Soggetti:
- Introduzione
- Spine e collegamenti di ricarica
- Apparecchiature di alimentazione elettronica per veicoli (EVSE)
- Opzioni di ricarica
- Tempi di caricamento
- Prezzi da caricare
- Comunicazione tra stazione di ricarica e veicolo
- Pilota di prossimità
- Pilota di controllo
- Rete elettrica
Introduzione:
Le batterie dei veicoli elettrici o ibridi plug-in possono essere caricate con dispositivi di ricarica esterni. È possibile collegare l'auto con un cavo di ricarica a una stazione di ricarica pubblica, a una stazione di ricarica pubblica o alla propria wallbox (sulla facciata esterna o in garage) per caricare la batteria tramite la rete elettrica. Spesso è disponibile anche un caricabatterie mobile che consente di caricare tramite la presa a muro, ma si consiglia di utilizzare questo caricabatterie solo in caso di emergenza.
L'immagine seguente mostra la ricarica di un'auto elettrica. Sul lato del veicolo è presente uno sportello che assomiglia molto allo sportello del carburante di un'auto con motore a combustione. Dietro lo sportello troviamo il collegamento a spina in cui è possibile inserire la spina di ricarica.
L'adesivo sullo sportello indica di quale colore si accende il LED accanto alla spina in un determinato stato.
Spine e collegamenti di ricarica:
Le spine e i collegamenti di ricarica sono standardizzati in Europa. Utilizziamo il connettore Mennekes (tipo 2) per la ricarica AC (corrente alternata) e la spina CCS2 per la ricarica DC (corrente continua).
L'immagine seguente mostra un Mennekes Type 2 combinato con prese di ricarica CSS2. Questa spina consente la ricarica (rapida) con corrente continua.
L'immagine sotto mostra le spine utilizzate in altre parti del mondo. Viene fatta una distinzione tra AC e DC, dove la variante DC spesso è un'estensione del connettore AC.
Apparecchiature di alimentazione elettronica per veicoli (EVSE):
Le strutture di ricarica pubbliche sono sempre dotate di interfaccia con EVSE (Electronic Vehicle Supply Equipment). Ciò garantisce sicurezza e comunicazione. Le funzioni dell'EVSE includono:
- Controllo delle connessioni: dopo aver verificato che tutte le spine siano collegate e bloccate, si avvia la modalità di ricarica;
- Autodiagnosi: quando vengono rilevati errori, l'alimentazione di rete viene interrotta;
- Rilevamento della corrente di dispersione: l'alimentazione di rete viene interrotta in caso di qualsiasi forma di corrente di dispersione;
- Controllo corrente: comunica con il caricabatterie di bordo dell'auto utilizzando un segnale PWM per limitare la corrente.
Opzioni di caricamento:
Durante la ricarica con corrente alternata (CA), l'elettricità proveniente dalla rete elettrica dell'auto viene convertita in corrente continua (CC). Lo svantaggio della ricarica AC è che esiste un elevato rischio di fenomeni di induzione e perdite dovute alla resistenza del conduttore. Anche nell'auto avviene una conversione da CA a CC prima che l'energia raggiunga la batteria, il che limita la corrente di carica.
La ricarica in corrente continua (CC) consente una ricarica “super” rapida. La conversione AC/DC non avviene più nel caricabatterie di bordo, ma all'esterno del veicolo. La batteria può quindi essere caricata con una maggiore capacità di carica e quindi si riempie più velocemente. Questo è l'ideale per ricaricare durante una pausa caffè lungo l'autostrada per il resto del viaggio.
Le modalità e le velocità alle quali un veicolo può essere caricato possono essere suddivise in quattro diverse modalità. Le modalità 1, 2, 3 e 4 indicano come il veicolo è collegato alla presa di corrente.
- Modalità 1: la ricarica avviene direttamente tramite la rete elettrica di un collegamento domestico. Nel veicolo la tensione viene convertita da CA (corrente alternata) a CC (corrente continua). Il dispositivo di ricarica garantisce sicurezza perché non vi è alcuna limitazione di corrente o feedback dal veicolo alla presa. Questo metodo di caricamento viene utilizzato raramente, perché esiste il rischio di pericoli e difetti, ed è quindi vietato in molti paesi.
