Brembo, leader mondiale di impianti frenanti a disco, collabora con STMicroelettronica per sviluppare i freni intelligenti che monteranno le vetture ibride ed elettriche.
di Matteo Ovi
Frenata Extrema: La nuova pinza “Extrema” di Brembo, per la prima volta integra il freno di stazionamento elettrico nella pinza stessa. Grazie alla meccatronica, che pone in stretta relazione discipline differenti come la meccanica, l’elettronica e l’informatica, Brembo ha realizzato la centralina elettronica di comando e il software di controllo che governa il freno di stazionamento.
Recentemente, Abbiamo incontrato Giorgio Ascanelli, CTO Brembo, in merito a una collaborazione che l’azienda, leader mondiale e innovatore riconosciuto della tecnologia degli impianti frenanti a disco, ha avviato con STMicroelettronica, leader mondiale di microprocessori e sensori MEMS. I due stanno ricercando e sviluppando nuovi impianti frenanti con i quali rispondere alle particolari esigenze delle vetture elettriche.
Anzitutto, Ascanelli ha tenuto a precisare che il mestiere principale dell’azienda è sempre stato quello di sviluppare freni dissipativi. “Siamo famosi in tutto il mondo per i freni che montiamo su vetture di altissima gamma (ndr Porsche, Ferrari..), ma anche su camion, moto, bolidi da competizione e, a breve, forse anche biciclette”.
Difatti, le biciclette stanno tornando alla ribalta come mezzo di trasporto green che ben si presta ai “deliri più vari dell’elettronica”, ci ha detto (vedi “Green Wheel“).
“Sono molto interessanti per la loro diffusione nel tempo libero e per le prestazioni che, con l’aggiunta di un motore elettrico, consentono di raggiungere velocità di tutto rispetto per una due ruote a pedali”, ha aggiunto.
Ma tutto ciò che utilizziamo per spostarci va, a un certo punto, arrestato.
“I freni, come i tradizionali motori a combustione interna, sono una componente del veicolo in cui primeggia la meccanica”. I freni sono sempre stati a dissipazione. Tutta l’energia che devono raccogliere per rallentare o fermare un veicolo viene trasformata in calore e dissipata nell’ambiente. Anche il ‘freno motore’ dissipa l’energia cinetica delle masse traslanti (vettura), rotanti (freni, trasmissione, alberi) e alterne (pistoni, spinotti, valvole, molle e mezze bielle), sotto forma di calore.. In questo caso, l’effetto frenante, solitamente limitato se continua a essere introdotta nei cilindri una certa quantità di carburante (come avviene quando si abbandona il pedale dell’acceleratore e non si ricorre al freno), può essere accresciuto considerevolmente attraverso un’apposita valvola montata nel tubo di scarico per ostruire parzialmente il passaggio del gas in uscita dal motore e interrompendo completamente l’immissione del carburante.
L’introduzione delle prime vetture ibride (ndr. la Toyota Prius può essere considerata la capostipite) e elettriche, ha portato all’esplorazione del concetto di recupero energetico.
Potendo disporre di un motore elettrico e di batterie addizionali, ai freni convenzionali si è aggiunto un nuovo modo di frenare, definito rigenerativo.
Alcuni motori elettrici possono fungere anche da generatori, e anziché trasformare l’energia del veicolo in calore per poi disperderlo, possono trasformarla in energia elettrica con la quale caricare una o più batterie sulle quali poter fare affidamento all’occorrenza. Questo ha portato a una rivoluzione di pensiero, almeno per quanto riguarda le vetture elettriche. La domanda che ci poniamo ora è: Esiste uno spazio per il freno dissipativo tra quindici o vent’anni?” Certo che esiste e guai a non veder arrivare a tempo l’onda dell’innovazione.
Ascanelli cita l’esempio della Kodak e della scoperta della fotografia digitale: “Quando l’azienda leader del mercato delle pellicole fotografiche scoprì questa nuova tecnologia, anziché cavalcarla pensò bene di nasconderla per evitare di uccidere il suo business. Purtroppo fu impossibile evitare che la Canon, sua concorrente, la esplorasse. Il progresso è inarrestabile”.
