Prospettive della ricarica wireless statica o dinamica

"Scorri e ricarica": c'è un piano dei costruttori di veicoli elettrici per "tagliare il filo"
Gli sviluppi in corso potrebbe lasciare i driver ricaricare le batterie con i campi magnetici

Immagine: Courtesy of University of Michigan
Shanghai Jiao Tong University Joint Institute. 

ELETTRICITA' IN VIAGGIO: La ricarica dinamica senza fili dei veicoli elettrici contribuirebbe ad eliminare la paura che i conducenti potrebbero avere di rimanere bloccati sulla strada con una batteria morta, spesso definita come "range anxiety". Invece della creazione di stazioni di rifornimento lento all'interno di garage, il caricabatterie dovrebbe essere installato nella stessa strada.
Auto elettriche plug-in come la Chevy Volt e la Nissan Leaf hanno appena iniziato a diffondersi nel mercato consumer degli Stati Uniti, ma già alcune case automobilistiche stanno pensando al futuro per il progresso tecnologico successivo, Nissan inclusa: un'auto che si può ricaricare in qualsiasi momento e (quasi) ovunque renderebbe perfettamente felici i consumatori, anche se oggi non ci si pongono problemi di collegare telefoni o altri dispositivi elettronici in ricarica, ma molti non si sono adattati all'idea di collegare una macchina alla fine di un pendolarismo.

Ricarica wireless statica
"Quasi universalmente, tutte le case automobilistiche hanno imparato che i consumatori trovano scomodo collegare per la ricarica un veicolo e la case automobilistiche hanno concluso che devono offrire qualche tipo di  ricarica wireless, a mani libere", afferma David Schatz, direttore del business development e marketing per WiTricity Corp. a Watertown, Massachusetts, che produce caricabatterie senza fili per piccoli dispositivi elettronici come i telefoni e per le automobili. Con il sistema WiTricity, un utente dovrebbe parcheggiare la propria autovettura direttamente su una piastra di carica per non avere a che fare con i fili. Fino a quando la vettura si trova nel campo della stazione di ricarica, l'energia inizia a fluire nella batteria. Il processo si basa su un principio chiamato accoppiamento di risonanza magnetica (pdf). Il dispositivo di carica, costituito da un filo a spirale con piastre di capacità su entrambe le estremità, usa l'elettricità per creare un campo magnetico che risuona ad una frequenza specifica. Proprio come un cantante d'opera può rompere un bicchiere di vino cantando la nota giusta, la bobina emette trasferimenti di energia solo per una bobina ricevente che risuona alla stessa frequenza. L'accoppiamento di risonanza magnetica è pensato per essere più sicuro di altri metodi di ricarica senza fili perché l'intensità del campo può essere aumentata senza influenzare gli altri oggetti non risonanti vicini. La tecnologia, inventata presso il Massachusetts Institute of Technology quattro anni fa, può finire sulle automobili al più presto anche perché il peso è contenuto in 15 chilogrammi. WiTricity l'anno scorso ha collaborato con importanti fornitori di componenti automobilistici come Delphi Electronics per un'autovettura demo e Mitsubishi Motors ha recentemente concordato di lavorare con WiTricity sulle infrastrutture di ricerca.

Ricarica wireless dinamica
Altri ricercatori stanno studiando la ricarica senza fili per il passo successivo: la progettazione di automobili che si possono caricare durante il percorso. La ricarica dinamica contribuirebbe ad eliminare la paura che i conducenti potrebbero avere di rimanere bloccati sulla strada con una batteria morta, spesso definito come "ansia d'autonomia". Un gruppo di ricercatori dell'Università del Michigan-Shanghai Jiao Tong University Joint Institute in Cina sta testando un prototipo di veicolo elettrico, che utilizza un sistema simile alla ricarica ad accoppiamento risonante. Invece di creazione di stazioni di rifornimento all'interno di garage, però, i ricercatori suggeriscono che il caricabatterie dovrebbe essere installato in mezzo alla strada stessa, in modo che le vetture potessero ricaricarsi in movimento. Dato che l'elettricità in questo scenario sarebbe quasi onnipresente, le automobili potrebbero eliminare le pesanti batterie, utilizzando i supercondensatori per immagazzinare l'energia. I supercondensatori potrebbero essere un dispositivo di immagazzinamento ideale per un veloce e frequente ricarica, a differenza del lento e quindi lungo processo utilizzato da molti veicoli plug-in di oggi. Chengbin Ma, ingegnere presso l'istituto, vede questa configurazione perfetta per una flotta di autobus elettrici, perché vedono garantita l'energia dove si fermano. Il Dottor Ma e i suoi colleghi hanno costruito un prototipo di veicolo delle dimensioni di una lattina di caffè che "può davvero muoversi e sostare automaticamente per la ricarica wireless", dice. I passi successivi saranno fare un veicoloelettrico monoposto delle dimensioni di un go-kart, aumentare la potenza del sistema, e perfezionare la ricarica in movimento per le vetture reali.

