Sistemi di ricarica Wireless e smart grid

Dal punto di vista tecnico l'architettura di un sistema di ricarica Wireless prevede la presenza di una coppia di bobine, cioè due supporti solidi avvolti da fili realizzati in un materiale conduttivo che ha il compito di generare il flusso di corrente in un campo elettromagnetico. Si ha quindi una bobina all’interno del caricabatterie mentre l’altra deve essere presente nel dispositivo da caricare, al momento della carica entrambe sono poste in accoppiamento induttivo, ciò significa che quando una bobina riceve un flusso di corrente nella seconda bobina viene prodotta una differenza di potenziale. Per questo motivo quando ci si riferisce a soluzioni per la ricarica Wireless si parla anche di applicazioni per la ricarica induttiva.

Viene così a innescarsi un fenomeno che sta alla base del trasferimento energetico a corto raggio tra il caricabatterie e la batteria del device. L'efficacia dell’intera procedura è però inversamente proporzionale alla distanza fra le bobine, l’impiego di condensatori riduce gli effetti di questa problematica ma quando il valore di tale parametro è troppo elevato diventa necessario ricorrere a un collegamento tradizionale tramite cavo.

Un altro fattore che concorre a migliorare le performance del caricamento è l’allineamento tra le due bobine il cui livello di precisione influisce sulla qualità del trasferimento di corrente, proprio per questa ragione diversi dispositivi che supportano la ricarica Wireless implementano un sistema di notifica tramite Led in grado di segnalare l’avvenuto allineamento.

Applicazioni industriali dei sistemi per la ricarica Wireless

In linea generale è possibile affermare che i vantaggi derivanti dalla ricarica Wireless attengono innanzitutto alla user experience in quanto viene meno la necessità di utilizzare un cavo per il completamento di tale operazione. Il campo magnetico prodotto dalle bobine viene generato in assenza di radiazioni e ciò elimina anche le preoccupazioni relative a salute e sicurezza, inoltre l’assenza di cavi determina una minore produzione di rifiuti elettrici con ovvi benefici per quanto riguarda l’impatto ambientale.

A livello industriale il sistema descritto in precedenza permette di realizzare sia applicazioni a bassa potenza, come per esempio quelle dedicate agli smartphone e ai laptop, che soluzioni a carica induttiva elevata tra cui quelle necessarie ad alimentare i veicoli elettrici.

Relativamente alla qualità dei prodotti, i sistemi di ricarica Wireless garantiscono benefici rilevanti sotto diversi punti di vista, a cominciare dalla possibilità di prolungare la durata dei dispositivi, soprattutto quelli che richiedono cicli di ricarica particolarmente frequenti. Collegamenti e scollegamenti continui dei cavi ai connettori si traducono infatti in una maggiore usura, fenomeno che non si verifica invece quando la ricarica avviene tramite il solo allineamento a distanza ravvicinata tra due bobine.

Nello stesso modo, tali sistemi offrono una maggiore protezione contro i malfunzionamenti degli impianti elettrici, si pensi per esempio a eventuali sbalzi di tensione o a corto circuiti, eliminano gli inconvenienti che possono derivare dai problemi di isolamento dei cavi e prevengono i fenomeni di corrosione. Distribuire prodotti meno esposti a questo tipo di problematiche fornisce infine un contributo rilevante alla fidelizzazione da parte degli utenti finali, con un interessante effetto moltiplicatore a favore della brand reputation.

Sistemi di ricarica Wireless e veicoli elettrici

In precedenza si è fatto riferimento al mercato dei veicoli elettrici, uno dei settori in cui le innovazioni dedicate all’applicazione commerciale delle smart grid presentano un’importanza fondamentale. In questo comparto i sistemi di ricarica Wireless concorrono nella realizzazione di applicazioni più efficienti per la distribuzione elettrica, all’ottimizzazione dei consumi e, di conseguenza, all’incremento dell’autonomia dei mezzi di trasporto alimentati.

