Analisi tecnica | Come funziona la frenata rigenerativa

La frenata rigenerativa è un sistema sempre più diffuso nel motorsport, in particolare in Formula 1 e Formula E. Segue quindi una breve spiegazione del suo principio di funzionamento e di tutti gli aspetti correlati.

Foto: Autosport.com

L’impianto idraulico

Il sistema frenante più diffuso al mondo non è la frenata rigenerativa, bensì l’impianto idraulico con freni a disco, presente anche su quasi tutte le vetture da competizione. Il pilota preme il pedale del freno e aumenta la pressione dell’olio nel circuito idraulico, che si trasmette fino alle pinze freno. In questo modo le pinze si chiudono sui dischi e per attrito ne rallentano la rotazione. I dischi freno sono collegati meccanicamente alle ruote, quindi rallentare i dischi equivale a frenare la vettura.

Con questo sistema tuttavia ad ogni frenata si ha uno spreco di energia. L’energia cinetica infatti, ossia quella prodotta dall’avanzamento dell’auto, viene dissipata sotto forma di calore generato dall’attrito tra i dischi e le pinze. Tuttavia, con l’avvento delle Power Unit ibride in Formula 1 e della propulsione elettrica in Formula E, è stato adottato anche un sistema più efficiente: la frenata rigenerativa. Tale sistema non va a sostituire impianto idraulico, ma collabora con esso.




Il funzionamento della frenata rigenerativa

Sulle monoposto di Formula 1 e Formula E è presente un motore elettrico detto MGU, ossia Motor Generator Unit.
Quando il pilota preme sull’acceleratore, l’MGU genera una coppia che spinge la macchina. Un motore elettrico è costituito da una parte ferma detta statore al cui interno ruota un componente detto rotore, collegato alla trasmissione e quindi alle ruote. Lo statore è formato da una serie di avvolgimenti di cavi in cui scorre la corrente elettrica alternata erogata dalla batteria, che genera un campo magnetico. Sul rotore invece possono essere presenti dei magneti o altri avvolgimenti in cui scorre corrente elettrica che genera campi magnetici. L’interazione tra questi campi magnetici genera la coppia, ossia la forza che agisce sul motore e quindi sulle ruote.

In foto è possibile vedere un motore elettrico disassemblato con lo statore a destra e il rotore a sinistra. [Foto: cercaofficina]
In frenata invece l’MGU agisce da generatore. Il rotore è messo in moto dalle ruote che stanno continuando a girare. Grazie al fenomeno fisico dell’induzione elettromagnetica, i magneti rotanti con il rotore inducono, ossia generano della corrente elettrica nei cavi dello statore. Questa corrente ha direzione opposta rispetto al caso precedente ed è diretta verso la batteria. Di conseguenza anche la coppia che agisce sul rotore ha verso opposto e anziché spingere la vettura la rallenta. L’MGU si comporta quindi come un vero e proprio freno.

Il brake by wire

Per ottimizzare l’utilizzo di questo sistema è opportuno regolarne l’intensità a seconda del livello di carica e della temperatura della batteria, della velocità e quindi del carico aerodinamico.

Sia sulle monoposto di Formula E che quelle di Formula 1, la frenata rigenerativa agisce solo sulle ruote posteriori.
Sulle vetture elettriche di prima generazione, il pilota azionava la frenata rigenerativa con delle leve dietro al volante. Poteva inoltre scegliere tra un numero finito di impostazioni sull’intensità e altri parametri per il suo utilizzo. Con questo metodo di attivazione della rigenerativa tuttavia la monoposto frenava solo con le ruote posteriori e spesso i piloti dovevano controllare la monoposto che tendeva a sbandare in frenata. In caso di frenate particolarmente intense invece poteva premere il predale del freno per azionare l’impianto idraulico e frenare con tutte e quattro le ruote.

Da questa stagione la Formula E si è uniformata alla Formula 1 e ha adottato il brake by wire. Con questo sistema il pilota aziona contemporaneamente l’impianto idraulico e quello rigenerativo semplicemente premendo il pedale del freno. Sulle ruote anteriori il principio di funzionamento è quello tradizionale per i freni a disco. Per quelle posteriori invece la centralina regola automaticamente la pressione idraulica e l’MGU. E’ possibile dunque scegliere quando e quanto la macchina debba frenare con i freni a disco o con la frenata rigenerativa.

Tramite una serie di sensori, gli ingegneri e il pilota sono in grado di monitorare i parametri della vettura e impostare la frenata rigenerativa di conseguenza. Queste impostazioni possono essere fatte manualmente dal pilota o online dagli ingegneri oppure automaticamente dalla centralina.

Foto: progressoonline.it

La centralina

La centralina può controllare automaticamente l’MGU a seconda della temperatura del pacco batterie, del motore e del livello di carica. In questo modo la frenata è più prevedibile e meno soggetta a variazioni nel suo bilanciamento a causa dei vari parametri sopra elencati. In Formula 1 ad esempio la centralina aumenta la forza della frenata rigenerativa o la pressione nell’impianto idraulico per bilanciare la perdita di forza frenante del freno motore nei brevi istanti in cui il pilota scala le marce.

Non è un caso dunque che le nuove Formula E viste in azione in Arabia Saudita e provviste di brake by wire si siano dimostrate meno scomposte in frenata. Con la centralina è possibile anche regolare il lift and coast, ossia la soglia di attivazione della frenata rigenerativa quando il pilota rilascia l’acceleratore senza premere il pedale del freno.

L’efficacia della centralina e i vantaggi che si possono ottenere dipendono dall’abilità degli ingegneri di scrivere i software necessari, che sono estremamente complicati. In Formula E quasi tutti i team adottano il sistema IBSe sviluppato dalla LSP, tranne Techeetah e Mahindra che sviluppano personalmente i propri software.

Foto: FIA ABB Formula E

I possibili sviluppi per la Formula E

Attualmente il regolamento della Formula E prevede che la massima potenza erogabile dalla frenata rigenerativa sia di 250 kW. In Arabia Saudita molti team hanno sforato tale limite e questo ha portato a numerose penalità.
Inoltre è possibile rigenerare fino a 39 kWh di energia. Se con i futuri regolamenti questo limite dovesse essere abrogato, verrebbero premiati i costruttori con gli MGU più efficienti e con i migliori software per la centralina. Le differenze tra le diverse vetture sarebbero ancora più evidenti considerando che in futuro sarà possibile sviluppare liberamente le batterie. Una batteria meno soggetta a problemi di surriscaldamento pertanto consentirà di utilizzare maggiormente la frenata rigenerativa.

Si tratta solo di supposizioni e per ora è meglio non correre troppo, ma rallentare, anzi… frenare.

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Carlo Platella

Nato e cresciuto a Torino, studio ingegneria dell'Autoveicolo nel Politecnico della mia città. Ho una grande passione per il motorsport in tutte le sue forme che mi piace trasmettere negli articoli. Lavoro nella Squadra Corse della mia università con la speranza un giorno di entrare in Formula 1.