Mentre cerchiamo forme di trasporto più sostenibili, i vantaggi dei veicoli elettrici (EV) stanno diventando sempre più evidenti.

Il successo dei veicoli elettrici dipende in gran parte dalla possibilità per gli automobilisti di ricaricare comodamente i propri veicoli, sia attraverso la ricarica domestica che presso le stazioni di ricarica in città e nelle stazioni di servizio. La progettazione dei caricabatterie per veicoli elettrici richiede quindi di considerare il luogo di installazione, le modalità di utilizzo, i tempi e le tensioni di ricarica, l’usabilità, la sicurezza, le comunicazioni e la protezione.

Dove vengono caricati i veicoli elettrici?

I veicoli elettrici vengono ricaricati in due tipi di siti. Il primo è una stazione di ricarica di destinazione, solitamente situata in strutture come parcheggi, centri commerciali o altri siti del centro città o a casa. Questi utilizzano caricabatterie lenti a corrente alternata.

L'altro è un caricabatterie su strada, spesso situato presso le stazioni di servizio lungo l’autostrada. Questi utilizzano caricabatterie a corrente continua veloci e ad alta potenza che possono fornire tempi di ricarica accelerati.

Standard e velocità di ricarica

Ci sono tre tipi principali di caricabatterie:

  • Caricabatterie veloci
  • Caricabatterie rapidi
  • Punti di ricarica domestici

Caricabatterie veloci

La maggior parte dei caricabatterie pubblici installati sono “caricabatterie veloci”, essenzialmente una presa a muro o un palo con un paio di prese. La ricarica può durare diverse ore con i “caricabatterie veloci”, ma molti conducenti di veicoli elettrici spesso hanno bisogno di una ricarica “supplementare” e possono collegarsi per un’ora o poco più. Per questo motivo, l’occupazione di questi caricabatterie ha una durata imprevedibile e richiede una certa flessibilità d’uso.

Caricabatterie rapidi

Poiché i caricabatterie rapidi erogano la carica a una corrente più elevata, ricaricano il veicolo più rapidamente dei “caricabatterie veloci”, fornendo circa l’80% della carica necessaria all’auto nei primi 30-40 minuti. Tuttavia, la chimica delle batterie non consente di ricaricare completamente l’auto alla stessa velocità: per una ricarica completa con un “caricatore rapido” è necessaria più di un’ora. Si tratta quindi di un uso inefficiente del “caricabatterie rapido” e dovrebbe essere scoraggiato. Inoltre, sono più costosi e richiedono un collegamento elettrico di maggiore capacità. Con un cavo incorporato nel caricabatterie, hanno un aspetto simile alle pompe di benzina tradizionali.

Punti di ricarica domestici

I caricabatterie domestici solitamente sono utilizzati fuori strada, nei vialetti e nei garage di casa. La ricarica avviene generalmente durante la notte, utilizzando l’energia elettrica in ore non di punta. Alcuni utilizzano cavi vincolati, mentre altri sfruttano essenzialmente il cavo portatile del veicolo. La ricarica sul posto di lavoro può avvenire in diversi modi, anche se molte aziende stanno installando caricabatterie domestici o veloci.

Tipi di connettore

I cavi di ricarica per auto solitamente hanno due connettori, uno che si inserisce nella presa del veicolo e l’altro nel punto di ricarica stesso. I veicoli elettrici dispongono di una presa di tipo 1 o 2 per la ricarica lenta/veloce o di una CHAdeMO o CCS per la ricarica rapida CC.

La maggior parte dei punti di ricarica lenta/veloce ha una presa di tipo 2, mentre tutte le stazioni di ricarica rapida CC hanno un cavo collegato con un connettore CHAdeMO e CCS. La maggior parte dei conducenti di veicoli elettrici acquisterà un cavo di ricarica portatile da abbinare alla presa di tipo 1 o 2 del proprio veicolo, per poter ricaricare sulle reti pubbliche.

Attualmente sono in uso otto diversi standard di connettori, sia in CA che in CC, che variano da marca a marca e da regione a regione.

Componenti della stazione di ricarica per veicoli elettrici

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Figura 1: Componenti di un tipico caricabatterie EV - fonte TTI

Una stazione di ricarica per EV solitamente comprende un caricatore per veicoli elettrici, una rete elettrica, un contatore, un controllore di energia, una piattaforma software, un centro operativo di rete, uno stoccaggio di energia e diversi altri componenti rilevanti. Questi ultimi consistono in interfacce utente, connettività di rete e componenti per la gestione della carica e la fatturazione.

