ITTO20091060A1

ITTO20091060A1 - Sistema e metodo di trasferimento di energia senza fili per l alimentazione di un carico elettrico

Info

Publication number: ITTO20091060A1
Application number: IT001060A
Authority: IT
Inventors: Walter Bella; Felice Fulvio Faraci
Original assignee: Telecom Italia Spa
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-06-30
Also published as: WO2011080577A3; EP2520001A2; US9071064B2; EP2520001B1; WO2011080577A2; US20120286728A1

Description

DESCRIZIONE dell’Invenzione Industriale avente per titolo:

“SISTEMA E METODO DI TRASFERIMENTO DI ENERGIA SENZA FILI PER L’ALIMENTAZIONE DI UN CARICO ELETTRICO”

DESCRIZIONE

La presente invenzione si colloca nell’ambito dei sistemi per il trasferimento di energia in modalità senza fili (wireless) tra un trasmettitore ed un ricevitore. Più in particolare, la presente invenzione si riferisce ad un sistema per il trasferimento di energia in modalità wireless tra un trasmettitore ed un ricevitore collocati a distanza l’uno dall’altro, ed in cui nello spazio circostante il trasmettitore ed il ricevitore siano presenti ostacoli anche di natura metallica e/o non sia conveniente collegare tra loro il trasmettitore ed il ricevitore tramite una connessione filare.

Con la crescente disponibilità di sensori e microcontrollori di dimensioni sempre più contenute, sono stati integrati nei veicoli sistemi di tipo reattivo che consentono una maggiore stabilità del veicolo, come ad esempio il sistema ABS (sistema frenante antibloccaggio), il sistema EBD (ripartitore elettronico della frenata) e così via.

Anche gli pneumatici delle ruote sono diventati negli ultimi anni sede di alloggiamento di sensori atti ad aumentare la sicurezza del veicolo. È noto ad esempio il sistema TPMS (Sistema di controllo pressione pneumatici) che monitora la pressione di ciascuno pneumatico e, in caso di abbassamento della medesima, avvisa il guidatore tramite una spia che si accende sul cruscotto. È in atto oggi un ulteriore salto di qualità: si sta infatti gradualmente passando dai suddetti sistemi reattivi ai sistemi pro-attivi. Questi ultimi sono in grado di valutare preventivamente il comportamento del veicolo in un modello integrato che comprende la strada, il veicolo, lo pneumatico e l’ambiente.

Col crescere della complessità del sistema di sicurezza, il numero di sensori da inserire nello pneumatico aumenta progressivamente e, oltre ai problemi di natura meccanica per l’integrazione dei medesimi, sorge il problema dell’alimentazione del nodo radio che deve trasmettere i dati raccolti. I primi sistemi, essendo piuttosto semplici, integravano nello pneumatico piccole batterie la cui durata era paragonabile a quella dello pneumatico.

Nei nuovi sistemi di sicurezza coinvolgenti lo pneumatico l’energia richiesta è aumentata in quanto, oltre a dover alimentare il nodo radio per la trasmissione dei dati, occorre alimentare dei microcontrollori, integrati con i sensori, che eseguono un pre-processamento e filtraggio della miriade di dati raccolti. Le batterie attuali non risultano idonee, in termini di autonomia, a soddisfare le nuove specifiche di potenza richiesta.

Più in generale, la generazione di energia a basso costo per alimentare un componente elettrico di un veicolo è oggigiorno oggetto di intense ricerche. In merito allo stato dell’arte relativo ai sistemi che non utilizzano batterie per alimentare dispositivi integrati nelle ruote di un veicolo, ed in particolare negli pneumatici, la letteratura può essere ricondotta a tre categorie.

La prima categoria comprende i sistemi che raccolgono l’energia o “energy harvesting”. Tali sistemi raccolgono le vibrazioni e le sollecitazioni meccaniche dello pneumatico in rotazione e le trasducono in energia elettrica tramite dispositivi, tipicamente di natura piezoelettrica.

I sistemi di detta prima categoria sono relativamente semplici, ma la quantità di energia estratta è modesta e spesso insufficiente per i consumi energetici dei nuovi sofisticati sistemi elettronici integrati nello pneumatico.

La seconda categoria di sistemi che non utilizzano batterie per alimentare dispositivi integrati nelle ruote di un veicolo comprende i sistemi ad induzione magnetica. Tali sistemi si basano sul principio della dinamo. Infatti, in tali sistemi è previsto un avvolgimento all’interno dello pneumatico, mentre nella carrozzeria, in prossimità del medesimo, è posto un magnete. La rotazione dello pneumatico consente di ottenere ai capi dell’avvolgimento una tensione che viene poi stabilizzata ed usata per alimentare l’elettronica integrata nello pneumatico stesso. Sebbene i sistemi di detta seconda categoria permettano di generare un discreto livello di potenza, essi richiedono componenti aggiuntivi tipicamente costosi ed ingombranti, come ad esempio gli ultracapacitor, atti ad immagazzinare energia quando questa non è disponibile, come ad esempio accade nel caso di un veicolo temporaneamente fermo ad un semaforo.

