Misure dei campi magnetici a bordo di veicoli elettrici: oltre la conformità EMC

I veicoli elettrici generano già una ricca firma magnetica durante il funzionamento dei loro propulsori, eppure questi segnali sono ancora trattati per lo più come dati di conformità e poi ignorati. Misure a bordo veicolo sincronizzate e multi-banda rendono possibile trasformare il 'rumore' elettromagnetico in un potente strumento di osservabilità a livello di sistema durante la guida nel mondo reale. Catturando impronte magnetiche ripetibili dei sottosistemi e degli eventi della trasmissione, questo approccio apre nuove possibilità per la manutenzione predittiva, la verifica dell'integrità dell'hardware e una comprensione più profonda del comportamento dei veicoli elettrici, anche senza l'accesso ai dati interni del veicolo.

Introduzione

Ogni veicolo elettrico rivela già cosa stia facendo il suo propulsore, ma raramente gli ingegneri prestano attenzione. Le misure del campo magnetico vengono eseguite abitualmente per scopi di sicurezza e conformità normativa, per poi essere ridotte a un semplice controllo "passa-non passa" e dimenticate. Man mano che i propulsori diventano più complessi e guidati dal software, si crea un gap critico di osservabilità durante la guida nel mondo reale, quando si verificano molti comportamenti rilevanti e i segnali interni potrebbero essere non disponibili o incompleti. Questo lavoro mostra come tale lacuna possa essere colmata ripensando l'acquisizione e l'uso dei dati magnetici.

Sfruttando un'acquisizione sincronizzata, multicanale ed eterogenea con la strumentazione Dewesoft, le emissioni magnetiche vengono catturate come un segnale coerente a livello di sistema, piuttosto che come misure isolate. Attraverso l'ambiente DewesoftX, le sonde magnetiche multi-banda, la cinematica del veicolo e i dati di posizionamento vengono allineati in tempo reale, consentendo l'esplorazione e l'interpretazione diretta delle impronte magnetiche durante i test su strada.

I risultati dimostrano che i campi magnetici esterni contengono "impronte" strutturate e ripetibili del comportamento del propulsore. I sottosistemi ausiliari e gli eventi della trasmissione, come i cambi di marcia, producono firme distinte che rimangono osservabili senza accesso ai dati di controllo interni, rivelando come l'energia fluisca attraverso il veicolo. Ciò che gli ingegneri solitamente trattano come rumore elettromagnetico diventa un segnale affidabile dell’attendibilità del propulsore.

I veicoli elettrici (EV) stanno diventando rapidamente una pietra miliare del trasporto moderno, spinti da rigide normative sulle emissioni, dai progressi nell'elettronica di potenza e dalla transizione globale verso la mobilità sostenibile [1]. In un moderno EV, l'energia viene instradata e convertita in tempo reale da inverter, stadi DC/DC, pacchi batteria e cavi ad alta tensione. Allo stesso tempo, una o più macchine elettriche rispondono a richieste di coppia che variano istante per istante.

Queste caratteristiche sono esattamente ciò che rende gli EV efficienti e performanti, ma sono anche ciò che li rende più difficili da osservare e comprendere durante la guida. In questo contesto, i campi magnetici non sono un effetto collaterale astratto: sono una conseguenza fisica diretta dei percorsi di corrente e dell'attività di commutazione. Ogni volta che l'elettronica di potenza commuta, ogni volta che la coppia viene generata o rilasciata, e ogni volta che i carichi ausiliari si attivano, la distribuzione della corrente cambia — e con essa cambiano le emissioni magnetiche (si veda la Figura 1).

Per anni, l'industria ha misurato questi campi principalmente per un unico scopo: la sicurezza e la conformità normativa, in particolare per l'esposizione dei passeggeri [1], [2], [3], [4] e le potenziali interferenze con l'elettronica sensibile e i dispositivi medici impiantabili [5], [6]. Molte campagne di test si concludono con un esito binario: conforme o non conforme. L'opportunità mancata risiede nel fatto che le stesse misurazioni possono essere molto più di una casella da spuntare.

Se raccolti con il metodo corretto, i dati del campo magnetico possono fornire una "finestra" non invasiva su ciò che il propulsore sta facendo, anche quando i segnali interni sono non disponibili, filtrati, proprietari o non registrati durante i test su strada. 

Questa finestra è fondamentale perché molte delle questioni ingegneristiche più preziose emergono al di fuori del laboratorio: comportamenti transitori sotto carico, sottili interazioni tra sottosistemi ed eventi brevi che sono facili da ignorare senza gli strumenti adeguati.

