IT201800006495A1 - Procedimento per l’installazione diretta su strada di induttori per trasferimento induttivo di potenza elettrica - Google Patents

Description

Descrizione dell’Invenzione Industriale dal titolo:

“Procedimento per l’installazione diretta su strada di induttori per trasferimento induttivo di potenza elettrica”

DESCRIZIONE

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce alle tecniche e ai materiali per l’installazione diretta all’interno della pavimentazione stradale di bobine induttrici per applicazioni dedicate al trasferimento induttivo di potenza ad esempio per veicoli elettrici.

In particolare, l’invenzione propone l’uso di materiali già impiegati in altri settori (ad esempio il settore dell’edilizia) riadattandoli all’utilizzo indicato.

L’invenzione proposta trova impiego nell’installazione su strada dei sistemi di ricarica induttiva di potenza ad esempio per veicoli elettrici o in ogni possibile installazione in cui possano essere presenti degli elementi attivi che soffrano di problemi di accoppiamento elettromagnetico, in particolare di tipo capacitivo, rispetto al terreno nel quale devono essere posizionati.

Un’applicazione verso la quale l’invenzione è naturalmente indirizzata, è quella dei sistemi di ricarica induttiva per veicoli/sistemi elettrici sia fermi che in movimento.

L’invenzione risolve il problema degli accoppiamenti capacitivi verso terra che sono presenti nel caso di installazione diretta degli elementi induttivi al di sotto del manto stradale.

L’invenzione permette di ottenere una installazione a basso costo, protetta dagli agenti atmosferici che può essere integrata nell’infrastruttura stradale eliminando la necessità di involucri aggiuntivi.

L’invenzione si rivolge tanto al settore automotive quanto al settore infrastruttura stradale. L’invenzione infatti si intende applicata alla tecnologia della ricarica induttiva che prevede il coinvolgimento di attori operanti in entrambi i settori.

L’invenzione potrebbe risultare di particolare interesse per le aziende interessate allo sviluppo di tecnologie per il trasferimento induttivo.

Sfondo tecnologico

Allo stato dell’arte, non esistono tecnologie consolidate per l’applicazione alla quale l’invenzione si riferisce. L’invenzione si pone dunque come totalmente innovativa.

Per applicazioni commerciali a veicolo fermo, la bobina viene installata al di sopra del manto stradale all’interno di appositi involucri non ferromagnetici con conseguenti svantaggi in termini di ingombro, praticità d’uso e possibili atti vandalici.

Le soluzioni alternative finora proposte da altri ricercatori che lavorano sullo stesso tema consistono nella creazione di uno scavo e della posa delle bobine “in aria” tramite strutture plastiche.

Lo scavo viene poi ricoperto tramite lastre di materiale tipo vetro-resina non idoneo alla pavimentazione per ragioni meccaniche come l’aderenza rispetto agli pneumatici nonché per ragioni di costo che non permetterebbero l’installazione su larga scala.

Alcuni prototipi per la ricarica induttiva prevedono la posa sul manto stradale tramite appositi involucri.

Tale soluzione, per ovvie ragioni, non si presta alle applicazioni con veicolo in movimento.

Esistono diversi documenti che descrivono soluzioni note, alcuni dei quali vengono qui di seguito commentati. Tali commenti servono ad introdurre e sottolineare gli svantaggi delle soluzioni attualmente disponibili.

Il documento US20100103741A1 descrive un sistema di ricarica induttiva con “supply track” all’interno del manto stradale. In questo caso il sistema prevede la costruzione di una sorta di contenitore in materiale conduttivo per la bobina e un coperchio in materiale plastico o non metallico in generale. Il sistema quindi non prevede l’interramento diretto dei coil ed esclude il ricorso ai metodi e materiali classici impiegati nella pavimentazione stradale.

I documenti US2532231A e US1992214A descrivono sistemi che utilizzano bobine per applicazioni tipo traffic control.

Tali sistemi non presentano le problematiche tipiche dei sistemi di trasmissione induttiva per via della diversa geometria dei conduttori utilizzati nonché del diverso impiego in termini elettromagnetici. In questi casi infatti, le bobine installate non vengono alimentate ma usate come dei sensori passivi oppure vengono alimentati a frequenze molto basse, ampiamente inferiori ai kilohertz, per le quali i fenomeni di accoppiamento elettromagnetico non diventano rilevabili.

