Frenata rigenerativa: cos’è, come funziona e quali sono le complessità del suo sviluppo

Quando parliamo di vetture elettriche, ormai non si può non tenere in considerazione la frenata rigenerativa. Le esigenze delle moderne auto elettriche, per tentare di tenere il passo con la controparte dotata di motori a combustione interna, hanno portato i progettisti a trovare soluzioni alternative per recuperare quanta più energia elettrica possibile durante la marcia per aumentare l’autonomia delle batterie. Porsche ha svelato alcuni dettagli che spiegano un po’ le criticità e le difficoltà nello sviluppare il sistema di frenata rigenerativa: si tratta di un sistema che consente di recuperare l’energia altrimenti dispersa durante la fase di decelerazione, sfruttandola per ricaricare la batteria agli ioni di litio. L’energia cinetica, che altrimenti andrebbe persa durante la frenata, viene convertita in energia elettrica per ricaricare la batteria. Quindi che si stia frenando, o semplicemente alzando il pedale dall’acceleratore, la batteria può essere parzialmente ricaricata con questa energia che altrimenti andrebbe persa. I moderni sviluppi puntano ad avere questo sistema sempre più efficiente per tentare di recuperare quanta più energia possibile.

La frenata rigenerativa di Porsche

Gli sviluppatori di Porsche stanno lavorando a nuovi concetti per la distribuzione della forza frenante che consentiranno un migliore recupero senza compromettere il comfort. Gli sviluppatori del telaio affrontano una nuova sfida con l’elettrificazione su due fronti: le batterie rendono i veicoli più pesanti ma, d’altra parte, i veicoli spesso mostrano una buona dinamica di guida. Entrambi questi fattori di solito richiedono un freno idraulico più potente. Questo però riduce l’efficienza e sacrifica l’autonomia perché il peso aumenta e i consumi aumentano di conseguenza. La Porsche Taycan se la cava senza un sistema frenante più grande, grazie proprio alla frenata rigenerativa: non appena il guidatore preme il pedale del freno, i motori elettrici passano alla modalità di generazione. Una volta che lo fanno, non sono più i motori a guidare le ruote, ma il contrario. I generatori frenano il veicolo e, allo stesso tempo, generano elettricità che può essere utilizzata per caricare la batteria. Ciò che è fondamentale per gli sviluppatori di telai è che il recupero non richiede di allargare l’impianto frenante. Il freno non ha quindi alcun impatto negativo sull’autonomia.

Nella Taycan, il 90% di tutte le volte che il guidatore frena nelle situazioni quotidiane può essere coperto con l’ausilio del freno motore, quindi senza il coinvolgimento del sistema idraulico. Quest’ultimo viene utilizzato solo a velocità inferiori a 5 km/h, quando i motori elettrici sviluppano una potenza frenante minima. Inoltre, il freno tradizionale interviene quando i motori elettrici non dispongono di una potenza di decelerazione sufficiente, ad esempio durante la frenata completa da velocità elevate. La Taycan Turbo S, ad esempio, può generare fino a 290 kW di energia elettrica durante la frenata. A questo livello di potenza bastano due secondi di decelerazione per generare elettricità per percorrere circa 700 metri. Complessivamente con il sistema di recupero dell’energia, l’autonomia può aumentare fino al 30%.

Le difficoltà dello sviluppo

Una delle principali sfide tecniche nello sviluppo del telaio per veicoli elettrici a batteria (BEV) è la fusione, ovvero quando si combinano la frenata rigenerativa e quella idraulica. “Il guidatore non deve sentire la transizione tra i sistemi”, sottolinea Martin Reichenecker, Senior Manager Chassis Testing presso Porsche Engineering. Garantire una transizione graduale pone grandi requisiti alla tecnologia, perché i sistemi frenanti funzionano in modo diverso: mentre un motore elettrico fornisce sempre la stessa coppia frenante, la coppia della sua controparte idraulica può variare ogni volta a causa di influenze ambientali come temperatura e umidità. Può quindi accadere che la potenza di frenatura idraulica differisca dalla potenza di frenatura elettrica nel punto di transizione. L’automobilista può risentire di questa differenza al punto da risultare poco confortevole.

