Bobine circolari ottimizzate migliorano la ricarica wireless per veicoli elettrici in caso di disallineamento
Nell’evoluzione della mobilità elettrica, la ricerca di soluzioni di ricarica sempre più pratiche, sicure ed efficienti ha portato l’industria a esplorare tecnologie oltre il tradizionale cavo. Tra queste, la ricarica wireless basata sull’accoppiamento risonante magnetico sta emergendo come una delle opzioni più promettenti, soprattutto per applicazioni dinamiche in cui i veicoli ricevono energia mentre sono in movimento. Tuttavia, un ostacolo critico al suo utilizzo su larga scala rimane la sensibilità del sistema al disallineamento laterale tra la bobina trasmittente, posizionata sulla strada, e quella ricevente, montata sotto il veicolo. Anche piccole deviazioni dalla posizione ideale possono compromettere significativamente l’efficienza del trasferimento energetico.
Un recente studio condotto da Wang Xin, Zhao Weihua e Wei Junzhao del Dipartimento di Ingegneria dei Veicoli dell’Università Aeronautica di Xi’an ha affrontato questa sfida con un approccio innovativo, dimostrando che una progettazione accurata delle bobine può garantire prestazioni elevate anche in condizioni di disallineamento. Pubblicato sul Journal of Xi’an Aeronautical University, il lavoro mette in luce come le bobine di forma circolare, quando ottimizzate con geometrie di avvolgimento specifiche e integrate con un nucleo in ferrite di tipo E, superino in prestazioni quelle quadrate, tradizionalmente considerate più adatte a questo tipo di applicazione.
I risultati rappresentano un passo avanti concreto verso sistemi di ricarica wireless realmente pratici, capaci di funzionare in condizioni di guida reali, senza richiedere una precisione millimetrica nella posizione del veicolo.
Il problema del disallineamento laterale
Nei sistemi di ricarica wireless dinamica, l’energia viene trasferita in modo non contatto da bobine installate nel manto stradale a una bobina ricevente montata sul fondo del veicolo. A differenza della ricarica statica, in cui il veicolo può essere posizionato con cura sopra la stazione di ricarica, durante la marcia non è possibile garantire un allineamento perfetto. Fattori come il comportamento del guidatore, le irregolarità della carreggiata, il rollio del veicolo o semplici spostamenti di corsia causano inevitabilmente uno scostamento laterale tra le due bobine.
Questo disallineamento riduce il coefficiente di accoppiamento magnetico, provocando una diminuzione dell’induttanza mutua e, di conseguenza, una caduta della potenza in uscita e dell’efficienza del sistema. In configurazioni non ottimizzate, uno spostamento di soli 10 cm può far precipitare l’efficienza oltre il 40%, rendendo il sistema inefficiente e poco affidabile.
Per questo motivo, molti progettisti hanno privilegiato geometrie come le bobine DD (a forma di D doppia) o quelle quadrate, ritenute più tolleranti alle variazioni di posizione o più facili da integrare negli spazi limitati del telaio automobilistico. Le bobine circolari, nonostante la loro simmetria intrinseca, sono state spesso considerate meno adatte a causa della loro supposta maggiore sensibilità al disallineamento. Tuttavia, questa ricerca ribalta tale assunzione, dimostrando che con un design accurato, la forma circolare non solo è competitiva, ma può superare le alternative.
Confronto tra bobine circolari e quadrate
Per valutare le prestazioni in condizioni reali, il team ha sviluppato un modello di simulazione congiunta utilizzando ANSYS Maxwell e ANSYS Simplorer, strumenti leader nell’analisi elettromagnetica e nella simulazione circuitale. Questo approccio ha permesso di analizzare non solo il comportamento del campo magnetico, ma anche la risposta elettrica completa del sistema di trasferimento di energia risonante.
Le simulazioni sono state condotte in conformità con lo standard GB/T 38775.1-2020, che definisce i requisiti per i sistemi di ricarica wireless per veicoli elettrici, in particolare per il livello WPT1. Sono stati impostati una distanza verticale tra le bobine di 15 cm — tipica per un’automobile di serie — e una potenza in ingresso di 3,5 kW. Entrambe le configurazioni, circolare e quadrata, sono state modellate con area superficiale equivalente per garantire un confronto equo.
In condizioni di perfetto allineamento, entrambe le bobine hanno mostrato prestazioni simili, con efficienze superiori all’80%. Tuttavia, introducendo spostamenti laterali progressivi, le differenze si sono fatte evidenti.
Con uno scostamento di 10 cm, la bobina quadrata ha visto la propria efficienza scendere al 62%, con una potenza in uscita di circa 2,1 kW. La bobina circolare, al contrario, ha mantenuto un’efficienza prossima al 70%, raggiungendo una potenza di 2,43 kW. Questo vantaggio, superiore al 15% in termini di energia trasferita, si è mantenuto anche con uno spostamento di 20 cm, dove la bobina circolare ha continuato a prestarsi meglio.