La terza categoria di sistemi che non utilizzano batterie per alimentare dispositivi integrati nelle ruote di un veicolo comprende i sistemi di trasferimento energetico a radiofrequenza. Tali sistemi sfruttano la possibilità di trasferire energia a radiofrequenza da un trasmettitore posto nel veicolo ad un circuito ricevente integrato nello pneumatico che rileva il campo a radiofrequenza e lo converte in corrente continua necessaria ad alimentare le circuiterie elettroniche ivi presenti.

In questo contesto sono state presentate soluzioni che spaziano da segnali a radiofrequenza di pochi MHz, come per i transponder RFID, sino a segnali a microonde di parecchi GHz che vengono convertiti in corrente continua tramite un particolare dispositivo denominato rectenna.

Questa classe di soluzioni, pur consentendo un trasferimento sufficiente di energia per l’alimentazione dei sensori integrati nello pneumatico, presenta alcuni inconvenienti quali la possibilità di interferenza radio con altre apparecchiature a bordo del veicolo, la limitazione dell’efficienza di trasferimento dovuta alla presenza di consistenti parti metalliche della vettura che risultano schermare la propagazione del segnale elettromagnetico, e la dispersione dell’energia irradiata al di fuori del settore spaziale interessato al trasferimento. Domande di brevetto appartenenti alla suddetta terza categoria sono ad esempio le domande di brevetto statunitensi no. 2006/0197655, no. 2007/0262856, no. 2007/0222571 e il brevetto no. US 7,202,778.

Più in particolare, il brevetto statunitense no. US 7,202,778 descrive un sistema senza fili per monitorare la pressione delle ruote di un velivolo. Ogni ruota del velivolo comprende due circuiti risonanti che sono interrogabili da due circuiti risonanti disposti sul velivolo, in cui un circuito emette un segnale di spazzolamento in frequenza e l’altro riceve il picco di risonanza di risposta. I due circuiti risonanti sulla ruota presentano frequenze di risonanza diverse e quindi, quando i mezzi di spazzolamento in frequenza lato velivolo iniziano la scansione, incontra due distinti picchi di risonanza. La scansione comincia con una frequenza di 14 MHz e sale gradualmente fino a quando non vengono incontrati i due picchi di risonanza dei circuiti risonanti lato ruota. Ciascun picco di risonanza viene temporaneamente bloccato da un circuito PLL (Phase Locked Loop) che ne acquisisce il valore di frequenza e lo memorizza in un registro. Un processore calcola la differenza di frequenza tra i due picchi di risonanza e deriva da questa informazione la pressione della ruota. Tuttavia, questa architettura è molto complessa dal punto di vista elettronico in quanto richiede quattro circuiti risonanti per ogni ruota da alimentare e più unità di processamento.

Sono inoltre note nell’arte le onde evanescenti che sono definite come le onde presenti nell’immediata vicinanza di un’antenna, ossia nel campo vicino non radiativo. L’energia delle onde evanescenti viene emessa, e quasi totalmente riassorbita, in modo ciclico. Queste onde vengono dette evanescenti perché gli effetti della loro presenza decadono in modo esponenziale con l’allontanarsi dall’antenna e già dopo una distanza pari a circa un terzo della loro lunghezza esse non sono più rilevabili. Le onde evanescenti sono ad esempio trattate nella pubblicazione “Wireless power transfer via strongly magnetic resonance”, Andrè Kurs, Robert Moffat, Peter Fisher, Aristeidis Karalis, J.D. Joannopoulos, and Marin Soljačić, pubblicata sulla rivista “Science”, Vol. 317 in data 6 luglio 2007.

Scopo della presente invenzione è quello di indicare un sistema ed un metodo di trasferimento di energia senza fili per l’alimentazione di un carico elettrico che consentano di massimizzare l’efficienza di trasferimento dell’energia.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare un sistema ed un metodo di trasferimento di energia senza fili per l’alimentazione di un carico elettrico che eliminino, o comunque riducano al minimo, le possibilità di interferenza radio con altre apparecchiature a bordo di un veicolo.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare un sistema ed un metodo di trasferimento di energia senza fili per l’alimentazione di un carico elettrico che evitino l’utilizzo di componenti aggiuntivi costosi ed ingombranti. Questi ed altri scopi dell’invenzione vengono ottenuti con il sistema ed il metodo di trasferimento di energia senza fili per l’alimentazione di un carico elettrico come rivendicati nelle unite rivendicazioni che costituiscono parte integrante della presente descrizione.

In sintesi, la presente invenzione descrive un sistema per il trasferimento di energia senza fili tra un primo circuito risonante, ad esempio disposto a bordo di un veicolo, ed un secondo circuito risonante, ad esempio disposto su una ruota del veicolo, in particolare integrato all’interno del rispettivo pneumatico. Il trasferimento di energia senza fili è basato su un campo non radiativo ad onde evanescenti in grado di alimentare a distanza un carico elettrico, come ad esempio l’elettronica integrata in una ruota di un veicolo, ed in particolare in uno pneumatico.

