Infrastruttura di progettazione per la ricarica di veicoli elettrici – Sicurezza e standard

Con il mercato dei veicoli elettrici (EV) che sta diventando sempre più importante in Europa negli ultimi anni, la necessità di punti di ricarica è in costante aumento. La domanda di infrastrutture è principalmente dovuta alla diffusione dei veicoli elettrici poiché più produttori di automobili si stanno concentrando È inoltre evidente che con l’aumento delle vendite di nuove auto elettriche è necessario anche un’ulteriore espansione dell’infrastruttura, inclusi nuovi punti di ricarica accessibili e l’espansione dei punti di ricarica esistenti.

L’infrastruttura complessiva della ricarica dei veicoli elettrici include anche il tipo di stazioni di ricarica. La necessità di caricatori rapidi in posizioni convenienti è essenziale per qualsiasi viaggio; poiché sappiamo che qualsiasi tipo di batteria ricaricabile richiede la ricarica per lunghi periodi di tempo, i veicoli elettrici non sono diversi. Le batterie EV più piccole sono circa 20-30kW e la più grande può arrivare a 100kW. Con una capacità della batteria di circa 100 kW, una presa domestica standard da 240 V caricherà la batteria in circa 24 ore a 2,3 kW. Un punto di ricarica specializzato per wall box carica la batteria in circa 7,5 ore a 7,4 kW e un caricabatterie rapido può caricare una batteria in meno di 1 ora, con una potenza nominale di 50 kW. La disponibilità di caricatori rapidi è essenziale per la maggior parte dei conducenti che percorrono lunghe distanze, altrimenti l’intera infrastruttura sarebbe ritenuta impraticabile.

In realtà la maggior parte dei proprietari di veicoli elettrici avrà un caricatore dedicato in casa collegato alla rete elettrica domestica interna e caricherà il veicolo durante la notte quando l’elettricità è molto più economica e la domanda è inferiore. Questi caricatori domestici sono una presa standard da 240 V 13 A o la maggior parte dei fornitori di energia installerà ora un’unità a parete da 7,4 kW / 32 A.

Piramide di ricarica EV

La crescita del mercato dei veicoli elettrici con le case automobilistiche ha portato a una varietà di caricabatterie e tipi di connessione proprietari, ognuno dei quali offre un design unico. Questo singolo argomento rappresenta un’enorme sfida all’interno dell’infrastruttura di progettazione complessiva per la ricarica dei veicoli elettrici. Una delle soluzioni a questo problema sono le strategie di ricarica.

All’estremità inferiore della scala ci sono caricabatterie lenti, che in genere hanno una potenza nominale compresa tra 2-3 kW e possono essere utilizzati in quasi tutte le case. Oltre a questo ci sono anche una serie di caricatori da muro che possono essere montati fuori casa o in garage e questi caricatori da muro hanno una potenza nominale di 7,4 kW e sono collegati direttamente alla rete ad anello.

I caricabatterie rapidi si trovano nella maggior parte degli spazi pubblici, come parcheggi, centri commerciali e alcune custodie si trovano nei parcheggi pubblici in strada. Questi caricabatterie caricheranno il tuo veicolo elettrico a una tariffa particolare secondo la rete di ricarica. I caricabatterie rapidi hanno una potenza nominale compresa tra 7-22 kW e possono caricare il tuo veicolo da zero a piena capacità in circa 3-6 ore a seconda della capacità della batteria del tuo veicolo elettrico.

I caricatori rapidi sono ancora più veloci e si trovano più comunemente nei parcheggi, dove i veicoli elettrici vengono lasciati per poche ore. Sono disponibili in due tipi, i caricabatterie CA utilizzano 43 kW di potenza e i caricabatterie CC 50 kW. I caricabatterie CC forniscono alimentazione direttamente all’auto senza alcuna conversione di potenza CA / CC e perdita di potenza nel processo. Con entrambi questi metodi di ricarica, un veicolo elettrico carica la sua batteria in circa 1 ora.

