Soggetti:
- Introduzione
- Guida via cavo
- Combinazione di frenatura elettrica e idraulica
- Miscelazione dei freni
Introduzione:
I veicoli con propulsione elettrificata (ibridi, completamente elettrici, celle a combustibile) hanno la possibilità di frenatura elettrica. Quando si rilascia il pedale dell'acceleratore o si frena leggermente, il motore elettrico funziona come un generatore. L'energia cinetica del veicolo viene convertita in energia elettrica per la batteria HV. IL gamma aumenta quando si frena molto silenziosamente e al sistema frenante viene data la possibilità di applicare molta frenata rigenerativa. Puoi leggere di più a riguardo nella pagina: Invertitore.
Nel 2023 la frenatura elettrica è ancora abbinata al circuito frenante idraulico convenzionale. In caso di guasto elettrico o nei veicoli più vecchi durante una frenata di emergenza, il circuito del freno idraulico viene (parzialmente) attivato. Questo serve come backup. Le sezioni seguenti mostrano come i produttori combinano la frenatura elettrica e quella idraulica per garantire un buon comfort e garantire la sicurezza in caso di guasto dell'impianto elettrico.
Guida tramite filo:
Lo scopo del sistema frenante “drive by wire” è quello di frenare idraulicamente con assistenza elettrica. Non esiste un collegamento idraulico diretto tra il pedale del freno e i pistoncini del freno nelle pinze dei freni. Il pedale del freno applica la pressione frenante ad un cosiddetto simulatore della forza frenante. Viene misurata la pressione dei freni. Un motore elettrico crea la pressione desiderata nel circuito del freno idraulico. Il sistema frenante drive by wire offre i seguenti vantaggi rispetto al sistema frenante convenzionale:
- Non viene più utilizzato un servofreno a depressione, poiché il motore elettrico fornisce la pressione del fluido richiesta;
- La perdita di fluido può essere rilevata e chiusa tramite il freno. Per questo motivo non è più necessaria una pompa freno per due circuiti frenanti separati;
- Il conducente non nota il passaggio dalla frenata elettrica a quella idraulica quando passa dalla frenata rigenerativa sui motori elettrici alla frenata premendo la pastiglia contro il disco;
- Non si avvertono più le vibrazioni del sistema ABS sul pedale del freno;
- La contropressione (simulata) nel pedale del freno può essere adattata alle impostazioni (comfort/sport).
Lo schema idraulico seguente mostra il sistema utilizzato da BMW (DSCi). L'operazione è la seguente:
Quando il conducente aziona il pedale del freno, viene esercitata una forza sul cilindro principale del freno (7). Questa pompa del freno ha due uscite: al simulatore della forza del pedale del freno (8) e ad una valvola di rilascio. La pressione di simulazione viene trasmessa al simulatore della forza del pedale del freno tramite la linea blu. In questo componente si crea una contropressione che il conducente riconosce come contropressione nei cilindri dei freni. Non esiste alcun collegamento fisico tra il cilindro principale del freno e i cilindri dei freni delle ruote. La pressione di simulazione viene misurata da un sensore di pressione (5). A seconda della pressione di simulazione, l'ECU controlla il motore elettrico (10). Ciò esercita una pressione di lavoro nel cilindro di pressione del freno (9). Un sensore di pressione sul lato della pressione di lavoro restituisce la pressione accumulata all'ECU. I collegamenti rossi nello schema mostrano come la pressione di lavoro arriva ai cilindri dei freni delle ruote (1) attraverso le valvole. Le valvole di mantenimento della pressione (3) sono aperte quando sono ferme, in modo che la pressione del freno possa essere generata direttamente dal cilindro della pressione del freno. I riduttori di pressione (2) sono chiusi quando sono a riposo.
Legenda:
- Remmen
- Valvole riduttrici di pressione
- Valvole di mantenimento della pressione
- Scollegare le valvole
- Manometri per circuito di lavoro pressione freno e circuito simulatore
- Serbatoio del liquido dei freni
- Cilindro principale
- Simulatore della forza del pedale del freno
- Cilindro di pressione del freno
- Motore elettrico
- Valvola diagnostica
- Collegamenti gialli: serbatoio liquido freni mandata e ritorno;
- Collegamenti blu: pressione di simulazione;
- Collegamenti rossi: pressione di esercizio (pressione freno).
Nel caso in cui si verifichi una perdita vicino al cilindro di pressione del freno, o si verifichi un guasto elettrico che impedisce al motore elettrico di sviluppare una pressione di esercizio sufficiente, le valvole di rilascio (4) vengono eccitate per garantire la sicurezza. Il collegamento tra il cilindro principale del freno e i cilindri del freno della ruota è aperto e il collegamento al cilindro della pressione del freno è chiuso. Poiché manca il servofreno, per frenare è necessario premere con maggiore forza il pedale del freno.
Combinazione di frenatura elettrica e idraulica:
I veicoli completamente elettrici e ibridi hanno sempre una combinazione di sistema frenante elettrico e idraulico. Il sistema frenante “brake by wire” del paragrafo precedente non viene ancora utilizzato molto spesso. In questo sistema non esiste un collegamento diretto tra il pedale del freno e i cilindretti dei freni delle ruote. Un potente motore elettrico fornisce tutta la potenza frenante, anche durante un arresto di emergenza. In tal caso non è necessario un servofreno.
