L’avvento e la rapida diffusione dei veicoli elettrici e ibridi hanno rivoluzionato non solo i sistemi di propulsione, ma anche le tecnologie di base come la frenata. Tradizionalmente, quest’ultima è stata concepita come un processo puramente dissipativo, in cui l’energia cinetica del veicolo viene convertita in calore e dispersa nell’ambiente attraverso l’attrito (frenata idraulica o meccanica).

Tuttavia, l’efficienza energetica è il pilastro della mobilità elettrificata. In questo contesto, la frenata rigenerativa emerge come una tecnologia fondamentale. Essa sfrutta il motore elettrico (chiamato anche motogeneratore) per funzionare come un generatore, recuperando una parte significativa dell’energia cinetica del veicolo e riconvertendola in energia elettrica immagazzinabile nella batteria.

Il salto di qualità prestazionale e di sicurezza avviene con l’implementazione del sistema di frenata rigenerativa integrata (IBR – Integrated Braking System). Questo sistema non si limita a recuperare energia, ma mira a un obiettivo cruciale: la sincronizzazione perfetta e senza soluzione di continuità tra la frenata rigenerativa (elettronica) e la frenata idraulica convenzionale (attrito). Questo approfondimento tecnico si concentrerà sull’architettura, le strategie di controllo e le sfide ingegneristiche necessarie per realizzare questa integrazione, garantendo al conducente un’esperienza di frenata naturale, modulabile e sicura, indipendentemente dalla ripartizione del carico frenante tra i due sottosistemi.

Come funziona la frenata rigenerativa

La frenata rigenerativa è il meccanismo attraverso il quale l’energia cinetica del veicolo, che altrimenti verrebbe dissipata in calore dai freni, viene recuperata e convertita in energia elettrica. Questo processo si realizza invertendo il funzionamento del motore elettrico, che passa dalla modalità di propulsore a quella di generatore. Quando il conducente solleva l’acceleratore o preme leggermente il pedale del freno, il sistema di controllo induce la macchina elettrica a generare una coppia frenante negativa, caricando la batteria ad alto voltaggio.

L’efficacia della rigenerazione dipende da variabili cruciali come lo stato di carica (SOC) e la temperatura della batteria, la velocità del veicolo e la potenza massima che il motore/generatore può erogare. È essenziale che la coppia frenante rigenerativa sia erogata in modo graduale e prevedibile per non compromettere la stabilità del veicolo, soprattutto in condizioni di aderenza ridotta.

Tipi di architettura

I moderni veicoli elettrificati adottano sistemi IBR che gestiscono congiuntamente la frenata idraulica e quella rigenerativa. Esistono principalmente due approcci architetturali. Il primo è il blended braking, dove il sistema di controllo elettronico modula la coppia rigenerativa e, se questa è insufficiente o non disponibile (ad esempio, batteria carica), integra la frenata idraulica per raggiungere la decelerazione richiesta dal conducente.

Il secondo, più avanzato, è il sistema brake-by-wire, che elimina la connessione meccanica diretta tra il pedale del freno e l’attuatore idraulico. In questo caso, il pedale aziona solo un sensore di posizione (simulatore di corsa del pedale) e l’ECU della frenata decide elettronicamente la ripartizione ottimale tra rigenerazione (motore) e idraulica (attuatori elettrici), garantendo che la forza totale di frenata richiesta sia sempre rispettata con priorità al recupero energetico.

Come avviene la ripartizione della frenata

La sfida ingegneristica centrale risiede nella sincronizzazione in tempo reale tra la coppia frenante fornita dal sistema idraulico e quella erogata dalla macchina elettrica. Il cervello del sistema, l’ECU, deve calcolare costantemente il blending ratio, ovvero la percentuale di frenata da assegnare a ciascun sottosistema per una data richiesta di decelerazione.

