Come funziona la frenata rigenerativa

I carrelli sono stati tra i primi veicoli a utilizzare la tecnologia di frenata rigenerativa. Guarda le nostre foto dei freni. - © -iStockphoto / Lisa Anderson

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Ogni volta che premi i freni della tua auto, sprechi energia. La fisica ci dice che l'energia non può essere distrutta. Quindi, quando la tua auto rallenta, l'energia cinetica che la spingeva in avanti deve andare da qualche parte. La maggior parte si dissipa semplicemente come calore e diventa inutile. Quell'energia, che avrebbe potuto essere usata per fare il lavoro, è essenzialmente sprecata.

C'è qualcosa che tu, l'autista, puoi fare per smettere di sprecare questa energia? Non proprio. Nella maggior parte delle auto è l'inevitabile sottoprodotto della frenata e non c'è modo di guidare un'auto senza premere occasionalmente i freni. Ma gli ingegneri automobilistici hanno riflettuto molto su questo problema e hanno escogitato una sorta di sistema di frenata in grado di recuperare gran parte dell'energia cinetica dell'auto e convertirla in elettricità, in modo che possa essere utilizzata per ricaricare le batterie dell'auto. Questo sistema è chiamato frenata rigenerativa.

Al momento, questi tipi di freni si trovano principalmente nei veicoli ibridi come la Toyota Prius e nelle auto completamente elettriche, come la Tesla Roadster. In veicoli come questi, mantenere la batteria carica è di notevole importanza. Tuttavia, la tecnologia è stata utilizzata per la prima volta nei tram e successivamente ha trovato la sua strada in luoghi così improbabili come le biciclette elettriche e persino le auto da corsa di Formula Uno..

-In un sistema frenante tradizionale, le pastiglie dei freni producono attrito con i rotori dei freni per rallentare o arrestare il veicolo. Si produce ulteriore attrito tra le ruote rallentate e il fondo stradale. Questo attrito è ciò che trasforma l'energia cinetica dell'auto in calore. Con i freni rigenerativi, invece, il sistema che guida il veicolo fa la maggior parte delle frenate. Quando il guidatore preme il pedale del freno di un veicolo elettrico o ibrido, questi tipi di freni mettono il motore elettrico del veicolo in modalità di retromarcia, facendolo funzionare all'indietro, rallentando così le ruote dell'auto. Mentre funziona all'indietro, il motore funge anche da generatore elettrico, producendo elettricità che viene poi immessa nelle batterie del veicolo. Questi tipi di freni funzionano meglio a determinate velocità rispetto ad altre. In effetti, sono più efficaci nelle situazioni di guida stop-and-go. Tuttavia, le auto ibride e completamente elettriche hanno anche freni ad attrito, come una sorta di sistema di backup in situazioni in cui la frenata rigenerativa semplicemente non fornisce abbastanza potenza di arresto. In questi casi, è importante che i conducenti siano consapevoli del fatto che il pedale del freno potrebbe rispondere in modo diverso alla pressione. Il pedale a volte si preme più verso il pavimento di quanto non faccia normalmente e questa sensazione può causare panico momentaneo nei conducenti.

Nelle pagine seguenti, daremo uno sguardo più dettagliato a come funziona un sistema di frenata rigenerativa e discuteremo i motivi per cui la frenata rigenerativa è più efficiente di un tipico sistema di frenatura ad attrito.

Contenuti

1. Circuiti frenanti rigenerativi
2. Regenerative Braking Controller
3. Frenata rigenerativa ibrida
4. Frenata rigenerativa idraulica
5. Efficienza di frenata rigenerativa
6. Diagramma di frenata rigenerativa

Le auto ibride e completamente elettriche utilizzano sistemi di frenata rigenerativa per caricare le batterie. © -iStockphoto / -TIM MCCAIG

La frenata rigenerativa viene utilizzata nei veicoli che utilizzano motori elettrici, principalmente veicoli completamente elettrici e veicoli elettrici ibridi. Una delle proprietà più interessanti di un motore elettrico è che, quando funziona in una direzione, converte l'energia elettrica in energia meccanica che può essere utilizzata per eseguire lavori (come girare le ruote di un'auto), ma quando il motore è marcia nella direzione opposta, un motore adeguatamente progettato diventa un generatore elettrico, convertendo l'energia meccanica in energia elettrica. Questa energia elettrica può quindi essere immessa in un sistema di ricarica per le batterie dell'auto.