Sebbene la bobina quadrata abbia mostrato una maggiore stabilità in tensione e corrente — indicando fluttuazioni elettriche più contenute — la potenza totale trasferita è rimasta costantemente inferiore. Questo evidenzia un punto cruciale: la stabilità non equivale necessariamente a prestazioni superiori; ciò che conta davvero è la quantità di energia che raggiunge la batteria.
I ricercatori attribuiscono il miglior rendimento della bobina circolare alla sua distribuzione simmetrica del campo magnetico, che permette un’accoppiamento più uniforme anche in caso di spostamento. Inoltre, l’assenza di angoli vivi — tipici delle bobine quadrate — riduce le concentrazioni locali di flusso e le perdite associate, contribuendo a un degrado più graduale dell’efficienza durante il disallineamento.
Ottimizzazione strutturale: miglioramento del coefficiente di accoppiamento attraverso la geometria dell’avvolgimento
Dopo aver confermato la superiorità iniziale della bobina circolare, il team ha proceduto con un’ottimizzazione strutturale. Invece di modificare parametri fondamentali come il diametro o il numero di spire — che avrebbero potuto complicare l’integrazione nel veicolo — si è concentrato sulla geometria dell’avvolgimento stesso.
Tradizionalmente, le bobine a spirale piana sono realizzate con un passo uniforme tra le spire. I ricercatori hanno però proposto un nuovo metodo: un “passo decrescente progressivo” nelle ultime cinque spire, riducendo lo spazio tra di esse di 0,2 cm per spira. Questo avvolgimento più stretto nella zona centrale intensifica il campo magnetico nel cuore della bobina, migliorando l’induttanza propria e l’accoppiamento mutuo senza aumentare in modo significativo le perdite resistive.
I risultati della simulazione hanno mostrato miglioramenti evidenti. In posizione centrata, la bobina ottimizzata ha raggiunto un coefficiente di accoppiamento di 0,34 e un’efficienza dell’85,1%. Con uno spostamento laterale di 10 cm, il coefficiente si è mantenuto a 0,29 e l’efficienza a 75,8%. Si tratta di un netto miglioramento in termini di robustezza, poiché la velocità di decadimento dell’efficienza è stata notevolmente ridotta.
Anche con 20 cm di spostamento — oltre il range operativo tipico — la bobina ottimizzata ha mantenuto prestazioni accettabili, sebbene con un calo più marcato. Questi risultati confermano che piccole modifiche nella geometria dell’avvolgimento possono avere un impatto sproporzionatamente positivo sulla tolleranza al disallineamento.
Integrazione di nuclei magnetici: concentrazione del flusso con nucleo in ferrite di tipo E
Nonostante i progressi, le bobine senza nucleo magnetico tendono a disperdere una parte significativa del campo magnetico nell’ambiente circostante. Questa fuga non solo riduce l’efficienza, ma aumenta anche le interferenze elettromagnetiche (EMI), un problema critico in contesti urbani e veicolari. Per contenere e guidare il flusso, i ricercatori hanno integrato un nucleo magnetico nella bobina.
Sono stati valutati tre tipi comuni: tipo I (piastre piatte), tipo U (parzialmente avvolgenti) e tipo E (con colonna centrale e bracci laterali). Sebbene i nuclei tipo U offrano un migliore schermaggio e quelli tipo I siano più economici, i nuclei tipo E si sono distinti per la loro superiore capacità di accoppiamento magnetico. La loro struttura concentra il flusso attraverso la colonna centrale e lo riporta indietro tramite i bracci laterali, massimizzando l’interazione con la bobina ricevente.
Dopo aver valutato costi, fattibilità produttiva e prestazioni, il team ha optato per un nucleo in ferrite di tipo E. La sezione cilindrica centrale aveva un raggio di 4,5 cm e uno spessore uniforme di 1 cm, uguale in tutti i segmenti del nucleo. Il materiale in ferrite è stato scelto per l’elevata permeabilità e le basse perdite per correnti parassite alle frequenze tipiche di funzionamento (tra 20 e 100 kHz).
Con il nucleo integrato, sono state eseguite nuove simulazioni in condizioni di disallineamento laterale. I risultati sono stati impressionanti.
In assenza di disallineamento, l’efficienza ha superato il 90%. Con uno spostamento di 10 cm, il sistema ha erogato una potenza massima di 3.174,4 W con un’efficienza del 90,1%. Anche con 20 cm di spostamento — uno scenario estremo — la potenza si è mantenuta a 2.996,4 W e l’efficienza ha superato l’85%.