Accumulo di energia per la ricarica degli EV

Il sistema di accumulo di energia in una stazione di ricarica per EV è costituito da tre unità principali: la batteria, il sistema di conversione dell’energia e il software.

Le batterie sono soprattutto agli ioni di litio, costituite da celle e da un sistema di gestione della batteria (BMS) per controllare la carica e la scarica, mentre il sistema di conversione dell’energia è costituito da un inverter e da un involucro e da un sistema HVAC per mantenere la batteria a una temperatura specifica.

Il software di ricarica per i veicoli elettrici aiuta a collegare e a monitorare il caricabatterie, favorisce il rilevamento automatico dei guasti, fornisce una visualizzazione del contatore in tempo reale, gestisce la fatturazione e i pagamenti, tiene traccia dei costi e gestisce gli utenti, tra le altre cose.

Componenti di sicurezza

La sicurezza è di fondamentale importanza per gli utenti dei caricabatterie per veicoli elettrici, soprattutto perché molti non hanno esperienza di tensioni così elevate. I caricabatterie attuali per i veicoli elettrici erogano da 400V a 1.000 V in corrente continua, con potenziali rischi per la sicurezza sia per le scosse elettriche (in genere a causa di un guasto a terra) sia per le sovracorrenti.

Un dispositivo di protezione contro i guasti a terra utilizza un trasformatore di corrente sui conduttori di fase. Questo assicura che tutta la corrente proveniente dalla sorgente ritorni sugli stessi conduttori. Un guasto a terra nel sistema restituirà la corrente attraverso questo percorso. La protezione contro i guasti a terra è necessaria anche sul lato di uscita, per evitare che gli azionamenti raccolgano un ugello potenzialmente sotto tensione. A tal fine, si utilizza un monitor di messa a terra CC per rilevare una dispersione a terra e interrompere subito l’alimentazione.

Le stazioni di ricarica degli EV necessitano di tensioni elevate per soddisfare le richieste di corrente e il numero di veicoli che le utilizzano ma lasciare che la potenza superi i livelli normali può produrre molte conseguenze indesiderate: surriscaldamento dei sistemi, isolamento danneggiato e persino lesioni o morte degli utenti.

La soluzione consiste nel selezionare i fusibili in base alla loro capacità di interruzione, al loro valore nominale in base alla normale corrente di funzionamento e alla loro curva tempo-corrente. Tali fusibili limitatori di corrente intervengono rapidamente in caso di sovracorrente di valore elevato.

La protezione dalle sovracorrenti è particolarmente importante per i semiconduttori che sono sensibili alle minacce elettriche. Questi semiconduttori sono tipicamente basati su silicio e carburo di silicio. Sebbene i fusibili convenzionali siano adeguati per proteggere la maggior parte di essi, per proteggere i dispositivi a semiconduttore di potenza, come i MOSFET e gli IGBTS utilizzati nei convertitori di potenza, sono necessari fusibili speciali ad alta velocità in corrente continua.

Conversione di potenza

La conversione di potenza è un elemento fondamentale nei sistemi di ricarica rapida in corrente continua. Riducendo al minimo le perdite nella conversione di potenza, si assicura che la massima quantità possibile di energia arrivi alle batterie del veicolo, contribuendo anche a ridurre l’accumulo di calore all’interno dei sistemi.

I dispositivi a semiconduttore di potenza convertono l’energia CA nell’energia CC necessaria alle batterie del veicolo. I dispositivi a semiconduttore controllano la carica attraverso la commutazione, che inevitabilmente comporta perdite di potenza sotto forma di calore.

Per affrontare questa sfida, i convertitori di potenza avanzati si basano sempre più sulla tecnologia del carburo di silicio (SiC) e del nitruro di gallio (GaN). Le due principali tecnologie in questo settore sono il SiC (carburo di silicio) e il GaN (nitruro di gallio).

Il SiC è un semiconduttore composto da silicio e carburo. I semiconduttori di potenza SiC possono essere utilizzati per tensioni dei dispositivi di potenza molto più elevate rispetto al silicio tradizionale, da 600 V a migliaia di volt. Questa tecnologia è usata tipicamente in applicazioni ad alta potenza e offre perdite di commutazione inferiori e costi inferiori.

