La ricarica senza fili ha trasformato il modo in cui alimentiamo i nostri dispositivi. Dalle cuffie Bluetooth alle auto elettriche, le radici di questa tecnologia risalgono agli esperimenti pionieristici di Nikola Tesla nel 1890. Ma come funziona la ricarica Wireless? Esploriamo il suo funzionamento e le diverse tecnologie disponibili.
Cos’è la ricarica wireless
La ricarica wireless sfrutta un campo elettromagnetico per trasferire corrente elettrica senza l’uso di un conduttore fisico. Questo metodo di alimentazione senza fili offre numerosi vantaggi, tra cui un notevole risparmio economico e una migliore progettazione del sistema.
Di base, prevede la presenza di un “trasmettitore” e di un “ricevitore” posti ad una distanza molto ridotta. L’eliminazione di connettori e cavi per trasferire energia consente di ottenere un notevole risparmio economico e, in termini di cablaggio e ingombro, una migliore progettazione del sistema.
Con le nuove tecnologie oggi è possibile ottenere almeno il 95% di efficienza con poche perdite di trasferimento. L’eliminazione dei cavi di alimentazione comporta, ovviamente, tanti vantaggi come la ricarica di batterie semplice, sicura, veloce e senza usura.
La ricarica wireless è un argomento estremamente complesso che richiede una profonda competenza e conoscenza del sistema. I designer devono progettare opportunamente il sistema di antenne e il modo in cui esse devono interagire con le strutture circostanti. Per trasferire correttamente l’alimentazione in modalità wireless, l’erogazione della potenza deve essere controllata con molta precisione.
Esistono diverse tecnologie applicabili per la progettazione di un sistema di ricarica della batteria senza fili (vedi in figura 1):
- metodo capacitivo, il più semplice sistema per trasmettere energia;
- metodo induttivo (Qi);
- metodo risonante;
- metodo con antenne accoppiate, che prevedono efficienze alquanto basse, ma offrono una copertura (in termini di distanza di trasmissione) estremamente interessante (anche fino al chilometro).
Ogni tecnologia ha le sue peculiarità e applicazioni, rendendo la ricarica wireless versatile e adatta a diverse esigenze.
Il trasferimento di energia attraverso uno spazio senza connessione fisica presuppone un sistema circuitale a commutazione, spesso ad alta frequenza – i caricabatteria Wireless emettono spesso campi elettromagnetici elevati, soprattutto nelle immediate vicinanze. Proprio per questo motivo, occorre che siano progettati in modo esemplare per non superare i limiti imposti dalle normative. Per ottenere una maggiore efficienza si deve sfruttare al massimo il flusso di energia, utilizzando dei concentratori di ferrite.
Al momento, la tecnologia di ricarica induttiva rappresenta circa la metà della quota di mercato della ricarica wireless e si prevede che tale trend sarà confermato per i prossimi anni. È sufficiente posizionare il dispositivo da caricare su una piastra che, a sua volta, è collegata a una presa a muro. Il mercato globale utilizza sempre più i sistemi di ricarica wireless (vedi grafico di cui in figura 2) e a livello mondiale si stanno diffondendo in maniera costante queste tecnologie.
Come funziona
Il principio di base della ricarica wireless è l’induzione elettromagnetica. Due bobine elettriche, una nel caricabatterie e l’altra nel dispositivo da caricare, generano un campo elettromagnetico che permette il trasferimento di energia. Devono, ovviamente, essere poste il più vicine possibile per innescare un accoppiamento induttivo. Questo processo elimina la necessità di cavi e connettori fisici, rendendo la ricarica più comoda e sicura.
La tecnologia induttiva per applicazioni di ricarica a bassa e ad alta potenza sta stimolando la crescita del mercato. Con essa è sufficiente l’avvicinamento di due circuiti per attivare direttamente e automaticamente il processo di ricarica (vedi schema generale di figura 3).
La potenza elettrica è trasferita attraverso un traferro, dalle dimensioni comprese tra pochi millimetri e decine di centimetri, dipendente anche dalle proporzioni delle bobine e delle tipologie dei circuiti adottati. Quando i due circuiti sono sufficientemente vicini, si attiva un processo che più o meno prevede i seguenti passi:
- il caricabatterie wireless invia un segnale dalla propria bobina che viene captato dalla bobina del ricevitore. Si instaura, in tal modo, una sorta di riconoscimento e di comunicazione;
- dopo i controlli del caso il trasmettitore genera un campo magnetico alternato che attraversa le due bobine, anche se non risultano fisicamente collegate. Nella transizione è normale che una piccola parte di energia venga persa;
- la bobina ricevente raccoglie il campo magnetico e induce una corrente alternata che, attraverso un raddrizzatore di potenza, giunge alla batteria da caricare.