Le onde evanescenti sono particolarmente efficaci nell’applicazione su un veicolo, in quanto godono di numerose proprietà fisiche tra cui la minima dispersione nello spazio circostante la zona verso la quale si desidera trasferire l’energia ed una modalità di propagazione idonea ad aggirare ostacoli anche di natura metallica.

La scelta delle onde evanescenti consente di evitare l’uso di batterie all’interno della ruota ed allo stesso tempo fornisce l’energia necessaria a pilotare l’elettronica integrata nelle ruote dei veicoli dotati di sistemi di monitoraggio di parametri riguardanti le ruote ed i relativi pneumatici, come ad esempio la pressione e la temperatura.

Affinché l’accoppiamento tra il primo ed il secondo circuito risonante risulti massimizzata, è necessario che entrambi i circuiti presentino la stessa frequenza di risonanza. Tuttavia, quando la ruota del veicolo è in movimento, la frequenza di risonanza del circuito risonante integrato nella ruota varia nel tempo poiché la ruota è sottoposta a sollecitazioni di vario tipo e/o a movimenti dovuti alla presenza di sospensioni nei dispositivi di supporto della ruota. In queste condizioni, il trasferimento di energia subisce delle oscillazioni e può ridursi fino ad impedire un trasferimento di energia sufficiente ad alimentare l’elettronica integrata nella ruota del veicolo.

Secondo la presente invenzione, la frequenza di risonanza del circuito risonante installato a bordo del veicolo varia, preferibilmente in maniera ciclica, intorno ad un intervallo di frequenza centrato sulla frequenza nominale del circuito risonante stesso.

Grazie a questo accorgimento l’energia media trasferita al circuito risonante installato nella ruota del veicolo è tale da garantire l’alimentazione dell’elettronica integrata nella ruota.

In un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione, la frequenza di risonanza del circuito risonante integrato a bordo veicolo viene ricalcolata periodicamente in modo da consentire un accoppiamento tra le frequenze di risonanza dei circuiti di risonanza adattato allo stato reale della ruota durante il suo funzionamento.

Il sistema ed il metodo oggetto della presente invenzione possono anche essere utilizzati, ad esempio, per trasferire energia in modalità senza fili ad una batteria ricaricabile di una bicicletta elettrica, in cui il trasmettitore, comprendente un primo circuito risonante, è alloggiato in un elemento di una rastrelliera per biciclette ed il ricevitore, comprendente un secondo circuito risonante, è disposto su una parte della bicicletta, ad esempio sul telaio oppure sulla ruota, ed è in grado di alimentare la batteria ricaricabile della bicicletta. Il sistema ed il metodo oggetto della presente invenzione possono inoltre essere utilizzati per trasferire energia in modalità senza fili ad una qualsiasi apparecchiatura mobile o portatile, come ad esempio un telefono cellulare, un lettore multimediale o un computer portatile, per il funzionamento e/o la ricarica delle rispettive batterie. Anche in tali casi infatti può succedere che la frequenza di risonanza del circuito risonante integrato nel ricevitore vari nel tempo a causa di variazioni di temperatura o vibrazioni del dispositivo, causando una riduzione o oscillazione del trasferimento di energia.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono oggetto delle allegate rivendicazioni che si intendono parte integrante della presente descrizione.

Gli scopi suddetti risulteranno maggiormente chiari dalla descrizione dettagliata del sistema e del metodo di trasferimento di energia senza fili per l’alimentazione di un carico elettrico secondo l’invenzione con particolare riferimento alle Figure allegate in cui:

- la Figura 1 rappresenta uno schema prospettico di un veicolo comprendente un sistema oggetto della presente invenzione;

- la Figura 2 rappresenta uno schema circuitale di un trasmettitore di un segnale a radiofrequenza ed un ricevitore di detto segnale appartenenti al sistema di Figura 1;

- la Figura 3 rappresenta uno schema circuitale di una tecnica di connessione tra un circuito risonante del trasmettitore o del ricevitore di Figura 2 ed un cavo di interconnessione a bassa impedenza;

- la Figura 4 rappresenta una vista in sezione di una ruota di un veicolo e l’implementazione fisica di un circuito risonante al suo interno;

- la Figura 5 rappresenta uno schema dettagliato del trasmettitore di Figura 2; - la Figura 6 rappresenta un grafico che illustra una curva di risposta in frequenza di un circuito risonante integrato in una ruota del veicolo di Figura 1. Con riferimento alla Figura 1, viene rappresentato uno schema prospettico di un veicolo 50 comprendente quattro ruote 52 su cui sono montati rispettivi pneumatici 54.

In corrispondenza di ciascuna ruota 52 del veicolo 50 è disposto un sistema 1 per il trasferimento di energia senza fili secondo l’invenzione.