- Modalità 2: come nella modalità 1, viene utilizzata la presa a muro dell'allacciamento domestico e la corrente di carica è limitata a 16 A con un Vermogen di 3,68kW. Tuttavia, per evitare sovraccarichi, la potenza attraverso i cavi di ricarica è solitamente limitata a 2,3 kW (ca. 10 A). Con la modalità di ricarica 2 la stazione di ricarica è concepita come un caricabatterie mobile che può essere portato con sé. Nel veicolo, il caricabatterie di bordo converte la corrente alternata in corrente continua.
- Modalità 3: la ricarica avviene tramite una stazione di ricarica fissa o wall box che, proprio come nella modalità 2, è collegata alla rete elettrica di un edificio. Il caricabatterie modalità 3 è adatto alla ricarica AC e per potenze da 3,68 a 22 kW. Ancora una volta, la corrente alternata viene convertita in corrente continua nell'elettronica di potenza del veicolo.
- Modalità 4: Mentre le modalità di ricarica da 1 a 3 utilizzano corrente alternata e questa deve essere convertita in corrente continua nel veicolo, con la ricarica in modalità 4 la conversione da corrente alternata a corrente continua avviene nella stazione di ricarica stessa. La corrente continua viene fornita direttamente alla batteria. Questo è noto come ricarica CC o ricarica rapida. Una stazione di ricarica DC per la ricarica in modalità 4 richiede una tensione di ingresso di almeno 480 volt e fornisce una potenza di 43 kW.
Tempi di caricamento:
I tempi di ricarica dei veicoli ibridi ed elettrici possono essere determinati dal capacità della batteria da dividere per l'importo consegnato Vermogen dal caricabatterie.
La potenza di ricarica disponibile non è determinata solo dal tipo di caricabatterie e cavo di ricarica, ma anche dalla potenza di ricarica massima per la quale è adatta l'elettronica di potenza del veicolo. Le nuove auto di lusso ricevono sempre più batterie più grandi con maggiore capacità per un’autonomia maggiore, ma poiché la capacità di ricarica aumenta, può anche significare che il tempo di ricarica diminuisce. Ad esempio, prendiamo una VW e-Golf (32 kWh) rispetto a una Mercedes EQS SUV 500 (108,4 kWh). Non tutti i veicoli possono caricarsi fino al 100% con la corrente continua. La ricarica CC si interrompe all'80%. L'ultimo 20% ha una capacità di ricarica inferiore tramite AC. Questo serve a proteggere la batteria HV.
VW e-Golf (32 kWh)
Ricarica CA:
Con una spina di ricarica di tipo 2, la batteria può essere caricata tramite CA. La potenza di ricarica massima del caricabatterie di bordo è di 3,7 kW. Quando la batteria viene caricata al 20% tramite una stazione di ricarica (modalità 3), sono necessarie circa 7 ore. Spiegazione: 80% (ricarica) di 32 kWh = 25,6 kWh. Calcoliamo il tempo di ricarica dividendo la potenza richiesta per la potenza erogata: (25,6/3,68) = 6,96 ore (6 ore e 58 minuti).
Durante la ricarica tramite presa (modalità 2), la potenza è limitata a 2,3 kW e il tempo di ricarica è di 11,13 ore (11 ore e 8 minuti).
Ricarica CC:
Durante la ricarica rapida tramite corrente continua con una potenza di 44 kW, la batteria è completamente carica dopo 0,58 ore (35 minuti).
Mercedes EQS SUV 500 4MATIC (108,4 kWh)
Ricarica CA:
Con una spina di ricarica di tipo 2, la batteria può essere caricata tramite CA. La potenza di ricarica massima del caricabatterie di bordo è di 11 kW. Ancora una volta assumiamo che addebiteremo dal 20%. La potenza che deve essere fornita dal dispositivo di ricarica è di 86,72 kW. Durante la ricarica tramite la stazione di ricarica, il tempo di ricarica è di 7,88 ore (7 ore e 53 minuti).
Ricarica CC:
Con la modalità 4 è possibile caricare fino a 207 kW. Il tempo di ricarica è: (86,72/207) = 0,42 ore (25 minuti).
Prezzi da caricare:
Esistono molti fornitori di carte di ricarica. Diversi siti web offrono una panoramica delle tariffe. In questa sezione assumiamo le tariffe energetiche in vigore a marzo 2023 e non teniamo conto dei costi di abbonamento o delle tariffe iniziali per sessione di ricarica, ma solo dei prezzi dell'energia.