Il posizionamento dei due dispositivi è estremamente importante. Occorre, infatti, che l’accoppiamento sia il più efficiente possibile per riuscire a raccogliere quanta più energia. A ogni modo l’allineamento viene eseguito attraverso delle opportune guide di posizionamento oppure con dei magneti che predispongono le due unità in maniera corretta.
Per aumentare il campo magnetico si possono adottare diverse strategie. Si può incrementare la corrente che attraversa il circuito primario, aumentare le dimensioni delle bobine, ridurre la distanza tra le due parti o, ancora, aumentare il numero degli induttori. Quest’ultima soluzione è particolarmente utile nel caso si vogliano caricare più dispositivi contemporaneamente.
La ricarica wireless è comoda ma, se confrontata con i sistemi cablati, risulta ovviamente più lenta e meno efficiente. Nel processo viene generato anche del calore che si traduce in perdite di energia.
I pro e i contro della ricarica wireless
Uno dei grandi progressi del secolo che stiamo vivendo è senza dubbio l’adozione delle batterie ricaricabili al litio, che consentono di avere una grande autonomia di esercizio a fronte di pesi e ingombri limitati. Il sistema wireless è un valore aggiunto che conferisce grandi aspetti positivi, sotto tutti i punti di vista. È comodo perché non si utilizzano cavi di collegamento (vedi figura 4), niente più problemi con cavi rotti da sostituire o che intralciano le operazioni. Esaminiamo, pertanto, i vantaggi e gli svantaggi del sistema di ricarica wireless.
I sistemi di ricarica Wireless garantiscono tanti benefici sotto diversi punti di vista, partendo dal prolungamento della durata dei dispositivi, soprattutto quelli che richiedono numerosi cicli di ricarica. Uno dei vantaggi più evidenti è la possibilità di poter ricaricare più dispositivi contemporaneamente. È sufficiente, infatti, disporli opportunamente sul piano magnetico per catturare correttamente l’energia necessaria. Il caricabatterie poi farà il resto, in termini di gestione, di controllo e di automatismo.
Il sistema di ricarica wireless è estremamente più sicuro rispetto all’utilizzo dei cavi, eliminando di fatto il rischio di sovratensioni o problemi elettrici o di usura, tipico dei connettori e il rischio di surriscaldamento e di danni alla batteria.
La maggior parte dei caricatori wireless è intelligente e rileva lo stato della batteria, interrompendo automaticamente la ricarica e risparmiando energia. La ricarica wireless, inoltre, è completamente indipendente dal marchio del carico. Seguendo tutti gli standard di settore possono essere ricaricati dispositivi di marche differenti rispetto al caricabatterie, mantenendo il massimo livello di portabilità e compatibilità.
Purtroppo vi sono piccoli svantaggi che, a ogni modo, non fanno rimpiangere gli enormi aspetti positivi del sistema. Solitamente, infatti, risulta abbastanza difficile utilizzare un dispositivo mentre è in stato di carica. E questo lo si può riscontrare sia per le piccole apparecchiature che per le autovetture. Un altro piccolo problema è rappresentato dalle dimensioni dei pad di ricarica, ben più ingombranti dei tradizionali alimentatori cablati. Alcune aziende stanno studiando diverse soluzioni per ovviare a ciò.
La ricarica wireless è generalmente meno efficiente e, quindi, meno veloce rispetto a quella tradizionale. I dispositivi e le autovetture si caricheranno, in pratica, più lentamente. Ci sono alcuni caricabatterie wireless che non possono raggiungere lo stesso livello di efficienza rispetto a quelli tradizionali e il calore generato è maggiore relativamente ai metodi di ricarica convenzionali.
Anche in tal senso i progettisti sono alla continua ricerca di metodi efficienti per riuscire a caricare una batteria wireless in modo rapido. Anche i costi, ovviamente, sono lievitati. La ricarica wireless richiede, al momento, un investimento maggiore. Un semplice cavo bipolare, seppur di elevata sezione e alta qualità, è più economico e costa meno di un intero sistema di energia trasmittente e ricevente. In alcuni casi, alcuni caricabatterie wireless costano quanto il dispositivo stesso.
Il Carburo di Silicio nei Sistemi di Ricarica Rapida per EV
Nonostante il processo di elettrificazione dei veicoli abbia compiuti enormi passi avanti, l’operazione di ricarica delle batterie ne ha frenato in parte l’adozione di massa, con tempi di ricarica medi ben al di sopra del tempo normalmente richiesto per il rifornimento di un veicolo con motore a combustione interna.
