Il trasferimento wireless di energia è un tema molto dibattuto in ambito Internet of Things e in tutto il settore che riguarda veicoli elettrici e dispositivi elettronici mobile.
La metodologia wireless è ben nota ma la progettazione di trasmettitori, la loro collocazione, la massimizzazione dell'efficienza e la validazione del comportamento dell'intero sistema rappresentano una sfida complessa che richiede competenze specifiche e l'uso di strumenti avanzati quali la simulazione numerica.
La frontiera successiva è l'estensione di questa tecnologia ad un numero sempre maggiore di dispositivi differenti aumentando il range di efficienza della potenza trasmessa e assicurando che il design del sistema WPT rispetti le normative vigenti nei vari Paesi.
I metodi utilizzati dai più comuni sistemi WPT sono l'accoppiamento induttivo o la risonanza magnetica, ciascuno dei quali ha punti di forza e di debolezza.
La tecnologia più nota e già in uso in alcuni oggetti domestici come spazzolini da denti o telefoni cordless impiega l'accoppiamento induttivo che non si adatta, però, ad applicazioni che comprendono trasferimenti di potenza significativi a lungo raggio.
In quest'ultimo caso si applica la risonanza magnetica in due modi: la trasmissione di elevata potenza a una distanza inferiore a un metro oppure a distanze maggiori di quelle garantite dal metodo induttivo.
La simulazione di campo elettromagnetico
Progettare il trasferimento wireless di potenza in modo affidabile richiede un metodo in grado di calcolare le performance elettromagnetiche e termiche dell'antenna a bobina così come dei circuiti e di prevedere la logica che guida e controlla tutte le operazioni dell'intero sistema.
A questo scopo i progettisti delle più avanzate soluzioni in tutto il mondo utilizzano strumenti di simulazione numerica per analizzare in bassa frequenza le bobine induttive impiegate nella metodologia dell'accoppiamento induttivo.
I software di simulazione più avanzati consentono anche di estrarre l'equivalente R dipendente dalla frequenza, e le caratteristiche L e C delle bobine per consentire al progettista un modello di circuito equivalente a un'antenna a bobina induttiva.
Aggiungendo una capacità esterna può essere simulata anche la risonanza.
Per i WPT a risonanza magnetica su larga distanza, le frequenze operative sono più alte e i software di simulazione elettromagnetica consentono di determinare il campo elettromagnetico trasmesso, riflesso e totale di un'antenna ricevente e trasmittente.
I software ottimizzano anche il design delle bobine per il controllo completo di ogni fenomeno.
Analisi parametrica e ottimizzazione
I software di simulazione elettromagnetica più avanzati consentono di effettuare analisi parametriche per la variazione automatica della taglia della bobina, della posizione, e del materiale per arrivare al progetto ottimale.
Le analisi parametriche sono un ottimo strumento anche per valutare l'efficacia della schermatura.
I materiali e i parametri geometrici come spessore e forma possono essere variabili all'interno della simulazione che fornisce ai progettisti delle informazioni importanti per il design della schermatura e per limitare la forza del campo elettromagnetico ad una determinata distanza.
Multifisica
Un altro importante aspetto dei sistemi WPT è l'analisi termica, in particolare nei sistemi ad alta potenza come le batterie per veicoli elettrici o i device elettronici inclusi in essi.
La temperatura ha un impatto decisivo sull'efficienza dei trasformatori wireless in quanto delle proprietà elettromagnetiche come conduttività e permeabilità dipendono da essa.
Un aumento di temperatura può portare a una diminuzione di conduttività e generare dissipazione di calore e perdita complessiva di efficienza.
I materiali utilizzati in questi dispositivi possono perdere le loro caratteristiche magnetiche quando la temperatura supera i 150° C.
Le alte temperature impongono, inoltre, problemi di sicurezza.
Diventa necessario conoscere la temperatura del campo prima di effettuare i calcoli dello stress termico.
Inoltre, nel fare le simulazioni per il trasferimento di potenza wireless, è necessaria l'analisi di accoppiamento elettromagnetico e termico.
La simulazione numerica consente di valutare come le correnti parassite e le perdite nel trasformatore generano calore e di creare una mappa per studiare tutte le variabili coinvolte.
La simulazione di un intero sistema di potenza wireless
Vi sono software per la simulazione grazie ai quali è possibile progettare un intero sistema wireless di potenza, agendo come simulatori sia del circuito sia del sistema.
Può essere instaurato un collegamento dinamico bidirezionale tra i diversi software utiizzati per simulare l'intero sistema, inclusi gli inverter IGBT/MOSFET, i modelli di antenne a bobina dipendenti dalla frequenza e il circuito raddrizzatore fino addirittura al controllo embedded.
Grazie alla capacità dinamica di questo collegamento si possono calcolare con precisione delle mappe, variando gli allineamenti geometrici e le caratteristiche elettriche al contempo.
Questi dati possono essere impiegati per simulare il comportamento EMI e EMC per determinare se il sistema risponde alle normative.
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