- Paesi Bassi CA € 0,60/kWh
- Paesi Bassi CC € 0,85/kWh
- Belgio e Lussemburgo 0,65 €/kWh
- Europa: CA € 0,51/kWh
- Europa: CC 0,87 €/kWh
Negli esempi della VW e-Golf e della Mercedes EQS, calcoliamo i prezzi di ricarica in base alla capacità di ricarica e al fatto che effettueremo la ricarica da un intervallo del 20%.
- VW e-Golf: con una potenza di ricarica di 25,6 kW, nei Paesi Bassi la ricarica AC costa 15,36 € e quella DC 21,76 €. Autonomia totale: 190 km.
- Mercedes EQS: con una capacità di ricarica di 86,72 kW, nei Paesi Bassi costa 52 € per la ricarica AC e 73,70 € per la ricarica DC. L'autonomia è di circa 485 km.
Comunicazione tra stazione di ricarica e veicolo:
Il modulo di interfaccia di ricarica fornisce la comunicazione tra la stazione di ricarica e il veicolo. Il cosiddetto “Proximity Pilot” e il “Control Pilot”, abbreviati in “PP” e “CP”, indicano che è collegata una spina di ricarica e determinano la quantità di corrente di ricarica consentita. I due paragrafi successivi spiegano il funzionamento del PP e del CP.
Nell'immagine vediamo CP e PP nella spina Mennekes Americana Tipo 1 (a sinistra) ed Europea Tipo 2 (a destra), entrambe abbinate alla spina di ricarica DC. Ci concentriamo sulla spina giusta con CP, PP, le tre fasi (da L1 a L3) con filo neutro (N) e la cosiddetta terra di protezione (PE).
Questa sezione utilizza il seguente diagramma, basato sullo standard europeo (IEC 62196-2). Si tratta del connettore di Tipo 2, chiamato anche Mennekes. Nello schema vediamo (da sinistra a destra) i seguenti componenti:
- Controller EVSE: è il modulo che viene integrato nella stazione di ricarica o nella wallbox;
- Spina di ricarica: oltre alla corrente di carica, avviene la comunicazione tra il controller EVSE e il controller del veicolo tramite PP e CP;
- Controller del veicolo: l'elettronica del veicolo attiva il processo di ricarica non appena vengono soddisfatte diverse condizioni.
Pilota di prossimità:
Il pilota di prossimità ha due funzioni: registrare se un cavo di ricarica è collegato e registrare quale tipo di cavo di ricarica è collegato, in modo da poter determinare la corrente di carica massima.
Nello schema seguente il circuito PP è colorato in rosso. Qui vediamo un partitore di tensione tra R1 e R2, alimentato da 5 volt. La centralina misura la tensione tra R1 e R2 (questa viene indicata con un voltmetro per chiarezza). Il resistore R1 funge da resistore di pull-up.
- Se non è collegata alcuna spina di ricarica, non è presente alcun divisore di tensione. Il resistore R1 non assorbe alcuna tensione, quindi la tensione misurata è di 5 volt;
- Quando la spina di ricarica è collegata, viene creato un collegamento in serie. Con i valori di resistenza indicati la centralina misurerà una tensione di 3,1 volt.
Il valore di resistenza nella presa di ricarica indica la corrente massima attraverso il cavo di ricarica. Questi valori di resistenza sono i seguenti:
- 100 ohm: massimo 63 A;
- 220 ohm: massimo 32 A;
- 680 ohm: massimo 20 A;
- 1500 ohm: massimo 13A.
Il valore della resistenza nell'esempio è 220 Ohm, ciò significa che la corrente che attraversa questo cavo di ricarica può essere al massimo di 32 A. Una resistenza più alta o più bassa garantisce una diversa divisione della tensione e quindi una diversa tensione di ingresso per il controller.
I connettori nordamericani rientrano nello standard: SAE J1772. Questa spina di ricarica di Tipo 1 differisce dalla versione europea:
- Tensione alternata monofase anziché tensione alternata trifase nella spina europea di tipo 2;
- Gancio di chiusura manuale. Il partitore di tensione extra consente di integrare una maggiore sicurezza. Non appena viene riconosciuto che il pulsante è stato premuto, il sistema di ricarica si spegne immediatamente.
Il diagramma seguente mostra la versione americana.
Il gancio di bloccaggio in particolare estende il circuito Proximity Pilot.
- Nel connettore è presente un partitore di tensione;
- L'interruttore S3 è in parallelo con il resistore R7. A riposo l'interruttore è chiuso e la resistenza R7 è ponticellata;
- Quando si rimuove la spina, il conducente deve azionare il gancio di bloccaggio per estrarre la spina dal veicolo. Premendo questo gancio, S3 si apre. Il resistore R7 fa parte del partitore di tensione.