Allo stesso tempo, due sfide emergenti influenzano sempre più i veicoli elettrici:

• Sicurezza e anti-contraffazione

I pacchi batteria, i moduli di elettronica di potenza e i componenti della trasmissione rappresentano assetti di alto valore che possono essere sostituiti, modificati o manomessi durante il ciclo di vita del veicolo [7]. I meccanismi convenzionali di identificazione elettronica possono essere bypassati, mentre l'autenticazione basata sul software dipende da una reportistica interna fidata. 

Le emissioni magnetiche, d'altra parte, derivano direttamente dall'implementazione fisica dell'hardware e dal suo comportamento operativo. Sottili differenze nel layout, nelle dinamiche di commutazione o nei percorsi di corrente possono produrre firme magnetiche distintive e ripetibili, offrendo una potenziale "impronta digitale" fisica dei sottosistemi critici.

• Manutenzione predittiva

 Allo stesso modo, le variazioni nelle firme magnetiche possono rivelare guasti emergenti — come squilibri del motore, anomalie della batteria o disallineamenti dell'inverter — molto prima che si verifichi un'avaria [8]. Trasformando queste firme in indicatori azionabili, la diagnostica magnetica consente interventi tempestivi, permettendo ai veicoli elettrici di anticipare i guasti piuttosto che reagire ad essi.

Naturalmente, trasformare le emissioni magnetiche in informazioni ingegneristiche non è automatico. L'ambiente dell'EV è rumoroso e affollato, e ciò che si misura dipende fortemente da dove e come vengono posizionati i sensori. Senza un'acquisizione sincronizzata e un flusso di analisi che colleghi sorgenti eterogenee alle condizioni operative del veicolo, i dati rimangono difficili da interpretare.

Questo lavoro parte da tale realtà: le misurazioni esistono già, la fisica è ricca di informazioni e il valore ingegneristico è presente — ma estrarlo richiede un approccio pratico, pronto per l'uso sul campo, in grado di catturare, allineare e visualizzare le emissioni magnetiche durante la guida reale.

Il problema: mancanza di osservabilità elettromagnetica

Diversi team ingegneristici sono coinvolti nello sviluppo e nel funzionamento dei moderni veicoli elettrici. I progettisti dei propulsori sono responsabili della validazione di macchine elettriche, inverter e sistemi di distribuzione ad alta tensione in condizioni altamente dinamiche. I gruppi di test sui veicoli eseguono estese campagne su strada per valutare il comportamento funzionale, la robustezza e l'efficienza prima della produzione.

Allo stesso tempo, gli ingegneri addetti alla sicurezza e alla compatibilità elettromagnetica verificano la conformità alle normative sull'esposizione, mentre i team di manutenzione e affidabilità indagano su comportamenti anomali e segni precoci di degrado dei componenti una volta che i veicoli entrano nelle fasi di test della flotta o nell'uso da parte dei clienti. Sebbene questi stakeholder operino in fasi diverse del ciclo di vita del veicolo, condividono un limite comune: una limitata osservabilità fisica di ciò che accade all'interno del propulsore durante il funzionamento reale.

Oggi, la maggior parte dei flussi di lavoro di diagnostica e validazione si basa su segnali di controllo interni, codici di errore e monitoraggio a livello software. Questi strumenti sono efficaci nel rilevare guasti improvvisi, ma sono poco adatti a catturare il degrado lento, i guasti parziali o i sottili squilibri che si sviluppano nel tempo. Quando questi effetti diventano finalmente visibili, il costo è già elevato in termini di tempi di inattività, richieste di garanzia e indagini sulle cause scatenanti.

Un limite simile sorge nel contesto dell'integrità dell'hardware. I pacchi batteria, i moduli di potenza e i componenti della trasmissione rappresentano assetti di alto valore che possono essere sostituiti, ricondizionati o modificati durante la manutenzione o la rivendita. Da una prospettiva funzionale, un componente non originale può ancora soddisfare le specifiche elettriche nominali, rendendo difficile la sua identificazione tramite la diagnostica convenzionale. Gli identificatori software e i numeri di serie elettronici forniscono solo una protezione parziale perché si basano su report interni e possono essere alterati o clonati.

Ciò che manca agli ingegneri tra le fasi di sviluppo, validazione, funzionamento e manutenzione è un osservabile non invasivo a livello di sistema che rifletta la realtà fisica del propulsore: come sono distribuite le correnti, come si evolve il comportamento di commutazione e se l'impronta elettromagnetica di un componente corrisponde ancora alla sua condizione originale.