Per evitare questo fenomeno esistono degli algoritmi complessi sviluppati da Porsche. Essi monitorano continuamente il sistema idraulico: durante ogni processo di ricarica, il freno viene calibrato per determinare il rapporto attuale tra la corsa del pedale del freno e la forza dello stesso. Ciò consente all’algoritmo di stimare la potenza erogata dal sistema idraulico alla successiva frenata del veicolo e di distribuirla con precisione in modo che il passaggio alla modalità di recupero rimanga fluido.
Nei veicoli, la potenza frenante è solitamente distribuita in modo disuguale: due terzi di essa sono forniti dall’asse anteriore, un terzo dall’asse posteriore. Lo stesso rapporto vale per il sistema elettrico della Taycan: il motore elettrico anteriore fornisce due terzi della potenza frenante, quello posteriore fornisce un terzo, anche se il motore posteriore è più grande e potrebbe teoricamente contribuire (e recuperare) più energia.

Questo potenziale potrebbe essere sfruttato variando la distribuzione della forza frenante tra gli assi. In questo contesto, è importante notare che, per ragioni di stabilità di guida, il contributo massimo dell’asse posteriore deve essere limitato a seconda della situazione per garantire una sufficiente stabilità.

Sistema di frenata rigenerativa: cosa cambia rispetto alla guida con un pedale

Come per l’interazione tra i freni idraulici e generativi, le variazioni di forza non devono compromettere il comfort del conducente o del passeggero. Una soluzione sarebbe avere due algoritmi operativi contemporaneamente: il primo analizza la situazione di guida e suggerisce un “corridoio” in cui la forza frenante è distribuita in modo ottimale tra l’asse anteriore e quello posteriore, sulla base dei dati del banco di prova. Un secondo algoritmo seleziona una distribuzione che si adatta alla situazione di guida attuale dal “corridoio” più efficiente.

Questa soluzione garantirebbe una decelerazione ideale e porterebbe un significativo guadagno di autonomia. Fino ad ora, il freno nell’ingegneria automobilistica è stato un sistema relativamente isolato. Ora questo è cambiato nei veicoli elettrici, perché molte più parti del veicolo sono coinvolte nella decelerazione: gruppo propulsore, elettronica di potenza e batteria. Inoltre, il freno ha il proprio display nel quadro strumenti.

Tutto ciò richiede un lavoro più interdisciplinare da parte degli sviluppatori di telai. Gli ingegneri che lavorano al freno, ad esempio, in futuro dovranno confrontarsi più da vicino con i colleghi che lavorano alla trasmissione, ad esempio, perché il recupero coinvolge anche il motore elettrico e quindi la trasmissione (la Taycan ha un cambio a due velocità posizionato sull’asse posteriore). Ciò crea nuove esigenze sulla sua capacità portante, ma offre anche nuove opportunità. L’interconnessione tra telaio e trasmissione sarà sempre più importante: addirittura si prevede che nelle architetture future, la maggior parte delle funzioni software saranno presumibilmente riunite in un’unica centralina elettronica.

Quando si tratta di guidare, alcuni produttori di veicoli elettrici si stanno concentrando sulla cosiddetta guida con un solo pedale. Il principio è che quando il guidatore toglie il piede dal pedale, il veicolo inizia subito a recuperare energia e, in casi estremi, frena così forte che si accendono le luci posteriori dei freni. Ciò significa che nella maggior parte delle situazioni l’auto può effettivamente essere guidata con un solo pedale. Porsche, d’altra parte, utilizza il coasting, che è il processo più naturale per consentire al veicolo di continuare il movimento per inerzia senza dare potenza. Il recupero inizia solo quando si preme il pedale del freno. Questo è un modo più efficiente di guidare, perché mantiene l’energia cinetica nel veicolo e viene usata quella per il movimento. La guida a un pedale, invece, recupera prima e solo successivamente riconverte l’energia recuperata in propulsione. Questo comporta quasi un raddoppio delle perdite.

Usura dei freni ridotta

Un altro dei vantaggi dell’utilizzo della frenata rigenerativa è la minore usura dei freni idraulici. In Porsche è addirittura previsto che in un futuro non troppo lontano le pastiglie dei freni dovranno essere sostituite a causa dell’invecchiamento piuttosto che dell’usura. Per la Taycan è stata sviluppata una funzione per mantenere puliti i dischi dei freni, ora che vengono utilizzati meno spesso: il veicolo frena a intervalli regolari utilizzando solo l’impianto idraulico e senza i motori elettrici, per rimuovere lo sporco dai dischi.

Questo potrebbe essere un notevole vantaggio in futuro, perché l’Unione Europea prevede che i freni emettano meno particolato in futuro. Il nuovo standard sulle emissioni Euro 7, che dovrebbe entrare in vigore nel 2025, sarà la prima volta che verranno fissati limiti per l’abrasione dei freni. Ciò metterà quindi i veicoli elettrici come la Taycan, che utilizza la rigenerazione della frenata nove volte su dieci, in una buona posizione di partenza.