Il nitruro di gallio (GaN) è un semiconduttore molto duro e meccanicamente stabile. Un GaNFET offre una forza di breakdown molto più elevata, una velocità di commutazione più elevata, una maggiore conduttività termica e una resistenza inferiore rispetto agli equivalenti basati sul silicio.

Oltre a gestire tensioni molto più elevate rispetto al silicio, l’elevata velocità di commutazione li rende particolarmente adatti alla gestione delle batterie dei veicoli elettrici.

Aspetti ergonomici

Uno degli aspetti principali della progettazione dei caricabatterie per veicoli elettrici è la loro usabilità: per garantire che i veicoli elettrici raggiungano il numero di vendite necessario a sostenere un mercato redditizio, gli utenti devono essere certi che i caricabatterie siano facili da usare e che i loro dati siano sicuri.

Ciò comprende vari aspetti. Una delle considerazioni principali riguarda i cavi e le prese. Questi devono avere un’impugnatura ergonomica, con una resistenza minima quando l’utente deve estendere e manovrare il cavo. I cavi devono inoltre avere una lunghezza adeguata per raggiungere le prese dei vari modelli di veicoli.

Altre considerazioni riguardano l’altezza e la posizione del punto di ricarica e dei cavi per garantire un funzionamento sicuro da parte di tutti gli utenti, un’illuminazione sufficiente per consentire l’uso notturno, opzioni di pagamento adatte al mercato scelto, strutture tariffarie semplici e un accesso aperto senza la necessità di un abbonamento o di un processo di registrazione.

Comunicazioni e connettività

Comunicazioni facili, affidabili e sicure con il punto di ricarica sono fondamentali sia per la gestione dei costi che per una fatturazione accurata.

I punti di ricarica generano molti dati, che possono includere l’ID del punto di ricarica, l’ora e la data di inserimento, l’ora e la data di disinserimento e l’energia totale prelevata in kilowattora.

Saranno registrati anche i dati del conducente, come il metodo di pagamento, il codice cliente e l’importo speso per la sessione di ricarica. I dati possono essere richiesti anche per la "ricarica smart", in cui il caricabatterie comunica con l’auto, la struttura di ricarica e l’azienda elettrica per ottimizzare la ricarica ed evitare la necessità di costosi aggiornamenti della fornitura.

Per lo scambio di dati vengono utilizzati diversi protocolli. Il protocollo di comunicazione più elementare utilizzato nei sistemi di ricarica CA di tipo 1 e 2 tra il caricabatterie e il veicolo è lo IEC 61851, che scambia informazioni quali l’avvio e l’arresto della ricarica e la corrente assorbita dall’auto.

L’OCPP è uno standard globale per la comunicazione dei caricabatterie con un back office. Creata dalla Open Charge Alliance (OCA), la specifica presenta caratteristiche sia obbligatorie che opzionali, che vanno dal controllo di base del caricabatterie alla sicurezza di alto livello e alle prenotazioni.

A causa di questa massa di dati, è indispensabile ottenere una connettività eccellente e affidabile tra i punti di ricarica EV, con ‘utente e con Internet.

Le opzioni principali sono tre: cablata, Wi-Fi o cellulare.

I metodi cablati hanno la velocità, la capacità e l’affidabilità necessarie per gestire gli scambi di dati ma la quantità di cavi richiesti per collegare le stazioni di ricarica potenzialmente diffuse potrebbe rendere il metodo poco pratico.

Il Wi-Fi è un’altra opzione. Pur evitando un cablaggio esteso, il Wi-Fi presenta vulnerabilità alle interruzioni di corrente, alle interferenze radio e agli attacchi malevoli.

Il cellulare consente a ciascun punto di ricarica di accedere alle reti di telefonia mobile. Offrendo una copertura completa, un’elevata affidabilità e una solida sicurezza, il cellulare è la soluzione ideale per collegare i punti di ricarica.

Conclusione

Il numero di caricabatterie per veicoli elettrici è destinato a crescere in modo significativo ma per ottenere la fiducia degli operatori dei punti di ricarica e degli utenti devono soddisfare determinati criteri. Tenendo conto delle esigenze di sicurezza, efficienza, usabilità e connettività, nonché di un’accurata fatturazione, i progettisti di caricabatterie EV possono garantire il successo dei loro prodotti e contribuire alla crescita del mercato EV complessivo.

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