Ogni volta che premi i freni della tua auto, stai sprecando 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 di esso si dissipa semplicemente sotto forma di calore e diventa inutile. Quell'energia, che avrebbe potuto essere utilizzata per fare il lavoro, è sostanzialmente 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 colpire occasionalmente i freni. Ma gli ingegneri automobilistici hanno riflettuto molto su questo problema e hanno escogitato un tipo di sistema frenante 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 improbabili come le biciclette elettriche e persino le auto da corsa di Formula 1.
In un sistema frenante tradizionale, le pastiglie dei freni producono attrito con i rotori dei freni per rallentare o fermare il veicolo. Ulteriore attrito è prodotto tra le ruote rallentate e la superficie della strada. 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 della frenata. Quando il conducente 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 girare all'indietro, rallentando così le ruote dell'auto. Durante la marcia 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 riserva 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 premerà più verso il pavimento rispetto al normale e questa sensazione può causare panico momentaneo nei conducenti.
Nelle pagine seguenti daremo uno sguardo più dettagliato al funzionamento di 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.
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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 eseguito nella direzione opposta, un motore opportunamente 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 funzionare il motore all'indietro consiste nell'utilizzare la quantità di moto del veicolo come energia meccanica che mette il motore in retromarcia. Momentum è la proprietà che fa avanzare il veicolo una volta che è stato portato alla 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. Sono necessari circuiti elettronici sofisticati per decidere quando il motore deve invertire, 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 e in quale momento. Poiché così tanto è controllato elettronicamente in un sistema di frenata rigenerativa, è persino possibile per il guidatore selezionare determinate preimpostazioni che determinano come reagisce il veicolo in diverse situazioni. Ad esempio, in alcuni veicoli il 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 frenante porterà l'auto fino a 0 mph (0 chilometri orari) o lascerà il l'auto rallenta 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 stati tradizionalmente eseguiti meccanicamente saranno 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 progetti di circuiti diversi per gestire le complessità della frenata rigenerativa; tuttavia, in tutti i casi, la parte più importante del circuito frenante è il controller del freno, di cui parleremo nella prossima sezione.
I controller dei freni sono dispositivi elettronici in grado di controllare i freni a distanza, decidendo quando inizia, finisce e quanto velocemente devono essere applicati i freni. 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 frenata 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 di rotazione - è disponibile per generare elettricità da reimmettere nelle batterie. Durante l'operazione di frenatura, il controller del freno dirige l'elettricità prodotta dal motore nelle batterie o nei condensatori. Assicura che le batterie ricevano una quantità ottimale di energia, 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 trasferisce il lavoro ai freni ad attrito, scongiurando 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.
In cosa si differenzia un veicolo ibrido da un veicolo completamente elettrico? Bene, i veicoli elettrici ibridi utilizzano sia un motore elettrico che un motore a combustione interna per offrire un'esperienza di guida migliore di entrambi i mondi. Combinano l'autonomia di un motore a combustione interna con l'efficienza del carburante e le caratteristiche di assenza di emissioni di un motore elettrico. Se un ibrido vuole avere la massima efficienza del carburante e produrre il minor numero possibile di emissioni di carbonio, 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 si comporta 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
motore non trae vantaggio da questo tipo di freni.
In parte, queste efficienze sono necessarie a causa dell'estrema difficoltà nel trovare un posto dove 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.
Un sistema di frenata rigenerativa alternativo è stato sviluppato dalla Ford Motor Company e dalla Eaton Corporation. Si chiama Hydraulic Power Assist o HPA . Con HPA, quando il conducente preme il freno, l'energia cinetica del veicolo viene utilizzata per alimentare una pompa reversibile, che invia il fluido idraulico da un accumulatore a bassa pressione (una specie di serbatoio di accumulo) all'interno del veicolo in un accumulatore ad alta pressione. La pressione viene creata dall'azoto nell'accumulatore, che viene compresso quando il fluido viene pompato nello spazio precedentemente occupato 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 in pressione viene utilizzato per accelerare il veicolo, traducendo efficacemente l'energia cinetica che l'auto aveva prima della frenata nell'energia meccanica che aiuta a riportare il veicolo alla velocità. Si prevede che un sistema come questo potrebbe memorizzare l'80 percento dello slancio perso da un veicolo durante la decelerazione e utilizzarlo per far ripartire il veicolo [fonte:HybridCars.com]. Questa percentuale rappresenta un guadagno ancora più impressionante di quanto 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. Attualmente, questi freni idraulici sono rumorosi e soggetti a perdite; tuttavia, una volta risolti tutti i dettagli, tali sistemi saranno probabilmente più utili in camion di grandi dimensioni che pesano 10.000 libbre (4.536 chilogrammi) o più, dove questi tipi di freni potrebbero rivelarsi un sistema più ottimale rispetto ai freni rigenerativi controllati elettronicamente.
Alla fine, questa tecnologia potrebbe arrivare a veicoli più piccoli. Una società, Hybrid-Drive Systems, LLC, del Michigan, ha adattato un Maggiolino Volkswagen del 1968 con un sistema di frenata 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, l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti (EPA) ha collaborato con Eaton Corporation per installare sistemi di frenata rigenerativa idraulica sui camion per consegne UPS.
L'efficienza energetica di un'auto convenzionale è solo del 20% circa, mentre il restante 80% della sua energia viene convertito in calore attraverso l'attrito. La cosa miracolosa della frenata rigenerativa è che potrebbe essere in grado di catturare fino alla metà dell'energia sprecata e rimetterla in funzione. Ciò potrebbe ridurre il consumo di carburante dal 10 al 25 percento. I sistemi di frenata rigenerativa idraulica 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 per molti anni ci hanno fornito energia per le tecnologie automobilistiche e di altro tipo e in cui i timori per le emissioni di carbonio stanno raggiungendo il culmine, questa maggiore efficienza 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 orientando 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 essere collegate a un caricabatterie 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, ovvero se la fonte dell'elettricità proviene da un combustibile fossile come il carbone, ma quando sono in viaggio, possono funzionare senza alcun utilizzo di combustibili fossili, e questo è un grande passo avanti.
La maggiore efficienza della frenata rigenerativa significa anche meno dolore alla pompa, poiché gli ibridi con motori elettrici e freni rigenerativi possono viaggiare molto più lontano con un gallone di gas, alcuni raggiungendo a questo punto più di 50 miglia per gallone. Ed è qualcosa che la maggior parte dei conducenti può davvero apprezzare.
Questo semplice diagramma mostra come un sistema di frenata rigenerativa sia in grado di recuperare parte dell'energia cinetica del veicolo e convertirla in energia elettrica. 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.
Pubblicato originariamente:23 gennaio 2009