Nella parte superiore della scala di ricarica dei veicoli elettrici ci sono i supercharger, che caricano ovunque tra 120kW e 300kW. Tesla è stata una delle prime case automobilistiche EV a progettare un compressore da 120 kW tramite il proprio connettore proprietario e recentemente ha annunciato un nuovo compressore da 250 kW. Tesla afferma di poter caricare completamente le sue batterie in 15-30 minuti attraverso la sua rete di oltre 20.000 compressori in Europa .. Questi tipi di caricatori sono ideali per le stazioni di servizio e le stazioni di servizio in quanto sono solitamente situati in posizioni ideali per lunghi viaggi ed essere facilmente accessibile.

Ci sono alcune aziende di ricarica per veicoli elettrici che hanno superato i 150kW che si trovano comunemente con la maggior parte dei compressori. Una di queste società è la ABB con sede in Svizzera. ABB ha lanciato il suo caricabatterie rapido CC Terra ad alta potenza, che può erogare fino a 350kW, che è quasi tre volte la velocità dei compressori Tesla. Sfortunatamente non c’è nulla sul mercato in grado di gestire questo tipo di capacità di ricarica, ma la tecnologia c’è ed è pronta per essere implementata per quando i veicoli elettrici avranno questa capacità.

Opzioni di connettività

Non solo ci sono una serie di opzioni di ricarica all’interno dell’infrastruttura EV, ma ci sono anche una varietà di connettori di ricarica. Ogni connettore e sistema di ricarica è incompatibile tra loro, il che impedisce una sfida nel settore dei veicoli elettrici. Di seguito è riportato un elenco dei tipi più comuni di connettori EV:

Spina di tipo 1 РLa spina di tipo 1 ̬ una spina monofase che consente di caricare livelli di potenza fino a 7,4 kW (230 V, 32 A). Lo standard ̬ utilizzato principalmente nei modelli di auto della regione asiatica ed ̬ raro in Europa, motivo per cui ci sono pochissime stazioni di ricarica pubbliche di tipo 1.

Spina di tipo 2 – l’area di distribuzione principale della spina trifase è l’Europa ed è considerata il modello standard. Negli spazi privati, sono comuni livelli di potenza di ricarica fino a 22 kW, mentre livelli di potenza di ricarica fino a 43 kW (400 V, 63 A, CA) possono essere utilizzati nelle stazioni di ricarica pubbliche. La maggior parte delle stazioni di ricarica pubbliche sono dotate di una presa di tipo 2. Tutti i cavi di ricarica in modalità 3 possono essere utilizzati con questo e le auto elettriche possono essere caricate con spine di tipo 1 e tipo 2. Tutti i cavi della modalità 3 sui lati delle stazioni di ricarica hanno le cosiddette spine Mennekes (tipo 2).

Spine combinate (sistema di ricarica combinato o CCS) РLa spina CCS ̬ una versione migliorata della spina di tipo 2, con due contatti di alimentazione aggiuntivi per la ricarica rapida e supporta i livelli di potenza di ricarica CA e CC (ricarica in corrente alternata e continua livelli di potenza) fino a 170 kW. In pratica, il valore ̬ solitamente intorno ai 50 kW.

Spina CHAdeMO – Questo sistema di ricarica rapida è stato sviluppato in Giappone e consente capacità di ricarica fino a 50 kW nelle apposite stazioni di ricarica pubbliche. I seguenti produttori offrono auto elettriche compatibili con la spina CHAdeMO: BD Otomotive, Citroën, Honda, Kia, Mazda, Mitsubishi, Nissan, Peugeot, Subaru, Tesla (con adattatore) e Toyota.

Tesla Supercharger – Per il suo compressore, Tesla utilizza una versione modificata della spina Mennekes di tipo 2. Ciò consente alla Model S di ricaricarsi all’80% entro 30 minuti. Tesla offre la ricarica ai suoi clienti gratuitamente. Ad oggi non è stato possibile ricaricare auto di altre marche con i sovralimentatori Tesla.