Questo bisogno è illustrato concettualmente nella Figura 1. In un caso, un guasto emergente all'interno di una macchina elettrica produce una distribuzione spaziale asimmetrica del campo magnetico, rivelando un flusso di corrente irregolare che sarebbe difficile rilevare solo con i segnali convenzionali. In un altro caso, un componente sostituito o manomesso genera una firma magnetica che devia dalla forma d'onda di riferimento originale, anche se appare elettricamente funzionale. In entrambe le situazioni, il sistema può continuare a operare normalmente, eppure il suo comportamento fisico è già cambiato in modo misurabile.

La sfida ingegneristica centrale può quindi essere riassunta in una singola domanda pratica: come possono gli ingegneri rilevare precocemente deviazioni fisiche nel propulsore elettrico — causate da invecchiamento, guasti o modifiche hardware — utilizzando misurazioni non invasive, affidabili e compatibili con il mondo reale?

Questo lavoro nasce dalla stretta collaborazione tra Radio6ense e il Laboratorio di Elettromagnetismo dell'Università di Roma “Tor Vergata”, da cui Radio6ense ha avuto origine come spin-off accademico. La soluzione proposta riflette un approccio sinergico tra ricerca e industria, dove la rigorosa modellazione e interpretazione elettromagnetica vengono tradotte direttamente in architetture di misurazione robuste e pronte per il campo.

Questa interazione consente di estrarre informazioni fisicamente significative da dati complessi acquisiti a bordo veicolo, mantenendo la praticità richiesta per i test nel mondo reale. Sebbene la necessità di un'osservabilità non invasiva sia chiara a livello di sistema e di ciclo di vita, trasformare le misurazioni del campo magnetico in uno strumento diagnostico affidabile introduce una serie distinta di sfide pratiche e fisiche, che verranno affrontate nella sezione successiva. 

Sfide pratiche nell'uso dei campi magnetici come segnali diagnostici

A prima vista, l'uso delle misure del campo magnetico per valutare lo stato di salute del sistema o l'autenticità dei componenti può apparire lineare: le correnti fluiscono, i campi magnetici vengono generati e i sensori possono rilevarli. In pratica, però, le informazioni di interesse sono ben sepolte sotto diversi strati di complessità.

In un EV reale, le emissioni magnetiche si originano simultaneamente da molteplici sottosistemi, inclusi inverter, macchine elettriche, cablaggi ad alta tensione, pacchi batteria ed elettronica ausiliaria. Il segnale misurato in qualsiasi punto è quindi una sovrapposizione di diverse sorgenti, i cui contributi si sovrappongono sia nel tempo che in frequenza. Le firme rilevanti relative al degrado o alle modifiche hardware sono spesso sottili e facilmente mascherate dai componenti dominanti associati al normale funzionamento.

Inoltre, il contenuto spettrale di interesse copre un ampio intervallo, dalle componenti a bassa frequenza legate alla distribuzione di corrente alle caratteristiche a frequenza più elevata associate al comportamento di commutazione e alle dinamiche di controllo. Catturare questi fenomeni richiede un rilevamento multi-banda e una risoluzione temporale sufficiente, che vanno oltre i tipici setup di misura orientati alla conformità. I fattori spaziali complicano ulteriormente l'interpretazione: le firme magnetiche dipendono fortemente dalla posizione e dall'orientamento del sensore, nonché dal layout fisico dei conduttori e dell'elettronica di potenza.

Senza una strategia di posizionamento coerente e una stretta sincronizzazione con i parametri operativi del veicolo, diventa difficile associare i pattern osservati a specifici sottosistemi o eventi operativi. 

Per queste ragioni, le misure del campo magnetico, nonostante la loro ricchezza fisica, sono rimaste ampiamente confinate alla verifica normativa. Sfruttarle come indicatori affidabili di degrado o integrità hardware richiede un'architettura di misurazione e un flusso di analisi specificamente progettati per isolare, allineare e interpretare firme sottili in condizioni di guida reali.

La soluzione

Un primo requisito pratico è emerso rapidamente dal problema stesso: qualsiasi soluzione valida doveva integrare tipi di strumenti molto diversi all'interno di un unico coerente quadro di misura. Sonde magnetiche multi-banda, segnali del veicolo e dati di posizionamento dovevano essere tutti acquisiti in modo sincrono, gestiti in modo coerente e interpretati insieme.

