Ricarica dei veicoli elettrici: il sistema completo
La ricarica di un veicolo elettrico è un sistema coordinato di trasferimento dell'energia, non un semplice cavo tra una presa e una batteria. Il veicolo, l'apparecchiatura di alimentazione, l'impianto elettrico, il connettore, le comunicazioni, il servizio di pagamento e i controlli della batteria devono essere tutti compatibili e coordinati prima che l'energia possa fluire.
Un sistema, diversi confini
La parola caricatore viene usata in modo generico. Distinguere i componenti aiuta a comprendere meglio la ricarica:
- L'alimentazione elettrica fornisce corrente AC da un'abitazione, un edificio o un collegamento alla rete.
- L'apparecchiatura di alimentazione per veicoli elettrici (EVSE) provvede a commutazione, protezione, segnalazione e collegamento sicuro con il veicolo.
- Il caricatore di bordo converte la corrente AC in DC durante la ricarica AC.
- Una stazione di ricarica DC esegue la conversione principale da AC a DC all'esterno del veicolo e fornisce corrente DC controllata al sistema ad alta tensione.
- Il controller di ricarica del veicolo e il sistema di gestione della batteria stabiliscono la tensione e la corrente che il veicolo può richiedere.
- Una rete di ricarica può gestire autenticazione, tariffe, pagamento, monitoraggio e funzionamento da remoto.
L'EVSE non impone all'auto la potenza dichiarata. Comunica ciò che è disponibile; il veicolo richiede una quantità che rientri nei limiti di sicurezza dell'intero sistema.
Le quattro grandezze che contano
Quando si parla di ricarica, spesso si confondono potenza, energia, tensione e corrente:
- La potenza, misurata in kilowatt (
kW), è la velocità istantanea di trasferimento dell'energia. - L'energia, misurata in kilowattora (
kWh), è la quantità erogata o immagazzinata. - La tensione, misurata in volt (
V), è la differenza di potenziale elettrico. - La corrente, misurata in ampere (
A), è la velocità del flusso di carica elettrica.
Per un collegamento DC ideale:
Potenza = Tensione × Corrente
Una stazione che eroga 700 V a 400 A fornisce 280 kW in quell'istante. Né il valore riportato sull'armadio della stazione né il picco dichiarato per l'auto garantiscono che questa combinazione si verifichi. La temperatura del cavo, la ripartizione della potenza nel sito, l'intervallo di tensione della stazione, la corrente del connettore, lo stato della batteria e i limiti del veicolo possono ridurla.
Il tempo di ricarica non si ottiene semplicemente dividendo la capacità della batteria per la potenza di picco. La potenza di picco può durare solo per poco tempo, i sistemi ausiliari consumano energia e la potenza consentita varia durante la sessione. La fisica dal lato della batteria, il C-rate, la temperatura, la curva di ricarica e gli effetti dello stato di carica sono trattati in How an EV Battery Charges.
AC e DC seguono percorsi di potenza diversi
Durante la ricarica AC, la stazione fornisce corrente AC controllata e il caricatore di bordo dell'auto la converte in DC. La potenza utilizzabile è quindi limitata dal valore più basso tra quelli dell'alimentazione dell'edificio, del circuito, dell'EVSE, del cavo e del caricatore di bordo. La ricarica AC è adatta ai luoghi in cui l'auto rimane parcheggiata per ore: abitazioni, luoghi di lavoro, hotel e destinazioni.
Durante la ricarica DC, l'elettronica di potenza esterna al veicolo converte la corrente AC della rete in corrente DC controllata. La stazione e il veicolo stabiliscono una tensione sicura, chiudono i rispettivi contattori e negoziano continuamente la corrente. Le apparecchiature DC sono più grandi e costose, ma possono trasferire molta più potenza perché non dipendono dal caricatore AC di bordo dell'auto. Vengono impiegate principalmente per la ricarica durante i viaggi, per accelerare il ritorno in servizio delle flotte e per i veicoli che non dispongono di un accesso notturno affidabile alla ricarica.
La differenza pratica è il tempo di sosta. Un collegamento a bassa potenza può essere la soluzione migliore quando l'auto rimane ferma per dieci ore; uno ad alta potenza è importante quando ogni minuto ritarda un viaggio.
Livelli, modalità e denominazioni commerciali
Il vocabolario della ricarica varia da una regione all'altra. In Nord America, AC Level 1, AC Level 2 e ricarica rapida DC sono categorie comuni. I mercati che adottano gli standard IEC usano anche le Modalità 1–4 per descrivere la configurazione di collegamento e controllo. “Level 3” viene spesso usato informalmente per la ricarica DC, ma non è uno standard universale per le autovetture.
