In una vettura elettrica è possibile recuperare parte dell’energia spesa per accelerarla, con la frenata rigenerativa. Questo recupero di energia deve combinarsi necessariamente alla frenata meccanica garantita dall’impianto idraulico. Il corretto combinarsi tra le due, se ottimizzato, può permettere un notevole risparmio di peso, a parità di autonomia. Una frenata ottimale è fondamentale nel Motorsport, perciò Marco ha deciso di risolvere il problema ed ottimizzare questo aspetto.

Marco ha anni di esperienza nel team di Formula Student ‘Sapienza Fast Charge’, con sede a Roma. Con questo articolo spiega i risultati del suo lavoro per ottimizzare la frenata rigenerativa.

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Punto di partenza: la Formula Student

In questo periodo i team di Formula Student si impegnano a preparare l’auto per il prossimo anno. Al momento, il team di Marco sta lavorando sul progetto di una nuova batteria ed il relativo settaggio dell’inverter.

Nello specifico, gli argomenti principali che il team sta affrontando sono:

• la tensione del pacco batteria (nominale e massimale) e la capacità necessaria per partecipare a gare di endurance, cioè la configurazione ottimale delle celle in serie e in parallelo, che sia conforme ai valori massimi di corrente sopportati dalle celle;
• la velocità base del motore;
• il deflussaggio nel motore a magneti permanenti;
• conformità alle regole;
• La configurazione termica del pacco batteria, rispettosa dei limiti di corrente (sia diretta che rigenerativa).

Marco ha l’obiettivo di migliorare l’efficienza della frenata rigenerativa

Questo obiettivo è raggiunto programmando l’inverter. Serve prestare attenzione alle condizioni di frenata rigenerativa massima e nominale, in relazione alla confidenza di guida.

Per questo studio, è stato usato come punto di partenza i risultati del lavoro dell’anno precedente, che descrivono la taratura della frenata idraulica tra anteriore e posteriore verificando di avere una frenata uniforme considerando la rigenerativa.

La questione principale

Il problema da risolvere è che, durante la frenata, il carico si trasferisce sull’asse anteriore alleggerendo quello posteriore. Si va così a perdere potenza di frenata nell’asse posteriore, il che significa perdere frenata rigenerativa e quindi energia.

L’auto non può frenare solo grazie alla rigenerativa, poichè l’unico motore (che esegue tale frenata) è posizionato sull’asse posteriore. La frenata idraulica, ossia attraverso pinze freno, è necessaria per raggiungere la miglior performance, oltre che per soddisfare i requisiti del regolamento Formula Student.

Sono necessari diversi settaggi di frenata idraulica tra asse anteriore ed asse posteriore, poiché davanti è richiesta più potenza frenante a causa del trasferimento di carico.

I freni idraulici a bordo sono dotati di regolazioni telescopiche, per modulare diverse azioni frenanti nonostante il pedale usato per frenare sia unico.

Secondo il regolamento tutte e 4 le ruote devono potersi bloccare anche in assenza di rigenerativa. Perciò è stata programmata una differenza tra le pompe idrauliche dei freni anteriori e posteriori che ne permettessero comunque il bloccaggio (provando nella stessa modalità delle ispezioni di gara ).

Il team di Marco ha programmato diversi livelli di sensibilità del pedale alla frenata rigenerativa a seconda del feedback dato dal pilota in una pista di tipo endurance. Questa funzione è svolta dall’inverter, capace di variare la tensione di inizio e di fine frenata rigenerativa, corrispondenti a posizioni del pedale. Quindi il pilota può decidere a quale posizione del pedale inizia e finisce la rigenerazione.

Si noti che la fine corsa del pedale non corrisponde alla fase finale della frenata rigenerativa! Le pompe idrauliche si azionano prima che il pedale raggiunga la fine, per consentire una transizione morbida da frenata elettrica a idraulica. In tal modo, la potenza di frenata non presenta buchi e l’asse posteriore non viene bloccato.

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Una nota importante sull’ABS con la frenata rigenerativa

Nella Formula Student l’ABS meccanico non è consentito e la rigenerativa è consentita solo sopra i 5km/h. Se l’asse del motore rallenta sotto i 5km/h (375 rpm motore), l’inverter ferma la frenata rigenerativa. Non avendo molta potenza frenante, la ruota ha abbastanza attrito per riaccelerare. Questo è un ABS ‘elettrico’.

Marco e i suoi compagni di squadra hanno testato il sistema per molte ore. Sono stati condotti test di endurance con 2 piloti e un Electrical System Officer che monitora in tempo reale lo stato del sistema di accumulo (la batteria), ovvero temperatura, tensione e corrente.

Studiando il miglior stile di guida

Il miglior stile di guida è quello che meglio concilia i principi di: risparmio energetico, ottimizzazione del recupero di energia in frenata e tempi cronometrici competitivi.