Ricarica domestica Presa domestica – è possibile raggiungere livelli di potenza di carica fino a 3,7 kW (230 V, 16 A) con una presa domestica con il fusibile appropriato. La tua auto elettrica verrà caricata tramite un cavo di ricarica in modalità 2. Consigliamo vivamente una potenza di carica massima di 2,3 kW (230 V, 10 A) se la presa non è stata controllata in anticipo. Talvolta è possibile trovare prese domestiche anche nelle stazioni di ricarica pubbliche. Questo metodo di ricarica è disponibile per tutte le auto elettriche.

Infrastruttura di rete

Il numero di punti di ricarica per veicoli elettrici disponibili in Europa aumenta ogni anno con la crescita della diffusione dei veicoli elettrici. Ciò sta accadendo molto più velocemente in alcune regioni rispetto ad altre. Nel 2019 c’erano circa 15.000 punti di ricarica ad alta potenza (22kW +) e nel 2020 questo è quasi raddoppiato a 25.000 secondo i dati dell’Osservatorio europeo dei combustibili alternativi. Ciò non è dovuto solo ai progressi nella tariffazione dei veicoli elettrici, ma anche ai quadri politici nazionali (NPF) che sono stati messi in atto ai sensi dell’articolo 3 della direttiva 2014/94 / UE.

Uno dei paesi leader per i veicoli elettrici è la Norvegia, dove ci sono oltre 300.000 veicoli elettrici per passeggeri registrati, che rappresentano oltre il 15% del mercato automobilistico complessivo a partire dal 2020. La quota di mercato delle auto plug-in è stata la più alta al mondo per diversi anni e ha stato il primo paese in cui i veicoli elettrici in vendita hanno superato le vetture con motori a combustione interna. Attualmente ci sono circa 500.000 veicoli elettrici in Norvegia, inclusi ibridi e ibridi plug-in su una popolazione di circa 5,2 milioni.

A far fronte a questa incredibile diffusione dei veicoli elettrici è l’infrastruttura della rete di ricarica. Attualmente ci sono circa 9000 punti di ricarica in Norvegia che si estendono su 2500 stazioni secondo le  electromaps. Non solo, ma è anche la rete più pulita al mondo, con il 98% dell’elettricità utilizzata per caricare i veicoli elettrici proveniente da una fonte di energia rinnovabile.

In tutta Europa ci sono molte aziende energetiche che entrano nel settore della ricarica dei veicoli elettrici in quanto sono le più adatte per questo tipo di mercato, soprattutto quando possono offrire la fornitura di elettricità utilizzando una fonte di energia rinnovabile come l’energia eolica, solare e idroelettrica. L’azienda olandese Fastned Ã¨ uno dei principali specialisti di ricarica per veicoli elettrici con le sue stazioni di ricarica introdotte di recente che si affidano in modo indipendente ai pannelli solari. Questa soluzione è un modo conveniente per ricaricare i veicoli elettrici poiché le soluzioni esistenti precedenti richiedono l’alimentazione da una centrale elettrica locale. Le nuove stazioni di ricarica per veicoli elettrici dovrebbero quindi attingere alla rete di alimentazione già esistente, il che potrebbe mettere a dura prova la rete energetica, oltre a trovarsi in luoghi pubblici.

Alcune aziende stanno cercando di EV per cambiare il modo in cui fanno affari, oltre a raggiungere una fascia demografica in continua evoluzione. Compagnie petrolifere come BP e Shell hanno installato caricabatterie per veicoli elettrici in quasi tutte le sue stazioni di servizio in tutta Europa, consentendo loro di stare al passo con le tendenze e di espandere la propria base di clienti. Inoltre, la maggior parte delle stazioni di servizio sono strategicamente posizionate per una facile accessibilità per la maggior parte dei conducenti, il che è un grande vantaggio per l’infrastruttura EV complessiva.

Sicurezza nella ricarica dei veicoli elettrici

Ci sono due aspetti per caricare un veicolo elettrico, il caricabatterie stesso e il cavo di ricarica con il relativo connettore. I punti di ricarica per veicoli elettrici rientrano nella norma IEC 61851 della direttiva UE, che attualmente è in evoluzione e sempre in continuo sviluppo. Il cavo del caricatore e il connettore di ricarica rientrano nella direttiva CE IEC 62196 per spine, prese, connettori per veicoli e prese per veicoli. Questi standard UE sono definiti per la sicurezza delle apparecchiature e dell’utente finale. Ad esempio, l’alimentazione non viene fornita al veicolo a meno che non sia collegato un veicolo compatibile e anche il veicolo sia immobilizzato mentre il cavo è collegato.

