Sistema di posizionamento wireless per EV raggiunge portata di 1,6 metri
Un significativo balzo in avanti nella tecnologia di ricarica wireless per veicoli elettrici (EV) è stato annunciato dai ricercatori dell’Università di Tecnologia di Harbin. Un team guidato da Sun Tian e dal professor assistente Song Beibei ha sviluppato un sistema di rilevamento della posizione del ricevitore in grado di rilevare con precisione e univocità il veicolo all’interno di un raggio senza precedenti di ben 1,6 metri. Questa innovazione risolve uno dei problemi più persistenti della ricarica wireless: la necessità di un allineamento quasi perfetto tra la bobina del veicolo e la stazione di ricarica a terra per garantire massima efficienza e sicurezza.
Lo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Transactions of China Electrotechnical Society, rappresenta un miglioramento sostanziale rispetto alle soluzioni esistenti. Mentre i sistemi convenzionali sono spesso limitati a un raggio operativo di ±15-30 centimetri, il nuovo sistema raggiunge una distanza massima di rilevamento di ±800 millimetri, raddoppiando di fatto lo standard precedente. All’interno di una zona centrale di ±600 millimetri, la precisione di posizionamento è inferiore a 20 millimetri, consentendo un allineamento praticamente perfetto. Anche nelle regioni più esterne, la precisione rimane inferiore a 50 millimetri, con un tasso di accuratezza complessivo superiore al 96%.
L’importanza di questo sviluppo per l’adozione generalizzata della ricarica wireless è inestimabile. Per i consumatori, ciò significa un’esperienza utente radicalmente migliorata. L’odiato processo di avanzare e arretrare ripetutamente per allineare perfettamente il veicolo con la stazione di ricarica appartiene al passato. Il sistema può guidare il conducente in tempo reale, tramite un display o un’applicazione per smartphone, con una precisione millimetrica, indipendentemente dalla posizione iniziale del veicolo. Questo fattore di comodità è cruciale per abbattere la soglia di ingresso e rendere la tecnologia appetibile per un pubblico più ampio.
Per l’industria automobilistica e i fornitori di infrastrutture, si aprono anche vantaggi significativi. Un allineamento consistente e preciso non è solo una questione di comodità, ma una necessità tecnica. Con un’eccessiva disallineamento, l’efficienza del trasferimento di energia diminuisce drasticamente, risultando in tempi di ricarica più lunghi e un maggior consumo di energia. Allo stesso tempo, aumenta l’emissione di campi elettromagnetici (EMF) al di fuori dell’area di accoppiamento, il che pone potenziali rischi per la sicurezza. Un campo EMF eccessivo può generare alte temperature in oggetti metallici vicini, creando rischi di incendio. Inoltre, esistono preoccupazioni sulla esposizione a campi magnetici a bassa frequenza. Un sistema di posizionamento affidabile come quello sviluppato dai ricercatori di Harbin mitiga significativamente questi rischi, assicurando che il veicolo sia nella posizione ottimale al momento dell’avvio della ricarica.
La tecnologia sottostante si basa sul principio dell’induzione elettromagnetica, specificamente sul metodo di eccitazione a bassa potenza (LPE). A differenza degli approcci alternativi come i sistemi a telecamera, GPS o RFID, che richiedono sensori aggiuntivi e infrastrutture ed sono vulnerabili a fattori ambientali come la scarsa visibilità o le interferenze del segnale, il metodo LPE sfrutta l’ambiente elettromagnetico esistente del sistema di ricarica. Una piccola corrente di prova viene inviata alla bobina a terra (Ground Assembly, GA), che genera un campo magnetico. Questo campo viene rilevato da bobine di rilevamento speciali montate sul veicolo (Vehicle Assembly, VA). L’intensità della tensione indotta in queste bobine dipende direttamente dalla loro posizione relativa alla bobina a terra.