Un economico Raspberry Pi è stato usato come CAN–data logger con dispositivi, BMS e inverter CAN implementati su Arduino. Uno script realizzato dal team consente di convertire messaggi CAN nel Raspberry Pi in file CSV, visualizzabili in Excel.

Dal grafico superiore si nota come lo stile di guida del pilota B abbia un miglior risparmio di energia del pilota A. Una frenata lunga e meno potente è più conveniente di una frenata breve ed intensa. Ciò è coerente con le aspettative, poiché frenate potenti usano i freni idraulici. Si deve tuttavia considerare che velocità maggiori in curva portano a miglior perfomance cronometriche.

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Medio tutissimus ibis

Ovidio, Metamorfosi, “nel mezzo camminerai sicurissimo”

La miglior performance sia energetica che cronometrica si può trovare a metà della miglior performance rigenerativa. La miglior guida consiste nel frenare al limite del tempo di frenata rigenerativa, tenere alte velocità in curva ( che non costituisce sprechi energetici eccessivi ) e gestendo le frenate in modo armonioso, evitando stili di guida ‘nervosi’.

L’influenza dello Stato iniziale di carica (SoC) della batteria

Per definire la miglior strategia rigenerativa, va considerata la SoC. Se ad inizio gara la SoC è al 100%, la frenata rigenerativa deve essere disabilitata, il che può alterare negativamente le sensazioni del pilota alla guida.

Non si dimentichi la gestione termica della batteria

Si ponga attenzione alle caratteristiche della batteria. Le connessioni e le celle che la costituiscono devono essere in grado di sostenere la corrente richiesta in ogni momento della gara. La progettazione termica della batteria è di importanza fondamentale, per scongiurare il rischio di Thermal Runaway, che può portare a incendio ed esplosione.

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I have no idols. I admire work, dedication and competence (Ayrton Senna)

Domande per Marco

– Chi sei?

Mi chiamo Marco, vengo da Terni, ho 25 anni e studio ingegneria meccanica all’università “la Sapienza” di Roma. Ho sempre avuto la passione per le auto ed i motori e questo mi ha portato, per caso, alla scoperta delle automobili elettriche tramite il team di formula SAE “Sapienza Fast Charge”, sotto l’iniziativa e l’egida del Professor Leone Martellucci. Inizialmente diffidente, ho apprezzato sempre più tutti gli aspetti positivi di questo mondo e ne sto facendo il mio lavoro.

– Perché hai scelto questo argomento? ( se puoi parlare anche di: importanza di lavorare su temi di sostenibilità)

Uno dei grandissimi vantaggi delle auto elettriche è che nella fase di frenata possono recuperare parte dell’energia spesa, l’ottimizzazione di questo processo è tra i più importanti aspetti chiave delle auto che vedremo circolare nel prossimo futuro. Con il Professor Martellucci consideriamo la frenata rigenerativa (e di pari passo l’autonomia) fondamentali ingredienti per un rinnovamento del parco mezzi circolante su ruota e crediamo che l’ottimizzazione di questo componente, come di tutti gli altri che costituiscono l’ecosistema autoveicolo, sia essenziale. L’energia che possiamo recuperare con le auto elettriche andrebbe perduta (più precisamente sprecata) in tutti gli altri tipi di veicolo privi di sistema di accumulo, nel dettaglio, ci siamo occupati di ottimizzare questo processo per un accumulatore con celle Litio-Polimero.

– Che impatto ti aspetti avrà la tua tesi?

Il nostro articolo ha l’obiettivo di spiegare l’esatto processo che sta dietro alla costituzione di uno degli aspetti chiave degli automezzi elettrici. Il processo, accuratamente dettagliato, è volto a spiegare all’utente come vengono prese le scelte che poi sfrutterà tutti giorni aumentandone la consapevolezza mentre al tecnico può dare una guida chiara e precisa su come effettuare uno studio ad-hoc per un altro veicolo analogo a quello trattato oppure, previe opportune considerazioni ed aver riformulato i conti, a qualunque altro tipo di veicolo.

– Perché reputi importante EMS per uno studente?

EMS offre a tutti gli studenti l’opportunità di avvicinarsi al mondo dell’energia e della mobilità sostenibile tramite un approccio al contempo tecnico ed amichevole, offrendo un solido e capillare punto di riferimento all’interno del panorama universitario. EMS consente allo studente profano di questo ecosistema di avvicinarvisi senza il timore reverenziale che si può avere nei confronti dei professionisti che vi gravitano intorno ed al contempo permette, a chi già ne è appassionato, di approfondire tutti gli aspetti più complessi (come con queste pubblicazioni). Ultimo punto, non per importanza, è senz’altro la possibilità di partecipare ad eventi ed iniziative targate EMS in cui è possibile scambiare pareri, opinioni, idee e soprattutto creare una rete di contatti professionali che saranno fondamentali per l’inserimento nel mondo del lavoro.

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