Affidarsi a sistemi di acquisizione separati o a dispositivi debolmente sincronizzati avrebbe introdotto incertezze temporali, post-processing complesso e flussi di lavoro sperimentali fragili — esattamente l'opposto di ciò che è necessario per una diagnostica e una valutazione dell'integrità affidabili a bordo veicolo.

Questi requisiti hanno portato all'adozione della piattaforma di acquisizione dati Dewesoft SIRIUS, combinata con l'ambiente software DewesoftX, come nucleo dell'approccio proposto. Da un punto di vista ingegneristico, SIRIUS ha risolto il vincolo più critico: la sincronizzazione di molteplici canali eterogenei. La sua architettura consente di campionare tutti gli ingressi dei sensori come un unico sistema coerente, preservando le relazioni temporali anche durante i transitori veloci, come gli scalini di carico o gli eventi della trasmissione. Allo stesso tempo, la piattaforma è progettata per ambienti gravosi, consentendo un funzionamento stabile all'interno del veicolo nonostante vibrazioni, variazioni di temperatura e forti interferenze elettromagnetiche.

Tuttavia, un'acquisizione affidabile da sola non era sufficiente a colmare il gap di osservabilità. Il fattore decisivo è stato la disponibilità di un ambiente software integrato capace di trasformare i segnali grezzi in informazioni interpretabili durante il test stesso. DewesoftX ha fornito questo livello mancante combinando l'acquisizione dati sincronizzata con la visualizzazione in tempo reale, l'analisi tempo-frequenza e le informazioni contestuali del veicolo in un'unica interfaccia.

Questa combinazione ha spostato il processo di misurazione dalla registrazione passiva all'esplorazione attiva. Gli scenari di test potevano essere regolati al volo, i pattern sospetti potevano essere indagati immediatamente e le condizioni di riferimento potevano essere ripetute e verificate senza attendere l'elaborazione offline. In pratica, DewesoftX è diventato non solo uno strumento di registrazione, ma un ambiente di lavoro per comprendere il comportamento elettromagnetico del propulsore mentre si evolveva in tempo reale.

Strumentzione per l'acquisizione dati

Le misure sono state condotte su un EV ad alte prestazioni dotato di un propulsore a doppio motore, comprendente macchine elettriche indipendenti per l'asse anteriore e posteriore alimentate da un pacco batteria HV situato in posizione centrale. Questa configurazione fornisce un banco di prova rappresentativo e sufficientemente complesso per analizzare le emissioni del campo magnetico da molteplici sottosistemi interagenti.

Il rilevamento del campo magnetico è stato effettuato utilizzando un set distribuito di sonde magnetiche unassiali specificamente progettate per misure in campo vicino. Il set di sonde copriva tre bande di frequenza complementari da 30 Hz a 1 MHz, consentendo la cattura selettiva di fenomeni elettromagnetici associati a diversi meccanismi fisici all'interno dell'EV. In particolare, sono stati impiegati i seguenti modelli di sonde:

• Sonde MC910 (x4): Ottimizzate per campi magnetici a bassa frequenza associati a correnti quasi-statiche e a bassa frequenza, come quelle che scorrono nei cavi HV, nelle interconnessioni delle batterie e nei sottosistemi elettrici ausiliari. Queste sonde forniscono una risposta molto forte a 60 Hz e alle frequenze inferiori.

• Sonde MC95A (x4): Progettate per catturare componenti del campo magnetico nel range delle medie frequenze (30 Hz - 3 kHz); sono tipicamente utilizzate per caratterizzare le armoniche di commutazione dell'inverter, le dinamiche di controllo del motore e gli effetti di modulazione della corrente.

• Sonde MC165 (x4): Destinate al rilevamento di componenti magnetiche a frequenza più elevata relative a transitori di commutazione veloci, fronti di controllo e rapide variazioni di carico. Queste sonde operano su un range di frequenza del campo magnetico molto ampio: 2 - 300 kHz. Da 300 kHz a 1 MHz, la risposta della tensione di uscita cambia gradualmente e linearmente rispetto alla frequenza.

Un totale di 12 sonde magnetiche è stato utilizzato nella campagna sperimentale, con quattro sonde allocate per ogni banda di frequenza. Ogni sonda misura una singola componente del campo magnetico lungo il suo asse sensibile. Questa caratteristica consente l'analisi polarimetrica quando le sonde sono orientate in diverse direzioni spaziali, permettendo l'indagine sulla dipendenza direzionale e la localizzazione delle sorgenti delle emissioni magnetiche.

