La ricarica wireless dei veicoli elettrici trasforma il trasporto ecologico - MATLAB & Simulink

Senza cavi: la nuova modalità di ricarica dei veicoli elettrici

Ricarica wireless dell'auto da strada più veloce di sempre della McLaren


La McLaren Speedtail Hyper-GT è l'auto da strada più veloce di sempre della casa automobilistica britannica. Verso la fine dei test, un prototipo dell'elegante auto sportiva ibrida a benzina ed elettrica ha raggiunto i 403 chilometri orari (250 miglia orarie) sul Johnny Bohmer Proving Grounds, la pista di atterraggio della NASA in Florida. Le specifiche per il modello di produzione del 2020 affermano che può passare da 0 a 300 chilometri (186 miglia) all'ora in 13 secondi.

Per caricare la batteria leggera quando il veicolo aerodinamico a tre posti non è in uso, McLaren ha stretto una partnership con Lumen Freedom per utilizzare il loro sistema di ricarica wireless per veicoli elettrici (WEVC). La Speedtail è il primo veicolo al mondo a incorporarlo.

“Il futuro offrirà molte diverse forme di ricarica. Attualmente abbiamo la versione statica, poi passeremo alla versione semi-dinamica. L'ultimo passaggio è la ricarica dinamica completa, con cui sarà possibile ricaricare a velocità superiori a 100 chilometri orari."

Sebbene la ricarica induttiva, o wireless, stia diventando sempre più comune per telefoni, smartwatch e altri piccoli dispositivi, il sistema wireless di Lumen Freedom per Speedtail rappresenta una soluzione unica per i veicoli elettrici, secondo il direttore generale di Lumen Freedom Rod Wilson e il responsabile del team software Radek Pesina.

Vista laterale della McLaren Speedtail in avvicinamento alla base, appoggiata a terra proprio di fronte alla vettura.

La McLaren Speedtail si avvicina alla pista di base. (Crediti dell’immagine: (La McLaren Automotive Ltd.)

La ricarica wireless è più semplice per i possessori di veicoli elettrici, soprattutto per le persone con disabilità. Inoltre, questo tipo di sistema riduce l'ingombro visivo nelle aree urbane e richiede meno spazio rispetto alle stazioni di ricarica plug-in esistenti.

In futuro, il sistema wireless potrebbe eliminare l'ansia da portata ricaricando i veicoli fermi ai semafori e in autostrada. "Il futuro offrirà molte diverse forme di ricarica", ha affermato Wilson. "Attualmente abbiamo la versione statica, poi passiamo alla versione semi-dinamica. L'ultimo passaggio è la ricarica dinamica completa, con cui sarà possibile ricaricare a velocità superiori a 100 chilometri orari."

Per Lumen Freedom, il progetto Speedtail è solo l'inizio. Il loro sistema pronto per la produzione ha il potenziale per trasformare la progettazione automotive, i trasporti e persino la rete elettrica così come la conosciamo.

Prestazioni di ricarica messe alla prova

Invece di cavi, spine e ingombranti stazioni di ricarica, il sistema WEVC utilizza l'accoppiamento magnetico induttivo risonante. La corrente proveniente da una fonte di alimentazione si sposta da una piastra trasmittente posta a terra sotto il veicolo, attraverso l'intercapedine d'aria, fino a una piastra ricevente integrata nel veicolo. L'efficienza della trasmissione di potenza è pari o superiore al 92%.

L'assemblaggio a terra e quello del veicolo comunicano tra loro in modalità wireless. I conducenti possono monitorare il sistema di ricarica tramite il touchscreen da 10 pollici del veicolo o tramite un'app sul proprio dispositivo smart. L'elevata capacità di altezza libera dal suolo rende il sistema compatibile con tutti i tipi di veicoli, dalle auto sportive ad alte prestazioni alle berline familiari e ai SUV.

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    Ricarica di un'auto elettrica tramite una base di ricarica Lumen. (Credito video: Lumen Freedom)

    Fin dai suoi esordi nel 2016, Lumen Freedom ha perfezionato il concetto di WEVC e sviluppato il primo sistema da 11 KW a scatola singola al mondo. Lumen Freedom è ora un licenziatario completamente accreditato di Witricità.