Questo calcolo deve bilanciare diversi obiettivi: massimizzare il recupero energetico, mantenere il comfort di guida (evitando scatti o cambiamenti repentini nella risposta del pedale, il cosiddetto pedal feel), e garantire la massima sicurezza e stabilità direzionale, in particolare sotto l’azione dell’ABS/ESC. La ripartizione deve anche tenere conto delle limitazioni fisiche, come la massima coppia rigenerativa erogabile dal motore e la saturazione del sistema idraulico in situazioni di emergenza.

L’efficace funzionamento della frenata integrata è interamente demandato alla ECU della frenata, spesso denominata modulo IBR. Questa unità riceve gli input primari dal sensore di posizione del pedale, dai sensori di velocità delle ruote e dalle informazioni sullo stato del veicolo (velocità, pendenza, stato della batteria) provenienti dal bus CAN.

L’ECU esegue complessi algoritmi di controllo predittivo che determinano l’esatta coppia rigenerativa da richiedere al VCU (Vehicle Control Unit) e la pressione idraulica da generare contemporaneamente. In un sistema brake-by-wire, l’ECU comanda direttamente la pompa elettroidraulica e le valvole di pressione, mentre gestisce attivamente il simulatore di corsa per replicare la sensazione di frenata che il conducente si aspetta da un sistema convenzionale.

Componenti e strategie di controllo

Il sistema IBR si basa su componenti specializzati che consentono l’integrazione. Oltre all’ECU IBR, i componenti critici includono l’attuatore idraulico elettrico (spesso un booster o pompa con controllo di pressione autonomo), il simulatore di corsa del pedale che isola il pedale dal circuito idraulico primario nei sistemi by-wire, e il motore elettrico/generatore stesso. Le interfacce di comunicazione ad alta velocità, come il bus CAN (controller area network) o FlexRay, sono vitali per la sincronizzazione, consentendo lo scambio di informazioni critiche sulla richiesta di coppia frenante tra l’ECU IBR e l’ECU del motore (VCU/PCU) con latenze estremamente ridotte, nell’ordine di pochi millisecondi. Questa comunicazione rapida è cruciale per la transizione fluida tra i modi di frenata.

Le strategie di controllo impiegate mirano a ottimizzare l’efficienza e la sensazione di guida. Una tecnica comune è il controllo a punto di lavoro (operating point control), che cerca di massimizzare il recupero energetico operando il motore elettrico nel suo intervallo di massima efficienza come generatore. Gli algoritmi devono anche includere una logica di fading che gestisce la transizione tra frenata rigenerativa e idraulica quando i limiti del sistema vengono raggiunti (ad esempio, alta velocità che richiede troppa coppia o bassa velocità dove la rigenerazione è inefficace). Inoltre, sono implementati algoritmi di controllo predittivo del pedal feel che, basandosi sulla velocità con cui il conducente preme il pedale, anticipano la ripartizione necessaria per fornire una risposta lineare e coerente alla sensazione tattile percepita.

L’integrazione efficace tra idraulica ed elettronica apporta benefici significativi in tre aree: performance, efficienza e sicurezza. In termini di efficienza, il recupero energetico può estendere l’autonomia del veicolo del 15-25%. Per quanto riguarda le performance, l’usura dei freni a frizione è drasticamente ridotta poiché vengono utilizzati prevalentemente solo per le frenate più intense e a bassa velocità. Dal punto di vista della sicurezza, l’IBR deve garantire la piena funzionalità di frenata anche in caso di guasto del sistema di rigenerazione o di indisponibilità della batteria. I sistemi brake-by-wire includono un sistema di fail-safe ridondante, spesso con un circuito idraulico secondario o di emergenza, che assicura che il veicolo possa essere fermato in sicurezza in ogni condizione, rispettando le normative ECE.

In sintesi, la frenata rigenerativa è il vero punto di forza, da un punto di vista tecnico, degli attuali veicoli elettrificati. Si recupera energia che, altrimenti, verrebbe persa, ottimizzando così l’autonomia.