"Super" condensatori?
D'altra parte, i supercondensatori hanno ancora alcuni problemi tecnici che devono essere risolti. "Io non credo che ci sia una aspettativa enorme per loro", dice Brett Smith, co-direttore di produzione, ingegneria e tecnologia presso il Centro per la Ricerca Automotive, un Ann Arbor, Michigan, senza scopo di lucro che studia l'industria automobilistica. Non ci sono particolari aspettative se realizzati con i materiali tradizionali. "Penso che avranno potenzialmente un costo minore rispetto alle batterie, ma non sono abbastanza robusti. Non fanno ancora ciò che l'industria ha bisogno". Smith dice che non importa quanto i nuovi progressi li hanno fatti progredire, ma ci vorrà una decina di anni prima che si vedano nel mass-market delle auto.
Per quanto riguarda l'impianto di caricabatterie nella massicciata delle strade, è una tecnologia "affascinante nonché molto costosa", dice Smith. Nelle città l'infrastruttura sarà probabilmente costruita prima, perché ce n'è "un bisogno incredibile per la gestione del traffico e l'inquinamento", o almeno di più rispetto alle aree suburbane e rurali. Ancora, "le persone si lamentano dei costi delle infrastrutture per installare solo una stazione di ricarica", dice. Fare infrastrutture più grandi sarà un affare ancora più complicato.

Altre sfide
Oltre i costi, il grande svantaggio di entrambe le tecnologie del dottor Ma e si WiTricity è la distanza. La bobina di ricezione della vettura ha ancora bisogno di essere abbastanza vicina alla bobina di emissione del caricabatterie. Quella di WiTricity, dice Schatz, lavora ad una distanza ottimale di circa 12-18 centimetri. Il sistema del dottor Ma ha limitazioni simili: a circa 50 centimetri di distanza dalla stazione di ricarica, il trasferimento di potenza scende quasi a zero. I sostenitori affermano che un trade-off in termini di efficienza è il prezzo per il vantaggio di non dover usare una spina fisica. "E' una piccola perdita rispetto a quando si collega un veicolo, ma un guadagno enorme in ergonomia, o la facilità di utilizzo", aggiunge Schatz. Nonostante la sfida che la ricarica wireless rappresenta per case automobilistiche e automobilisti, il concetto sta guadagnando slancio. Audi ha presentato una concept car con wireless-recharge che è per metà macchina da corsa e per metà coupé, chiamato semplicemente Audi Urban Concept, presso il Salone di Francoforte dello scorso settembre. Toyota ha recentemente annunciato un accordo di collaborazione con WiTricity a sviluppare la sua tecnologia di ricarica wireless a risonanza. Allo stesso modo, BMW e Siemens stanno collaborando per sviluppare stazioni di ricarica induttiva per l'eventuale utilizzo di taxi. Se tale sviluppo continua con questo ritmo, un futuro con auto elettriche a batteria su strada non può essere troppo lontano.

Ricarica wireless statica prime applicazioni per i veicoli privati a Londra
Dal 2012, le auto elettriche a Londra si caricheranno grazie alla tecnologia wireless. Il progetto, fortemente voluto dal sindaco londinese Boris Johnson e dal Primo Ministro inglese David Cameron, prenderà il via all’inizio del prossimo anno e coinvolgerà 50 vetture opportunamente equipaggiate.
Il funzionamento sarà estremamente semplice, sulla falsa riga di quanto avviene normalmente con i comuni spazzolini elettrici. L’autovettura andrà semplicemente posizionata sopra un “pad” dal quale, attraverso un campo magnetico, riceverà la ricarica. Ancora da definire il numero di punti rifornimento e la loro dislocazione sul territorio londinese, allo studio nei prossimi mesi.
Secondo Andrew Gilbert, vicepresidente esecutivo della Qualcomm per il settore Sviluppo e l’Innovazione:
Ogni volta che si realizza un dispositivo wireless aumenta la percezione tutto sia molto più facile. Il wireless rivoluzionerà il modo in cui le persone utilizzano i punti di ricarica.
Grande soddisfazione espressa anche dal Premier inglese David Cameron, che vede un futuro più che mai “verde” per le imprese britanniche di auto elettriche e per i cittadini londinesi:
Questa tecnologia wireless di ricarica è un enorme passo avanti per l’industria dell’auto elettrica e sono lieto che le imprese londinesi saranno tra le prime a beneficiare del processo.