Pilota di controllo:
Il CP monitora il processo di carica dalla richiesta di inizio carica fino alla fine della carica, quando la batteria è completamente carica. Il CP consente la comunicazione tra il controller EVSE nell'impianto di ricarica e il veicolo.
- Dopo aver collegato il cavo di ricarica alla stazione di ricarica, il controller EVSE applica una tensione di 12 volt al collegamento Control Pilot della spina di ricarica.
- non appena la spina di ricarica viene collegata al veicolo, la tensione scende a circa 9 Volt a causa del partitore di tensione tra R3 e R4;
- Il controller misura la tensione in ingresso tramite ST2 (trigger Schmitt).
Il flusso di corrente con un cavo di ricarica collegato è contrassegnato in rosso.
- Dopo aver registrato i 9 volt, il controller EVSE eccita il relè K2. Al posto dell'alimentazione a 12 volt, nel circuito è incluso l'oscillatore;
- l'oscillatore produce una tensione ad onda quadra da -12 a +12 volt;
- il diodo assicura che la tensione sulla connessione CP vari tra +9 e -12 volt;
- Con il ciclo di lavoro nel segnale PWM, il controller EVSE indica la corrente di carica massima che il veicolo può consumare.
Dopo aver stabilito il segnale PWM, il controller del veicolo attiva il relè K1 quando il veicolo è pronto per iniziare la ricarica.
- Il relè K1 commuta la resistenza R5 a terra;
- a causa del collegamento in parallelo tra R4 e R5, l'impulso positivo del segnale PWM scende a 6 volt;
- La tensione di 6 volt viene misurata dal controller EVSE nel dispositivo di ricarica e ora collega l'alimentatore al cavo di ricarica per caricare la batteria.
L'immagine sotto mostra il segnale proveniente dal Control Pilot, mostrando lo sviluppo della tensione in funzione del tempo. Questo profilo di tensione può essere misurato sul collegamento Control Pilot della spina di ricarica mentre è collegata.
- Stato A: Nessuna connessione con il veicolo. Finché non è collegato alcun cavo di ricarica, la tensione rimane 12 Volt;
- Stato B: il veicolo elettrico è collegato. Il relè K2 è eccitato. La tensione scende a 9 volt a causa del diodo nel circuito;
- Stato C: il relè K1 è eccitato. Questo è "il segnale" per l'unità di ricarica per avviare il processo di ricarica.
Gli stati D ed E indicano quando è necessaria un'azione per la ventilazione o per terminare il processo di carica perché è stato rilevato un errore.
Rete elettrica:
Nella sezione “opzioni di ricarica” sono state mostrate le modalità da 1 a 4. Puoi scegliere di ricaricare il veicolo a casa tramite il caricatore domestico, la wallbox, la stazione di ricarica oppure tramite un caricatore veloce lungo l'autostrada. Soprattutto la ricarica domestica tramite la propria stazione di ricarica sta diventando sempre più popolare. Un caricabatterie domestico può essere semplicemente collegato a una presa, ma per ottenere il tempo di ricarica più breve possibile con più corrente di carica, è possibile collegare la propria scatola a muro regolando la scatola di distribuzione. Innanzitutto esaminiamo i concetti: corrente alternata monofase e trifase.
Con una connessione monofase vediamo un cavo elettrico “standard” con tre conduttori:
- marrone: filo di fase;
- blu: filo neutro;
- giallo/verde: filo di terra.
Con una stazione di ricarica monofase o una wallbox, la corrente elettrica scorre attraverso due fili (il filo di fase e il filo di neutro).
Una wallbox monofase o una stazione di ricarica utilizza il collegamento standard a 1 V dell'elettronica domestica. La potenza massima è di 230 A, che porta la potenza di carica massima di un caricabatterie monofase a 16 kW. Con questa capacità di carica, una batteria da 1 kW viene caricata in circa 3,7 ore, il che richiede un tempo relativamente lungo. La maggior parte delle nuove auto elettriche ha una capacità maggiore.
