Frenata rigenerativa: come funziona, quali vantaggi per auto elettriche, ibride e start-stop, cosa deve sapere il meccanico

Con la diffusione di veicoli start-stop, ibridi ed auto elettriche, la frenata rigenerativa ha assunto un ruolo decisivo nella ricarica delle batterie, sia di quelle AGM ed EFB dei veicoli start-stop che delle batterie ali litio ad alta tensione dei veicoli full-hybrid ed elettrici. La frenata rigenerativa, in inglese regenerative braking,  consente di recuperare l’energia cinetica del veicolo nella fase di rallentamento e arresto: tale energia, che andrebbe persa sotto forma di calore generato dall’attrito dei freni, viene invece recuperata attraverso l’inversione della rotazione del motore elettrico, che quando l’auto frena e rallenta si trasforma in un generatore che ricarica le batterie o viene immagazzinata in un condensatore.

Nelle fasi di decelerazione, il motore elettrico non va più ad assorbire energia per far muovere le ruote e spingere il veicolo ma funziona in modalità “inversa” (cioè gira all’indietro) per generare esso stesso l’energia elettrica che andrà a ricaricare la batteria.

Vediamo più approfonditamente come funziona la frenata rigenerativa e cosa deve sapere il meccanico per intervenire correttamente in officina

Frenata rigenerativa auto elettriche e ibride

Quando si stacca l’acceleratore o si preme il pedale del freno, il motore elettrico – invece di consumare elettricità – inizia a produrla diventando di fatto un generatore che alimenta una batteria ad alta tensione, la quale la immagazzina per poi restituirla al motore elettrico per spingere il veicolo. Questo processo di conversione dell’energia cinetica del veicolo in elettricità fa anche rallentare il veicolo, sostituendosi in parte ai freni. Ciò spiega infatti il minor consumo di pastiglie freno e dischi freno nei veicoli elettrici e ibridi.

Va tuttavia precisato che la frenata rigenerativa non è in grado di fornire in tutte le situazioni la coppia di frenata necessaria ad arrestare l’auto, rendendo imprescindibile un impianto frenante che lavora nelle condizioni ottimali. Quando la batteria è completamente carica (disinnestando il recupero di energia tramite frenata rigenerativa) o anche a velocità elevate o molto basse è assolutamente necessario l’apporto della frenata idraulica.

L ‘ ECU gestisce il freno rigenerativo

A gestire la frenata rigenerativa e il relativo recupero di energia è il sistema di controllo elettronico del veicolo (ECU), che in base ad una serie di parametri (velocità veicolo, input di frenata, stato di carica della batteria) e ai dati forniti dai sensori stabilisce quando attivare la frenata rigenerativa o quando servirsi dei freni, combinando anche le due modalità per assicurare una frenata prima di tutto sicura ma anche un adeguato comfort. In molti modelli di auto è possibile selezionare diverse modalità di guida in base ai vari livelli di recupero di energia.

Oggi le centraline elettroniche di controllo veicolo sono progettate per controllare con la massima reattività inverter e motori elettrici, garantendo la quasi immediatezza dei tempi di reazione e la massima efficienza, oltre ad un’ottimale dinamica di guida

Come avviene la conversione di energia nella frenata rigenerativa

Quando il motore elettrico è in modalità generatore, il movimento inerziale delle ruote del veicolo fa girare il rotore. Come spiega la legge di Faraday sull’induzione elettromagnetica, questo movimento relativo tra il rotore e lo statore induce una corrente elettrica nei conduttori del motore. L’energia cinetica del veicolo viene così convertita in energia elettrica: il motore genera una corrente continua (DC) che viene inviata all’inverter del veicolo.

L’inverter ha un ruolo fondamentale nella frenata rigenerativa: esso trasforma infatti la corrente alternata (AC) generata dal motore (in modalità generatore) in corrente continua (DC) utilizzabile per la ricarica della batteria. L’inverter controlla anche il flusso di energia e assicura che la tensione e la corrente siano appropriate per la batteria.