L’avanzamento chiave del team di Harbin risiede nel design intelligente di questo sistema di rilevamento. I metodi tradizionali di posizionamento elettromagnetico si sono scontrati con un limite fondamentale: il campo magnetico generato da una bobina simmetrica è, in sé, simmetrico. Questo crea un problema critico: la stessa tensione può essere misurata in diverse posizioni, rendendo impossibile un rilevamento univoco. Inoltre, l’intensità del campo diminuisce rapidamente con la distanza, limitando l’ambito di rilevamento efficace.
Per superare questi ostacoli, Sun Tian, Song Beibei, Cui Shumei, Zhu Chunbo e Dong Shuai hanno sviluppato un approccio a doppia via. La prima parte è il design fisico dell’array di bobine di rilevamento. Invece di una configurazione simmetrica, i ricercatori hanno concepito un array di tre bobine specificamente non centrato. Questa asimmetria intenzionale rompe la simmetria spaziale del sistema. Di conseguenza, ogni posizione possibile del veicolo all’interno della zona di rilevamento genera una combinazione unica di tensioni nelle tre bobine di rilevamento. Questa unicità è la base per un rilevamento della posizione privo di errori su tutto il raggio.
L’array di bobine è integrato direttamente sotto la bobina ricevente principale del veicolo, massimizzando l’utilizzo dello spazio disponibile e non richiedendo un aumento aggiuntivo dello spessore del telaio. Le bobine stesse sono progettate come avvolgimenti piani a spirale per ridurre al minimo l’altezza. I ricercatori hanno ottimizzato attentamente parametri come il diametro del filo, il numero di spire e la distanza tra di esse per massimizzare l’area magnetica efficace. Un’area più grande significa che più linee di campo magnetico attraversano la bobina, risultando in una tensione indotta più forte e, quindi, in un migliore rapporto segnale-rumore. Ciò è cruciale per poter effettuare misurazioni affidabili anche a distanze maggiori, dove il campo magnetico è più debole.
La seconda parte, ugualmente importante, è l’algoritmo sofisticato di elaborazione dei dati. I ricercatori hanno sviluppato un innovativo “algoritmo ricorsivo basato sull’intersezione di curve di adattamento” per calcolare le coordinate x e y precise del veicolo a partire dalle tre tensioni misurate.
L’algoritmo si basa su una fase di calibrazione estesa, durante la quale viene creata una “banca dati di impronte digitali”. In questa fase, la tensione su ciascuna delle tre bobine di rilevamento viene misurata in centinaia di posizioni definite con precisione all’interno dell’intera zona di rilevamento. A partire da questi dati, vengono create curve dettagliate che rappresentano l’andamento della tensione di ciascuna bobina in funzione della posizione del veicolo lungo l’asse y (direzione del movimento). Queste curve non sono lineari, ma forme d’onda complesse che aumentano e diminuiscono mentre il veicolo si avvicina e si allontana dal centro della bobina.
In funzionamento, il sistema legge le tre tensioni attuali. Ognuna di queste tensioni corrisponde a una linea orizzontale nel sistema di coordinate della curva caratteristica di ciascuna bobina. L’algoritmo calcola quindi i punti di intersezione di queste linee orizzontali con le tre curve caratteristiche pre-archiviate. Ogni punto di intersezione rappresenta una posizione y possibile per quella bobina. A causa della relazione non univoca tra tensione e posizione, possono esserci più punti di intersezione per ciascuna bobina.
L’idea centrale è che la vera posizione del veicolo deve essere la coordinata y presente nei tre insiemi di punti di intersezione. In altre parole, è l’intersezione dei tre insiemi di soluzioni. In un mondo ideale, questa intersezione conterrebbe esattamente un punto: la vera posizione y. Nella pratica, gli errori di misurazione e di calibrazione fanno sì che gli insiemi forse non abbiano un punto comune perfetto. Pertanto, l’algoritmo è progettato per trovare la coordinata y che minimizzi la somma totale delle distanze dai punti di intersezione più vicini delle tre curve, fornendo così una stima robusta e precisa.
