Ricarica rapida DC

La ricarica rapida DC sposta la conversione principale della potenza dall'auto alla stazione. Può aggiungere rapidamente l'energia necessaria per il viaggio, ma il risultato utile dipende dall'intera catena composta da sito, stazione, cavo, veicolo, batteria e rete di ricarica.

Il percorso della potenza DC

Un sito pubblico di ricarica rapida contiene in genere più hardware di quanto sia visibile nel solo erogatore:

Un collegamento alla rete, un trasformatore e le apparecchiature di manovra alimentano il sito.
Gli armadi di potenza raddrizzano la corrente AC trasformandola in DC controllata.
I moduli di conversione possono essere condivisi tra più erogatori.
Un cavo raffreddato a liquido o in modo naturale trasporta la corrente DC al veicolo.
Contattori, monitoraggio dell'isolamento e sistemi di protezione mantengono isolata l'alta tensione finché i controlli non vengono superati.
Il veicolo richiede tensione e corrente entro i propri limiti di sicurezza.
La stazione misura l'energia e comunica la transazione al backend della rete di ricarica.

Alcuni siti aggiungono una batteria stazionaria per ridurre i picchi sulla rete, supportare un allacciamento limitato o spostare nel tempo il prelievo di energia dalla rete. La batteria non crea energia: deve essere ricaricata e la potenza continuativa del sito dipende comunque dal collegamento alla rete e dalla strategia operativa.

Cosa accade dopo l'inserimento della spina

La sequenza esatta varia in base al sistema di ricarica, ma una moderna sessione DC segue la stessa logica di sicurezza:

La stazione rileva il connettore e il veicolo.
La segnalazione a bassa tensione conferma lo stato del collegamento e la capacità del cavo.
La stazione e il veicolo stabiliscono una comunicazione di alto livello.
Il conducente o il veicolo viene autorizzato, a meno che la stazione non avvii la sessione senza autenticazione dell'account.
I sistemi controllano isolamento, bloccaggio, compatibilità della tensione e stato dei guasti.
La stazione aumenta l'uscita fino a farla corrispondere al lato veicolo prima di chiudere il percorso ad alta tensione.
Il veicolo richiede ripetutamente valori consentiti di corrente e tensione.
Entrambi i lati monitorano corrente, tensione, isolamento, temperatura del connettore, ingressi di emergenza e comunicazione.
Al termine, la corrente diminuisce, i contattori si aprono, la tensione viene scaricata come previsto e il connettore si sblocca.

Questa negoziazione spiega perché una spina fisicamente compatibile sia necessaria ma non sufficiente. Una sessione può non riuscire prima del trasferimento di potenza a causa di comunicazione, certificati, backend della stazione, autorizzazione, controlli dell'isolamento, rilevamento del blocco o tensione incompatibile.

Il valore dichiarato è un limite massimo

La dicitura “caricatore da 350 kW” può riferirsi all'armadio, a un singolo erogatore in condizioni ideali o al valore massimo di un gruppo con condivisione della potenza. Non garantisce 350 kW a ogni veicolo collegato.

La potenza istantanea è limitata da:

Potenza disponibile nel sito in quel momento
Assegnazione dei moduli di conversione
Tensione e corrente massime della stazione
Corrente continuativa o di picco del cavo e del connettore
Raffreddamento e temperatura dei contatti
Presa sul veicolo, conduttori ed elettronica di potenza
Tensione della batteria e corrente richiesta dal veicolo

La potenza è il prodotto di tensione e corrente. Una stazione limitata a 500 A può fornire idealmente 200 kW a 400 V, 350 kW a 700 V o 450 kW a 900 V. Un veicolo a tensione inferiore può quindi essere limitato dalla corrente anche quando è collegato a un erogatore con una potenza nominale dichiarata in kilowatt molto più elevata.

La condivisione della potenza può essere statica, dinamica o basata sui moduli. Un sito può dividere equamente un armadio, assegnare i moduli liberi all'auto in grado di utilizzarli oppure limitare la potenza totale a causa dei limiti del trasformatore o della batteria. Gli schermi e le app della stazione non spiegano sempre quale limite sia attivo.