Fonte: Scientific American

Supercapacitori:
http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor
http://www.lbl.gov/tt/techs/lbnl2821.html

Altro sulle tipologie di ricarica wireless.

Tecnologie wireless di ricarica a bassa potenza per veicoli elettrici

Sul fronte ricarica domestica o privata a bassa potenza (3 kW) ci sono delle novità per applicazioni wireless o non-conctact da parte di due aziende Delphi e Nissan. Sono sistemi a bassa potenza, sia continua che intermittente, sia per ricarica stanziale, sia in marcia.
Con i vecchi sistemi induttivi si perdeva il 40% dell'efficienza rispetto al cavo. 
Da quasi subito per i comodosi e dalla fine del decennio in poi per le vere smart cities...
NIKOLA TESLA aveva avuto la visione della trasmissione a distanza dell'energia... ma oggi mica è tanto sballata!! Usare il wireless a breve distanza come per ricaricare piccoli apparati elettronici è possibile anche per le vetture elettriche, anzi è meglio.

Vediamo perché: c'è tanta gente che si fascia la testa e si preoccupa per le infrastrutture di ricarica a bassa potenza (circa 3 kW) unattended: paura per atti vandalici, manomissioni durante le operazioni di ricarica, o la semplice scocciatura di maneggiare cavi, bocchettoni, etc. Ovviamente per gli apparati ad alta potenza (50  kW) da alcune decine di migliaia di euro installate presso aree di rifornimento attended non c'è questo problema e la sosta è breve. 

A casa invece se hai il wireless è comodo... arrivi, esci dal veicolo e non devi fare nulla. Sarà il sistema del veicolo, controllato da remoto dall'utilizzatore, a fare tutto. 

C'è chi teme per bambini e animali domestici o volatili... ma non c'è induzione che crea problemi se si hanno addosso materiali ferrosi (come con le piastre a induzione per le cottura cibi) e se non si è sulla stessa frequenza di risonanza non ci dovrebbe essere pericolo. Mi piacerebbe vedere qualche dimostrazione... rassicurante.

Oggi quindi si comincia così:

- a casa semplici apparati da 200-400 euro (negli Stati Uniti costano 2000 euro se devi aggiungere la connessione alla rete elettrica a 230V);

- in aree aperte al pubblico con costose colonnine (installate costano poche migliaia di euro l'una) e, purtroppo, vandalizzabili o esposte a manomissioni o semplici dispetti durante la ricarica, paline che peraltro saranno presto inutili (3-5 anni?).

I più visionari e quelli più "avanti", nonché pratici ed eleganti, si stanno invece orientando alla soluzione wireless: non la vecchia induzione magnetica a bassa efficienza (spreca il 40%), ma alla RISONANZA magnetica per la trasmissione senza contatto dell'energia elettrica a distanza (breve). Ci sta lavorando Delphi.

Sul veicolo occorre una placca che è in realtà un'antenna ricevente (non dovrebbe essere un problema) collocarla sotto il pianale, perché è piatta e non dovrebbe essere pesantissima... baricentro basso garantito!

Il bello è che con lo stesso hardware puoi ricaricarti ovunque, parcheggi all'aperto o al coperto, nel garage di casa o lungo i marciapiedi, presso altri apparati wireless, perché basta cambiare la sintonia di dove mettersi in ricezione dell'energia. Come il WiFi, basta che si disponga la password di cifratura... e quindi regolare la transazione economica/commerciale. Ma chissà se gli operatori del settore elettrico si fidano?
Un'applicazione del genere è ideale all'interno dei parcheggi che utilizzano silos automatizzati dove non accede il possessore del veicolo che viene preso in consegna e riposto in custodia in maniera automatizzata. L'assenza di bocchettoni da aprire o di cavi da collegare consente una ricarica semplice della batteria del veicolo durante la sosta all'interno del silos. 

Vediamo cosa è in preparazione.

Il sistema Delphi

La mobilità a zero emissioni potrebbe divenire realtà in un futuro non lontano in cui le vetture saranno spinte da propulsori elettrici e non avremo più bisogno di frequentare il benzinaio. L'energia sarà dalle batterie, ma non necessariamente l'ansia da ricarica ci renderà impazienti di attaccare la spina della nostra auto ad una presa di ricarica.

Il fornitore americano Delphi, in collaborazione con WiTricity Corporation, ha infatti sviluppato una tecnologia che ci consentirà di ricaricare le batterie senza bisogno di prese e cavi, ma utilizzando un campo magnetico. Immaginate che l'auto si ricarichi automaticamente ogni volta che la lasciate in un parcheggio pubblico o in garage. 

