Ad oggi la quasi totalità delle ricariche nel mondo della mobilità elettrica avviene allo stesso modo: la potenza passa dalla rete elettrica alla batteria della macchina tramite un cavo di ricarica. Esistono però altre tecnologie di ricarica emergenti di cui non tutti sono a conoscenza. Alcune di esse sono ancora in fase di studio, altre sono già in fase sperimentale. In generale però sono tutte accomunate dalla stessa idea di fondo: automatizzare la ricarica.
Vediamo allora in dettaglio quali sono le principali tecnologie con le quali è e sarà possibile caricare la nostra auto elettrica.
Ricarica conduttiva via cavo
Partiamo dallo stato dell’arte ad oggi. La ricarica conduttiva via cavo consiste nel collegamento manuale di un conduttore tra stazione di ricarica e veicolo. La corrente passa attraverso questo collegamento cablato permettendo, a seconda della dimensione del cavo, potenze di ricarica anche molto elevate.
I principali vantaggi di questo tipo di ricarica sono:
- Ridotto costo dell’infrastruttura
- Elevata efficienza nel trasferimento di potenza
- Possibilità di ricarica molto veloce (ma con crescita dei costi)
- Bassa manutenzione richiesta
- Emissioni elettromagnetiche praticamente nulle
I principali svantaggi di questo tipo di ricarica sono:
- Necessità di intervento umano per la connessione con annessi svantaggi di non avere un processo automatizzato
- Ingombro nell’area di sosta dato dal cavo
- Incompatibilità con i veicoli a guida autonoma
Per tutti i vantaggi elencati sopra, la ricarica conduttiva rimarrà sicuramente in uso su tutte le auto elettriche per molti anni a venire. Per superarne però gli svantaggi è molto probabile che nel futuro prossimo vedremo associata a questa tecnologia anche sistemi che prevedono differenti tipi di automazione. Vediamo in seguito le soluzioni più note.
Ricarica induttiva o wireless
La ricarica induttiva, comunemente chiamata ricarica wireless, consiste nel trasferimento di energia tra stazione e veicolo senza l’ausilio di un cavo ma tramite campi magnetici. Due bobine conduttive, una posta sotto la vettura e l’altra installata al centro del punto di ricarica, sono accoppiate elettromagneticamente. La bobina di terra, sfruttando il fenomeno dell’induzione elettromagnetica, genera campi magnetici alternati molto forti che inducono delle correnti nella bobina sul veicolo. Queste correnti permettono la ricarica del veicolo.
Nonostante la ricarica wireless possa sembrare concettualmente la soluzione definitiva al problema dell’automazione della ricarica, la sua implementazione tecnica genera così tante problematiche da aver portato la maggior parte delle aziende che si sono imbattute in progetti di questo tipo ad abbandonarli.
Infatti i problemi tipici dei sistemi induttivi, che a basse potenze risultano quasi trascurabili (basti pensare ai diffusissimi caricatori wireless per cellulari), ad alte potenze si manifestano prepotentemente generando effetti difficilmente accettabili per l’utente.
Queste problematiche derivano tutte da due cause principali: infrastruttura e efficienza.
Problemi di infrastruttura
Come dicevamo prima, i sistemi di ricarica induttiva vedono due bobine conduttive attraversate da forti correnti alternate ad alte frequenze. Queste correnti devono però essere generate a partire dalla corrente classica di alimentazione che arriva dalla rete. L’infrastruttura per generare queste correnti è estremamente complessa e costosa. Non solo: anche le bobine sono realizzate in materiali molto costosi e pesanti.
Da ciò derivano una serie di problematiche:
- Costi troppo elevati di infrastruttura
- Troppo peso e spazio occupato sulla vettura
- Difficoltà nel raggiungere potenze di ricarica elevate
- Necessità di avere piastre di piccole dimensioni con relative problematiche di precisione nel parcheggio
Problemi di efficienza
I sistemi di trasferimento di energia induttivi vedono i campi magnetici passare liberi nell’aria. Questa caratteristica, unita alla necessità di generare forti corrente alternate, li rende particolarmente inefficienti. Queste perdite di energia, che nelle condizioni migliori difficilmente possono scendere sotto il 10% dell’energia totale, si tramutano in forti emissioni di campi elettromagnetici e riscaldamento delle bobine.
Da ciò derivano i seguenti problemi:
- Grandi sprechi di energia durante la ricarica
- Emissioni potenzialmente pericolose di campi elettromagnetici in prossimità del veicolo
- Forte riscaldamento delle piastre che diventano pericolose per gli animali e per le persone
- Necessità di parcheggiare con precisione per garantire il perfetto allineamento delle bobine e non provocare ulteriori crescite delle perdite.
In conclusione, i sistemi di ricarica induttiva eliminano la necessità dell’intervento umano ma generano diversi nuovi problemi tali per cui ad oggi non vi sono esempi di utilizzo esteso di questa soluzione ma solo alcuni progetti pilota limitati a casi d’uso specifici. Da anni la ricerca tecnologica cerca soluzioni concrete a questi problemi ma i risultati non sono ancora abbastanza soddisfacenti. Vedremo in futuro se la situazione migliorerà.
Battery Swap
Tecnicamente il battery swap non costituisce una vera e propria tecnologia di ricarica, poiché altro non è che la sostituzione di batterie in punti dedicati. In questi punti, tramite un sistema automatizzato, la batteria scarica viene estratta e sostituita con una già carica.