I brevetti individuati non presentano comunque alcuna particolare descrizione dei materiali e delle tecniche impiegate per l’installazione delle bobine al di sotto del manto stradale e non fanno menzione delle problematiche di accoppiamento capacitive che è possibile riscontrare nelle applicazioni verse le quali l’invenzione è rivolta.

Scopo e sintesi

La presente invenzione riguarda un procedimento per l’installazione diretta su strada di induttori per trasferimento induttivo di potenza elettrica. Il procedimento comprende le fasi di:

- realizzare una bobina e disporla su una base di materiale dielettrico,

- praticare uno scavo adatto ad accogliere la bobina, - depositare un primo strato di materiale dielettrico, - posizionare la bobina,

- depositare un secondo strato di materiale dielettrico,

- attendere che lo strato di materiale dielettrico si asciughi, e

- depositare uno strato di pavimentazione.

Preferibilmente, il materiale dielettrico è vernice bituminosa o catramina.

In alternativa il materiale dielettrico è resina epossidica per trasformatori.

Inoltre, il materiale dello strato di pavimentazione è selezionato tra cemento, asfalto freddo ed asfalto caldo.

In alcune forme di realizzazione la bobina è realizzata in filo litz isolato.

In varie forme di attuazione, alla bobina è connesso un elemento capacitivo realizzato con la tecnologia del circuito stampato multistrato.

Infine, l’installazione non necessita di involucri di protezione per la bobina, ma ricopre la bobina direttamente con i materiali della pavimentazione stradale.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la Figura 1 mostra lo schema generale di un sistema IPT per veicoli elettrici,

- le Figure 2a, 2b e 2c mostrano un esempio di interramento della bobina,

- la Figura 3 mostra un esempio di schema rappresentante l’effetto di accoppiamento capacitivo della bobina rispetto al terreno,

- le Figure 4a e 4b mostrano l’andamento di ampiezza e fase dell’impedenza della bobina,

- la Figura 5 mostra una rappresentazione qualitativa dell’idea alla base dell’invenzione,

- le Figure 6a e 6b mostrano un esempio di bobina di prova con interposizione di vernice bituminosa o catramina,

- le Figure 7a e 7b mostrano l’andamento di ampiezza e fase dell’impedenza della bobina con interposizione di catramina, e

- le Figure 8a, 8b, 8c e 8d mostrano le fasi di una delle possibili procedure di interramento della bobina trasmittente.

Descrizione particolareggiata

Nella seguente descrizione sono illustrati vari dettagli specifici finalizzati ad una approfondita comprensione di esempi di una o più forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere realizzate senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri metodi, componenti, materiali ecc. In altri casi, strutture, materiali o operazioni noti non sono mostrati o descritti in dettaglio per evitare di rendere oscuri vari aspetti delle forme di attuazione. Il riferimento ad “una forma di attuazione” nell’ambito di questa descrizione sta ad indicare che una particolare configurazione, struttura o caratteristica descritte in relazione alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, frasi come “in una forma di attuazione”, eventualmente presenti in diversi luoghi di questa descrizione, non sono necessariamente riferite alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinati in un modo adeguato in una o più forme di attuazione.

I riferimenti qui utilizzati sono presenti soltanto per comodità e non definiscono dunque l’ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione.

L’invenzione è stata ideata e sviluppata nell’ambito della ricerca su un sistema di ricarica wireless per veicoli elettrici in movimento finanziata nell’ambito del progetto europeo Fabric agreement no 605405 del 7th framework programme for research.

Rispetto ai sistemi prototipali sviluppati da altri gruppi di ricerca, l’invenzione presenta come vantaggi l’eliminazione di involucri esterni per la posa delle bobine e la loro protezione.

Il sistema OLEV, sviluppato dal Korea Advanced Institute of Technology (KAIST), è descritto nell’articolo “Modern Advances in Wireless Power Systems for Roadway Powered Electric Vehicles”, IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 63, no. 10, October 2016.