La configurazione uniassiale facilita inoltre l'interpretazione fisica dei segnali misurati collegando direttamente le caratteristiche spettrali alle direzioni del flusso di corrente e alle posizioni dei sottosistemi.

I segnali delle sonde sono stati convogliati al sistema modulare SIRIUS, utilizzando cavi coassiali RG58 con connettori BNC. Dove necessario, sono stati impiegati adattatori BNC femmina-femmina. Tutti i componenti della strumentazione sono stati alimentati da un alimentatore DC compatibile con il veicolo, consentendo il funzionamento continuo durante i test su strada senza dipendere da fonti di alimentazione esterne. Infine, un modulo GPS è stato collegato al PC tramite un cavo USB standard. Il setup risultante ha permesso un'acquisizione multi-banda sincronizzata del campo magnetico in più aree del veicolo sotto condizioni di guida realistiche, formando una solida base sperimentale per le analisi spaziali, spettrali e operative presentate nelle sezioni seguenti. La Tabella 1 dettaglia la strumentazione di misura e la Figura 3 illustra schematicamente i relativi collegamenti.

Il setup di misura

Il setup di misura è stato progettato per catturare sia la diversità spaziale che quella polarimetrica delle emissioni del campo magnetico provenienti dal propulsore dell'EV e dai sottosistemi ausiliari in condizioni operative realistiche. Data la natura distribuita delle sorgenti di campo magnetico all'interno di un veicolo elettrico, il posizionamento delle sonde è stato scelto per consentire la correlazione tra le firme misurate e specifici sottosistemi, mantenendo al contempo una configurazione non invasiva e ripetibile.

Le sonde magnetiche sono state distribuite in diverse aree di interesse del veicolo, inclusi la zona anteriore, l'abitacolo e il cofano. Queste posizioni sono state selezionate per garantire la vicinanza alle principali sorgenti di campo magnetico — come i motori elettrici, gli inverter e i cablaggi ad alta tensione — consentendo allo stesso tempo di valutare la propagazione del campo magnetico verso le aree accessibili ai passeggeri.

In ogni punto di misura, l'orientamento delle sonde è stato accuratamente selezionato per indagare la diversità polarimetrica. Poiché le sonde magnetiche operano come sensori uniassiali, le misurazioni sono state eseguite lungo diversi assi spaziali (X, Y e Z) a seconda della configurazione del test.

La strategia di posizionamento tiene conto anche della diversità spaziale, permettendo il confronto tra le firme magnetiche acquisite in diversi punti del veicolo sotto identiche condizioni di guida. Ciò è particolarmente rilevante per identificare fenomeni localizzati, come le componenti di commutazione relative all'inverter, le armoniche specifiche del motore o gli eventi transitori associati al funzionamento della trasmissione.

La Figura 4 illustra la strategia completa di posizionamento dei sensori adottata durante la campagna sperimentale, evidenziando le posizioni delle sonde e le corrispondenti aree del veicolo indagate.

Software DewesoftX: dashboard e visualizzazione dati

Per supportare sia il monitoraggio in tempo reale durante le acquisizioni su strada, sia un post-processing coerente tra i diversi test, è stata sviluppata una dashboard dedicata in DewesoftX (Figura 4). La dashboard fornisce una visualizzazione sincronizzata e multi-livello di: (i) misurazioni magnetiche a livello di sonda, (ii) condizioni operative del veicolo e (iii) contesto spaziale del posizionamento delle sonde.

Questa vista integrata è essenziale per il rilevamento distribuito, poiché consente la rapida identificazione di eventi di interesse (ad esempio, rampe di accelerazione, transitori di frenata, transizioni di modalità) e la verifica immediata della qualità del segnale e della coerenza dei canali.

Metadati del test e controllo della timeline

La parte sinistra della dashboard include un pannello strutturato per i metadati che riporta la configurazione del test attivo, inclusa l'area del veicolo indagata, l'asse della sonda selezionato e la sequenza dei profili di guida eseguiti durante la sessione. 

Inoltre, nella parte superiore dell'interfaccia sono visualizzati i timestamp e gli indicatori del tempo trascorso, consentendo all'operatore di verificare continuamente la continuità dell'acquisizione e di navigare rapidamente nella registrazione durante l'ispezione offline. Un meccanismo a cursore sulla timeline permette l'accesso diretto a eventi e segmenti specifici senza necessità di ritagli manuali, semplificando così la selezione delle finestre temporali per l'analisi spettrale.