Questi valori soddisfano e superano i requisiti della norma GB/T 38775.1-2020, che richiede un’efficienza minima dell’85% in condizioni di disallineamento. Raggiungere questo standard senza necessità di sistemi attivi di correzione o allineamento automatico rappresenta un passo decisivo verso la fattibilità commerciale.
Le visualizzazioni del campo magnetico hanno confermato che il nucleo tipo E concentra efficacemente il flusso, minimizzando le dispersioni. Il campo risultante è più direzionale e focalizzato, migliorando l’interazione con la bobina ricevente anche in caso di spostamento. La combinazione della bobina circolare con il nucleo tipo E crea una curva di efficienza relativamente piatta nella zona centrale, il che significa che piccole deviazioni non influiscono drasticamente sulle prestazioni.
Implicazioni per l’infrastruttura di ricarica futura
Le implicazioni di questa ricerca vanno ben oltre il laboratorio. Mentre città e gestori stradali esplorano l’installazione di corsie di ricarica dinamica, la scelta della geometria della bobina sarà determinante per costo, efficienza ed esperienza utente.
Sistemi basati su bobine sensibili al disallineamento richiederebbero una guida estremamente precisa — forse con assistenza autonoma di alto livello — o frequenti soste per compensare una ricarica intermittente. Al contrario, un design robusto come quello proposto permette una guida naturale, riducendo la necessità di intervento del conducente o di sistemi avanzati di navigazione.
Inoltre, l’uso di nuclei in ferrite, sebbene aumenti il costo del materiale, migliora non solo l’efficienza ma anche la compatibilità elettromagnetica. Contenendo il campo magnetico, questi sistemi generano meno interferenze, rispettando normative rigorose necessarie per il loro impiego in spazi pubblici.
Dal punto di vista produttivo, il design è scalabile. Il pattern di avvolgimento modificato può essere realizzato con macchine standard, e i nuclei in ferrite di tipo E sono disponibili commercialmente. Ciò facilita l’integrazione in veicoli di produzione di massa e in infrastrutture stradali.
Verso la standardizzazione e il lancio commerciale
Il rispetto della norma GB/T 38775.1-2020 è particolarmente rilevante. Essendo uno dei primi standard nazionali per la ricarica wireless dei veicoli elettrici, stabilisce parametri di prestazione che produttori e infrastrutture devono rispettare. Dimostrando la conformità attraverso simulazioni rigorose, questa ricerca fornisce una traccia valida per le aziende che desiderano entrare in questo mercato in crescita.
Inoltre, la metodologia — che combina simulazione elettromagnetica e modellazione circuitale — offre un quadro replicabile per future innovazioni. Gli ingegneri possono applicare approcci simili per testare nuovi materiali, forme di bobine o topologie di compensazione in condizioni realistiche prima della prototipazione fisica.
Sebbene lo studio si concentri su scenari statici di disallineamento, ricerche future potrebbero esplorare spostamenti dinamici durante il movimento, integrando velocità del veicolo, dinamica della sospensione e variazioni della strada. Il monitoraggio in tempo reale e l’adattamento dinamico potrebbero ulteriormente migliorare le prestazioni, anche se la robustezza passiva dimostrata qui riduce la necessità di complessità aggiuntiva.
Conclusione: un passo verso la ricarica senza attriti
La ricerca di Wang Xin, Zhao Weihua e Wei Junzhao rappresenta un avanzamento significativo nella praticità della ricarica wireless per veicoli elettrici. Rivalutando il potenziale delle bobine circolari — spesso trascurate — e combinandole con un’ottimizzazione geometrica e l’uso strategico di nuclei in ferrite di tipo E, hanno sviluppato un sistema in grado di mantenere un’alta efficienza anche in caso di disallineamenti sostanziali.
Il loro lavoro dimostra che una trasmissione energetica affidabile non richiede necessariamente sistemi complessi o un allineamento perfetto. Al contrario, scelte di progettazione passive e intelligenti possono offrire soluzioni resilienti, efficienti e conformi agli standard, pronte per il mondo reale.
Mentre l’industria prosegue verso l’elettrificazione e l’autonomia, tecnologie come questa giocheranno un ruolo cruciale nella prossima generazione della mobilità. La visione di strade che ricaricano i veicoli mentre guidano non è più fantascienza: si sta trasformando in realtà, una bobina ottimizzata alla volta.
Bobine circolari ottimizzate migliorano la ricarica wireless per veicoli elettrici in caso di disallineamento
Wang Xin, Zhao Weihua, Wei Junzhao, School of Vehicle Engineering, Xi’an Aeronautical University
Journal of Xi’an Aeronautical University, doi: 10.3969/j.issn.1671-7449.2024.01.013