In un sistema di frenata rigenerativa, il trucco per far girare il motore all'indietro è usare la quantità di moto del veicolo come energia meccanica che mette il motore in retromarcia. Lo slancio è la proprietà che fa avanzare il veicolo una volta che è stato portato a velocità. Una volta che il motore è stato invertito, l'elettricità generata dal motore viene reimmessa nelle batterie, dove può essere utilizzata per accelerare nuovamente l'auto dopo che si è fermata. Un sofisticato circuito elettronico è necessario per decidere quando il motore deve invertire la marcia, mentre circuiti elettrici specializzati instradano l'elettricità generata dal motore nelle batterie del veicolo. In alcuni casi, l'energia prodotta da questi tipi di freni viene immagazzinata in una serie di condensatori per un uso successivo. Inoltre, poiché i veicoli che utilizzano questi tipi di freni hanno anche un sistema di frenatura ad attrito standard, l'elettronica del veicolo deve decidere quale sistema di frenatura è appropriato in quel momento. Poiché così tanto è controllato elettronicamente in un sistema di frenata rigenerativa, è persino possibile per il conducente selezionare determinate preimpostazioni che determinano il modo in cui il veicolo reagisce in diverse situazioni. Ad esempio, in alcuni veicoli un conducente può selezionare se la frenata rigenerativa deve iniziare immediatamente ogni volta che il piede del conducente si stacca dal pedale dell'acceleratore e se il sistema di frenatura porterà l'auto fino a 0 mph (0 chilometri all'ora) o lascerà che il l'auto sale leggermente.

C'è un movimento generale nell'industria automobilistica verso i cosiddetti sistemi brake-by-wire in cui molte delle funzioni dei freni che sono state tradizionalmente eseguite meccanicamente verranno eseguite elettronicamente. Gli ibridi e le auto elettriche saranno probabilmente i primi ad adottare questi tipi di freni. Al momento, diversi ingegneri automobilistici hanno escogitato diversi progetti di circuiti per gestire le complessità della frenata rigenerativa; tuttavia, in tutti i casi, la parte più importante del circuito di frenatura è il controller di frenatura, di cui parleremo nella prossima sezione.

I sistemi di frenata rigenerativa sono particolarmente efficaci in condizioni di guida stop-and-go. © -iStockphoto / -Dave Herriman

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I controller dei freni sono dispositivi elettronici che possono controllare i freni a distanza, decidendo quando la frenata inizia, finisce e quanto velocemente i freni devono essere applicati. In situazioni di traino, ad esempio, i controller dei freni possono fornire un mezzo per coordinare i freni di un rimorchio con i freni del veicolo che esegue il traino.

La frenata rigenerativa è implementata in combinazione con i sistemi di frenatura antibloccaggio (ABS), quindi il controller della frenata rigenerativa è simile a un controller ABS, che monitora la velocità di rotazione delle ruote e la differenza di quella velocità da

una ruota all'altra. Nei veicoli che utilizzano questo tipo di freni, il controller del freno non solo monitora la velocità delle ruote, ma può calcolare quanta coppia - forza rotazionale - è disponibile per generare elettricità da reimmettere nelle batterie. Durante l'operazione di frenatura, il controller del freno convoglia l'elettricità prodotta dal motore nelle batterie o nei condensatori. Assicura che una quantità ottimale di energia sia ricevuta dalle batterie, ma assicura anche che l'afflusso di elettricità non sia superiore a quello che le batterie possono gestire.

La funzione più importante del controller del freno, tuttavia, potrebbe essere quella di decidere se il motore è attualmente in grado di gestire la forza necessaria per arrestare l'auto. In caso contrario, il controller del freno passa il lavoro ai freni ad attrito, evitando possibili catastrofi. Nei veicoli che utilizzano questi tipi di freni, così come qualsiasi altro componente elettronico a bordo di un'auto ibrida o elettrica, il controller del freno rende possibile l'intero processo di frenata rigenerativa.

