Quanto si può rigenerare?

Nel capitolo di fisica, spieghiamo i dettagli dietro i calcoli. Tuttavia, è essenziale capire che un oggetto in movimento possiede energia cinetica che un'auto elettrica può recuperare tramite frenata rigenerativa. Allo stesso modo, un veicolo in posizione elevata ha energia potenziale che può anch'essa essere recuperata.

Inoltre, la resistenza aerodinamica e la resistenza al rotolamento si oppongono al movimento dell'auto.

Il gruppo motopropulsore non è privo di perdite, il che significa che parte dell'energia si disperde durante la conversione dell'energia dalla batteria al movimento dell'auto o viceversa. Tipicamente, questa efficienza è circa l'80-85% in un'auto elettrica. Per i nostri calcoli, utilizziamo l'80%.

Scenario 1: Pikes Peak

Prendiamo Pikes Peak come esempio. Questa montagna è alta 14,110 ft (4,300 metri). Se percorri in discesa i primi 18.6 miglia, scendi di 6,538 ft (1,993 metri).

Per un'Audi e-tron 55 dal peso di 2,900 kg, questa discesa equivale a 15.74 kWh di energia potenziale.

La discesa di 18.6 miglia (30 km) a bassa velocità, considerando la resistenza al rotolamento e una velocità di 40 km/h, comporta un consumo energetico di 10.52 kWh/100 km.

Per 30 km, ciò significa 3.15 kWh in totale. Questa energia sarà sottratta all'energia potenziale.

Pertanto, è possibile rigenerare 12.59 kWh. Con un'efficienza dell'80%, questo si traduce in 10.07 kWh restituiti alla batteria.

Nel video qui sotto, puoi vedere un test reale di questo percorso e la quantità di energia rigenerata.

Scenario 2: Arresto completo da 75 mph

In questo scenario, l'auto si muove a 75 mph (120.7 km/h) e deve fermarsi completamente a un semaforo rosso.

Come mostrato nel grafico qui sotto, fermarsi da 75 mph per un'Audi e-tron da 2,900 kg comporta un'energia cinetica totale di 0.473 kWh.

Con un'efficienza del gruppo motopropulsore dell'80%, l'auto può recuperare 0.38 kWh da restituire alla batteria.

Un viaggio completo di 100 km (62 miglia) con 10 fermate di questo tipo consentirebbe di risparmiare 3.8 kWh rispetto a un'auto dotata solo di freni a attrito.

Ciò si traduce in una riduzione del consumo di 3.8 kWh/100 km.

Scenario 3: Riduzione della velocità da 30 mph a fermata completa

Questo scenario rappresenta una guida tipica in città. Quando si viaggia a 30 mph (48.28 km/h), l'Audi e-tron possiede un'energia cinetica totale di 0.0756 kWh.

Con un'efficienza del gruppo motopropulsore dell'80%, questo salva 0.061 kWh da restituire alla batteria.

Se percorri 100 km nel traffico cittadino e devi effettuare 100 fermate di questo tipo, risparmi 6.05 kWh di energia.

Questa rigenerazione riduce il consumo di energia di 6.05 kWh/100 km rispetto a un'auto con solo freni a attrito.

Scenario 4: Discesa dal monte Saltfjellet

Questa montagna si trova nella Norvegia settentrionale e la strada principale da Sud a Nord la attraversa (E6).

Se consideriamo questa sezione della strada dove inizia la discesa, vediamo che l'inizio è a 650 metri (2,132 feet) e termina a 125 metri (410 feet) sul livello del mare. Con una distanza di 16.4 km (10.2 miglia), ciò comporta un declino del 3.1%.

Questo si traduce in un'energia potenziale di 4.147 kWh.

Il limite di velocità è 80 km/h (49.7 mph) e, basandosi sul consumo standard su strada asciutta, l'auto necessita di 2.49 kWh per percorrere questa distanza, consumati dall'energia potenziale.

Il resto può essere rigenerato e, con un'efficienza dell'80%, ciò fornisce 1.3 kWh di ritorno alla batteria.

1.3 kWh dovrebbe fornire un'autonomia aggiuntiva di 6.8 km a 80 km/h (49.7 mph).

Comprendere la fisica

Energia cinetica

Un oggetto in movimento possiede energia cinetica, che dipende dalla massa e dalla velocità dell'oggetto.

La formula è:

Dove:

• KE = energia cinetica in Joule
• m = massa dell'oggetto in chilogrammi
• v = velocità dell'oggetto in metri al secondo

Inoltre, 1 Joule equivale a 2.778·10⁻⁴ Wh.