Una possibile soluzione in grado di ridurre i tempi di ricarica è basata sulla combinazione di un sistema di controllo digitale, tipicamente un BMS (Battery Management System), con dispositivi di potenza basati sul carburo di silicio (SiC).
Applicazioni dei sistemi di ricarica wireless
La ricarica wireless è ormai una consolidata realtà e le applicazioni da essa derivante sono sempre più numerose. A grandi linee tale tecnologia permette di:
- ricaricare piccoli dispositivi come sistemi indossabili o gli spazzolini elettrici;
- ricaricare apparecchi a bassa potenza come dispositivi portatili quali smartphone, smartwatch, auricolari;
- ricaricare attrezzature da cucina e piccoli robot;
- ricaricare dispositivi sanitari in ambienti sterili, evitando il trasferimento di batteri e altre impurità durante il processo di ricarica rispetto ai tradizionali cablaggi. L’industria sanitaria si sta muovendo verso sistemi di ricarica wireless avanzate che facilitano il miglioramento delle prestazioni e la sicurezza dei dispositivi medici;
- ricaricare strumentazione militare velocemente e in tutta sicurezza e potenza;
- ricaricare veicoli elettrici quali biciclette , ciclomotori e, ovviamente, automobili.
A livello industriale il wireless permette di implementare sistemi di ricarica sia a bassa potenza, per piccoli dispositivi, sia soluzioni a corrente elevata per la gestione di grandi macchinari. Con esso si instaura una maggiore protezione contro i malfunzionamenti degli impianti elettrici (sbalzi di tensione o a corto circuiti) che sovente sono causati proprio dalla presenza di cavi di collegamento.
Uno dei settori più promettenti per la ricarica wireless è rappresentato dal sistema dei veicoli elettrici. Le aziende cercano continuamente innovazioni dedicate all’applicazione commerciale delle smart grid al fine, soprattutto, di una più efficiente distribuzione elettrica per un incremento dell’autonomia dei mezzi di trasporto alimentati elettricamente.
Lo standard Qi del WPC, oggi dominante sul mercato, supporta topologie induttive single-coil e multi-coil e utilizza frequenze di 110-205 kHz. Si basa sulla comunicazione in banda e consente di trasferire l’alimentazione wireless in modo semplice, efficiente e sicuro. Anche a livello di piccola utenza oggi i consumatori chiedono soluzioni facili da utilizzare, una maggiore libertà di posizionamento e dei tempi di ricarica più brevi.
Smartphone, lettori multimediali portatili, fotocamere digitali, tablet e dispositivi indossabili richiedono tipicamente da 2 W a 20 W di potenza (vedi figura 5). Anche gli accessori come altoparlanti, cuffie, mouse e tastiere possono trarre vantaggio dalla trasmissione di potenza wireless. Collegare i cavi di ricarica ai minuscoli connettori costituisce sempre un ostacolo al design robusto.
Ad esempio, gli auricolari devono essere a prova di sudore per un utilizzo corretto in palestra. Solo la ricarica wireless può eliminare ogni problematica. La ricarica wireless diventerà sempre più diffusa anche nei luoghi pubblici come bar, chioschi, hotel e ristoranti, nei quali si può assicurare una rapida connettività di rete e creare stazioni di ricarica a pagamento.
Dal punto di vista dei veicoli elettrici sono sempre più numerose le stazioni di ricarica intelligenti ma esse richiedono potenze molto più elevate. Gli standard sono ancora in fase di sviluppo. In futuro, il trasferimento di potenza wireless diventerà sempre più una funzionalità indispensabile in un’ampia gamma di applicazioni come, ad esempio, utensili elettrici, robot, notebook e dispositivi medici.
La sicurezza nella ricarica wireless
Per ottenere migliori performance dal sistema di ricarica wireless occorre un allineamento ottimale tra le due bobine, al fine di massimizzare il trasferimento di corrente. Molti circuiti implementano, allo scopo, un sistema di monitoraggio (visivo o sonoro) in grado di avvertire l’utente del perfetto allineamento avvenuto.
La ricarica wireless permette di ottenere innumerevoli vantaggi, come spiegato in precedenza. Tale tecnologia riduce al massimo il rischio di esplosioni causate da scintille che si verificano durante il collegamento e lo scollegamento dei cavi di alimentazione in maniera tradizionale. Inoltre, dal momento che non vi è un contatto fisico diretto, le superfici esposte del segnale risultano impermeabili, ermetiche e a tenuta d’aria, a differenza delle tradizionali prese di connessione. I produttori si stanno concentrando sullo sviluppo di caricabatterie wireless per applicazioni mediche adibiti a procedure di ricarica molto complesse. Scompaiono, quindi, anche i problemi di ostruzione dei fori e di ossidazione dei contatti.