È possibile aumentare la corrente massima nella scatola di distribuzione dell'elettronica domestica, in modo che ci sia più capacità per un caricabatterie monofase da 32 A. In tal caso, la ricarica può essere effettuata con un massimo di 1 kW. Tuttavia, con un caricabatterie monofase esiste la possibilità che la scatola di distribuzione venga sovraccaricata, provocando un'interruzione di corrente. Oltre ad una stazione di ricarica, sono presenti altri elettrodomestici che utilizzano la rete elettrica, tra cui lavatrice, lavastoviglie, piano cottura e pompa di calore. Con l'aiuto del bilanciamento del carico, è possibile utilizzare la capacità massima:
- Durante la giornata è probabile che vengano utilizzati più elettrodomestici. La corrente di carica del veicolo viene ridotta;
- La maggior parte dei dispositivi vengono spenti di notte, in modo che il veicolo abbia una maggiore capacità di ricarica.
Per caricare più velocemente è possibile collegare la stazione di ricarica o la wallbox alla scatola di distribuzione tramite un collegamento trifase. Questo non deve necessariamente essere il flusso di potenza. Con una connessione trifase vediamo due fili aggiuntivi:
- nero: filo di fase extra;
- grigio: filo di fase extra.
Con una stazione di ricarica trifase, l'elettricità scorre attraverso quattro fili (i fili trifase e il filo neutro).
La capacità di ricarica di una stazione di ricarica o di una wallbox con un collegamento trifase è maggiore rispetto a un collegamento monofase, il che significa che il veicolo si ricarica più velocemente. La corrente di carica massima del veicolo non viene mai superata. Alcuni veicoli sono adatti solo per la ricarica fino a 3 kW. Quindi non ha senso creare un collegamento trifase. I veicoli possono essere adatti anche per 1 o 3,7 kW: conviene aumentare la potenza (3*7,4 A) dalla scatola di distribuzione.
Nelle case più vecchie spesso vediamo un collegamento monofase (fino a 1 A) nella scatola di distribuzione. Tutte e tre le fasi sono presenti, ma solo una è collegata.
La scatola di distribuzione può essere convertita in modo da utilizzare tutte e tre le fasi. Le case più nuove, dove la scatola di distribuzione è predisposta per più utenze elettriche (come pannelli solari, piano cottura a induzione e pompa di calore), possono già essere dotate di un collegamento trifase dalla consegna. In tal caso, il contatore elettrico dice “3×3/220V o 230×3/380 volt”. Ci sono anche un totale di quattro fili - i tre fili di fase e il filo neutro - che provengono dal fondo della scatola di distribuzione. A seconda della scatola di distribuzione, il gruppo è protetto fino a 400x1A, 25x1A o 30A. Maggiore è l'amperaggio indicato, maggiore è la quantità di corrente che può essere utilizzata contemporaneamente.
L'immagine seguente mostra cinque situazioni da una connessione monofase a trifase nella scatola di distribuzione e l'uso di un caricabatterie monofase o trifase.
1 fase: Con il caricabatterie d'emergenza è possibile caricare il veicolo tramite la presa. Con una wallbox, un gruppo monofase può caricare fino a 1 A senza bilanciamento del carico e 16 A con bilanciamento del carico. Il 32A può essere raggiunto solo quando in casa non sono attive altre utenze.
Per potenze fino a 7,4 kW è possibile una rete monofase con bilanciamento del carico. Quando in casa si utilizzano più elettrodomestici ad alto consumo, tra cui lavatrice/asciugatrice, lavastoviglie e pompa di calore, la potenza diminuirà per proteggere dal sovraccarico. In pratica ciò significa che la potenza può diminuire fino al 1%. Il passaggio da 50 a 1 fasi è quindi sensato.
3 fase: Se viene richiesta troppa potenza contemporaneamente, ciò può causare un sovraccarico e far scattare la protezione, provocando un'interruzione di corrente. È quindi importante che la rete possa fornire energia elettrica sufficiente. Con un collegamento trifase è possibile fornire più corrente contemporaneamente. I 3 gruppi di fase sono protetti fino a 3A di serie.
- 11 kW: è necessario il rinforzo dell'armadio contatori. È sufficiente la regolazione da 1 fase a 3 fasi;
- 22 kW: oltre alla regolazione da 1 fase a 3 fasi è necessario un aumento di 35 A.
L'adeguamento a 22 kW e 35 A non interessa ai privati. A causa dell'aumento dovranno essere pagate spese fisse annuali aggiuntive di 1000 €. Per ogni gradino più pesante (3x63A o 3x80A) è necessario pagare un supplemento. Inoltre, molti veicoli elettrici non sono (ancora) adatti alla ricarica con correnti alternate così elevate:
Si prevede che il numero di veicoli in grado di caricare 22 kW con corrente alternata aumenterà nei prossimi anni.
