L’aumento dei prezzi dell’energia e l’inasprimento delle normative sulle emissioni hanno portato alla ricerca di soluzioni tecniche per risparmiare energia e ridurre le emissioni nocive. Oltre al miglioramento dell’efficienza termica dei motori e alla riduzione degli attriti nelle trasmissioni e nell’aerodinamica dei veicoli sono stati sviluppati i dispositivi “Stop-Start” che fanno spegnere automaticamente i motori senza intervento del conducente in tutte quelle pause di attesa ai semafori e nelle code, molto frequenti nei percorsi urbani, dove non è necessario disporre dell’energia da questi fornita.
I dispositivi “Stop-Start” permettono un risparmio di carburante fino al 15% con riduzione delle emissioni di CO2, soprattutto nella marcia nei centri urbani dove è possibile ottenere i maggiori benefici in termini di consumi.
La necessità di far fronte a frequenti spegnimenti e riavviamenti automatici del motore con conseguenti carichi di corrente supplementare comporta delle modifiche ai sistemi di gestione elettronica del veicolo e l’adozione di batterie adeguate alle maggiori richieste di energia dell’impianto elettrico durante le fermate a motore spento e a correnti di ricarica più intense per recuperare velocemente la carica subito dopo il riavviamento del motore.
Le batterie in particolare devono essere in grado di sopportare cicli di scarica prolungati e cicli di ricarica brevi e intensi.
Da qui la necessità di adottare batterie adeguate a queste nuove esigenze.
Il rendimento di carica
La batteria non restituisce tutta la corrente che riceve in fase di carica: una parte della corrente viene dispersa sotto forma di calore durante le reazione chimica all’interno delle celle elettrolitiche. Questa perdita è dell’ordine del 5-10% per una carica lenta, ma può anche aumentare in caso di carica rapida. Questo significa che per ottenere una carica completa occorre fornire circa il 10% in più della capacità nominale della batteria.
Il circuito di carica
La ricarica della batteria è affidata a un generatore di corrente costituito da un alternatore trifase con regolatore di tensione e raddrizzatore di corrente (*). In base alle condizioni di funzionamento dell’impianto la corrente può essere fornita sia dal generatore che dalla batteria che dispongono della potenza e della capacità adeguata a far fronte alle richieste di energia degli utilizzatori.
(*) L’alternatore trifase assicura un elevato rendimento nella produzione di energia elettrica a fronte di dimensioni compatte, mentre il regolatore di tensione permette di adeguare la corrente in uscita dal generatore ai consumi di corrente dell’impianto e allo stato di carica della batteria mantenendo la tensione costante; il raddrizzatore di corrente trasforma la corrente alternata in corrente continua per assicurare la ricarica della batteria e il corretto funzionamento di tutti i componenti elettrici ed elettronici del veicolo.
Recupero dell’energia in frenata
In decelerazione il motore gira in modalità “cut-off” (*) grazie all’energia cinetica del veicolo in movimento.
In questa condizione l’energia elettrica fornita dall’alternatore non comporta alcun consumo di carburante. Questa produzione “gratuita” di elettricità viene sfruttata per aumentare la corrente di ricarica della batteria durante la frenata allo scopo di ridurne i tempi tra uno “stop-start” e l’altro. Il sistema di gestione elettronica dell’impianto comanda il regolatore di tensione in modo da massimizzare la produzione di energia elettrica in decelerazione (fase passiva) minimizzando così l’apporto energetico durante la fase attiva del motore che comporterebbe un ulteriore, anche se minimo, consumo di carburante per la ricarica della batteria. Il processo permette di recuperare velocemente la carica della batteria ottenendo nel contempo un maggior freno motore; per aumentare la corrente di carica il regolatore di tensione infatti incrementa il campo elettromagnetico induttore dell’alternatore che svolge così azione frenante per il motore e per il veicolo. In questo ciclo energetico la batteria ha un ruolo chiave in quanto deve essere in grado di sopportare cicli di scarica e ricarica intensi e frequenti senza deteriorarsi; ciò è possibile grazie alla tecnologia AGM.
(*) La modalità “cut-off” consiste nella temporanea interruzione dell’iniezione di carburante al motore in fase di decelerazione per ridurre consumi ed emissioni allo scarico.