I veicoli ibridi utilizzano un motore a combustione interna e un motore elettrico. © -iStockphoto / -David H. Lewis

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In che modo un veicolo ibrido è diverso da un veicolo completamente elettrico? Ebbene, i veicoli elettrici ibridi utilizzano sia un motore elettrico che un motore a combustione interna per fornire la migliore esperienza di guida di entrambi i mondi. Combinano l'autonomia di un motore a combustione interna con l'efficienza del carburante e le caratteristiche di emissioni zero di un motore elettrico. Se un ibrido deve avere la massima efficienza nei consumi e produrre il minor numero di emissioni di carbonio possibile, è importante che la batteria rimanga carica il più a lungo possibile. Se la batteria di un veicolo ibrido dovesse perdere la sua carica, il motore a combustione interna sarebbe interamente responsabile dell'alimentazione del veicolo. A quel punto, il veicolo non agisce più come un ibrido, ma piuttosto come un'altra auto che brucia combustibili fossili.

Gli ingegneri automobilistici hanno escogitato una serie di trucchi per ottenere la massima efficienza dagli ibridi, come la razionalizzazione aerodinamica delle carrozzerie e l'uso di materiali leggeri, ma probabilmente uno dei più importanti è la frenata rigenerativa. In una configurazione ibrida, tuttavia, questi tipi di freni possono fornire energia solo alla parte del motore elettrico della trasmissione tramite la batteria del veicolo. La combustione interna

il motore non trae vantaggio da questi tipi di freni.

In parte, queste efficienze sono necessarie a causa dell'estrema difficoltà nel trovare un posto per ricaricare un ibrido. Ciò rende difficili i viaggi più lunghi senza fare affidamento sul motore a combustione interna dell'ibrido, che in realtà annulla alcuni dei vantaggi di possedere un ibrido.

Successivamente, impareremo una nuova interpretazione di questa idea di frenata rigenerativa.

I sistemi di frenatura Hydraulic Power Assist (HPA) possono rivelarsi più utili nei camion di grandi dimensioni. - © -iStockphoto / -Eric Bechtold

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Un sistema di frenata rigenerativa alternativo è in fase di sviluppo da parte di Ford Motor Company e Eaton Corporation. È chiamato Assistenza alla potenza idraulica o HPA. Con HPA, quando il guidatore preme il freno, l'energia cinetica del veicolo viene utilizzata per alimentare una pompa reversibile, che invia fluido idraulico da un accumulatore a bassa pressione (una sorta di serbatoio di stoccaggio) all'interno del veicolo in un accumulatore ad alta pressione. La pressione viene creata dall'azoto gassoso nell'accumulatore, che viene compresso mentre il fluido viene pompato nello spazio occupato in precedenza dal gas. Questo rallenta il veicolo e aiuta a fermarlo. Il fluido rimane in pressione nell'accumulatore fino a quando il guidatore non preme nuovamente l'acceleratore, a quel punto la pompa viene invertita e il fluido pressurizzato viene utilizzato per accelerare il veicolo, traducendo efficacemente l'energia cinetica che l'auto aveva prima della frenata in energia meccanica che aiuta a rimettere in moto il veicolo. Si prevede che un sistema come questo potrebbe immagazzinare l'80% dello slancio perso da un veicolo durante la decelerazione e utilizzarlo per rimettere in moto il veicolo [fonte: HybridCars.com]. Questa percentuale rappresenta un guadagno ancora più impressionante di quello prodotto dagli attuali sistemi di frenata rigenerativa. Come la frenata rigenerativa elettronica, questi tipi di freni - i sistemi HPA - sono utilizzati al meglio per la guida in città, dove il traffico stop-and-go è comune.

Finora, i sistemi HPA sono stati utilizzati principalmente come prove di concetto e solo in progetti dimostrativi. Non sono ancora pronti per i modelli di produzione. Al momento, questi freni idraulici sono rumorosi e soggetti a perdite; tuttavia, una volta risolti tutti i dettagli, tali sistemi saranno probabilmente più utili nei camion di grandi dimensioni che pesano 10.000 libbre (4.536 chilogrammi) o più, dove questi tipi di freni possono rivelarsi un sistema più ottimale del rigenerativo controllato elettronicamente Freni.

