Ogni auto elettrica che proviamo su Car-Shooters — la Tesla Model S, la Polestar, la Hyundai IONIQ, la Volkswagen ID. Buzz, la Volvo XC40 P8 — fa qualcosa che un’auto a combustione non può fisicamente fare: recupera parte dell’energia spesa per accelerare, ogni singola volta che rallenta. Togliendo il piede dall’acceleratore, invece che trasformarsi semplicemente in calore ai dischi dei freni, una quota significativa di quell’energia cinetica torna nella batteria. È uno dei motivi silenziosi per cui un’auto elettrica ha bisogno di meno ricariche di quante ricariche di carburante servirebbero a un’auto a combustione con lo stesso stile di guida — ed è uno dei motivi per cui le pastiglie dei freni di un’auto elettrica durano spesso più a lungo del resto dell’auto.
Trasformare il motore in un generatore
Un motore elettrico e un generatore elettrico sono, fisicamente, la stessa macchina fatta funzionare in due direzioni. Durante la guida, il motore consuma corrente elettrica dalla batteria per far girare il rotore e spingere l’auto in avanti. Togliendo il piede dall’acceleratore (o premendo il pedale del freno, sulle auto che fondono i due sistemi) il processo si inverte: le ruote continuano a far girare il rotore, che ora agisce da generatore, trasformando quella rotazione meccanica di nuovo in corrente elettrica. Quella corrente viene spinta indietro attraverso l’inverter e nel pacco batteria come carica, mentre la resistenza che il generatore crea sulla trasmissione è ciò che il guidatore percepisce come decelerazione — l’auto rallenta proprio perché l’energia viene sottratta al suo movimento.
Quanto sia intensa questa decelerazione è di solito regolabile. La maggior parte delle auto elettriche offre diversi livelli di rigenerazione, da un freno motore leggero, vicino a quello di un’auto a combustione a farfalla chiusa, fino alla guida a un pedale (“one-pedal driving”), abbastanza aggressiva da portare l’auto quasi a fermarsi del tutto senza mai toccare il pedale del freno — uno stile di guida diventato una delle abitudini più divisive tra chi possiede un’auto elettrica, amato da alcuni per la sua semplicità e non apprezzato da altri perché sembra diverso da un’auto tradizionale.
Perché non può sostituire i freni a frizione
La frenata rigenerativa ha limiti reali che tengono saldamente al loro posto i freni tradizionali a frizione (vedi il nostro articolo dedicato a come funzionano i freni). Una batteria può accettare carica solo a una certa velocità: quando è già quasi piena, o abbastanza fredda da rendere la chimica interna restia a ricariche veloci, la rigenerazione disponibile crolla — ecco perché un’auto elettrica può sembrare rallentare a malapena togliendo il piede dall’acceleratore in una mattina fredda con la batteria carica. La rigenerazione si esaurisce anche a velocità molto basse, perché una ruota quasi ferma fa girare il generatore troppo lentamente per produrre corrente utile, quindi gli ultimi km/h prima dell’arresto completo sono sempre gestiti dai freni a frizione. E in una frenata d’emergenza, nessun motore-generatore può eguagliare la forza di serraggio istantanea e grezza di una pinza che stringe un disco — l’ABS e la frenata alla massima decelerazione corrono ancora interamente sull’attrito.
Il risultato è che ogni auto elettrica con frenata rigenerativa fonde costantemente due sistemi frenanti in quello che, idealmente, deve sembrare uno solo: il motore elettrico che fa la maggior parte del lavoro quanto batteria e velocità lo permettono, i freni a frizione che completano il resto senza soluzione di continuità. Far sembrare naturale questa fusione sotto il piede del guidatore — corsa e forza del pedale costanti indipendentemente da quanta frenata sia elettrica o a frizione in quell’istante — è un problema di ingegneria del controllo genuinamente difficile, ed è esattamente qui che i sistemi brake-by-wire (freni comandati elettronicamente, senza collegamento idraulico diretto con il pedale, la stessa tecnologia dietro i sistemi steer-by-wire di cui parliamo nel nostro articolo sul servosterzo) si guadagnano il loro posto.
L’effetto collaterale che nessuno pubblicizza: freni che quasi non si consumano
Poiché il motore elettrico assorbe la maggior parte della decelerazione quotidiana, i freni a frizione di un’auto elettrica guidata pensando alla rigenerazione lavorano molto meno di quelli di un’auto a combustione delle stesse dimensioni — pastiglie e dischi che su un’auto a benzina andrebbero sostituiti ogni 40-60.000 km durano regolarmente oltre i 100.000 km su un’auto elettrica. È un caso raro in cui una tecnologia di efficienza è anche un vantaggio in termini di manutenzione e costi, e ha un beneficio ambientale secondario a cui si presta meno attenzione rispetto alle emissioni allo scarico: meno usura dei freni a frizione significa meno polveri sottili rilasciate nell’aria a ogni frenata — le stesse emissioni non da scarico che stanno spingendo la ricerca UE verso soluzioni di filtrazione retrofit per l’inquinamento che i freni continuano comunque a produrre.
La ricerca UE: rendere la fusione stessa il prodotto
La frenata rigenerativa è ormai una tecnologia matura al punto da non comparire più come argomento di ricerca a sé stante nei bandi UE attuali — la ricerca Horizon Europe di oggi sui powertrain elettrici (2Zero, “Towards zero emission road transport”) si concentra un livello più in alto, sull’efficienza e sull’integrazione piuttosto che sulla rigenerazione come idea nuova. La ricerca UE genuinamente dedicata alla frenata rigenerativa in sé si trova nel ciclo di programmazione precedente, H2020, in due progetti che affrontano esattamente i due problemi visti sopra — come rigenerare di più, e come fondere la rigenerazione senza soluzione di continuità:
- ModulED (2017-2021, €7,02M, coordinato dal CEA francese, la Commissione per l’Energia Atomica e le Energie Alternative) ha sviluppato una nuova generazione di trasmissione elettrica modulare per auto elettriche e ibride, leggere e passeggeri, costruita attorno a un motore a magneti permanenti interrati con contenuto ridotto di terre rare — e, come parte di questa trasmissione, nuove strategie di frenata rigenerativa adattive, calibrate sulla configurazione reale del veicolo invece che su una taratura unica per tutti.
- EVC1000 (“Electric Vehicle Components for 1000 km daily trips”, 2019-2022, €5,15M, coordinato dall’austriaca AVL, una delle più grandi società indipendenti di ingegneria automotive d’Europa) ha affrontato di petto il problema di integrazione più difficile: ha sviluppato un sistema brake-by-wire per auto elettriche con motori nella ruota (in-wheel), progettato apposta per fondere senza soluzione di continuità frenata rigenerativa e a frizione su auto in cui il motore si trova proprio dentro la ruota — la configurazione in cui ottenere questa fusione è più difficile, perché il freno a frizione e il generatore condividono lo stesso spazio compatto a ogni angolo.
Entrambi i progetti sono conclusi, ma i loro risultati confluiscono direttamente nelle trasmissioni e nei sistemi brake-by-wire che stanno arrivando in produzione oggi — i prossimi progressi della frenata rigenerativa riguardano meno la fisica, già ben compresa, e più il software: distribuire la forza frenante tra motore e freno a frizione, angolo per angolo, in modo più veloce e preciso di prima.
Foto: © Car-Shooters