Contesto spaziale: mappa di posizionamento delle sonde

A destra del pannello dei metadati è presente uno schema in vista dall'alto dell'EV con marcatori codificati per colore che rappresentano le posizioni delle sonde. Questa vista mantiene l'immediata consapevolezza del layout di rilevamento attivo durante ogni test, specialmente quando più set di sonde sono distribuiti in diverse zone del veicolo.

Collegando visivamente gli identificatori dei canali alle posizioni fisiche delle sonde, la dashboard riduce le ambiguità nell'interpretazione delle caratteristiche spettrali e facilita il confronto tra misure acquisite in regioni differenti (es. zona anteriore, abitacolo e vano motore).

Tracciamento del percorso basato su GPS e indicatori cinematici

Per correlare le emissioni magnetiche con le condizioni operative, la dashboard integra il tracciamento del percorso basato su GPS e indicatori cinematici. Un pannello mappa visualizza la traiettoria del veicolo durante il test, fornendo informazioni contestuali sulle condizioni stradali e sulle fasi di guida. Inoltre, indicatori numerici riportano grandezze cinematiche chiave come velocità e accelerazione longitudinale, che fungono da proxy di alto livello per le condizioni di carico del propulsore. Questi segnali vengono utilizzati per segmentare l'acquisizione in modalità operative ben definite (minimo, crociera, accelerazione, frenata, ecc.) e per interpretare le firme magnetiche in relazione allo stato del veicolo.

Monitoraggio tempo-frequenza: matrice STFT multicanale

Il lato destro della dashboard è dedicato alla visualizzazione del campo magnetico attraverso una matrice di spettrogrammi basati sulla trasformata di Fourier a tempo ridotto (STFT), uno per ogni canale delle sonde. Questa disposizione consente l'ispezione immediata del contenuto spettrale sull'intero set di sonde, evidenziando sia le componenti persistenti a banda stretta (es. armoniche tonali) sia le caratteristiche transitorie a banda larga (es. burst relativi alla commutazione). 

All'interno della matrice STFT, ogni colonna corrisponde a una singola sonda magnetica, mentre le righe raggruppano le sonde che operano nella stessa banda di frequenza. La struttura multi-pannello è organizzata per larghezza di banda di rilevamento, con i canali disposti in ordine di frequenza crescente. Nello specifico, vengono mostrati prima i pannelli relativi alle sonde MC910, seguiti da quelli delle MC95A e infine dai pannelli relativi alle MC165.

La dashboard ha servito due scopi complementari. Durante l'acquisizione, ha permesso la verifica continua dell'attività dei canali, dell'integrità del segnale e della sincronizzazione, assicurando che il posizionamento delle sonde e le scelte di cablaggio non introducessero artefatti inaspettati. Durante l'analisi offline, ha fornito uno strumento efficiente di navigazione e segmentazione, consentendo di isolare specifiche fasi di guida e confrontarle tra diverse aree del veicolo e orientamenti delle sonde.

I risultati dei test

Presentiamo qui un sottoinsieme mirato di risultati sperimentali selezionati per illustrare come le misure del campo magnetico a bordo veicolo possano essere trasformate da un'attività orientata alla conformità in uno strumento ingegneristico pratico. Piuttosto che fornire una caratterizzazione esaustiva di tutti i dati registrati, limitiamo intenzionalmente i risultati a un ristretto numero di casi d'uso rappresentativi.

Lo scopo degli esempi è dimostrare come il rilevamento magnetico non invasivo possa rivelare stati operativi, eventi dinamici e firme fisicamente significative direttamente rilevanti per la manutenzione predittiva e la valutazione dell'integrità dell'hardware. 

Gli esempi devono quindi essere interpretati come dimostrazioni di concetto. Essi mostrano che, disponendo di appropriate condizioni di riferimento, è possibile utilizzare le misure del campo magnetico per dedurre il comportamento interno del sistema ed evidenziare deviazioni dai pattern attesi, anche in assenza di accesso diretto ai segnali di controllo interni.

Variazioni del campo magnetico associate al funzionamento dei sottosistemi ausiliari

Il nostro primo esempio si concentra sulle misure del campo magnetico effettuate nella regione anteriore, vicino all'inverter. Abbiamo selezionato questa posizione perché il funzionamento dell'elettronica di potenza, le strategie di controllo e le variazioni del carico elettrico influenzano fortemente le emissioni magnetiche in quest'area. 