Nella maggior parte dei veicoli elettrici e ibridi, la combinazione di frenatura elettrica e idraulica si ottiene come segue: con la frenata dolce (misurata), avviene la frenata rigenerativa (elettrica) perché i motori elettrici funzionano come una dinamo. In caso di frenate brusche e/o in caso di malfunzionamenti il sistema idraulico si inserisce immediatamente. In questo caso viene utilizzato un servofreno per aumentare la pressione frenante. Esiste quindi un'interazione tra il motore elettrico e i freni meccanici durante la frenata. Questo sistema è talvolta chiamato anche “drive by wire”, anche se questo concetto si adatta meglio al sistema del paragrafo precedente.
Lo schema seguente si basa sulla Toyota Prius 3. Il pedale del freno (1) crea pressione frenante nel cilindro principale del freno (3). In caso di frenata dolce vengono frenati solo i motori elettrici. Il simulatore della pressione dei freni (4) fornisce una contropressione quando si preme il pedale del freno. La valvola del simulatore della pressione dei freni si apre in condizioni operative normali. In caso di frenata brusca le valvole di bloccaggio (5) vengono aperte e la valvola del simulatore viene chiusa. Le pinze dei freni delle ruote anteriori sono alimentate con pressione di frenata. L'apertura e la chiusura delle valvole idrauliche (6) consente alla pressione dei freni di raggiungere anche le ruote posteriori. I sensori di pressione dei freni (da sinistra a destra: da p lv a mp rv) misurano la pressione e la trasmettono alla ECU. Le valvole idrauliche (5, 6 e 7) vengono regolate in base alla pressione di frenata desiderata tramite un segnale PWM.
Il sistema è progettato in modo tale che in caso di interruzione di corrente, la pressione dei freni sulle ruote posteriori viene completamente rilasciata e la pressione sulle ruote anteriori viene controllata dal conducente con il pedale del freno.
Legenda:
- Pedale del freno
- Serbatoio del liquido dei freni
- Cilindro maestro tandem
- Simulatore di pressione dei freni
- Valvole di bloccaggio
- Valvole idrauliche (da sinistra a destra chiuse)
- Valvole idrauliche, anteriori chiuse, posteriori aperte
- Accumulatore di pressione
- Pompa idraulica azionata da motore elettrico
- Valvola limitatrice di pressione
- Collegamenti gialli: serbatoio liquido freni mandata e ritorno;
- Collegamenti blu: pressione freno dalla pompa idraulica;
- Collegamenti rossi: pressione freno dalla pompa freno (con valvole aperte).
La frenatura idraulica della Toyota Prius 3 viene effettuata tramite le ruote anteriori. Le ruote posteriori non sono collegate alla pompa freno. Questo è il caso dei veicoli moderni, inclusa la Kia Niro: tutti e quattro i cilindri dei freni vengono attivati dalla pompa del freno attraverso due circuiti.
Quando si frenano veicoli con un sistema frenante simile, in determinate circostanze avviene il passaggio dalla frenatura elettrica a quella idraulica. Per garantire che la decelerazione della frenata e la sensazione sul pedale del freno funzionino senza intoppi, in questo sistema frenante viene utilizzato il "brake blending". Ciò è descritto nella sezione successiva.
Miscelazione dei freni:
Quando si rilascia il pedale dell'acceleratore o si frena con dosaggio, molti veicoli elettrici frenano esclusivamente sui motori elettrici. L'energia cinetica viene convertita in energia elettrica, aumentando l'autonomia del veicolo. L'impianto frenante idraulico è poco utilizzato. Quando è richiesta un'elevata decelerazione in frenata, il freno elettrico e il freno di servizio idraulico lavorano insieme. Chiamiamo la collaborazione dei due sistemi frenanti “brake blending”. Nelle generazioni precedenti di veicoli ibridi e completamente elettrici, ciò non funzionava in modo fluido e la diminuzione della velocità del veicolo cambiava quando veniva applicato il freno idraulico. Con le tecnologie attuali il conducente non si accorge più del passaggio tra i due sistemi frenanti. Nota: questa non è la tecnologia utilizzata con il drive by wire.
Il grafico mostra la transizione dei due sistemi frenanti dove la decelerazione della frenata rimane costante. La forza sul pedale del conducente (a) rimane la stessa per 10 secondi. Quando inizia la frenatura, il freno di servizio idraulico e la frenata rigenerativa sui motori elettrici lavorano insieme. Durante i primi sei secondi vediamo che la decelerazione dovuta alla frenata rigenerativa aumenta. Il motore elettrico funziona come un generatore e fornisce l'energia generata alla batteria HV. La forza frenante del freno di servizio idraulico continua a diminuire fino a quando non funziona più. Dopo circa 7,5 secondi ci avviciniamo all'arresto del veicolo e la potenza frenante elettrica scompare. La forza frenante idraulica aumenta nuovamente. Dopo 8,5 secondi il veicolo si ferma. Il conducente continua a premere il pedale del freno per un momento.
a: forza sul pedale del conducente
b: decelerazione dovuta alla frenata rigenerativa (utilizzando il motore elettrico)
c: decelerazione dovuta al freno di servizio idraulico
d: ritardo voluto dal conducente
e: diminuzione della velocità
d = c + b
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