Un altro vantaggio è dovuto all’automatizzazione dei processi di ricarica, infatti data una rete sufficientemente capillare di postazioni Wireless, un veicolo elettrico dotato di un sistema di Battery Management compatibile ha la possibilità di approvvigionarsi ogni volta che se presenta la necessità allineandosi di volta in volta alle charging stations mappate.

A tal proposito è opportuno fare riferimento anche agli studi dedicati alle soluzioni per la Dynamic Wireless Charging che consentono di alimentare in tempo reale le batterie dei veicoli in movimento. Esse permettono di effettuare spostamenti più lunghi e senza interruzioni, consentono inoltre ai produttori di realizzare accumulatori cost-effective dalla capacità più contenuta e di dimensioni ridotte rispetto alla media delle batterie che, tradizionalmente, vengono caricate tramite collegamenti via cavo.

I vantaggi fino ad ora descritti sono ancora in parte controbilanciati da alcune criticità che l’industria è attualmente impegnata a rimuovere. Mediamente infatti i sistemi di ricarica Wireless tendono a essere più costosi in quanto presentano un grado di complessità maggiormente elevato dal punto di vista tecnologico, ciò è dovuto anche alle componenti elettroniche deputate alla gestione delle operazioni di ricarica. Si devono poi risolvere alcune problematiche relative all’efficienza delle sessioni di ricarica induttiva che in diversi casi risultano meno performanti e più lente rispetto alle alternative basate su connessioni via cavo.

Da questo punto di vista sia il Battery Modelling che le ricerche mirate alla riduzione della dispersione energetica durante il trasferimento di corrente stanno contribuendo a ridurre il gap in parte ancora esistente tra collegamenti diretti e connessioni Wireless. Le ricerche in materia hanno consentito di produrre bobine più sottili che possono operare anche a frequenze elevate, con il vantaggio produttivo di ottenere formati più compatti e quindi in grado di adattarsi facilmente, o con modifiche marginali, a diverse tipologie di device.

Sistemi di ricarica Wireless e conformità agli standard

E' comunque necessario considerare il discorso riguardante la conformità con le normative vigenti, anche tenendo conto del fatto che le specifiche per i sistemi di ricarica Wireless non fanno riferimento a uno standard unificato e ciò determina ulteriori incognite relativamente alla compatibilità tra device e caricatori. Anche in questo caso si tratta però di un problema in fase di risoluzione.

Nel corso degli anni il mercato della ricarica Wireless ha portato all’emersione di due standard noti come Qi (implementato dal WPC, Wireless Power Consortium) e PMA (Power Matter Alliance). A livello funzionale non esistono differenze evidenti che si palesano invece nelle frequenze e nei protocolli di connessione utilizzati. Fondamentalmente le maggiori distanze sono quelle relative alla lunghezza d’onda con una banda da 100-205kHz per Qi e da 277-357kHz per PMA, valori che hanno determinato l’incompatibilità iniziale tra i due formati.

A decidere quale standard dovesse prevalere è stato il mercato. Qi, particolarmente adatto anche ai bassi voltaggi, è stato ampiamente utilizzato dai produttori di smartphone coinvolgendo nomi come Apple, Samsung, Sony, LG e Huawei per poi trovare applicazione anche nei veicoli elettrici. PMA è stato invece al centro di esperimenti condotti da aziende come Starbucks che lo scelse per le ricariche dei dispositivi dei propri clienti come per esempio i laptop.

Quando nel 2017 Apple decise di impiegare Qi per i propri iPhone, questa scelta fu in grado di influenzare in modo tale il Wireless Charging Market da indirizzare nella medesima direzione anche le strategie di molti competitor. Per questo motivo nel 2018 i promotori del PMA comunicarono l’intenzione di sviluppare uno standard compatibile con Qi, dando vita ad un’iniziativa fondamentale per la definizione di specifiche condivise ancora oggi in corso d’opera.