Inverter: a cosa serve e perché è fondamentale nelle auto ibride ed elettriche

L’ inverter è un componente fondamentale perchè consente di trasformare con flessibilità ed efficienza tutti i parametri fondamentali della corrente (frequenza, forma dell’onda e tensione). In base all’input che proviene dal pedale dell’acceleratore, l’inverter comunica al motore elettrico a quanto girare, quanto potenza erogare e quando erogarla. Se la centralina è il “cervello” del veicolo, l’inverter è dunque il “cuore” che fa circolare l’energia necessaria al motore elettrico.

La frenata rigenerativa nei veicoli start-stop

Nei veicoli start-stop, l’introduzione nelle configurazioni di nuovi modelli di “alternatori intelligenti” – che vengono disingaggiati dal motore per togliere la potenza assorbita – ha reso necessarie batterie che vengono solo in parte caricate durante il moto del veicolo e che ricevono la maggior parte della carica dai sistemi di frenata rigenerativa, richiedendo pertanto una grandissima accettazione di carica.

La batterie AGM hanno dato una risposta adeguata a questa specifica esigenza dei veicoli start-stop. Le AGM hanno infatti una ridottissima auto-scarica e sono in grado di mantenere un accettabile stato di carica anche dopo 6-12 mesi di inutilizzo. La capacità di queste batterie di resistere a scariche e ricariche continue le rende particolarmente adatte ai sistemi start-stop (per le quali sono state sviluppate), ma anche per i sistemi ausiliari di tutti i veicoli ibridi ed elettrici.

Anche le batterie EFB – una versione evoluta della tecnologia ad acido libero tradizionale – sono in grado di offrire un’accettazione di carica superiore e una maggiore durata ciclica quando operano in stato di carica ridotto, come nelle applicazioni stop-start. Vengono generalmente utilizzate nei veicoli start-stop di fascia media e bassa e si caratterizzano per un ottimo recupero a seguito di una frenata rigenerativa, assicurando minori consumi ed emissioni.

L ‘impatto sui freni della frenata rigenerativa

La frenata rigenerativa contribuisce al rallentamento del veicolo in fase di frenata, ma nella maggior parte delle situazioni deve agire in combinazione con l’ impianto frenante. Inoltre, quanto la batteria ad alta tensione è completamente carica, il sistema di recupero di energia dalla frenata viene disattivato dal sistema di controllo e spetta ai freni il compito di fornire tutta la forza per arrestare il veicolo. I freni devono inoltre funzionare con la massima efficienza anche quando il materiale d’attrito può essere ancora freddo (ciò può accadere nelle situazioni di costante utilizzo della frenata rigenerativa), restituendo sempre un comfort di frenata ottimale.

Minore usura delle pastiglie freno

Nei veicoli che sfruttano il freno rigenerativo l’ usura delle pastiglie freno e dei dischi freno è comunque minore, dal momento la frenata rigenerativa – che sfrutta il motore elettrico per rallentare l’auto – mette meno sotto sforzo l’impianto frenante. Si stima che le pastiglie dei freni nelle auto elettriche si consumino fino al -70% in meno. Nelle auto elettriche si ha però un maggiore consumo dei pneumatici, dovuto al peso maggiore e ad un’erogazione più rapida della potenza.

Attenzione ai dischi freno

Poiché vengono utilizzati meno frequentemente, i dischi freno sono tuttavia maggiormente soggetti a corrosione superficiale, facendo aumentare in certi casi il rumore e l’aderenza delle pastiglie al disco. Il minore utilizzo dei freni può inoltre portare a infiltrazioni di umidità tra il materiale frenante della pastiglia e il supporto in acciaio, con il rischio di provocare una delaminazione del materiale d’attrito, con conseguenti problemi di sicurezza.

L’introduzione della frenata rigenerativa, e il conseguente supporto di questo sistema in fase di frenata/ rallentamento, ha in generale “alleggerito” lo sforzo dell’ impianto frenante, spingendo addirittura alcuni costruttori a reintrodurre i freni a tamburo sui veicoli più piccoli e leggeri.