Nel panorama della mobilità sostenibile, la ricarica wireless dei veicoli elettrici rappresenta una delle frontiere più promettenti, offrendo comodità e flessibilità senza i limiti dei cavi tradizionali. Tuttavia, un problema tecnico persistente ha limitato la sua diffusione: le fluttuazioni di induttanza mutua quando il veicolo percorre curve, che causano variazioni di tensione e riducono l’efficienza del trasferimento energetico. Oggi, un team di ricercatori della Scuola di Ingegneria Elettrica dell’Università di Shanghai Dianji presenta una soluzione innovativa: una bobina di compensazione circolare integrata nel sistema di raccolta energetica del veicolo, in grado di ridurre drasticamente queste fluttuazioni e garantire una ricarica stabile anche in curva.
La ricarica wireless dinamica – cioè la capacità di ricaricare un veicolo elettrico mentre è in movimento – è considerata un game-changer per la mobilità elettrica. Imagine strade e autostrade equipaggiate con bobine emettitrici enterrate, che trasferiscono energia ai veicoli in transito: questo sistema eliminerebbe l’ “ansia di autonomia” dei conducenti, permettendo di ricaricare costantemente senza dover fermarsi in stazioni di ricarica. Tuttavia, nelle curve, l’allineamento tra le bobine emettitrici (sul suolo) e quelle riceventi (sul veicolo) si altera, causando una diminuzione dell’induttanza mutua – la proprietà fisica che permette il trasferimento di energia elettromagnetica. Questo fenomeno porta a fluttuazioni di tensione che possono raggiungere anche il 10%, compromettendo l’efficienza e la durata delle batterie.
“Le curve sono state per anni un ostacolo tecnico difficile da superare per la ricarica wireless dinamica”, spiega Xu Fei, dottore in ingegneria elettrica e professore presso l’Università di Shanghai Dianji, che guida il team di ricerca.”La nostra missione è stata progettare un sistema che mantenga l’induttanza mutua stabile anche quando il veicolo gira, garantendo una ricarica efficiente e sicura in ogni situazione”.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno lavorato su una componente chiave: la bobina di compensazione. Dopo aver testato diverse forme – rettangolari, esagonali e circolari – la bobina circolare si è rivelata la più efficace nelle curve. “La sua forma simmetrica permette un accoppiamento più uniforme con le bobine emettitrici del suolo, anche quando l’angolo di curvatura varia”, spiega Luo Qiang, dottorando e primo autore dello studio. “In condizioni di test, le fluttuazioni di induttanza mutua sono state ridotte del 80% rispetto alle bobine rettangolari tradizionali, un risultato senza precedenti”.
La scelta della bobina circolare non è stata casuale. I ricercatori hanno condotto simulazioni approfondite utilizzando software avanzati come COMSOL Multiphysics e MATLAB/Simulink, confrontando le prestazioni di diverse geometrie in curve di 45°, 90°, 135° e 180°. I dati hanno dimostrato che la bobina circolare mantiene un’area di accoppiamento più stabile con le bobine emettitrici, minimizzando le perdite di energia. “Nonostante le bobine rettangolari siano più diffuse per i loro vantaggi di costo e semplicità di produzione, nella pratica, le loro prestazioni nelle curve sono inferiori”, aggiunge Luo Qiang. “La bobina circolare, invece, si adatta meglio alle variazioni di posizione, garantendo un trasferimento energetico più constante”.
Un altro passo cruciale è stato determinare il numero ottimale di spire della bobina di compensazione. Per questo, i ricercatori hanno utilizzato un algoritmo genetico, una tecnica ispirata all’evoluzione naturale, che simula migliaia di configurazioni per trovare quella che minimizza le fluttuazioni. “Non si trattava solo di aggiungere spire: dovevamo bilanciare il numero di spire con la distanza dalla bobina principale e l’altezza del veicolo rispetto al suolo”, spiega Xu Fei. “L’algoritmo genetico ci ha permesso di ottimizzare questi parametri in modo preciso, un risultato difficilmente raggiungibile con metodi di calcolo tradizionali”.
I risultati delle simulazioni sono stati impressionanti. Senza la bobina di compensazione, le fluttuazioni di induttanza mutua in curve di 90° raggiungevano il 3,47%, causando variazioni di tensione del 10%. Con la nuova configurazione, queste fluttuazioni sono state ridotte a ±0,4%, e la tensione del sistema di raccolta energetica si è stabilizzata con una variazione del solo 3,6% – un livello considerato sicuro e efficiente per le batterie dei veicoli elettrici.
