Ricarica wireless capacitiva per EVs

Il momento in cui si potranno ricaricare i veicoli elettrici durante la guida è sempre più vicino. All’Università del Colorado di Boulder, il team del professor Khurram Afridi sta sviluppando un sistema che permetta la ricarica wireless trasmettendo potenza da piastre installate lungo la strada alle batterie poste sul veicolo. Lo studio prevede di trasferire l’energia attraverso campi elettrici ad alta frequenza. In tal modo si potrebbe garantire un’autonomia di centinaia di chilometri.

L’idea è stata testata predisponendo una pista con piastre metalliche poste a circa 12 centimetri di distanza. Durante il test è stato trasmesso fino a qualche kilowatt di potenza.

Tipologie di ricarica wireless

Esistono due tipi di Wireless Power Transfer (WPT). Il primo è induttivo e sfrutta l’accoppiamento magnetico tra bobine conduttrici; il secondo è capacitivo ed impiega l’accoppiamento elettrico tra piastre conduttrici. Finora per le applicazioni di ricarica wireless di EVs è stato preferito l’accoppiamento magnetico. Le bobine impiegate sono realizzate in ferrite, materiale costoso e che ammette un limite di frequenza di 100 Hz, al di sopra del quale le perdite risultano troppo elevate. Ciò limita il livello di potenza trasferibile e si traduce in un aumento degli ingombri.

Il WTP capacitivo non presenta tali svantaggi: si può operare a frequenze elevate aumentando la densità di potenza trasferibile e riducendo le dimensioni del sistema e impiegando materiali meno costosi. In realtà, operare a frequenze elevate è una necessità, poiché la superficie dei “piatti” dei condensatori tra veicolo e strada è limitata. Le frequenze elevate richiedono l’impiego di dispositivi di elettronica di potenza del tipo GaN e SiC, i quali permettono di operare ad elevata efficienza anche a frequenze di commutazione alte.

Le questioni da affrontare sono state:

• ottenere un’elevata densità di potenza trasmessa con una buona efficienza di trasferimento e rispettando i vincoli legati alla compatibilità elettromagnetica
• mantenere stabile il trasferimento di potenza al variare della posizione relativa tra le piastre (ossia al muoversi del veicolo)

“All’inizio tutti ci hanno detto che non era possibile trasferire tanta energia attraverso una superficie di contatto così piccola e così velocemente. Ma quando abbiamo infranto la barriera dei 1000 watt inviando energia attraverso 12 centimetri, abbiamo capito che eravamo sulla strada giusta e che stavamo facendo qualcosa di importante. ”

Il sistema sviluppato

Per risolvere tali problematiche è stato aumentato il numero di piastre impiegato per il trasferimento d potenza: in tal modo si è registrata una riduzione delle dispersioni. Inoltre, è stato realizzata una rete che permette di compensare la variabilità dell’accoppiamento tra le piastre, dovuto al moto del veicolo rispetto alla strada, mantenendo la frequenza fissata ed un’efficienza elevata. Si tratta dell’ AVR rectifier (active variable reactance) in figura (c) che effettua tale compensazione controllando opportunamente le tensioni V1 e V2.

Il sistema sviluppato può trovare applicazioni anche nel campo di dispositivi biomedici, robot umanoidi e sistemi di trasporto hyperloop.