Termini come veloce, rapida, ultraveloce e ricarica ad alta potenza non hanno un'unica soglia globale. Una descrizione precisa indica il tipo di corrente, la potenza disponibile, l'intervallo di tensione e corrente, il connettore e la finestra di ricarica pertinente.
La compatibilità fisica è solo il primo livello. La spina deve inserirsi, ma il veicolo e la stazione devono anche supportare tensione, segnalazione, comunicazione digitale, autorizzazione e comportamento di sicurezza compatibili. EV Charging Connectors and Inlets descrive le principali interfacce regionali e i limiti degli adattatori.
Cosa determina la potenza effettiva
In ogni momento, la potenza di ricarica utile è vincolata dal limite attivo più restrittivo:
Potenza effettiva ≤ il limite più basso imposto da
sito, stazione, cavo, connettore, hardware del veicolo e controlli della batteria
Alcuni esempi:
- Un erogatore da 350 kW collegato a un armadio con condivisione della potenza può disporre di una potenza inferiore quando è in carica un altro veicolo.
- Una stazione con corrente limitata potrebbe non erogare la potenza dichiarata a una batteria con tensione inferiore.
- Un'auto ad alta tensione può avere bisogno di un convertitore elevatore o di una batteria riconfigurabile per utilizzare una stazione DC a tensione inferiore.
- Un EVSE trifase da 11 kW non può far accettare 11 kW a un'auto con un caricatore di bordo monofase da 7.4 kW.
- Una batteria fredda, calda, quasi piena o termicamente satura può richiedere una potenza sensibilmente inferiore a quella che la stazione può fornire.
Il dato principale rappresenta quindi un limite massimo di compatibilità, non una previsione. Per la ricarica DC, la potenza media in una finestra di stato di carica dichiarata e l'energia aggiunta sono generalmente più indicative della sola potenza di picco.
La mappa della serie sulla ricarica
Il resto di questa serie segue i confini del sistema anziché ripetere la teoria della batteria:
- EV Charging Connectors and Inlets tratta spine, prese sul veicolo, standard regionali, adattatori e posizione della porta.
- Home EV Charging tratta il dimensionamento del circuito, la sicurezza dell'installazione, la gestione del carico, le tariffe e il fabbisogno energetico quotidiano.
- DC Fast Charging tratta il percorso della potenza nella ricarica pubblica, la sequenza della sessione, la condivisione della potenza, il pagamento, l'affidabilità e la pianificazione del percorso.
- Bidirectional EV Charging distingue V2L, V2H, V2B e V2G e descrive le apparecchiature necessarie per la conversione e l'isolamento dalla rete.
- Battery Swapping esamina la sostituzione automatizzata del pacco batteria, le scorte della stazione, la standardizzazione, la sicurezza e gli aspetti economici.
La ricarica conduttiva prevale nei veicoli stradali attuali, ma non è l'unico metodo di trasferimento dell'energia. La ricarica wireless usa l'accoppiamento magnetico attraverso un traferro, mentre i sistemi conduttivi automatici eliminano la necessità di maneggiare manualmente il cavo. Entrambi richiedono comunque hardware compatibile sul veicolo, allineamento, comunicazioni, protezione e un impianto elettrico idoneo.
La sostituzione della batteria sottrae al conducente il tempo necessario al rifornimento: la stazione installa un pacco carico e ricarica in seguito quello rimosso.
Cosa dovrebbe verificare chi acquista un veicolo elettrico
Una specifica di ricarica utile risponde a domande pratiche anziché limitarsi a indicare il valore più elevato:
- Quali connettori AC e DC sono installati nel mercato di destinazione?
- Quali sono la potenza AC massima, il numero di fasi e la corrente?
- Quali intervalli di tensione e corrente DC può utilizzare il veicolo?
- Quanta energia viene aggiunta in una finestra di ricarica chiaramente indicata e qual è la potenza media?
- Il sistema di navigazione precondiziona automaticamente la batteria prima di una sosta DC pianificata?
- L'auto può utilizzare stazioni meno recenti o a tensione inferiore senza una forte riduzione della potenza?
- Plug & Charge, roaming e pagamento ad hoc sono supportati sulle reti che il conducente utilizzerà?
- La funzionalità bidirezionale è già disponibile per il caso d'uso richiesto o viene soltanto descritta come predisposta per il futuro?
- Dove si trova la presa sul veicolo e le lunghezze abituali dei cavi sono sufficienti quando si traina o si trasportano attrezzature montate posteriormente?
Nessuna singola specifica di ricarica risponde a ogni caso d'uso. La ricarica domestica è un problema di pianificazione energetica; quella in viaggio riguarda tempi e rete; la capacità della batteria di accettare potenza è un problema elettrochimico e termico. Mantenere chiari questi confini rende equi i confronti.