Nonostante questa soluzione garantisca “tempi di ricarica” incredibilmente rapidi, sistemi di questo tipo rimangono molto poco diffusi a causa dell’enorme costo dell’infrastruttura di scambio e della necessità di uno standard comune per tutte le batterie delle diverse macchine elettriche.
Ad oggi, contrariamente a tutte le principali case automobilistiche, solo la cinese NIO ha deciso di predisporre le proprie auto alla sostituzione delle batterie.
Sistemi di ricarica automatica conduttiva
I sistemi di ricarica automatica conduttiva nascono dalla volontà di automatizzare il processo di ricarica senza però creare i problemi tipici del trasferimento induttivo di potenza. Questi sistemi vedono sempre un sistema robotico più o meno semplice che attacca alla vettura un connettore creando una connessione cablata tra la stazione di ricarica e il veicolo. Ad oggi esistono solo versioni prototipali di questi sistemi ma probabilmente assisteremo ai primi lanci delle versioni commerciali nei prossimi due o tre anni.
I sistemi di ricarica automatica conduttiva si dividono in due categorie: da sotto e dal lato.
Vediamoli nel dettaglio.
Ricarica automatica conduttiva dal lato
Un sistema di ricarica automatica conduttiva dal lato è tipicamente un robot antropomorfo installato in prossimità dell’area di parcheggio che compie esattamente l’azione dell’uomo di inserire un connettore standard nella presa di ricarica classica del veicolo.
Questi sistemi, rispetto a quelli dal basso, sono decisamente più ingombranti e complessi. Ingombranti perchè il braccio robotico deve muoversi a lato del veicolo fino ad arrivare alla presa di ricarica standard. Complessi perché mentre l’orientamento rispetto al terreno di una presa sotto il veicolo è sempre noto, l’orientamento rispetto al terreno della presa classica del veicolo deve essere misurato tramite sistemi di visione con telecamere e il robot deve avere sufficienti gradi di libertà per potersi allineare in ogni condizione. Le maggiori dimensioni del robot permettono per contro la gestione di cavi di sezione maggiore e per questo motivo i sistemi di ricarica dal lato permettono ricariche a potenze più elevate di quelli da sotto la vettura.
Il caso d’uso tipico è quando si necessitano ricariche frequenti ad alta potenza ed è accettabile un cospicuo investimento iniziale. Queste soluzioni sono pensate per la ricarica di autotrasporti o veicoli a guida autonoma dove la riduzione di tempi di fermo e dell’intervento umano permettono grandi risparmi economici.
Ricarica automatica conduttiva dal basso
Un sistema di ricarica automatica conduttiva dal basso consiste in un robot installato al centro dell’area di parcheggio di dimensioni sufficientemente piccole da permettere alla macchina di parcheggiarci sopra. Una volta che il veicolo è fermo sopra il robot quest’ultimo può muoversi e connettersi a una presa posizionata sotto la vettura creando una connessione cablata.
Per questi sistemi il centraggio del connettore con la presa della macchina è molto più semplice rispetto ai sistemi automatici dal lato e ciò li rende meno complessi e più economici. Le piccole dimensioni imposte dalla necessità di stare sotto la macchina rendono sì possibile la ricarica rapida ma non fino ai livelli di potenza dei sistemi di ricarica automatica dal lato.
ll caso d’uso tipico è quando si vuole automatizzare la ricarica limitando l’investimento e gli ingombri del sistema ma non si ha la necessità di caricare ad alta potenza. Queste soluzioni sono pensate per la ricarica privata quotidiana che avviene solitamente di notte a bassa potenza.
I sistemi automatici conduttivi da sotto il veicolo si propongono come alternativa diretta ai sistemi di ricarica wireless. Offrendo infatti al guidatore un’esperienza d’utilizzo identica, i sistemi conduttivi risolvono la maggior parte dei problemi tipici dei sistemi induttivi:
- Sono ridotti nettamente i costi di infrastruttura
- Sono ridotti peso e spazio occupato sulla vettura
- Si raggiungono tranquillamente potenze tipiche della ricarica rapida
- Il centraggio robotizzato corregge gli errori di parcheggio
- La connessione cablata riduce al minimo gli sprechi di energia derivanti dalla bassa efficienza dei sistemi induttivi
- Sono annullate le emissioni di campi elettromagnetici
- Non ci sono piastre ad alte temperature esposte
- L’efficienza di ricarica è massima indipendentemente dalla precisione di parcheggio
Per contro la movimentazione del sistema robotico può a volte risultare fonte di inaffidabilità e quindi maggiore manutenzione. L’affermarsi o meno di questi sistemi in futuro dipenderà fortemente dalla bontà della soluzione tecnica proposta in termini di affidabilità e ridotta manutenzione.
DazeTechnology sviluppa dal 2016 DazePlug, ad oggi è uno dei concept di sistemi di ricarica automatica conduttiva da sotto il veicolo più avanzato in termini di implementazione. L’arrivo sul mercato di questo sistema passa dall’adozione della soluzione da parte di una casa automobilistica e quindi dalla predisposizione dei veicoli per il funzionamento con tale sistema. E’ probabile che vedremo sul mercato soluzioni di questo tipo a partire dal 2023.