Ottimizzazione dello stato di carica della batteria
Per un corretto funzionamento del sistema “Stop-Start” occorre evitare che la batteria scenda al di sotto di una certa soglia di carica quando le fermate sono frequenti. La centralina di controllo della batteria adotta una strategia denominata “predizione della tensione di avviamento” che analizza le richieste di corrente e le condizioni di funzionamento del motore e dell’impianto elettrico e disattiva temporaneamente alcune funzioni, soprattutto quelle termiche, che potrebbero portare ad un eccessivo abbassamento dello stato di carica della batteria durante la fase di arresto per poi ripristinarle dopo il riavviamento del motore.
Alcune importanti modifiche ai componenti dell’impianto elettrico…
Centraline elettroniche
Riprogrammazione dei software e aggiunta di un segnale in ingresso specifico per la funzione “Stop-Start”.
Alternatore
Collegamento con la centralina di carrozzeria (body) per incrementare la carica della batteria attraverso il regolatore quando richiesto.
Collegamento con la centralina di carrozzeria (body) per incrementare la carica della batteria attraverso il regolatore quando richiesto.
Batteria
Batteria senza manutenzione di tipo VRLA, AGM o ECM, con maggiore resistenza ai cicli di carica e scarica.
Batteria senza manutenzione di tipo VRLA, AGM o ECM, con maggiore resistenza ai cicli di carica e scarica.
Motorino di avviamento
Adattato per resistere al maggior numero e alla maggior frequenza dei cicli di avviamento.
Adattato per resistere al maggior numero e alla maggior frequenza dei cicli di avviamento.
Rete Multiplex CAN e derivate (*)
Controllo della batteria attraverso apposito sensore sul polo negativo
Centralina di controllo della batteria connessa in rete CAN e collegata all’interfaccia diagnosi
Controllo della batteria attraverso apposito sensore sul polo negativo
Centralina di controllo della batteria connessa in rete CAN e collegata all’interfaccia diagnosi
Cambio e trasmissione
Sensore di rilevamento marcia inserita
Sensore di rilevamento marcia inserita
(*) CAN – Controller Area Network – Rete dei Controllori di Area
Si tratta di una rete di comunicazione digitale tra le principali centraline elettroniche del veicolo realizzata mediante due soli fili (CAN + e CAN -) attraverso i quali vengono scambiati in tempo reale i messaggi di funzionamento dei vari sistemi. Questa tecnologia mutuata dall’informatica semplifica notevolmente l’impianto elettrico dei moderni veicoli dove molte funzioni dei sistemi elettronici sono interdipendenti l’una dall’altra.
Collegamenti dei sistemi “Stop-Start”
1 Servosterzo
2 Segnale di velocità
3 Sistemi di gestione del motore
4 Rilevamento cinture sicurezza
5 Regolazione riscaldamento, ventola, climatizzazione
6 Morsetto 50R (avviamento)
7 Morsetto 30 (+12 V alimentazione centraline)
8 Radio, impianto radio-navigatore
A Batteria
B Motorino di avviamento
C Alternatore
C1 Regolatore di tensione
F Interruttore luci freno
F26 Interruttore pedale frizione
F436 Tasto della funzione Start/Stop
G62 Sensore temperatura liquido raffreddamento
G79 Sensore pedale acceleratore
G701 Sensore di posizione folle del cambio (cambio manuale)
J104 Centralina ABS
J255 Centralina Climatizzatore
J285 Centralina quadro strumenti
J367 Centralina di controllo batteria con sensore
J293 Centralina principale sistema comfort
J500 Centralina servosterzo
J519 Centralina rete di bordo (CAN)
J532 Stabilizzatore di tensione
J533 Interfaccia diagnosi bus dati
J623 Centralina motore ECM
J791 Centralina di assistenza parcheggio
Funzionamento
Il sistema “Stop-Start” è generalmente integrato nella centralina motore che comunica con il resto dell’impianto elettrico attraverso la rete CAN e derivate.