Il sistema 1 comprende un trasmettitore 20 atto a trasmettere un segnale a radiofrequenza ed un ricevitore 30 atto a ricevere il segnale a radiofrequenza trasmesso dal trasmettitore 20.

Il trasmettitore 20 può ad esempio essere disposto sul telaio del veicolo 50 in prossimità di una ruota 52, mentre il ricevitore 30 può essere ad esempio disposto sulla ruota 52 del veicolo stesso. In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, il ricevitore 30 è integrato nella mescola dello pneumatico 54 associato alla ruota 52.

Il ricevitore 30 è disposto in modo tale da essere ubicato nel campo vicino non radiativo generato dal segnale a radiofrequenza, preferibilmente non più di un terzo della lunghezza d’onda di tale segnale. In questo modo, il ricevitore 30 può ricevere le onde evanescenti trasmesse dal trasmettitore 20.

Con riferimento alla Figura 2, viene rappresentato in dettaglio il sistema 1 oggetto della presente invenzione.

Il trasmettitore 20 comprende un generatore di segnale a radiofrequenza 23, in particolare un oscillatore controllato in tensione, che, tramite un primo circuito risonante 21 ad alto fattore di merito Q, genera un segnale a radiofrequenza, che è preferibilmente compreso tra 1 MHz e 30 MHz.

In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione il primo circuito risonante 21 è un risonatore a loop che è geometricamente ed elettricamente progettato al fine di ottimizzare l’emissione delle onde evanescenti verso un rispettivo secondo circuito risonante 31, ad esempio integrato nella ruota 52, ed in particolare nello pneumatico 54 del veicolo 50.

Il trasmettitore 20 comprende inoltre dei mezzi di spazzolamento (sweeping) in frequenza 25, la cui utilità verrà chiarita nel seguito.

Sia il trasmettitore 20 che il ricevitore 30 comprendono rispettivamente un primo ed un secondo circuito di adattamento di impedenza 22, 32, in particolare del tipo “gamma match”, che provvedono a fornire una tensione su una bassa impedenza di uscita ed evitano riflessioni del segnale portante che genererebbero inefficienza e dispersione indesiderata di potenza.

A valle del secondo circuito di adattamento di impedenza 32 dei mezzi di ricezione 30 è presente un circuito di rettifica a diodi e di filtraggio 33 che converte l’energia del campo evanescente raccolto in corrente continua, la quale è necessaria all’alimentazione di un carico elettrico 35, che è ad esempio rappresentativo dell’elettronica (sensori, microcontrollori, nodo radio e così via) integrata nella ruota 52, in particolare nello pneumatico 54.

Con riferimento alla Figura 3, viene indicata una tecnica di connessione tra il primo circuito risonante 21, che opera su elevatissima impedenza nel punto di risonanza, ed un primo cavo di interconnessione 26 a bassa impedenza, tipicamente 50 Ω. La lunghezza X del filo che agisce da circuito di adattamento di impedenza 22 è tipicamente un decimo della circonferenza del primo circuito risonante 21 a loop, mentre la distanza Y tra il cavo di interconnessione 26 ed il loop è tipicamente 1/200 della lunghezza d’onda λ del segnale a radiofrequenza utilizzato.

Analoghe considerazioni valgono per il secondo circuito risonante 31 ed un rispettivo secondo cavo di interconnessione 36 a bassa impedenza del ricevitore 30, mostrato in Figura 2.

Con riferimento alla Figura 4, viene illustrata la realizzazione fisica del secondo circuito risonante 31 integrato nella ruota 52 del veicolo 50, ed in particolare nello pneumatico 54.

In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, il secondo circuito risonante 31 è realizzato tramite un loop aperto costituito da una striscia di materiale conduttore, ad esempio rame, che è integrato nella mescola della parte interna 55 dello pneumatico 54 e presenta le estremità disallineate e sovrapposte a debita distanza al fine di creare una capacità 37. Il valore della capacità così ottenuta, unitamente al valore induttivo del loop aperto, determina il valore della frequenza di risonanza del secondo circuito risonante 31.

Quando la frequenza di risonanza del secondo circuito risonante 31 coincide con quella del rispettivo primo circuito risonante 21, si ottiene il massimo trasferimento energetico del campo evanescente. Tuttavia, il secondo circuito risonante 21 può presentare una frequenza di risonanza differente da quella nominale sia a causa delle tolleranze di produzione sia a causa delle inevitabili deformazioni geometriche subite in tempo reale per via delle continue sollecitazioni subite dalla ruota 52 che si riverberano sullo pneumatico 54.

Per tolleranze di produzione si intendono ad esempio le geometrie della striscia di rame, la tolleranza di posizionamento della medesima nello pneumatico 54, la sua sovrapposizione finale per creare la capacità 37. Inoltre la capacità 37, il cui dielettrico è di fatto rappresentato dalla mescola dello pneumatico 54, potrebbe assumere valori diversi in funzione di variazioni delle proprietà chimiche, e quindi dielettriche, della medesima.