La determinazione della coordinata x (deviazione laterale) è più complessa, poiché il veicolo si muove principalmente lungo l’asse y. Qui, i ricercatori ricorrono al concetto di “sensibilità di rilevamento”, che descrive la velocità di variazione della tensione indotta rispetto alla posizione del veicolo. Prendendo misurazioni sequenziali della tensione durante il movimento del veicolo, il sistema può calcolare quanto velocemente cambia la tensione per ciascuna bobina. Questa sensibilità dipende fortemente dalla posizione laterale del veicolo rispetto all’array asimmetrico delle bobine.
L’algoritmo utilizza la banca dati calibrata in anticipo per prevedere quale sensibilità ci si aspetta in ogni posizione (x, y) possibile. Quindi, confronta il vettore di sensibilità misurato (i tre valori di sensibilità delle tre bobine) con tutti i vettori previsti nel database. La posizione il cui vettore di sensibilità previsto corrisponde meglio a quello misurato viene selezionata come coordinata x finale. Questo metodo ricorsivo sfrutta il movimento del veicolo per estrarre dati di posizione laterale ad alta precisione da sottili cambiamenti nel segnale elettromagnetico.
Le prestazioni del sistema sono state validate tramite estese simulazioni ed esperimenti fisici su una piattaforma di prova a tre assi ad alta precisione. I ricercatori hanno testato il sistema prototipo in 400 punti diversi all’interno di un raggio di ±800 mm dal centro della bobina a terra. I risultati hanno confermato le specifiche impressionanti: un raggio massimo di 1,6 metri e un’elevata precisione su tutto il raggio. Un fattore cruciale per la praticabilità pratica è il tempo di calcolo. Il sistema elabora ogni determinazione della posizione in meno di 5 millisecondi. Questa capacità in tempo reale è essenziale per fornire istruzioni di parcheggio fluide e continue al conducente o a un sistema di parcheggio autonomo.
Le implicazioni di questa ricerca sono ampie. Spiana la strada per una nuova generazione di sistemi di parcheggio intelligenti che non solo guidano il veicolo verso una zona di ricarica, ma lo posizionano anche con alta precisione sulla stazione di ricarica. Questo è un passo cruciale per l’automazione completa del processo di ricarica, specialmente per i veicoli autonomi che devono parcheggiare e caricare senza intervento umano. Un sistema di posizionamento affidabile e a lungo raggio è un componente chiave per questa visione.
Il lavoro del team di ricerca guidato da Sun Tian, Song Beibei, Cui Shumei, Zhu Chunbo e Dong Shuai dell’Università di Tecnologia di Harbin rappresenta un traguardo nello sviluppo dell’infrastruttura di ricarica wireless per veicoli elettrici. Dimostra che i limiti fisici fondamentali della distribuzione del campo elettromagnetico possono essere superati attraverso una combinazione di design meccanico innovativo ed elaborazione avanzata dei segnali. L’array di bobine non centrato e l’algoritmo ricorsivo basato sull’intersezione delle curve stabiliscono un nuovo standard per l’industria.
Questa ricerca viene pubblicata su Transactions of China Electrotechnical Society e sottolinea il ruolo di leadership dell’Università di Tecnologia di Harbin nel campo dell’ingegneria elettrica e dell’automazione. La stretta collaborazione tra dottorandi, professori assistenti e professori mostra una forte cultura di ricerca orientata a risolvere sfide tecniche reali con soluzioni eleganti e pratiche. Il loro lavoro apporta un valore significativo alla comunità scientifica globale e accelera la maturità del mercato dell’infrastruttura di ricarica wireless per veicoli elettrici.
Sun Tian, Song Beibei, Cui Shumei, Zhu Chunbo, Dong Shuai, Università di Tecnologia di Harbin, Transactions of China Electrotechnical Society, DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231670