La Figura 6 confronta misure rappresentative del campo magnetico registrate in condizioni di "idle" (ovvero lo stato in cui il veicolo è fermo con il sistema elettrico attivo, ma i motori elettrici non sono in uso), con il sistema di aria condizionata alternativamente acceso e spento. La figura riporta gli spettrogrammi rappresentativi ottenuti dalle tre sonde magnetiche.

Quando il sistema di climatizzazione è inattivo, lo spettro magnetico è dominato da una componente a 50 Hz e dalle sue armoniche, che rimangono stabili durante l'intera finestra di osservazione. Oltre a questo contributo a bassa frequenza, è visibile solo una debole componente spettrale intorno ai 20 kHz, attribuibile all'attività di commutazione di base dell'inverter.

Quando il sistema di climatizzazione viene attivato, si verificano cambiamenti chiari e ripetibili su più bande di frequenza. Nel range delle basse frequenze compaiono componenti aggiuntive, incluso un contributo distinto intorno agli 84 Hz. Nella banda delle medie frequenze, appare una linea spettrale marcata a circa 934 Hz, che indica una modifica nel pattern di modulazione della corrente associata al carico ausiliario.

Nella banda delle frequenze più elevate emerge un'attività spettrale strutturata, inclusa una componente intorno ai 40 kHz che risulta assente o fortemente attenuata quando il sistema di climatizzazione è spento.

La comparsa simultanea di queste caratteristiche nelle sonde a bassa, media e alta frequenza evidenzia la natura intrinsecamente multi-banda delle firme magnetiche associate al funzionamento dei sottosistemi ausiliari. È importante notare che le differenze osservate non si limitano a variazioni di ampiezza, ma comportano l'emergere di distinte componenti spettrali che possono essere collegate direttamente ai cambiamenti nel carico dell'inverter e nel comportamento di controllo.

Pertanto, da una prospettiva ingegneristica, questo risultato mostra che i sottosistemi ausiliari lasciano impronte magnetiche identificabili e ripetibili che possono essere monitorate in modo non invasivo. Ciò dimostra la fattibilità di un monitoraggio non invasivo dei sottosistemi ausiliari, consentendo il rilevamento precoce di comportamenti anomali del carico senza sensori aggiuntivi o accesso a dati di controllo proprietari. 

Allo stesso tempo, la chiara visibilità dell'attività dei sottosistemi nelle emissioni magnetiche misurate esternamente ne evidenzia la rilevanza come osservabili da "canale laterale", capaci di rivelare stati operativi interni.

Rilevamento degli eventi di cambio marcia

Il secondo esempio si concentra sull'identificazione degli eventi di cambio marcia associati al motore elettrico posteriore, che è dotato di una trasmissione a due velocità. A differenza dell'esempio sul carico ausiliario, le misurazioni del campo magnetico per questa analisi sono state acquisite nella regione posteriore del veicolo, vicino al secondo motore e alla relativa elettronica di potenza.

La Figura 7 confronta spettrogrammi rappresentativi ottenuti dalle sonde magnetiche MC95A posizionate, rispettivamente, nelle regioni anteriore e posteriore, sotto condizioni di guida comparabili. In entrambi i casi, gli spettrogrammi sono mostrati accanto ai corrispondenti profili di velocità del veicolo, consentendo di correlare direttamente le firme magnetiche con le fasi di accelerazione e frenata.

Nelle misure effettuate sulla parte anteriore, l'evoluzione del campo magnetico segue le fasi generali di accelerazione e frenata. Tuttavia, non si osservano caratteristiche transitorie distinte associate a un evento di cambio marcia, nemmeno ad alte velocità. Questo comportamento è coerente con l'assenza di un cambio meccanico nella trasmissione anteriore, dove l'erogazione della coppia rimane continua. Al contrario, le misure posteriori mostrano un transitorio chiaramente identificabile a circa 113 km/h, corrispondente alla soglia di cambio marcia della trasmissione posteriore.

Questo evento si manifesta come una variazione repentina nella struttura spettrale, producendo una firma distintiva assente nelle misurazioni anteriori. La capacità di distinguere tra il comportamento della trazione anteriore e posteriore evidenzia la selettività spaziale resa possibile dal rilevamento magnetico distribuito. Sebbene entrambe le trasmissioni operino simultaneamente, le misurazioni magnetiche acquisite in diverse aree del veicolo mantengono una località sufficiente a isolare eventi specifici di ciascuna trasmissione.