    Lumen Freedom impiega numerosi regimi per i test fisici. Un grande telaio in alluminio, noto come portale, è collegato a un sistema di alimentazione ad alta tensione Regatron per aiutare a simulare il funzionamento e i requisiti di alimentazione reali. "Bisogna essere in grado di calcolare quanta energia viene dissipata nell'ambiente circostante e quanta viene effettivamente accoppiata", ha affermato Pesina.

    Telefono cellulare all'interno di un veicolo che visualizza un avviso di presenza di oggetti estranei.

    Quando viene rilevato un oggetto estraneo sulla base di ricarica, viene inviato un avviso al telefono del conducente. (Crediti dell’immagine: Lumen Freedom)

    Nella ricarica wireless dei veicoli elettrici, il disallineamento del veicolo rispetto alla base non rappresenta un problema, poiché il sistema integra una tecnologia avanzata di posizionamento ibrido. Il team di Lumen ha testato l'allineamento con motori passo-passo controllati da computer per regolare l'altezza e le posizioni X e Y per gli studi di allineamento.

    Le simulazioni hanno aiutato il team a integrare protocolli di sicurezza nel software di sistema, in modo che qualsiasi disallineamento estremo rilevato dai sensori delle piastre disattivi automaticamente l'intero sistema di ricarica. Il sistema WEVC incorpora un sistema di rilevamento di oggetti estranei in grado di rilevare un oggetto metallico piccolo come una graffetta sulla piastra di terra. Quindi avvisa il conducente dell'ostacolo tramite l'app. Il sistema si spegnerà finché l'oggetto estraneo non verrà rimosso.

    La progettazione basata su modelli accelera lo sviluppo

    Wilson sottolinea subito che i controlli di sicurezza automatici sono standard per tutti i sistemi, non solo per il prodotto Lumen Freedom. Ma l'adozione del Model-Based Design ha accelerato il processo di sviluppo dei controlli.

    I modelli software di base e la logica principale per l'intero sistema, incluso l'assemblaggio a terra e i lati del veicolo, sono stati progettati con MATLAB® e Simulink®, ha detto Pesina.

    In particolare, MATLAB e Simulink hanno avuto un ruolo determinante nello sviluppo del controller di comunicazione del veicolo elettrico, che gestisce la comunicazione tra il veicolo e l'assemblaggio a terra. Questo controller invia messaggi essenziali alla base di ricarica del veicolo e al sistema di gestione della batteria interna del veicolo. Questa comunicazione ha dovuto passare da un controller cablato a uno basato su Wi-Fi, ha spiegato Pesina.

    “[Modellare il sistema in MATLAB e Simulink] è stato molto più veloce rispetto alla sua scrittura in codice C. Per non parlare del fatto che è molto più semplice da simulare e testare."

    Lo sviluppatore di Lumen è riuscito a spostare rapidamente la macchina a stati principale nei modelli. "In circa tre o quattro giorni, la bozza iniziale era completa", ha detto Pesina. "Era perfettamente funzionante ed eseguiva le stesse azioni che la macchina a stati stava eseguendo nel codice C."

    (A sinistra) Illustrazione di un gatto sulla piattaforma di ricarica. (A destra) Il controller di comunicazione del veicolo elettrico.

    Notifica di oggetti viventi gestita dal controller di comunicazione del veicolo elettrico. (Crediti dell’immagine: Lumen Freedom)

    Una nuova tornata di modifiche ai requisiti ha comportato la completa riorganizzazione della macchina a stati. Lo sviluppatore ha completato il lavoro in un giorno. "È stato completato molto più velocemente rispetto alla scrittura in codice C", ha continuato Pesina. "Per non parlare del fatto che è molto più semplice da simulare e testare."

    L'inserimento dei modelli di comunicazione, dell'elettronica di potenza e della macchina a stati nei modelli ha reso più semplice e sicura la simulazione dell'intero funzionamento del sistema. Gli sviluppatori sono riusciti a far funzionare il sistema di ricarica wireless per un ciclo completo sul loro banco di lavoro, senza dover effettuare alcun trasferimento di potenza. In questo modo il portale e le altre apparecchiature sono stati liberati per effettuare prove separate e controllate, utilizzando livelli di corrente elevati e di tensione.

