette deuxième solution.

Application aux transports:
La Formule 1 avec ce KERS pourrait bien une nouvelle fois inspirer l'univers de l'industrie automobile puisque ce système se situe dans la famille des système pour véhicules hybrides.
Comme il vient d'être indiqué, le KERS fonctionne dès que la Formule 1 à des périodes de freinage, donc tout véhicule qui a des périodes de freinage peut utiliser ce système. Et c'est là l'atout du KERS, les bus, les trains, les voitures, tous pourront utiliser demain cette technologie qui permettra des économies d'énergie.
Et dans le domaine des transports, c'est le volant d'inertie qui sera le plus utile et approprié. En effet, sa très longue durée de vie et sa capacité de stockage sont autant d'avantages qui intéressent les industriels. Il faut toutefois savoir qu'avant que Williams s'y intéresse et dépose un brevet avec sa société Williams Hybrid Power, l'industrie nucléaire avait déjà travaillé sur ce volant d'inertie dès les années 70. C'est donc certainement dans peu d'années que nous verrons un bus londonien équipé d'un système similaire au KERS.

Source: www.f1central.fr