In tutti i calcoli in questa pagina, utilizziamo l'Audi e-tron 55 con un peso di 2900 kg (auto + conducente). La tabella sottostante mostra l'energia cinetica di questa auto a varie velocità:

| Velocità (km/h) | Velocità (mph) | Velocità (m/s) | Energia cinetica (kWh) | |-----------------|----------------|----------------|------------------------| | 50 | 31.07 | 13.89 | 0.0777 | | 80 | 49.7 | 22.222 | 0.199 | | 104.7 | 65 | 29.0575 | 0.34 | | 120.7 | 75 | 33.528 | 0.453 |

Puoi utilizzare questo calcolatore di energia cinetica per altre velocità. Vedi anche il grafico qui sotto.

Energia cinetica rotazionale

Oltre all'energia cinetica del veicolo, le ruote in rotazione contengono anche energia cinetica rotazionale che può essere rigenerata.

La formula per l'energia rotazionale è:

Dove:

• E = energia cinetica rotazionale in Joule
• I = momento di inerzia in kg·m²
• ω = velocità angolare in radianti al secondo

Il momento di inerzia di una ruota può essere calcolato come:

[ I = M \times R^2 ]

Per un'Audi e-tron con cerchi 265/40 R22 e un peso stimato di 30 kg per ruota e un raggio di 38.54 cm, il calcolo è:

[ I = 30 \times 0.3854^2 = 4.4559948 ]

A 80 km/h, la ruota gira a 566.89 rpm, risultando in un'energia cinetica di 8.724 Wh (0.008724 kWh) per quattro ruote.

Nota: questo calcolo è un'approssimazione poiché la formula assume una forma uniforme della ruota dal centro al bordo. Tuttavia, è sufficientemente accurato per questo contesto.

Puoi provare il calcolatore di energia cinetica rotazionale per altri calcoli.

Energia gravitazionale/potenziale

L'energia potenziale esiste quando il veicolo si trova in una posizione elevata rispetto alla sua destinazione.

La formula è:

Dove:

• U = energia gravitazionale in Joule
• m = massa in kg
• g = campo gravitazionale (9.8 m/s² sulla superficie terrestre)
• h = altezza in metri

Ad esempio, un'Audi e-tron 55 dal peso di 2900 kg a 1000 metri (3280 feet) sul livello del mare possiede un'energia potenziale di 7.8998 kWh (28,492.85 Joule).

In aree con dislivello, l'energia potenziale è la principale fonte di energia rigenerata.

Vedi il calcolatore di energia potenziale.

Riepilogo

Il grafico qui sotto mostra l'energia cinetica totale e i due tipi di energia cinetica.

Comprendere il consumo energetico

Prima di fornire esempi di quanta energia può essere rigenerata, dobbiamo spiegare il consumo energetico, poiché influisce sui risultati.

Consumo per resistenza aerodinamica

Un'auto in movimento sperimenta una resistenza aerodinamica che si oppone al suo avanzamento.

La formula per la resistenza aerodinamica è:

Dove:

• P = densità dell'aria (1.225 kg/m³ a 15 °C)
• u = velocità in metri al secondo
• A = area frontale dell'auto (2.65 m² per Audi e-tron)
• CD = coefficiente di resistenza aerodinamica (0.28 per Audi e-tron 55)

Ad esempio, a 80 km/h, la potenza richiesta per superare la resistenza aerodinamica è 4.9 kW (6.23 kWh/100 km).

Si noti che la potenza necessaria a spingere un oggetto attraverso un fluido aumenta con il cubo della velocità. Pertanto, un'Audi e-tron 55 che viaggia a 160 km/h richiede 39.89 kW (24.94 kWh/100 km) per superare la resistenza aerodinamica.

La temperatura influisce sulla densità dell'aria. A -25 °C, la densità è 1.4224 kg/m³, aumentando il consumo a 80 km/h a 7.23 kWh/100 km.

Per tutti i calcoli in questo articolo, assumiamo una temperatura di 15 °C.

Resistenza al rotolamento

Oltre alla resistenza aerodinamica, la resistenza al rotolamento proveniente dalle ruote e da altri componenti del gruppo motopropulsore si oppone al movimento.

Stimare la resistenza al rotolamento è complesso, ma conoscendo il consumo totale, il consumo dovuto alla resistenza aerodinamica e l'efficienza del gruppo motopropulsore, possiamo stimare la resistenza al rotolamento per l'Audi e-tron.

Secondo la cronologia di guida, guidare su strada asciutta a 80 km/h in estate richiede circa 19 kWh/100 km dalla batteria. Assumendo un'efficienza del gruppo motopropulsore dell'80%, il fabbisogno energetico totale è 15.2 kWh/100 km, inclusa la resistenza aerodinamica.

Sottraendo l'energia necessaria per la resistenza aerodinamica, abbiamo circa 8.95 kWh/100 km per superare la resistenza al rotolamento.

Questa stima varia con le condizioni della strada; strade bagnate o innevate aumentano la resistenza al rotolamento.