Valutare un'auto in base all'energia aggiunta e al tempo

La potenza di picco è facile da pubblicizzare e spesso rappresenta male le prestazioni in viaggio. Un confronto corretto identifica:

Stato di carica iniziale e finale
Kilowattora aggiunti
Tempo di ricarica trascorso
Potenza media nell'esatta finestra considerata
Temperatura della batteria e dell'ambiente
Stato del precondizionamento
Capacità di tensione e corrente della stazione
Se il valore è misurato, certificato o dichiarato dal costruttore

Aggiungere 60 punti percentuali a una batteria da 120 kWh trasferisce molta più energia che aggiungere 60 punti percentuali a una batteria da 60 kWh. Due tempi “10–80%” non sono confrontabili senza conoscere l'energia aggiunta.

La potenza media in una finestra della sessione è:

Potenza media = energia erogata ÷ tempo trascorso

Se il veicolo riceve 56 kWh in 18 minuti, la potenza media erogata dalla stazione è di circa 187 kW:

56 kWh ÷ 0.3 h ≈ 187 kW

La distinzione tra contatore e batteria resta importante. L'energia erogata dalla stazione può superare quella immagazzinata perché il veicolo utilizza potenza per pompe, ventole, riscaldamento, raffreddamento, elettronica e perdite interne.

Temperatura della batteria, curve di ricarica, C-rate, architettura della tensione e comportamento termico in sessioni ripetute sono descritti in How an EV Battery Charges. Questo articolo tratta i confini della stazione e del viaggio anziché ripetere la teoria della batteria.

Arrivare con poca carica, ma con un margine

Molti veicoli elettrici accettano la massima potenza DC a uno stato di carica relativamente basso, per poi ridurla man mano che la batteria si riempie. La pianificazione del percorso può sfruttare questo comportamento arrivando con una riserva bassa ma sicura e ricaricando soltanto quanto basta per raggiungere la sosta adatta successiva.

La percentuale di arrivo teorica più bassa raramente è l'obiettivo migliore. Occorre considerare:

Meteo e vento
Dislivello
Deviazioni e chiusure stradali
Traino o carichi sul tetto
Guasto del caricatore o coda
Batteria fredda o precondizionamento mancato
Energia necessaria per raggiungere un sito alternativo

Nemmeno partire all'80% è una regola universale. Se la potenza rimane elevata, la stazione affidabile successiva è lontana o le condizioni sono sfavorevoli, può essere razionale ricaricare oltre l'80%. Se la potenza è diminuita nettamente e un altro sito affidabile è vicino, partire prima può abbreviare il viaggio.

L'efficienza del veicolo collega la velocità di ricarica alla velocità di avanzamento su strada. Un'auto che aggiunge energia a 180 kW ma consuma 30 kWh/100 km guadagna autonomia allo stesso ritmo di un'auto che ricarica a 120 kW e consuma 20 kWh/100 km, prima di considerare altre differenze. I soli kilowatt non determinano il ritmo del viaggio.

Precondizionamento e soste ripetute

Selezionare una stazione DC compatibile nel sistema di navigazione del veicolo può consentire all'auto di preparare la batteria prima dell'arrivo. Possono essere disponibili anche la preparazione manuale, l'automazione basata sul percorso o una partenza programmata.

Il precondizionamento richiede tempo ed energia. Non può compensare una stazione incompatibile, uno stato di carica molto elevato all'arrivo, la condivisione della potenza nel sito o una batteria al di fuori dell'intervallo di temperatura controllabile dal veicolo. Un caricatore inserito soltanto tramite un'app sul telefono potrebbe non attivare la preparazione basata sul percorso dell'auto.

Nei viaggi lunghi conta la ripetibilità. Guida ad alta velocità, traino, caldo estivo e diverse soste di ricarica consecutive sollecitano il sistema di raffreddamento. Un veicolo con una curva moderata ma stabile può superarne uno con un picco iniziale più elevato che non può essere ripetuto.