Secondo l’invenzione, i mezzi di spazzolamento in frequenza 25 impongono al rispettivo generatore di segnale a radiofrequenza 23 una veloce e ciclica escursione della frequenza nell’intorno del proprio valore nominale in modo da risultare frequentemente centrato col valore di risonanza assunto in un determinato momento dal secondo circuito risonante 31, ad esempio integrato nello pneumatico 54. Questa modalità di funzionamento viene dimensionata opportunamente, in termini di larghezza di banda ed intensità di campo evanescente, affinché l’accoppiamento tra il primo circuito risonante 21 ed il secondo circuito risonante 31 consenta di ottenere un valor medio di trasferimento energetico ampiamente sufficiente all’alimentazione del carico elettrico 35, ad esempio dell’elettronica integrata nella ruota 52, ed in particolare nello pneumatico 54.

Con riferimento alle Figure 5 e 6 viene ora descritto un metodo di funzionamento del sistema 1.

Facendo riferimento alla Figura 5, con l’attivazione dell’impianto elettrico del veicolo 50, il generatore di segnale a radiofrequenza 23 inizia ad oscillare sulla propria frequenza nominale fo. Contestualmente, i rispettivi mezzi di spazzolamento in frequenza 25 impongono al generatore di segnale a radiofrequenza 23 una ciclica scansione in frequenza nell’intervallo compreso tra fo-Δf e fo+Δf.

Il generatore di segnale a radiofrequenza 23 oscilla alla frequenza nominale fo determinata dal valore di induttanza del primo circuito risonante 21 e dalla capacità equivalente introdotta da un primo diodo varicap 38 e da un secondo diodo varicap 39, detti diodi varicap 38,39 essendo interposti tra i mezzi di spazzolamento in frequenza 25 ed il generatore a radiofrequenza 23.

Il diodo varicap è un particolare tipo di diodo a semiconduttore la cui caratteristica principale è di variare la capacità di giunzione al variare della tensione di polarizzazione inversa. La sua funzione è quella di condensatore variabile e pertanto, applicando un segnale variabile Vsweep ai capi del primo e del secondo diodo varicap 38,39 si ottiene una variazione della frequenza di risonanza Δf nell’intorno di quella nominale fo. Il valore Δf viene scelto in modo da coprire integralmente il campo di variazioni possibili del valore della frequenza di risonanza presentato dal secondo circuito risonante 31 per i motivi precedentemente esposti e legati, ad esempio, alle continue sollecitazioni subite dalla ruota 52, come mostrato dalle curve 40 nel grafico di Figura 6.

La frequenza e l’ampiezza del segnale Vsweep determinano rispettivamente il numero di cicli per secondo con cui è effettuata la scansione e la larghezza della medesima. Le proprietà del segnale Vsweep sono pertanto scelte al fine di ottimizzare statisticamente le sovrapposizioni dei valori di frequenza di risonanza tra il secondo circuito risonante 31, ad esempio integrato nella ruota 52, ed in particolare nello pneumatico 54, ed il primo circuito risonante 21, ad esempio disposto a bordo del veicolo, in modo da disporre di un valor medio di trasferimento energetico idoneo all’alimentazione del carico elettrico 35, rappresentativo ad esempio dell’elettronica integrata nella ruota 52, ed in particolare nello pneumatico 54.

In una forma di realizzazione preferita dell’invenzione, il segnale Vsweep è a forma di dente di sega.

La frequenza nominale f0del generatore di segnale a radiofrequenza 23, anziché essere fissa, può essere impostata in modo dinamico, ad esempio a seconda delle effettive condizioni della ruota 52.

Ciò può essere ottenuto effettuando una scansione in frequenza in un intervallo di frequenze nell’intorno della frequenza nominale, da una frequenza minima ad una frequenza massima. Misurando infatti la corrente assorbita dal trasmettitore 20 nel corso della scansione in frequenza, è possibile individuare una seconda frequenza nominale f0newper cui si verifica il massimo assorbimento di corrente. Poiché la condizione di massimo assorbimento di corrente coincide con la condizione di massima risonanza tra il primo circuito risonante 21 ed il secondo circuito risonante 31, è possibile utilizzare la nuova frequenza nominale f0newal posto della frequenza nominale f0del generatore di segnale a radiofrequenza 23.

Utilizzando la nuova frequenza nominale f0newè possibile ridurre l’intervallo di spazzolamento Δf, dal momento che tale nuova frequenza nominale f0newè ad esempio attualizzata alle reali ed istantanee condizioni della ruota 52.

L’individuazione della nuova frequenza nominale f0newpuò essere attuata ad intervalli periodici di tempo, in modo tale da ottenere un accoppiamento tra il primo circuito risonante 21 ed il secondo circuito risonante 31, e quindi un trasferimento energetico, quanto più efficiente ed ottimizzato possibile.

