Avanzamento Chiave per la Ricarica Wireless dei Veicoli Elettrici
Un team di ingegneri cinesi ha presentato una soluzione ingegneristica che potrebbe finalmente superare due dei principali ostacoli all’adozione di massa della ricarica wireless per veicoli elettrici (VE): la necessità di un allineamento perfetto tra il veicolo e la stazione di ricarica e l’incapacità dei sistemi esistenti di adattarsi al profilo di carica a due fasi delle batterie agli ioni di litio. Il nuovo sistema, sviluppato da ricercatori dell’Ufficio di Fornitura Energetica di Liuzhou della Guangxi Power Grid Corporation in collaborazione con l’Università di Chongqing, combina un design innovativo della bobina con un sofisticato controllo della frequenza, dimostrando una capacità di trasferimento energetico stabile e altamente efficiente anche quando il veicolo è significativamente fuori posizione.
La promessa della ricarica senza fili è sempre stata la sua comodità e semplicità. Immaginate di parcheggiare semplicemente il vostro VE su una piattaforma di ricarica, senza dover maneggiare cavi pesanti o sporchi, e di vedere le cifre del vostro stato di carica salire automaticamente. Questo livello di convenienza non solo migliora l’esperienza dell’utente, ma è anche un requisito fondamentale per il futuro della mobilità autonoma, dove i veicoli devono essere in grado di caricarsi senza alcun intervento umano. Tuttavia, la realtà dei sistemi di ricarica wireless attuali è stata spesso deludente. La maggior parte dei design soffre di un calo drammatico dell’efficienza quando il veicolo non è perfettamente allineato con la bobina trasmittente, un evento comune in scenari di parcheggio reali. Inoltre, le batterie agli ioni di litio, che alimentano quasi tutti i VE moderni, richiedono un processo di carica specifico: una prima fase a corrente costante (CC) per una ricarica rapida, seguita da una fase a tensione costante (CV) per completare la carica in modo sicuro e prevenire il degrado della batteria. Progettare un sistema wireless che possa gestire entrambe queste fasi in modo efficiente e stabile ha rappresentato una sfida tecnica persistente.
Il lavoro guidato da Hongchen Lu, Jinxi Dong, Xiliu Liu e Guanlin Chen dell’Ufficio di Fornitura Energetica di Liuzhou, insieme a Jinghai Zhang della Facoltà di Automazione dell’Università di Chongqing, affronta direttamente questi due problemi con un approccio elegante e integrato. La loro soluzione non si basa su un singolo trucco, ma su due innovazioni fondamentali che lavorano in sinergia: un controllo basato sul salto di frequenza e un rivoluzionario design della bobina chiamato “bobina piana coassiale bidirezionale”.
Il primo pilastro della loro tecnologia è l’uso di una topologia di compensazione LCC bilaterale. Questa configurazione del circuito è nota per le sue buone prestazioni, ma i ricercatori hanno scoperto le condizioni precise sotto le quali può operare in modo ottimale per la ricarica dei VE. Hanno dimostrato che, progettando attentamente i valori degli induttori e dei condensatori, il sistema può essere fatto funzionare a due frequenze distinte. A una frequenza di base di 100 kHz, il sistema fornisce una corrente di uscita costante, indipendentemente dalle variazioni della resistenza della batteria, realizzando così un perfetto carica CC. Quando la tensione della batteria raggiunge un valore predeterminato, il sistema passa automaticamente a una frequenza leggermente più alta di 107,3 kHz. A questa frequenza, il sistema fornisce una tensione di uscita costante, realizzando la fase CV. Questo “salto di frequenza” è il meccanismo di controllo principale, che permette una transizione fluida e automatica tra i due modi di carica senza bisogno di interruttori meccanici o complessi circuiti di commutazione che aggiungerebbero costo e punti di guasto.
Un aspetto cruciale del design è che, in entrambe le frequenze operative, il sistema raggiunge un “angolo di fase zero” (ZPA). Questo significa che la corrente e la tensione in ingresso sono perfettamente in fase, il che minimizza la potenza reattiva e massimizza l’efficienza complessiva del sistema. Un sistema che opera in condizioni ZPA presenta un carico puramente resistivo alla fonte di alimentazione, il che è altamente desiderabile sia per l’efficienza del caricatore che per la stabilità della rete elettrica locale. Questa caratteristica è un indicatore di un design di alta qualità, poiché garantisce che quasi tutta l’energia prelevata dalla rete venga convertita in potenza utile trasmessa al veicolo.
Il secondo e, probabilmente, il più rivoluzionario pilastro della ricerca è il design fisico della bobina di accoppiamento magnetico. Per superare il problema della disallineazione, il team ha abbandonato il tradizionale design a bobina quadrata. Invece, hanno sviluppato una “bobina piana coassiale bidirezionale” per il lato primario (il trasmettitore installato nel terreno). Questa struttura unica consiste in due bobine concentriche: una bobina esterna e una bobina interna più piccola, collegate in serie ma avvolte in direzioni opposte. Questo design apparentemente paradossale è la chiave della sua straordinaria resistenza alla disallineazione.