Per validare questi risultati, i ricercatori hanno costruito un prototipo in laboratorio che replica condizioni reali di strada, includendo diverse angolazioni di curve e altezze del veicolo rispetto al suolo. Le prove hanno confermato che la bobina di compensazione circolare mantiene le sue prestazioni in tutti gli scenari, specialmente quando il veicolo si trova a 20 cm dal suolo – l’altezza ottimale per massimizzare l’efficienza del trasferimento energetico. “A questa altezza, l’interferenza elettromagnetica tra le bobine è minima, e l’induttanza mutua rimane stabile”, dettaglia Luo Qiang. “Se il veicolo è troppo basso, si producono disturbi; se è troppo alto, il trasferimento energetico si indebolisce. I 20 cm sono il punto ideale”.
Un altro aspetto chiave dello studio è l’integrazione della bobina di compensazione nel sistema esistente. Gli ingegneri hanno progettato un meccanismo che permette di attivare la bobina automaticamente quando il veicolo rileva una curva, grazie a sensori situati nella parte anteriore che comunicano con il sistema di controllo. “Questa attivazione intelligente garantisce che non venga persa energia in rettilineo, dove la bobina principale funziona perfettamente”, spiega Xu Fei. “Solo quando il veicolo entra in una curva, la bobina di compensazione si connette, complementando l’induttanza mutua e mantenendo la stabilità”.
L’efficienza energetica del sistema è stata anche oggetto di un’analisi approfondita. Nelle prove, è stata raggiunta un’efficienza del 93,4% in condizioni ottimali, superando altri sistemi di ricarica wireless dinamica presenti sul mercato, che generalmente oscillano tra il 85% e il 90%. “Questo miglioramento non beneficia solo la durata delle batterie, ma riduce anche il consumo energetico generale, un aspetto cruciale per rendere la mobilità elettrica più sostenibile”, afferma Luo Qiang.
L’applicazione pratica di questa tecnologia potrebbe trasformare il panorama della mobilità. Immagina autobus urbani che percorrono rotte fisse con numerose curve: con questo sistema, potrebbero mantenere le batterie cariche costantemente senza dover fermarsi in stazioni specializzate. Allo stesso modo, sulle autostrade, i veicoli elettrici potrebbero ricaricare mentre viaggiano, eliminando la necessità di soste prolungate. “La ricarica wireless dinamica non è un sogno futuristico: è una realtà che possiamo implementare oggi con questa tecnologia”, conclude Xu Fei. “Il nostro sistema è economico e compatibile con i veicoli elettrici esistenti, il che significa che non richiede una riconversione totale della flotta, ma solo una modifica minore nel sistema di raccolta energetica”.
Gli esperti in mobilità sostenibile hanno accolto con entusiasmo questo avanzamento. “La stabilità nelle curve è stata una delle ultime frontiere per la ricarica wireless dinamica”, commenta Maria Rossi, analista senior di tecnologie verde per un’azienda di consulenza internazionale. “Questa soluzione non solo risolve questo problema, ma lo fa in modo elegante e scalabile. Potremmo vedere strade equipaggiate con questo sistema nei prossimi 5-10 anni, specialmente in paesi con un forte investimento nella mobilità elettrica come la Cina, la Norvegia e l’Allemagne”.
Il team di ricerca ha anche lavorato alla standardizzazione dei parametri del sistema per facilitare la sua adozione industriale. La bobina di compensazione circolare ha un diametro di 100 cm, corrispondente alla larghezza della bobina principale, e il numero di spire – 10 in configurazione ottimale – è stato validato sia in simulazioni che in prove fisiche. “La uniformità nei standard è fondamentale per permettere ai produttori di veicoli e alle autorità stradali di integrare questa tecnologia senza complicazioni”, aggiunge Luo Qiang.
In sintesi, l’integrazione di una bobina di compensazione circolare nei sistemi di ricarica wireless dinamica dei veicoli elettrici rappresenta un avanzamento significativo nella mobilità sostenibile. Risolvendo il problema delle fluttuazioni di induttanza mutua nelle curve, i ricercatori hanno aperto la porta a un futuro in cui i veicoli elettrici possono ricaricare mentre viaggiano, rendendo l’elettricità una scelta ancora più attraente e pratica per milioni di conducenti in tutto il mondo.
Autore: Luo Qiang
Istituto: Scuola di Ingegneria Elettrica, Università di Shanghai Dianji
Rivista: Electrical Measurement & Instrumentation
DOI: 10.19753/j.issn1001-1390.2024.01.014