Condizioni di spegnimento automatico motore a veicolo fermo
– Veicolo fermo – velocità 0 km/h
– Regime motore inferiore a 1200 giri/min
– Temperatura liquido raffreddamento compresa tra 25° e 100° C
– Depressione del servofreno superiore a 550 mbar
– Stato di carica della batteria adeguato per riavviare il motore (precedente calcolo di predizione della tensione di avviamento)
– Temperatura della batteria compresa tra -1° e 55° C
– Richiesta di climatizzazione non eccessiva e differenza tra la temperatura richiesta e quella alle bocchette non superiore a 8° C
– Filtro antiparticolato diesel NON in fase di rigenerazione
Condizioni di riavviamento automatico a fine sosta
– Cintura di sicurezza del conducente allacciata
– Cofano motore chiuso
– Porta conducente chiusa
– Leva del cambio in folle (cambio manuale)
– Pedale della frizione premuto (segnale di avviamento per cambio manuale)
– Rilascio del pedale del freno (segnale di avviamento per cambio automatico o robotizzato)
Condizioni di riavviamento automatico durante la sosta
– Movimento del veicolo dovuto al rilascio del pedale del freno
– Attivazioni di funzioni che richiedono il motore in moto (es. lunotto termico, richiesta di maggiore/minore temperatura dal climatizzatore, sedili riscaldati, etc..)
– Cambiamento delle condizioni ambientali, della temperatura del liquido di raffreddamento motore, della temperatura dell’aria interna, etc…
– Depressione nel servofreno insufficiente
– Stato di carica della batteria insufficiente per coprire i fabbisogni dell’impianto
Condizioni di inibizione della funzione “Stop-Start”
– Sistema disattivato dall’apposito tasto
– Stato di carica della batteria insufficiente per riavviare del motore
– Funzione sbrinamento (lunotto, parabrezza, specchietti, etc…)
– Differenza di oltre 8° C di temperatura tra abitacolo e bocchette aria
– Alternatore difettoso
Centralina e sensore di controllo batteria (ove montato)
Sensore di controllo batteria
Il sensore della batteria rileva i seguenti dati:
– Tensione
– Corrente di ricarica
– Temperatura
– Corrente di ricarica
– Temperatura
La centralina di controllo batteria trasmette i dati del sensore alla centralina motore e alle altre centraline collegate in rete CAN per la gestione della funzione “Stop-Start”. In caso di malfunzionamento o interruzione del sensore la funzione “Stop-Start”. viene disattivata.
Batterie VRLA
Come abbiamo già visto le batterie VRLA (Valve Regulated Lead-Acid – al piombo-acido regolate da valvola), di tipo AGM, presentano alcuni importanti vantaggi rispetto alle tradizionali batterie al piombo-acido con elettrodi immersi:
– Maggiore CCA per l’avviamento a freddo
– Maggiore resistenza alla scarica elevata
– Maggiore resistenza a urti e vibrazioni
– Funzionamento anche in posizione non livellata
– Minore deposito di acido
– Assenza di manutenzione
– Maggiore resistenza alla scarica elevata
– Maggiore resistenza a urti e vibrazioni
– Funzionamento anche in posizione non livellata
– Minore deposito di acido
– Assenza di manutenzione
E’ importantissimo tener presente che le batterie VRLA hanno tensioni di cella e tensioni di mantenimento carica diverse dalle batterie a elettrolito liquido.
Questo comporta una calibrazione specifica del sensore e della centralina di controllo batteria, pertanto:
la batteria originale deve essere sostituita
con una dello stesso tipo, dimensioni e capacità
Considerando la sensibilità alle tensioni e alle variazioni di tensione dei moderni sistemi elettronici degli autoveicoli il principio di sostituire la batteria originale con una dello stesso tipo e capacità deve essere sempre rispettato indipendentemente dalla presenza di dispositivi “Stop-Start”.
Stabilizzatore di tensione
Alcuni veicoli sono dotati di uno stabilizzatore di tensione per assicurare l’alimentazione stabilizzata a 12V a tutte le centraline elettroniche in determinate condizioni di utilizzo gravose quando la tensione dell’impianto può scendere al di sotto della soglia critica (es. durante l’avviamento).
In caso di tensione di alimentazione insufficiente alcune centraline possono incorrere nei seguenti malfunzionamenti:
– Accensione della spia diagnostica di errore
– Memorizzazione di codici di guasti inesistenti
– Cancellazione di codici di errore precedentemente memorizzati
– Azzeramento dei dati di funzionamento programmati (data e ora, stazioni radio, temperatura clima, codice di sicurezza GPS, etc…)
– Perdita degli aggiornamenti software
Lo stabilizzatore di tensione è un convertitore DC/DC (*) che entro certi limiti stabilizza la tensione in uscita ad un valore prescritto (nel nostro caso 12V) indipendentemente dalla tensione in ingresso.
(*) Il convertitore DC/DC è un trasformatore di tensione funzionante in corrente continua (DC)
Tabella dei consumi di corrente in Ampere tipici dei principali componenti elettrici ed elettronici