La fisica dietro questo design è elegante. La bobina esterna genera il campo magnetico principale che trasferisce l’energia. La bobina interna, essendo avvolta in senso inverso, genera un campo che si oppone parzialmente al campo della bobina esterna. Quando il veicolo si sposta lateralmente, il coefficiente di accoppiamento magnetico tra il trasmettitore e il ricevitore diminuisce. In una bobina convenzionale, questa diminuzione è asimmetrica e provoca una perdita significativa di potenza. Nella bobina coassiale bidirezionale, invece, la riduzione dell’accoppiamento colpisce sia la bobina esterna che quella interna in modo quasi identico. Poiché sono collegate in serie e avvolte in direzioni opposte, la differenza nei loro contributi all’accoppiamento totale rimane costante. In sostanza, il sistema diventa “insensibile” ai cambiamenti simmetrici nell’accoppiamento, permettendo alla potenza trasmessa di rimanere stabile anche con disallineamenti laterali di fino a 200 millimetri, un margine che supera di gran lunga gli errori di parcheggio tipici.
Il processo di progettazione è stato metodico e basato su una profonda comprensione dei principi elettromagnetici. I ricercatori hanno ottimizzato non solo la topologia del circuito, ma anche modellato e simulato estesamente il comportamento del campo magnetico. Hanno scoperto che il rapporto tra la distanza verticale tra le bobine (l’altezza di ricarica) e la dimensione della bobina del trasmettitore è critico. Un rapporto di 0,25 produce un campo magnetico più uniforme nel piano della bobina ricevente, il che è vantaggioso per la stabilità. Hanno anche analizzato l’effetto del rapporto di spire tra le bobine esterna e interna. Un rapporto più alto (più spire all’esterno) aumenta l’accoppiamento massimo, ma aumenta anche la sensibilità alla disallineazione. Un rapporto più basso migliora la robustezza ma riduce la potenza massima. Il design finale, con 12 spire nella bobina esterna e 8 nella bobina interna, rappresenta un compromesso ottimale tra potenza e tolleranza agli errori. Il “passo” dell’avvolgimento, o la distanza tra le spire, si è rivelato avere un impatto minimo sulla tolleranza alla disallineazione, consentendo un avvolgimento stretto per massimizzare la densità di potenza.
Per testare la loro teoria, il team ha costruito un prototipo a grandezza naturale. Le bobine primaria e secondaria sono state realizzate con filo Litz da 5 mm, un materiale che minimizza le perdite di energia ad alta frequenza. La bobina secondaria (sul veicolo) aveva 15 spire. Invece di utilizzare un carico ideale, i ricercatori hanno utilizzato un simulatore di batteria basato su un pacco batteria reale di un veicolo elettrico Hikvision Q7-1000E, il che aggiunge una fondamentale rilevanza pratica ai loro test.
I risultati sperimentali sono stati impressionanti. Con le bobine perfettamente allineate, il sistema ha raggiunto un’efficienza del 87,4% erogando 1.643 watt di potenza. Il risultato più eclatante è stato il suo comportamento in caso di disallineazione. Man mano che la bobina secondaria veniva spostata fino a 200 mm, l’efficienza si è mantenuta stabile intorno all’86%, e la potenza in uscita ha oscillato leggermente intorno ai 1,6 kW. Questa stabilità è un importante traguardo. A titolo di confronto, un design di bobina quadrata convenzionale, testato nelle stesse condizioni, ha visto la sua efficienza scendere dall’86,5% al 82,2% e la sua potenza in uscita diminuire drasticamente da 1,63 kW a 1,24 kW. Questo confronto diretto evidenzia la superiorità del nuovo design.
Il sistema ha anche dimostrato con successo le sue capacità di carica CC/CV. In modalità CC, ha mantenuto una corrente in uscita di circa 18,1 A con cambiamenti di carico, e quando le bobine erano disallineate al massimo, la corrente è cambiata solo del 2%. In modalità CV, la tensione in uscita si è mantenuta entro 0,5 V dal suo valore obiettivo, una fluttuazione di soli l’1%, essenziale per la longevità e la salute delle batterie agli ioni di litio.
Questo progresso ha profonde implicazioni per il futuro della mobilità elettrica. Non solo rende la ricarica wireless più pratica per i conducenti, ma apre anche la porta a nuove applicazioni industriali. Flotte di autobus elettrici o veicoli di consegna potrebbero parcheggiare nei loro depositi ogni notte e ricaricarsi automaticamente senza alcun intervento umano. In ambienti urbani, questa tecnologia potrebbe essere integrata in parcheggi o persino in tratti di strada per la ricarica dinamica, consentendo ai veicoli di ricaricarsi mentre guidano.
La collaborazione tra un’azienda di servizi pubblici, Guangxi Power Grid, e un’università leader, l’Università di Chongqing, è un modello esemplare di come la ricerca accademica e le esigenze del mondo reale possano convergere per generare innovazione. La pubblicazione di questi risultati su Journal of Chongqing University, Vol. 47, Num. 8, agosto 2024, con il titolo “Research on constant current/constant voltage output of electric vehicle wireless charging system and anti-offset magnetic energy coupling mechanism”, con il DOI 10.11835/j.issn.1000.582X.2024.08.007, garantisce che questo lavoro all’avanguardia sia disponibile per la comunità scientifica e ingegneristica globale. Gli autori sono Hongchen Lu, Jinxi Dong, Xiliu Liu, Guanlin Chen dell’Ufficio di Fornitura Energetica di Liuzhou di Guangxi Power Grid Co., Ltd., e Jinghai Zhang della Facoltà di Automazione, Università di Chongqing.