Con riferimento nuovamente alla Figura 1, si può osservare che, ad esempio, in funzione delle caratteristiche geometriche della carrozzeria del veicolo 50, i secondi circuiti risonanti 31 integrati nelle ruote 52, ed in particolare negli pneumatici 54, sono alloggiati nel modo più opportuno, e cioè nel campo vicino generato dai rispettivi primi circuiti risonanti 21, deputati alla trasmissione del campo energetico evanescente.

Accanto ai primi circuiti risonanti 21 si trovano i rispettivi generatori di segnale a radiofrequenza 23 che sono alimentati dalla tensione presente nel veicolo 50, tipicamente distribuita in ogni parte del medesimo.

Il sistema oggetto della presente invenzione, tramite le modalità precedentemente descritte, trasferisce energia elettrica, ad esempio alla ruota 52 del veicolo 50 ed in particolare all’interno degli pneumatici 54, consentendo così l’alimentazione di carichi elettrici 35 ivi contenuti, come ad esempio sensori, processori e nodi radio. I nodi radio possono inviare all’unità elaborativa centrale del veicolo 50 tutte le informazioni necessarie per ottenere un sicuro sistema di guida, reattivo o proattivo a seconda dei contesti applicativi.

Viene ora descritto un esempio di realizzazione del sistema di Figura 1, in cui i valori numerici descritti nel seguito sono indicati a puro titolo di esempio e non costituiscono una limitazione applicativa del sistema oggetto della presente invenzione.

Ad esempio, il generatore di segnale a radiofrequenza 23 può fornire in uscita un segnale portante a 25 MHz. Il segnale portante può essere modulato in frequenza con una deviazione massima di ± 250 KHz e detta modulazione è funzionalmente equivalente allo spazzolamento di frequenza realizzata mediante i mezzi di spazzolamento in frequenza 25.

A titolo di esempio, il primo circuito risonante 21 può essere realizzato tramite un loop costituito da una striscia di conduttore, ad esempio rame, larga 20 mm, piegato a forma circolare con un diametro di 40-50 cm e ad esempio legata alla dimensione dello pneumatico 54.

Grazie all’effetto pelle, è possibile realizzare un loop piatto come quello rappresentato in Figura 4. Infatti, alle frequenze generate dal generatore di segnale a radiofrequenza 23, il segnale si dispone esclusivamente sulla superficie del medesimo per il suddetto effetto. L’effetto pelle, in certi contesti svantaggioso, diventa vantaggioso nel contesto della presente invenzione in quanto il conduttore del secondo circuito risonante 31, che preferibilmente presenta lo stesso diametro del loop del primo circuito risonante 21, non può ovviamente presentare, per ragioni di spazio a disposizione all’interno della ruota 52, ed in particolare dello pneumatico 52, una sezione cava di 20 mm. Tuttavia, ciò può essere ovviato realizzando il loop del secondo circuito risonante 31 con una strip di larghezza opportuna: per l’effetto pelle diviene infatti precipua la superficie rispetto al volume del conduttore.

La grossa circonferenza e l’ampia area del conduttore dei loop è legata alla necessità di conferire ai medesimi un elevato fattore di merito Q, in quanto l’efficienza di trasferimento energetico tra i medesimi è proporzionale al prodotto dei rispettivi “Q”. In sostanza per un efficiente trasferimento energetico è richiesto che: Qemittente x Qricevente ≈ 10<6>.

Il fattore di merito Q esprime la misura della qualità desiderata in un circuito accordato ed è espresso, come un numero adimensionale, dalla formula Q = fo / Δf, dove fo è la frequenza di risonanza del circuito accordato e Δf è la larghezza di banda, ossia la differenza fra la frequenza minima e la frequenza massima che vengono attenuate di 3 dB rispetto alla frequenza di risonanza fo. Con i dati costruttivi sopra riportati, il primo circuito risonante 21 presenta una induttanza di 0,65 μH ed un fattore di merito Q=1021. Ne consegue che la banda passante Δf dell’induttanza del primo circuito risonante 21 vale Δf = fo / Q = 25 MHz / 1021 = 24,5 KHz.

La risonanza fo al segnale portante a 25 MHz è ottenuta con una capacità lato trasmissione 27 di 60,7 pF in virtù della relazione: f0= 1 / (2•π•(LC)<1⁄2>).

Il secondo circuito risonante 31 è fatto risuonare esattamente alla stessa frequenza del primo circuito risonante 21 tramite la capacità lato ricezione 37. L’energia raccolta, in alta impedenza, dal secondo circuito risonante 31 è poi resa disponibile a bassa impedenza tramite il secondo circuito di adattamento di impedenza 32, al fine di essere impiegata per alimentare il carico elettrico 35 integrato nella ruota 52, ed in particolare nello pneumatico 54.

A causa dell’elevato fattore di merito di ciascuno dei due loop (≈1000) si crea una forte risonanza magnetica che consente un trasferimento energetico di circa un milione di volte più intenso rispetto a quello dovuto dalla libera propagazione della componente magnetica del campo vicino, che, com’è noto in letteratura, decresce col cubo della distanza.