-Alla fine, questa tecnologia potrebbe estendersi ai veicoli più piccoli. Una società, Hybrid-Drive Systems, LLC, del Michigan, ha adattato una Volkswagen Beetle del 1968 con un sistema di frenatura rigenerativa idraulica. Tuttavia, gli accumulatori occupano una notevole quantità di spazio e i piani di produzione futuri si concentrano maggiormente sull'utilizzo della tecnologia in veicoli più grandi, come i furgoni. Nel frattempo, la US Environmental Protection Agency (EPA) ha collaborato con Eaton Corporation per installare sistemi di frenatura idraulica rigenerativa sui camion di consegna UPS.

La Tesla Roadster è un'auto completamente elettrica. Vince Bucci / -Getty Images

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L'efficienza energetica di un'auto convenzionale è solo del 20 percento circa, mentre il restante 80 percento della sua energia viene convertito in calore per attrito. La cosa miracolosa della frenata rigenerativa è che potrebbe essere in grado di catturare fino alla metà di quell'energia sprecata e rimetterla al lavoro. Ciò potrebbe ridurre il consumo di carburante dal 10 al 25 percento. I sistemi di frenatura idraulica rigenerativa potrebbero fornire guadagni ancora più impressionanti, riducendo potenzialmente il consumo di carburante dal 25 al 45 percento [fonte: HybridCars.com]. In un secolo che potrebbe vedere la fine

delle vaste riserve di combustibili fossili che ci hanno fornito energia per l'automotive e altre tecnologie per molti anni, e in cui i timori sulle emissioni di carbonio stanno arrivando al culmine, questa efficienza aggiuntiva sta diventando sempre più importante.

L'inizio del 21 ° secolo potrebbe benissimo segnare il periodo finale in cui i motori a combustione interna sono comunemente usati nelle automobili. Le case automobilistiche si stanno già muovendo verso vettori energetici alternativi,

come batterie elettriche, carburante a idrogeno e persino aria compressa. La frenata rigenerativa è un piccolo, ma molto importante, passo verso la nostra eventuale indipendenza dai combustibili fossili. Questi tipi di freni consentono di utilizzare le batterie per periodi di tempo più lunghi senza la necessità di collegarle a un caricatore esterno. Questi tipi di freni estendono anche l'autonomia di guida dei veicoli completamente elettrici. In effetti, questa tecnologia ha già contribuito a portarci auto come la Tesla Roadster, che funziona interamente a batteria. Certo, queste auto possono utilizzare combustibili fossili nella fase di ricarica, cioè se la fonte di elettricità proviene da un combustibile fossile come il carbone, ma quando sono là fuori sulla strada, possono funzionare senza alcun uso di combustibili fossili, e questo è un grande passo avanti.

L'efficienza aggiunta della frenata rigenerativa significa anche meno dolore alla pompa, poiché gli ibridi con motori elettrici e freni rigenerativi possono viaggiare notevolmente più lontano con un gallone di gas, alcuni raggiungendo più di 50 miglia per gallone a questo punto. E questo è qualcosa che la maggior parte dei conducenti può davvero apprezzare.

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-Questo semplice diagramma mostra come un sistema di frenata rigenerativa è in grado di recuperare parte dell'energia cinetica del veicolo e convertirla in elettricità. Questa elettricità viene quindi utilizzata per ricaricare le batterie del veicolo.

-Per saperne di più sui sistemi frenanti e sui relativi argomenti automobilistici, controlla i link nella pagina successiva.-

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fonti

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• Chen, Jason. "Panasonic produce bici elettriche con frenata rigenerativa". Gizmodo. 7 luglio 2008. (13 gennaio 2009) http://gizmodo.com/5022587/panasonic-makes-electric-bike-with-regenerative-braking
• Continental Corporation. "ISAD ed EHB rendono le auto più economiche e più rispettose dell'ambiente". 17 marzo 2002 (13 gennaio 2009) http://www.conti-online.com/generator/www/com/en/continental/portal/themes/press_services/press_releases/products/automotive_systems/brakesystems/pr_2002_03_17_7_en. html
• Gitlin, Jonathan M. "McLaren e Freescale collaborano per la frenata rigenerativa". Ars Technica. 5 novembre 2008. (13 gennaio 2009) http://arstechnica.com/news.ars/post/20081113-mclaren-and-freescale-partner-up-for-regenerative-braking.html
• HybridCars.com. "Ibridi idraulici". 3 aprile 2006 (13 gennaio 2009) http://www.hybridcars.com/related-technologies/hydraulic-hybrids.html
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