A differenza del Sistema sviluppato dal Korea Advanced Institute of Technology (KAIST), per i quali le bobine a terra vengono posate utilizzando strutture di involucro dedicate, l’uso delle tecniche presentate come invenzione permette l’utilizzo di materiali a basso costo largamente reperibili sul mercato. Tramite le modalità di posa descritte, le bobine possono essere interrate con i metodi classici utilizzati per la pavimentazione stradale con conseguente beneficio in termini di semplificazione dell’installazione, riduzione dei tempi di posa, riduzione del costo complessivo dell’installazione.

Un altro esempio di sistema noto è visibile sul sito di Qualcomm alla pagina: https ://www.qualcomm.com/news/ong/2017/05/18/wireless-dynamicev-charging-evolution-qualcomm-halo.

In questo caso, il sistema di bobine è sospeso al di sotto del manto stradale e ricoperto con materiali non idonei alla pavimentazione stradale.

Per comprendere bene le funzionalità dell’invenzione, occorre dare una breve descrizione di un sistema di trasferimento induttivo (in inglese inductive power transfer IPT) per la ricarica dei veicoli elettrici. Tale sistema può essere schematizzato come in Figura 1.

Un sistema IPT è essenzialmente basato sull’accoppiamento induttivo di due bobine, una fissa lato terra detta trasmettitore ed una seconda bobina installata al di sotto del pianale del veicolo.

La bobina trasmittente viene alimentata tramite un convertitore elettronico di potenza che, fornendo una corrente ad alta frequenza alla bobina, permette a quest’ultima di generare un campo che viene concatenato dalla bobina posta a bordo veicolo.

Tramite il fenomeno dell’induzione magnetica (legge di Faraday) il campo ad alta frequenza concatenato dà luogo ad una tensione indotta sulla bobina ricevente. Connettendo un carico a tale bobina, si può dar luogo ad un trasferimento di energia elettrica in assenza di contatto. Per aumentare la capacità di trasferimento ovvero massimizzare la potenza ed aumentare l’efficienza del sistema, a tali bobine sono connessi degli elementi reattivi che ne possano compensare le relative reattanze.

Nella quasi totalità dei casi, tali componenti sono costituiti da condensatori connessi secondo diverse topologie circuitali con l’eventuale impiego di addizionali induttori non dedicati al trasferimento di energia.

Con riferimento alla Figura 1, a bordo di una autovettura è predisposta una bobina ricevente indicata con il riferimento 10. La bobina ricevente 10 è connessa a dispositivi di compensazione 20 che sono a loro volta connessi ad un convertitore AC/DC 30 a bordo. Infine, è presente un carico 40 collegato al convertitore AC/DC 30.

Sotto il manto stradale è invece predisposta una bobina trasmittente indicata con il riferimento 50. La bobina trasmittente 50 è collegata a dispositivi di compensazione 60 che sono a loro volta connessi ad un convertitore DC/AC 70. Infine, è possibile che sia presente un convertitore AC/DC 80 che è a sua volta collegato con la rete elettrica 90.I dispositivi qui descrittipossono non essere presenti o essere integrati in uno o più convertitori/componenti elettrici (tipo trasformatori). La descrizione si riferisce alla Figura 1 che è un esempio non limitativo di una possibile forma di attuazione.

Gli inventori hanno già provveduto al deposito in data 23/03/2017 di un precedente brevetto (domanda n.

102017000032290) relativo ad una tecnologia per la realizzazione dei suddetti condensatori per le stesse applicazioni alle quali l’invenzione qui descritta si rivolge.

Nell’ambito del progetto europeo FABRIC, gli inventori si sono impegnati nella realizzazione di una pista per la ricarica induttiva in movimento costituita da 46 trasmettitori che compongono una corsia di ricarica lunga circa 100 m.

Per capire quale fosse la tecnica più opportuna per la posa di tali bobine, gli inventori ne hanno realizzata una prima versione di prova visibile in Figura 2.

In particolare, la Figura 2a mostra la bobina 100 posata nello scavo ricavato appositamente. La bobina 100 viene ricoperta da un primo strato di cemento 110 come illustrato in Figura 2b e infine ricoperta da un secondo strato di asfalto freddo 120 come mostrato in Figura 2c (materiali proposti dal partner del progetto Tecnositaf ritenuti idonei per l’istallazione e comunemente impiegati in lavori di manutenzione stradale).

I valori di resistenza e auto-induttanza di tale bobina sono stati preliminarmente misurati in laboratorio tramite impedenzimetro. I valori ottenuti sono stati: resistenza R = 303 mohm, auto-induttanza L = 211.8 µH.

