Alimentazione wireless RF dei dispositivi nelle applicazioni IoT

Con l'emergere delle reti Internet of Things (IoT), la sostituzione delle batterie per i dispositivi IoT è diventata un impegno notevole in quanto più costosa e complessa per gli scenari in cui sono collocati molti dispositivi IoT, spesso in zone difficilmente raggiungibili. Alcuni dispositivi IoT potrebbero essere persi o dimenticati, e c'è il rischio di perdite di sostanze chimiche pericolose dalle batterie, e che si creino rifiuti elettronici con conseguenti rischi ambientali. L’alimentazione wireless, nota come trasferimento wireless di energia (in inglese “Wireless Power Transfer” - WPT), è una tecnologia alternativa per alimentare questi dispositivi IoT. È stato dimostrato che solo meno di un milionesimo dell'energia trasmessa viene assorbita dai ricevitori dei sistemi WPT, il resto viene assorbito dagli oggetti presenti nell'ambiente di irradiazione dell’energia. E’ possibile anche utilizzare l'infrastruttura esistente per le comunicazioni wireless come le stazioni base RF per caricare i dispositivi IoT. In questo articolo sono descritti dei metodi WPT basati sull’utilizzo di onde elettromagnetiche, distinti in due tipologie di trasferimento di energia wireless: Near-field non radiativo e Far-field radiativo.

Introduzione

L'Internet delle Cose è una rete di dispositivi fisici che possono interagire con il proprio ambiente tramite sensori e/o attuatori integrati. Possono scambiare dati con la rete senza (o con limitato) intervento umano. L’IoT è un settore tecnologico in rapida crescita. Entro il 2025, nel mondo sono previste più di 30 miliardi di connessioni IoT, ovvero, di dispositivi IoT connessi ai punti di accesso tramite un collegamento wireless. In futuro, è possibile avere centinaia (o migliaia) di dispositivi IoT per la casa. Un problema è trovare un sistema di alimentazione stabile, economico e duraturo per questi dispositivi. L'utilizzo di una fonte di alimentazione cablata è costoso e difficilmente praticabile per due motivi: abbiamo bisogno di un cavo e di un convertitore AC-DC, ossia un dispositivo che converta una sorgente di alimentazione in corrente alternata (AC) in una in corrente continua (CC) per ogni dispositivo IoT, e ciò può essere molto costoso e irrealistico; inoltre, la richiesta di una fonte di alimentazione cablata può limitare non solo la mobilità dei dispositivi IoT, ma anche dove è ragionevole installarli in prossimità della rete di cablaggio, quindi, se occorre cambiare la posizione di un dispositivo IoT, dobbiamo anche disporre di un cavo di alimentazione nella nuova posizione. La batteria è un metodo comunemente utilizzato per l'alimentazione dei dispositivi IoT. Non limita la mobilità, ma aggiunge ulteriore peso ai dispositivi IoT. Il limite principale di una batteria è la sua durata. Dopo un certo periodo occorre sostituirla a causa dell'utilizzo, della limitata durata della carica, o dell'autoscarica. La durata dipende dal consumo energetico del dispositivo IoT o dalla durata di conservazione della batteria che può essere di diversi anni. La sostituzione della batteria può essere complicata a causa dell'elevato numero di dispositivi collegati o a causa del luogo dove sono installati i dispositivi. Più dispositivi sono connessi, maggiore è il costo della sostituzione della batteria. La tecnologia WPT di trasferimento wireless dell’alimentazione è una potenziale soluzione per alimentare i dispositivi IoT in futuro. Ci sono diversi metodi distinti in due classi per il trasferimento di energia wireless utilizzati per alimentare i dispositivi IoT: trasferimento radiativo e non radiativo, come vedremo in dettaglio più avanti.

Il trasferimento di energia wireless

Il concetto alla base della tecnologia WPT (Wireless Power Transfer) è scaturito dalla mente di Nikola Tesla alla fine del 1800. La sua allora fantascientifica idea era fornire energia senza collegamenti fisici (ovvero wireless) ovunque sulla Terra. WPT è un concetto generale per la trasmissione di energia senza utilizzare alcun filo o altro materiale solido o liquido. Attualmente, i metodi WPT che utilizzano onde elettromagnetiche si suddividono in due tipologie: trasferimento di energia Near-field (in campo vicino) non radiativo, e trasferimento di energia Far-field (in campo lontano) radiativo.