La copertura non si misura soltanto dai punti sulla mappa

L'indicatore di una stazione non garantisce una sosta di ricarica utile. La pianificazione del percorso dovrebbe considerare:

Numero di stalli utilizzabili in modo indipendente
Compatibilità del connettore e della tensione
Portata del cavo e orientamento del parcheggio
Stato attuale della stazione e affidabilità recente
Condivisione della potenza
Orari di apertura e accesso fisico
Spazi adatti ai rimorchi o percorribili senza manovre
Illuminazione, protezione dalle intemperie, servizi igienici e possibilità di ristoro
Copertura della rete mobile e autorizzazione alternativa
Prezzo, tariffe di occupazione e limitazioni del parcheggio
Un sito alternativo credibile

La mappa seguente è un'istantanea storica di giugno 2023. Illustra la distribuzione geografica della rete, non l'attuale copertura di Electrify America.

Le reti possono differire per progettazione dei siti tanto quanto per dimensioni. L'ecosistema integrato di veicoli, pianificazione del percorso e Supercharger di Tesla ha ridotto diverse variabili di compatibilità per i suoi veicoli. L'accesso aperto e l'adozione di SAE J3400 ampliano l'insieme dei veicoli potenzialmente compatibili, ma il risultato dipende ancora dalla generazione della stazione, dall'approvazione dell'adattatore, dalla tensione, dalla portata del cavo e dall'autorizzazione della rete.

IONITY è un esempio di rete europea CCS ad alta potenza progettata lungo i principali corridoi di viaggio. La valutazione pratica del conducente dovrebbe comunque riguardare il singolo sito, senza presumere che ogni stazione disponga di apparecchiature o disponibilità identiche.

Autenticazione, pagamento e protocolli

Coesistono diversi confini di comunicazione:

La comunicazione tra veicolo e stazione controlla il trasferimento di energia.
ISO 15118 Plug & Charge può utilizzare certificati contrattuali memorizzati nel veicolo per l'autenticazione e la fatturazione automatiche.
OCPP collega un punto di ricarica al suo sistema di gestione per autorizzazione, transazioni, monitoraggio, configurazione e ricarica intelligente.
I sistemi di roaming collegano i fornitori di servizi di mobilità e gli operatori di ricarica.
Un terminale di pagamento, un'app, una credenziale RFID, un flusso tramite codice QR o una carta bancaria possono consentire l'autorizzazione ad hoc.

Il supporto di un livello non garantisce gli altri. Una stazione può implementare OCPP senza Plug & Charge basato sul veicolo e un'auto può supportare ISO 15118 anche se la rete non dispone dell'ecosistema necessario di certificati e contratti.

Le norme UE offrono un utile esempio di requisiti rivolti al cliente: i siti pubblici realizzati ai sensi delle disposizioni applicabili devono supportare il pagamento ad hoc e le stazioni da almeno 50 kW devono mostrare, prima della sessione, un prezzo ad hoc dell'energia per kWh più l'eventuale tariffa di occupazione. Le regole negli altri mercati sono diverse.

I conducenti dovrebbero confrontare la tariffa finale, non soltanto la componente dell'elettricità. Costi di sessione, addebiti a tempo, maggiorazioni per il roaming, piani di abbonamento, tariffe di parcheggio e penali per l'occupazione dopo la ricarica possono modificare il totale.

Se una sessione non si avvia

Un controllo metodico è più rapido che provare ripetutamente a ricollegarsi:

Leggere i messaggi della stazione e del veicolo prima di ignorarli.
Verificare che il connettore sia inserito fino in fondo e che il cavo non tiri lateralmente.
Provare il comando di arresto della stazione, sbloccare il veicolo e quindi ricollegare una volta.
Verificare se la stazione richiede l'autorizzazione tramite app, RFID, carta bancaria o Plug & Charge.
Provare un altro erogatore nello stesso sito: potrebbe utilizzare moduli di potenza o hardware del cavo differenti.
Se è sicuro e pratico, spostarsi su un'alternativa vicina anziché esaurire la riserva.
Segnalare all'operatore lo stallo, il connettore, l'ora e l'errore esatti.

Non utilizzare adattatori improvvisati, non tenere in posizione un connettore danneggiato, non forzare un blocco e non proseguire in presenza di archi visibili, conduttori esposti, infiltrazioni di liquidi, fumo o forte surriscaldamento del connettore. Utilizzare l'arresto di emergenza della stazione soltanto in caso di emergenza, non come metodo abituale per terminare una sessione.

Le famiglie di connettori e i limiti degli adattatori sono trattati in EV Charging Connectors and Inlets. La panoramica del sistema completo è disponibile in EV Charging: The Complete System.