Riepilogo del consumo

Il diagramma qui sotto mostra il consumo calcolato necessario per superare la resistenza aerodinamica e al rotolamento, e il consumo dalla batteria basato su un'efficienza del gruppo motopropulsore dell'80%. L'efficienza effettiva dovrebbe essere intorno all'80%.

Vedi la tabella completa con energia cinetica e consumi per tutte le velocità da 1 a 100 mph (1-161 km/h).

La rigenerazione è sempre la scelta migliore?

Poiché la frenata rigenerativa è efficiente solo all'80%, è meglio evitarne l'uso quando possibile. Per lo scenario 1, scendere da Pikes Peak è impossibile senza frenata rigenerativa. Senza rigenerazione, si finirebbe per schiantarsi. Tuttavia, su strade pianeggianti negli scenari 2 e 3, è meglio guardare avanti e lasciare che l'auto vada a vela, sfruttando la resistenza al rotolamento e la resistenza aerodinamica per ridurre la velocità.

Ciò significa sollevare il piede dall'acceleratore in anticipo per fermarsi al punto desiderato in modo naturale.

Quanto risparmierebbe di energia? Due fattori riducono il consumo totale:

• Non si perderà il 20% dell'energia cinetica durante la rigenerazione.
• Non si perderà il 20% dell'energia cercando di mantenere la velocità.

Teoricamente, questo può far risparmiare:

• Scenario 2: 1.89 kWh/100 km
• Scenario 3: 3.02 kWh/100 km

Tuttavia, ciò si riferisce allo scenario ideale in cui si può calcolare con precisione quando sollevare il piede dall'acceleratore. In realtà, il beneficio sarebbe minore, poiché potrebbe essere necessario aggiungere potenza o frenare alla fine se si calcola male.

È possibile vedere in auto quanta energia è stata rigenerata?

Un malinteso comune è che si possa guardare l'autonomia segnalata dall'auto per vedere quanta energia è stata rigenerata. Per la maggior parte delle auto, ciò non è possibile.

Il calcolo dell'autonomia si basa sugli ultimi 100 km percorsi. Se prendiamo lo scenario 4 e assumiamo che l'auto sia stata guidata dal livello del mare fino alla cima a 650 metri a 80 km/h (49.7 mph), il consumo sarebbe di 25.4 kWh/100 km a 650 metri.

Per un'Audi e-tron 55 con una capacità della batteria di 86.5 kWh, l'autonomia verrebbe calcolata in 340 km (211 miglia) per una batteria carica in base a questo consumo.

Dopo aver percorso in discesa il tratto stradale dello scenario 4, il consumo totale dalla batteria si ridurrebbe da 25.4 kWh/100 km a 21 kWh/100 km.

Ciò aumenterebbe l'autonomia calcolata a 411 km (255 miglia) per una batteria completamente carica (meno a seconda del reale SoC). Sulla base di ciò, potresti erroneamente pensare di aver rigenerato 71 km (44 miglia), ma la quantità corretta è 6.8 km (4.2 miglia).

Questo tipo di aumento può essere osservato anche in scenari in cui non c'è rigenerazione, ma solo una discesa che riduce il consumo.

L'unico modo per sapere quanta energia hai rigenerato è osservare quanto cambia lo stato di carica della batteria dalla cima alla base della montagna.

Guida a un pedale vs. rigenerazione manuale/automatica

A seconda dell'auto elettrica, puoi usare la frenata rigenerativa in modi diversi:

• Manuale: utilizzando solo il pedale del freno
• Automatica: lasciando che l'auto decida quando rigenerare
• Guida a un pedale: rigenerazione automatica quando si solleva il piede dal pedale dell'acceleratore

Tutti i metodi utilizzano gli stessi componenti del gruppo motopropulsore elettrico per la frenata, quindi hanno la stessa efficienza.

Tuttavia, la guida a un pedale ha un'efficienza leggermente ridotta negli scenari in cui il conducente desidera passare dall'erogazione di potenza al veleggiamento.

Poiché devi mantenere il piede sul pedale in una posizione specifica per non consumare energia né frenare, passerai sempre più tempo a trovare questa posizione anziché semplicemente sollevare il piede dal pedale. Inoltre, serve un po' di pratica per mantenere il piede nella posizione perfetta.

Ecco perché produttori come Audi, Mercedes e Porsche raccomandano di usare la rigenerazione automatica insieme al veleggiamento per risparmiare energia.

La differenza è piccola, probabilmente inferiore al 10% della differenza tra veleggiamento e frenata rigenerativa negli scenari in cui il veleggiamento è possibile.

Non c'è differenza per scenari come lo scenario 1 poiché utilizzerai la frenata rigenerativa per mantenere l'auto sulla strada.

Poiché la differenza è così piccola, dovresti scegliere in base alle tue preferenze.