Nel caso di uno pneumatico in rotazione, le momentanee e casuali deformazioni geometriche dell’ordine del centimetro sul secondo circuito risonante 31 determinano uno spostamento in misura ridotta del punto di risonanza, in quanto il valore induttivo del secondo circuito risonante 31 è legato in misura maggiore al valore della circonferenza ed in misura minore alla deformazione della medesima. Analoga considerazione vale per il valore della capacità lato ricezione 37, che è legato in misura maggiore alla superficie ed alla distanza delle sue armature ed in misura minore alla momentanea deformazione delle medesime. Sono invece maggiormente da compensare le variazioni globali dell’induttanza lato ricezione e della capacità lato ricezione 37 che sono legate alle variazioni di pressione e temperatura dello pneumatico 54 e che alterano la circonferenza dell’induttanza lato ricevitore e le geometrie della capacità lato ricevitore 37 per via dell’effetto di stiramento e dilatazione.

Valutazioni dei suddetti effetti indesiderati portano ad una stima di una variazione della frequenza di risonanza pari al ± 1% che, nel caso sopra indicato corrisponde ad uno scostamento massimo di ± 250 KHz.

Dalla descrizione effettuata risultano pertanto chiare le caratteristiche della presente invenzione, così come chiari risultano i suoi vantaggi.

Un primo vantaggio della presente invenzione è dato dal fatto che le tolleranze di produzione e le inevitabili deformazioni dovute alle sollecitazioni dei circuiti risonanti, ad esempio integrati nelle ruote, ed in particolare negli pneumatici, sono compensate in tempo reale dal sistema elettronico oggetto della presente invenzione.

Un secondo vantaggio della presente invenzione è datto dal fatto che la disponibilità di energia messa a disposizione del carico elettrico, ad esempio integrato nella ruota, è istantanea e non richiede dispositivi costosi e voluminosi per l’immagazzinamento della medesima, come invece accade per altri sistemi deputati al movimento del veicolo.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione è che la probabilità di interferenza radio con altre apparecchiature a bordo del veicolo è estremamente contenuta, in quanto il campo energetico evanescente che alimenta il carico elettrico, ad esempio integrato nella ruota è di tipo non radiativo.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione è la maggiore capacità di propagare l’energia trasmessa anche in presenza di consistenti parti metalliche del veicolo interposte tra il primo circuito risonante, ad esempio a bordo veicolo, ed il secondo circuito risonante, ad esempio integrato nella ruota, ed in particolare nello pneumatico. Infatti, una caratteristica vantaggiosa delle onde evanescenti è che la loro modalità di propagazione favorisce l’aggiramento di ostacoli, anche di natura metallica.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione è che si verifica una contenuta dispersione dell’energia irradiata al di fuori del settore spaziale interessato al trasferimento di energia.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione è che la quantità di energia messa a disposizione dal sistema oggetto della presente invenzione è scalabile, quindi ottimizzabile rispetto al carico elettrico, al fine di risultare adeguata ed ottimizzata ai requisiti della moderna elettronica, ad esempio integrata nella ruota, ed in particolare nello pneumatico.

Numerose sono le varianti possibili al sistema ed al metodo di trasferimento di energia senza fili per l’alimentazione di un carico elettrico descritto come esempio, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell'idea inventiva, così come è chiaro che nella sua attuazione pratica le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con degli elementi tecnicamente equivalenti.

Ad esempio, l’invenzione è stata descritta per un veicolo dotato di impianto elettrico, ma può anche essere applicata ad altri veicoli, ad esempio una bicicletta.

Infatti, il sistema ed il metodo della presente invenzione può ad esempio essere utilizzato per ricaricare una batteria di una bicicletta elettrica.

Un primo circuito risonante può essere alloggiato su un elemento di una rastrelliera per biciclette che, essendo tipicamente di forma circolare, ben si adatta ad alloggiare un circuito risonante, in particolare a forma di loop.

Un secondo circuito risonante può essere alloggiato sulla ruota oppure sul telaio della bicicletta ed è in ogni caso disposto in modo tale da rendere possibile un trasferimento di energia senza fili in modo non radiativo tra il primo ed il secondo circuito risonante secondo l’invenzione.

L’energia elettrica necessaria al funzionamento del trasmettitore può essere fornita da un sistema di alimentazione ad hoc.