Una volta terminato l’interramento della bobina, a distanza di 48 ore, è stata ripetuta la misura dei parametri della bobina. In tal caso sono stati riscontrati dei valori totalmente inattesi pari a R=17.2 ohm e L = 301.0 µH.

Gli inventori hanno cercato di individuare la causa di tale forte discrepanza. L’ipotesi formulata ritenuta più attendibile ha portato a ritenere come causa la presenza di effetti di accoppiamento capacitivo tra i conduttori della bobina e il terreno con una schematizzazione qualitativa abbozzabile come in Figura 3. Tale Figura 3 rappresenta qualitativamente il fenomeno di accoppiamento capacitivo con il terreno come una serie di tanti condensatori connessi in parallelo alla bobina interrata. In tale schematizzazione, il terreno rappresenta uno dei conduttori che costituiscono una equivalente armatura di un condensatore mentre la seconda armatura è costituita dalla superficie dei conduttori costituenti la bobina.

Tale ipotesi è stata verificata in laboratorio riproducendo le stesse condizioni di interramento su una nuova bobina di prova di dimensioni ridotte e confrontando l’andamento in frequenza dell’impedenza della nuova bobina prima e dopo l’interramento.

Il risultato di tale misura e visibile in Figura 4. Anche con la nuova bobina si è riscontrata la stessa discrepanza avuta nel primo caso. In particolare, si è evidenziato un fenomeno tipico della risonanza, ovvero la presenza di una forte non linearità ed un massimo locale dell’impedenza in corrispondenza di una fase dell’impedenza pari a zero. Tale risultato ha rafforzato l’ipotesi iniziale.

In particolare, la Figura 4a mostra i risultati della misura preliminare fatta sulla bobina in aria. Diversamente, la Figura 4b mostra i risultati della misura dopo l’interramento. In particolare, le frecce evidenziano i punti di discrepanza, la deviazione dalla linearità e la presenza di un picco in corrispondenza di una fase pari a zero.

Da notare che tali andamenti si riferiscono ai sistemi di laboratorio usati per investigare il problema che usavano bobine di dimensioni molto minori a quelle effettivamente usate. Quindi gli effetti di “deformazione” di modulo e fase si vedono a frequenze più elevate rispetto a quelle tipiche delle applicazioni di riferimento.

Si è formulato a questo punto il concetto chiave su cui si basa la presente invenzione. Tale concetto è schematizzabile tramite la Figura 5 e formulabile come segue: “se il terreno e la bobina rappresentano le due armature di un condensatore, per diminuirne la capacità è sufficiente frapporre tra la bobina e il terreno uno strato sufficientemente spesso di materiale dielettrico”.

Sono state realizzate quindi varie bobine di grandezza uguale a quella del secondo test in laboratorio e su questa sono state effettuate varie prove utilizzando materiali e combinazioni di materiali diversi.

Tali materiali sono stati individuati tra quelli derivanti dall’esperienza nell’ambito dei lavori stradali del partner coinventore di Tecnositaf e tra quelli derivanti nell’esperienza in ambito elettrotecnico dei coinventori del Politecnico.

Si è riscontrato che solo un paio tra i materiali testati (otto materiali diversi) hanno permesso di ottenere l’effetto desiderato.

Tra questi materiali dielettrici testati, quello più interessante è risultato essere la vernice bituminosa o vernice bituminosa impermeabilizzante, anche nota come catramina.

La vernice bituminosa o catramina è un materiale bituminoso tipicamente utilizzato per l’isolamento di superfici in edilizia. Solitamente ha anche un effetto impermeabilizzante.

Per completezza, si riporta in Figura 7, il confronto delle misure di impedenza della bobina prima dell’interramento e dopo l’interramento con interposizione di uno strato di catramina di 2cm visibile in Figura 6.

A seguito dell’interposizione di tale strato di materiale dielettrico, si è constatata una forte riduzione di problematiche analoghe anche in presenza degli strati successivi di materiale anche se con qualche lieve differenza.

A seguito di tali valutazioni, è stata convenuta l’adozione di tale materiale dielettrico insieme ad una serie di azioni per la realizzazione e la posa delle bobine trasmittenti che permettesse l’interramento diretto senza ricorrere ad involucri esterni ed eliminando il problema degli accoppiamenti capacitivi.