I metodi WPT Near-field

Metodi WPT Near-field (o non radiativi) come l’accoppiamento induttivo, l'accoppiamento capacitivo e l'accoppiamento magnetodinamico, sono per lo più adatti per la trasmissione di energia a corto raggio. L'accoppiamento magnetico può essere spiegato dalla legge di Faraday e dalla legge di Ampere.

Accoppiamento induttivo

In questo metodo di accoppiamento, l'energia viene trasferita, ad esempio, dall'accoppiamento del campo magnetico di due bobine in cui il flusso magnetico viene generato da una bobina e parte di esso passa attraverso l’altra bobina. Il flusso magnetico può essere generato dalla corrente elettrica che scorre nel filo conduttore che forma le spire che avvolgono la bobina, come enunciato dalla legge di Ampere espressa dalla formula riportata in Figura 1:

Figura 1: Formula della legge di Ampere

H è il campo magnetico e J è la densità di corrente. Secondo la legge di induzione di Faraday, la variazione del flusso magnetico induce una forza elettromotrice (F.E.M.) sulla bobina, proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico, come espresso dalla seguente formula:

E = -N x dФ/dt

dove N è il numero di spire della bobina, Ф è il flusso magnetico. Il segno negativo di N è dovuto alla legge di Lenz che afferma che la F.E.M. indotta si oppone ad un cambiamento nel flusso magnetico. Lo schema elettrico di un modello semplificato di un circuito di accoppiamento induttivo è mostrato in Figura 2.

Figura 2: Schema elettrico di un circuito semplificato di accoppiamento induttivo

Nello schema elettrico di Figura 2, M è la mutua induttanza (o mutua induzione) prodotta dall’interazione fra i due induttori, Rg è la resistenza interna del generatore Vg, i resistori Rt e Rr rappresentano rispettivamente le perdite del circuito trasmittente e ricevente, RL è la resistenza (o impedenza) di carico del circuito induttivo ricevente, Lt e Lr sono le induttanze che formano i due circuiti accoppiati. M è l'induttanza risultante fra due circuiti induttivi fisicamente separati ma accoppiati da un campo magnetico generato da uno dei due circuiti il quale induce una forza elettromotrice sull'altro circuito, e viceversa. La mutua induttanza M tra due bobine L1 e L2 in accoppiamento magnetico è data dall’equazione seguente:

M = k√(L1 L2)

dove 0 ≤ k ≤ 1 è il coefficiente di accoppiamento; k = 1 rappresenta un perfetto accoppiamento magnetico con dispersione di flusso nulla. La potenza PL erogata al carico RL varia con la frequenza del circuito trasmittente, che si ipotizza sia alimentato dal generatore sinusoidale Vg(t) = V0 cos(ωt). La frequenza è espressa dalla seguente formula:

ω = √(Rg+Rt)(Rr+RL)/(1-K²)(Lt Lr)

Quindi, la potenza massima PLmax corrispondente alla frequenza di risonanza ottimale si esprime con la relazione seguente:

PLmax = (0,5 K² Lt Lr V0²RL)/[Lr(Rr+RL)+Lr(Rg+Rt)]²

Esprimendo l’efficienza di trasferimento della potenza come il rapporto fra la potenza massima erogata al carico e la potenza massima fornita dal generatore, si ha:

ɳ = PL_max/Pg_max

ɳ =(4k² Lt Lr Rg RL)/[Lt(Rr+RL)+Lr(Rg+Rt)]²

Pg_max = V0²/8 Rg è la massima potenza teorica che il circuito trasmittente può fornire. Dalla formula dell’efficienza di trasferimento della potenza si evince che per massimizzare l’efficienza del sistema occorre che nel circuito ad accoppiamento induttivo vi siano basse perdite, ovvero bassi valori di Rt e Rr.

Accoppiamento induttivo risonante

L'accoppiamento induttivo risonante è una forma di accoppiamento induttivo dove i circuiti di trasmissione e ricezione risuonano ad una certa frequenza, appunto, di risonanza. Diverse forme di sistemi di accoppiamento risonante sono sviluppate per applicazioni a corto raggio (fino a circa dieci volte il diametro della bobina di trasmissione), come nel caso di alimentazione di laptop, tablet, smartphone, veicoli, ecc. Lo schema elettrico mostrato in Figura 3 è un esempio di un circuito semplificato di accoppiamento induttivo risonante.

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