Dunque è facilmente comprensibile che la presente invenzione non è limitata ad un sistema ed ad un metodo di trasferimento di energia senza fili per l’alimentazione di un carico elettrico, ma è passibile di varie modificazioni, perfezionamenti, sostituzioni di parti ed elementi equivalenti senza però allontanarsi dall’idea dell’invenzione, così come è precisato meglio nelle seguenti rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema di trasferimento di energia senza fili per l’alimentazione di un carico elettrico (35) comprendente: - un trasmettitore (20) comprendente un generatore (23) atto a generare un segnale a radiofrequenza ad una prima frequenza ed un primo circuito risonante (21) atto a trasmettere detto segnale a radiofrequenza; - un ricevitore (30) atto a ricevere detto segnale a radiofrequenza (23) e comprendente un secondo circuito risonante (31), caratterizzato dal fatto che detto secondo circuito risonante (31) è atto ad essere ubicato nel campo vicino non radiativo generato da detto primo circuito risonante (30) e dal fatto che detto trasmettitore (20) comprende mezzi di spazzolamento in frequenza (25) che impongono a detto generatore di segnale a radiofrequenza (23) una escursione ciclica di detta prima frequenza nell’intorno di una frequenza nominale di detto generatore (23) in modo che, quando detta prima frequenza coincide con la frequenza di risonanza di detto secondo circuito risonante (31), si verifica un trasferimento di energia di tipo non radiativo.
2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detta frequenza nominale è variabile nel tempo.
3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui detta frequenza nominale è aggiornata periodicamente.
4. Sistema secondo la rivendicazione una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di spazzolamento in frequenza (25) generano un segnale variabile che pilota un primo (38) ed un secondo diodo varicap (39) in modo da ottenere detta escursione ciclica.
5. Sistema secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto trasmettitore (20) comprende ulteriormente un primo circuito di adattamento di impedenza (22) ed un primo cavo di interconnessione (26) a bassa impedenza, disposti tra detto primo circuito risonante (21) e detto generatore a radiofrequenza (23).
6. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto ricevitore (30) comprende ulteriormente, disposti tra detto secondo circuito risonante (21) e detto carico (35), un secondo circuito di adattamento di impedenza (32), un secondo cavo di interconnessione (36) a bassa impedenza, ed un circuito di rettifica a diodi e di filtraggio (33) che converte l’energia ricevuta in corrente continua.
7. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detti primo (21) e secondo circuito risonante (31) sono risonatori a loop ad elevato fattore di merito.
8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui detto primo (21) e/o detto secondo circuito risonante (31) comprende un loop realizzato con una striscia di materiale conduttore.
9. Sistema secondo la rivendicazione 8, in cui detto secondo circuito risonante (31) presenta le estremità disallineate e sovrapposte a debita distanza al fine di creare una capacità (37).
10. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detta frequenza nominale di detto segnale a radiofrequenza è compresa tra 1 MHz e 30 MHz.
11. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto intorno corrisponde a ± 1% di detta frequenza nominale.
12. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto trasmettitore (20) è atto a: - scansionare un intervallo di frequenze nell’intorno della frequenza nominale di detto generatore (23), da una frequenza minima ad una frequenza massima; - misurare la corrente assorbita da detto primo circuito risonante (21) per ogni frequenza scansionata in detto intervallo di frequenze; - individuare una nuova frequenza per cui si verifica il massimo assorbimento di corrente da parte di detto primo circuito risonante (21); - generare il segnale a radiofrequenza a detta nuova frequenza in sostituzione di detta prima frequenza.
13. Sistema secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo circuito risonante (21) è disposto a bordo di un veicolo (50) e detto secondo circuito risonante (31) è integrato in una ruota (52), in particolare in uno pneumatico (54) di detto veicolo (50).
14. Sistema secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 12, in cui detto primo circuito risonante (21) è alloggiato in un elemento di una rastrelliera per biciclette, e detto secondo circuito risonante (31) è alloggiato a bordo di una bicicletta in modo da alimentare una batteria ricaricabile di detta bicicletta.
15. Veicolo (50) comprendente un sistema secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 14.
16. Metodo per il trasferimento di energia senza fili atta ad alimentare un carico elettrico (35), detto metodo comprendendo i passi di: - generare un segnale a radiofrequenza ad una prima frequenza tramite un generatore (23); - trasmettere detto segnale a radiofrequenza tramite un primo circuito risonante (21); - ricevere detto segnale a radiofrequenza (23) tramite un secondo circuito risonante (31), detto secondo circuito risonante (31) essendo atto ad essere ubicato nel campo vicino non radiativo generato da detto primo circuito risonante (30), caratterizzato dal fatto di imporre a detto generatore di segnale a radiofrequenza (23) una escursione ciclica di detta prima frequenza nell’intorno di una frequenza nominale di detto generatore (23) in modo che, quando detta prima frequenza coincide con la frequenza di risonanza di detto secondo circuito risonante (31), si verifica un trasferimento di energia di tipo non radiativo.
17. Metodo secondo la rivendicazione 16, comprendente gli ulteriori passi di: - scansionare un intervallo di frequenze nell’intorno della frequenza nominale di detto generatore (23), da una frequenza minima ad una frequenza massima; - misurare la corrente assorbita da detto primo circuito risonante (21) per ogni frequenza scansionata in detto intervallo di frequenze; - individuare una nuova frequenza per cui si verifica il massimo assorbimento di corrente da parte di detto primo circuito risonante (21); - generare il segnale a radiofrequenza a detta nuova frequenza in sostituzione di detta prima frequenza.
18. Metodo secondo la rivendicazione 17, in cui detti ulteriori passi sono attuati ad intervalli periodici di tempo.