Vediamo come funziona. Una bobina posta sotto l'asfalto trasferirà energia elettrica al veicolo attraverso un campo magnetico variabile ad alta frequenza. Secondo Delphi, il loro sistema eguaglia i tempi di ricarica di un normale sistema plug-in ed è capace di trasferire fino a un massimo 3,3 KW.

Al contrario di altri sistemi già sviluppati per la ricarica ad induzione, che soffrono bassi rendimenti e funzionano su distanze minime, il sistema Delphi impiega un'antenna trasmettitore ed una ricevente sintonizzate sulla stessa frequenza. Esse interagiscono attraverso un campo magnetico costituendo un accoppiamento induttivo. Al contrario degli accoppiamenti induttivi tradizionali, questo sistema lavora ad un'unica frequenza per emettitore e ricevente, un'alta frequenza: di fatto le due antenne sono in risonanza.

Ciò permette di orientare il campo magnetico trasmesso lungo la direzione dell'accoppiamento, con meno dispersioni rispetto ad un sistema ad induzione semplice. In definitiva migliora l'efficienza e si riduce l'interazione con corpi esterni, compresi gli esseri umani. Delphi si è occupata di applicare all'automotive un brevetto di WiTricity, che permette quindi di trasferire flussi maggiori di energia ed a maggiori distanze con meno perdite e rischi per la salute.

Il Portable Electric Vehicle Charger (l'antenna ricevente) può essere installato su qualsiasi veicolo elettrico, così come l'unità esterna può venire integrata nel sottosuolo o essere semplicemente posta al suolo sotto l'autovettura.

Le due aziende hanno dichiarato che "la collaborazione aiuterà a definire una nuova infrastruttura di ricarica conveniente e sicura per veicoli elettrici privati e commerciali".

I sistemi Nissan

Nissan sta lanciando le sue auto elettriche. Ma quel che occorre affinché il mercato mostri fiducia acquistando le nuove vetture è che vi sia un sistema di distribuzione dell’energia così capillare da rassicurare i consumatori. Le perplessità circa le vetture elettriche ruotano intorno a tre punti: il primo relativo alla (per ora) scarsa autonomia delle batterie, che consentirebbe di percorrere circa un centinaio di chilometri; il secondo riguarda proprio l’approvvigionamento di energia, che renderebbe le auto elettriche fintamente ecologiche; il terzo sono i costi.

Le aziende automobilistiche da questo punto di vista stanno provando a strutturare sistemi per la ricarica che possano usare energie rinnovabili. Attualmente si tratta di concept e non si sa neanche se traslabili poi concretamente nella nostra quotidianità. In alto uno di questi esperimenti, un solar tree che nelle buone intenzioni di Nissan dovrebbe proprio servire a ricaricare auto elettriche in un prossimo futuro. L’idea è stata presentata al Ceatec Japan 2010, la fiera delle tecnologie.

 

Il sistema permette la carica di un veicolo elettrico senza cavi di connessione, semplicemente parcheggiandolo in un luogo designato ed è molto simile alla carica dello spazzolino elettrico o rasoio.Gli esperimenti sulla ricarica senza contatto per veicoli elettrici sono stati condotti in varie località, tra cui Yukarigaoka, Prefettura di Chiba, e le città di Sakai, Osaka, e le città di Nara, Prefettura di Nara.

L'energia elettrica è fornita attraverso l'induzione magnetica da una bobina primaria di alimentazione nella superficie di parcheggio di una bobina secondaria sul veicolo. Quando la bobina primaria è elettricamente carica, si genera un campo magnetico che induce corrente nel bobina secondaria e si ricarica la batteria senza connessione via cavo.

Il sistema eCoupled Powerspot di Fulton Innovation

Fulton Innovation ha sviluppato un dispositivo per la ricarica senza fili chiamato eCoupled Powerspot.

«E’ la prima volta nella storia in cui siamo stati in grado di ricaricare senza fili un apparecchio che necessita di una così grande quantità di potenza», ha affermato un rappresentante di Fulton Innovation dopo aver assistito al successo dell’esperimento con l’auto elettrica Tesla Roadster.

Una caratteristica interessante dell’eCoupled Powerspot è la possibilità di controllare il livello di potenza richiesto anche attraverso un’apposita App per iPhone. Niente più cavi e prese dunque per caricare la propria auto elettrica. Se Fulton Innovation riuscirà a rendere disponibile sul mercato questa tecnologia, l’uso delle vetture a batterie diventerà molto più semplice per tutti.