    Liberarsi dai vincoli

    Il team di Lumen Freedom prevede l'adozione di sistemi WEVC da parte di OEM e fornitori di infrastrutture, con conseguenti cambiamenti radicali. Uno dei vantaggi sarà la riduzione delle dimensioni delle batterie dei veicoli elettrici. "Dato che la ricarica wireless e l'accessibilità alla ricarica wireless stanno diventando sempre più comuni, le proiezioni future indicano che le dimensioni delle batterie saranno ridotte perché non sarà necessario trasportare troppa energia a bordo", ha affermato Wilson.

    "Il nostro sistema sarà pronto per la transizione verso scenari veicolo-casa e veicolo-rete quando la domanda sarà disponibile".

    La ricarica wireless potrebbe anche avvicinarci agli scenari veicolo-casa e veicolo-rete. Wilson prevede che i veicoli elettrici contribuiranno ad alimentare le abitazioni o fungeranno da canali per rivendere l'elettricità alla rete. Gli utenti devono semplicemente impostare il livello di accumulo della batteria sul livello di conservazione desiderato e premere un pulsante dall'auto o da casa per attivare il trasferimento di energia. Il veicolo completamente carico alimenta le luci, la TV e i piccoli elettrodomestici. Per gli elettrodomestici ad alta potenza, il sistema tornerebbe all'alimentazione dalla rete elettrica.

    "Questi test e questa dimostrazione di fattibilità sono stati completati e sono effettivamente in atto in molti Paesi con sistemi plug-in", ha affermato Wilson. “Il nostro sistema sarà pronto per questa transizione quando ci sarà la domanda”.

    Pesina prevede che un sistema del genere stabilizzerebbe la rete e garantirebbe alle compagnie energetiche una fornitura aggiuntiva di energia da distribuire nelle aree soggette a blackout.

    Il collegamento veicolo-rete potrebbe incoraggiare l'adozione delle energie rinnovabili. Pesina ha sottolineato la capacità di Tesla Powerwall di alimentare un'abitazione anche in assenza di corrente elettrica. Un veicolo elettrico potrebbe funzionare in modo simile, caricando un impianto fotovoltaico domestico quando si verifica un'interruzione di corrente locale.

    Il sistema WEVC stesso sta facendo grandi progressi. "Quando è incastonato all'esterno sotto l'asfalto, il pad di ricarica continua a trasmettere dati al veicolo, anche se coperto da neve o grandine", ha affermato Wilson.

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        Il sistema Lumen può ricaricare veicoli fermi, quelli in attesa ai semafori e perfino quelli che circolano nelle corsie attrezzate. (Credito video: Lumen Freedom)

        Lumen Freedom sta sviluppando una ricarica semi-dinamica per taxi e piccoli veicoli commerciali a zero emissioni nel Regno Unito. La ricarica semi-dinamica elimina la necessità di fermarsi e collegare i veicoli. Invece, il sistema addebita il costo del taxi man mano che attraversa la coda, ricaricandosi un po' man mano che avanza in ogni posizione della coda.

        Anche la ricarica dinamica completa è più vicina alla realtà. Un progetto europeo pluriennale denominato Fabric ha analizzato il trasferimento dinamico di potenza wireless nei veicoli elettrici che si muovono a velocità di guida tipiche. Durante i test conclusi nel 2018, per testare il sistema è stato utilizzato un sito di prova lungo 100 metri in Francia. Il progetto ha dimostrato che il trasferimento dinamico wireless sembra fattibile nel medio termine per gli autobus urbani e i corridoi merci a lunga percorrenza e, naturalmente, per le automobili nazionali. La ricarica dinamica elimina l'ansia da autonomia e garantisce una ricarica continua e senza interruzioni quando si percorrono lunghe distanze sulle autostrade interstatali.

        La ricarica wireless dei veicoli elettrici sta prendendo piede proprio mentre aumentano i test sui veicoli autonomi. Nell'agosto 2020, lo stato del Michigan ha annunciato l'intenzione di valutare la costruzione di una carreggiata di 64 chilometri (40 miglia) tra Ann Arbor e Detroit riservata esclusivamente ai veicoli autonomi. Diverse importanti case automobilistiche hanno accettato di fornire il loro contributo. L'idea è di iniziare con veicoli condivisi e poi estendersi ai veicoli personali e per il trasporto merci.

        Wilson si aspetta che le città di tutto il mondo designino aree come questa per veicoli elettrici autonomi, in grado di ricaricarsi durante la marcia. "Arriva con impeto" ha detto. "Guardiamo con ansia a un futuro grande e luminoso, senza fili."

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