“Crediamo che in futuro ci saranno auto elettriche?” chiede Ascanelli. “Chi oggi ha un vantaggio nel mercato automobilistico tende a cercare di conservarlo, mentre chi non dispone di questa sicurezza tende a cercare altrove la sua nicchia e i vantaggi competitivi attraverso i quali assicurarsi una presenza importante. E’ tutta una scommessa”, conclude.
E’ innegabile, però, che l’opportunità o il rischio che occorra un cambiamento “dirompente” con il passare degli anni, e il diffondersi di nuove tecnologie, stia aumentando.
il solo freno rigenerativo non è sufficiente tuttavia per assicurare una frenata pronta ed efficace, perché nel momento in cui le batterie raggiungono il massimo della carica si presenta il problema di non sovraccaricarle. I freni dissipativi sono quindi qui per restare, e la questione è come fare ad armonizzarlo con quello rigenerativo.
La coesistenza di due sistemi frenanti porta alla luce problemi di bilanciamento ai quali Brembo sta lavorando integrando nei suoi freni oltre alle abituali competenze di fisica, meccanica, metallurgia, anche una componente micro elettronica.
L’intento è quello di elaborare un chiaro utilizzo di entrambi gli impianti.
Una buona quantità di elettronica è già presente nel cosiddetto ‘Brake by wire’ (che consiste nel comandare il freno non più per via meccanica o oleodinamica, ma con attuatori che rispondono a comandi elettrici via filo), ma nel sistema di bilanciamento della frenata dissipativa con quella rigenerativa, ne occorre molta di più.
“La sfida è collegare la richiesta di coppia frenante inviata dall’utente alla capacità del sistema dissipativo di erogare coppia in funzione dello stato di carica delle batterie.
L’obiettivo dev’essere la massimizzazione della frenata rigenerativa”, precisa Ascanelli.
Brembo, immagina quindi un freno dissipativo, ad azionamento elettrico, che viene gestito da un sistema di controllo elettrico e che sa quanto sta frenando il motore rigenerativo.
A questo problema, si aggiunge la necessità di assicurare la continuità dell’impianto frenante dissipativo in caso d’incapacità del sistema rigenerativo. In condizioni di emergenza una vettura deve avere un comportamento istintivamente prevedibile.
Su questo insieme di temi Brembo lavora a stretto contatto con STMicroelettronica che tra Agrate e Catania ha un raro patrimonio di microelettronica di potenza e di sensori avanzati come i MEMS (vedi “Rivoluzione MEMS“).
Un altro tema affrontato da Ascanelli è quello dei sistemi di trasporto urbano, che generalmente hanno una gittata più breve e offrono, così, la prospettiva di ottimizzare gli spazi per preservare quelli all’interno delle vetture.
Qui si apre l’architettura di una ruota ibrida che, come lo stesso Ascanelli riassume, “è una delle più complesse da sviluppare”.
Ma la microelettronica diventa presto contagiosa, e dopo il bilanciamento di frenate dissipative e rigenerative, Brembo ha visto la sua utilità per l’ottimizzazione dinamica di un parametro molto importante dei suoi freni ‘al limite’: la millimetrica distanza tra pinza e disco. La distanza della pastiglia dal disco, quando non si frena, deve essere piccola e costantemente piccola, altrimenti il freno non risponde in modo veloce e costante alla richiesta del pilota (pedale lungo o spugnoso). Allo stesso tempo, i due elementi non devono andare in contatto, altrimenti si frena anche quando il pilota non lo vuol fare, e si butta energia direttamente dal motore al freno.
Il tema è aggravato dal fatto che si lavora in un ambiente dove le temperature possono raggiungere i 700 °C e le vibrazioni sono elevate. Solo sensori moto avanzati come i MEMS possono aiutare. E qui, torna in gioco la collaborazione con ST…
(MO)