Questo risultato dimostra che i campi magnetici misurati esternamente possono catturare eventi transitori della trasmissione direttamente collegati ad azioni meccaniche e di controllo all'interno del propulsore. In un'ottica predittiva di manutenzione, potremmo monitorare nel tempo le variazioni nella tempistica, nella forma spettrale o nella ripetibilità di tali firme di cambio marcia per rilevare usura, derive del controllo o degrado meccanico nelle trasmissioni elettriche multi-velocità. 

Dal punto di vista dell'integrità dell'hardware, la presenza e le caratteristiche di queste firme forniscono inoltre una potenziale "impronta digitale" della configurazione della trasmissione, consentendo il rilevamento di componenti alterati o non originali senza accedere ai segnali interni.

Conclusioni

Gli ingegneri raccolgono abitualmente misure del campo magnetico negli EV per valutazioni di conformità e sicurezza, ma il loro potenziale come segnale ingegneristico rimane spesso inesplorato. Questo lavoro mostra che, se catturate con larghezza di banda, diversità spaziale e sincronizzazione adeguate, queste misure possono essere trasformate in uno strumento pratico e non invasivo per comprendere il comportamento del propulsore durante la guida nel mondo reale.

I risultati sperimentali dimostrano che le emissioni magnetiche trasportano informazioni strutturate e ripetibili direttamente collegate ai processi fisici all'interno del veicolo. I sottosistemi ausiliari generano firme multi-banda identificabili, mentre gli eventi della trasmissione come i cambi di marcia producono transitori localizzati rilevabili esternamente e correlati alle condizioni operative.

Queste firme rimangono osservabili anche senza accesso ai segnali di controllo interni, fornendo una prospettiva complementare alla diagnostica convenzionale. Da un punto di vista pratico, ciò abilita nuovi approcci alla manutenzione predittiva e al monitoraggio del sistema. Possiamo tracciare l'evoluzione delle firme magnetiche nel tempo per rivelare cambiamenti nelle condizioni di carico, comportamenti anomali o segni precoci di degrado, senza modificare il veicolo. 

Allo stesso tempo, l'origine fisica delle emissioni magnetiche le rende rilevanti per la valutazione dell'integrità dell'hardware, poiché le deviazioni dalle firme di riferimento possono indicare componenti alterati, non originali o manomessi.

Il framework di misura proposto, basato sul rilevamento multi-banda sincronizzato e sulla visualizzazione integrata, si è dimostrato efficace nell'estrarre informazioni significative da dati complessi acquisiti su strada. Pertanto, ciò che gli ingegneri considerano tradizionalmente come rumore elettromagnetico può invece diventare uno dei segnali fisici più informativi a disposizione per comprendere, mantenere e rendere affidabili i veicoli elettrici del futuro.

Riferimenti bibliografici

1. L. Tan, G. Li, Q. Xie, Y. Xiang, and B. Luo, “Study on the safety assessment and protection design of human exposure to low-frequency magnetic fields in electric vehicles,” Radiat. Prot. Dosimetry, vol. 200, no. 1, pp. 60–74, 2024.

2. A. Vassilev, A. Ferber, C. Wehrmann, O. Pinaud, M. Schilling, and A. R. Ruddle, “Magnetic field exposure assessment in electric vehicles,” IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 57, no. 1, pp. 35–43, 2014.

3. P. M.-T. Concha, P. Velez, M. Lafoz, and J. R. Arribas, “Passenger exposure to magnetic fields due to the batteries of an electric vehicle,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 65, no. 6, pp. 4564–4571, 2015.

4. ADAC, “E-cars: Health hazard from electrosmog?” [Online]

5. C. Lennerz et al., “High-power chargers for electric vehicles: are they safe for patients with pacemakers and defibrillators?” Europace, vol. 25, no. 5, May 2023, doi: 10.1093/europace/euad042.

6. C. Lennerz et al., “Electric cars and electromagnetic interference with cardiac implantable electronic devices: a cross-sectional evaluation,” Ann. Intern. Med., vol. 169, no. 5, pp. 350–352, 2018.

7. F. Marchiori and M. Conti, “Leaky batteries: A novel set of side-channel attacks on electric vehicles,” in International Conference on Availability, Reliability and Security, 2025, pp. 322–333.

8. Y. Wang, Y. Cheng, L. Ding, K. Yao, W. Li, and S. Cui, “Real-time Magnetic Field and Performance Prediction of EV Motors Based on Physics-Informed Machine Learning,” IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2025.