Tale procedura è riassumibile in pochi passaggi riconducibili alle foto riportate in Figura 8.

In una prima fase si realizza la bobina, ad esempio con filo litz isolato e la si pone su una base di materiale dielettrico che fornisce un primo livello di dielettrico rispetto al terreno, vedere Figura 8 (a). diversamente è possibile utilizzare tubi di rame per realizzare la bobina.

In una fase successiva si pratica uno scavo adatto ad accogliere la bobina, vedere Figura 8 (b).

Occorre sottolineare che la forma dello scavo può assumere delle caratteristiche diverse da quelle indicate. Quella proposta è la forma che minimizza l’uso di materiali in quanto minimizza il volume dello scavo

Successivamente viene versato un primo strato di Catramina.

In seguito, viene posizionata la bobina (si noti che insieme alla bobina è stata anche pensata l’integrazione congiunta del condensatore relativo al brevetto sopra citato.

Dopo la deposizione della bobina nello scavo la bobina viene ricoperta da un successivo strato di Catramina, vedere Figura 8 (c).

A seguito dell’asciugatura della Catramina (24/48 ore), può essere posto lo strato a livello della pavimentazione.

I materiali utilizzati in questo caso per lo strato a livello della pavimentazione sono stati cemento, asfalto freddo ed asfalto caldo vedere Figura 8 (d).

Diversamente, come materiale dielettrico per isolare la bobina è possibile utilizzare una resina epossidica per trasformatori.Da notare che tale materiale è estremamente costoso proprio perché impiegato in applicazioni molto tecniche. Inoltre, la rigidità che la resina acquisisce una volta indurita non sembra compatibile con le caratteristiche di resistenza alla compressione necessaria per l’installazione su strada.

In particolare, la base di dielettrico ha principalmente lo scopo di fornire un supporto meccanico per tenere in forma la bobina durante tutte le fasi di interramento.

È possibile utilizzare materiali più semplici e a basso costo come il legno, ma occorre verificarne le caratteristiche meccaniche che ne permettano la resistenza meccanica. Al momento questo aspetto non è stato investigato.

Sono in corso test per identificare altri materiali, ma al momento la catramina (in particolare Black Catramina della Multichimica e Catramix della Ecoservice) sembra essere l’unico materiale ad offrire le prestazioni richieste.

L’invenzione propone una tecnica realizzativa e di installazione per una tecnologia, quella del trasferimento induttivo di potenza con veicolo fermo e/o in movimento, in fase nascente e di forte interesse industriale.

L’invenzione ridefinisce l’utilizzo di materiali tipicamente impiegati in altri settori produttivi per adattarli ad una applicazione innovativa in fase di forte sviluppo.

L’invenzione permette di accelerare i tempi di installazione delle bobine eliminando la necessità di dover ricorrere a involucri di protezione per le bobine stesse.

L’invenzione permette di ricoprire le bobine direttamente con i materiali e i metodi classici della pavimentazione stradale.

Naturalmente, fermo restando il principio dell’invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Procedimento per l’installazione diretta su strada di induttori per trasferimento induttivo di potenza elettrica, comprendente le fasi di: - realizzare una bobina e disporla su una base di materiale dielettrico, - praticare uno scavo adatto ad accogliere la bobina, - depositare un primo strato di materiale dielettrico, - posizionare la bobina, - depositare un secondo strato di materiale dielettrico, - attendere che lo strato di materiale dielettrico si asciughi, e - depositare uno strato di pavimentazione.
2. 2) Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detto materiale dielettrico è vernice bituminosa o catramina.
3. 3) Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detto materiale dielettrico è resina epossidica per trasformatori.
4. 4) Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui il materiale di detto strato di pavimentazione è selezionato tra cemento, asfalto freddo ed asfalto caldo.
5. 5) Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui detta bobina è realizzata in filo litz isolato.
6. 6) Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui a detta bobina è connesso un elemento capacitivo realizzato con la tecnologia del circuito stampato multistrato.
7. 7) Procedimento secondo una delle precedenti rivendicazioni, in cui detta installazione non necessita di involucri di protezione per la bobina, ma ricopre la bobina direttamente con i materiali della pavimentazione stradale.