Sotto la direttiva IEC 62196 ci sono anche sottodirettive (IEC 62196-1 e IEC 62196-2) che spiegano in dettaglio il design di ogni tipo di spina e le sue specifiche. È stato introdotto per consentire la compatibilità tra prodotti di produttori diversi.

Configurazioni:

Tipo 1 – Ampiamente utilizzato negli Stati Uniti e in Giappone, è stato originariamente progettato dal produttore Yazaki ed è stato pubblicato secondo lo standard SAE J1772 negli Stati Uniti. Il connettore stesso presenta un alloggiamento rotondo, con una tacca sull’ingresso del veicolo per determinarne l’orientamento durante l’uso. Consente una corrente di esercizio di 32 A e una corrente massima di 80 A ma solo negli Stati Uniti.

Tipo 2
 – Conosciuto anche come connettore Mennekes, ha un alloggiamento rotondo con un lato appiattito per consentire il corretto orientamento durante l’uso. Dispone inoltre di diversi contatti pin e manicotto per un massimo di quattro conduttori CA, un induttore protettivo e anche due pin di segnale per controllarne la funzionalità. I connettori di tipo 2 hanno anche una caratteristica aggiuntiva in cui i contatti non possono essere toccati da un dito standard per prevenire l’elettrocuzione e nella versione più recente di questo connettore è stato ulteriormente migliorato includendo gli otturatori. Il connettore può funzionare fino a 63A con una corrente massima di 70A disponibile per applicazioni monofase. All’interno dell’UE è obbligatorio che tutti i caricabatterie CA pubblici siano dotati di un connettore e di una presa di tipo 2.

Tipo 3 – Questa configurazione, a differenza delle altre due, è costituita non solo da una spina e da una presa, ma anche dall’accoppiatore del veicolo. Questo particolare connettore presenta un alloggiamento ovale con un lato lusingato per un corretto orientamento durante l’uso. C’è anche una protezione dal contatto sotto forma di otturatori sui perni per impedire qualsiasi contatto umano e c’è anche un meccanismo di blocco quando viene inserito in una presa. Questo connettore consente una ricarica monofase fino a 16A senza contatto pilota di controllo, 32A con e una ricarica trifase fino a 63A.

Come già sappiamo, la domanda di stazioni di ricarica per veicoli elettrici è molto alta in tutta Europa ed è anche fondamentale garantire che ogni punto di ricarica sia operativo; in caso contrario, potrebbe mettere a dura prova l’infrastruttura. Possono verificarsi diversi problemi che potrebbero portare a un punto di ricarica difettoso, come il sovraccarico dell’alimentatore, guasti alle apparecchiature e al sistema e il surriscaldamento. Molti paesi in tutta Europa hanno già iniziato ad affrontare questo problema assicurando che ogni stazione di ricarica pubblica sia conforme agli standard di sicurezza europei pertinenti per i sistemi elettrici. Il regolamento che deve essere applicato a ciascuna stazione include quanto segue:

Secondo HD 60364, tutti gli elettricisti qualificati sono tenuti a eseguire i test su un sistema a bassa tensione dopo l’installazione. I test includono la misurazione, l’ispezione e il test di diverse modalità operative della stazione di ricarica in questione. Le prove effettuate consisterebbero nella misura della continuità dei conduttori di protezione di terra e della funzionalità del differenziale incorporato, dell’isolamento e della resistenza di terra.

Adattatori di prova per stazioni di ricarica per veicoli elettrici

Adatto per stazioni di ricarica per veicoli con modalità di ricarica 3

Tester elettrico Fluke T6-1000 PRO

Il tester elettrico T6-1000 PRO misura la tensione fino a 1000 VAC e la corrente fino a 200 AAC, tutto attraverso la forcella aperta e senza contatto del puntale con tensione attiva.

La sicurezza non riguarda solo i caricatori stessi, ma ogni aspetto dell’attrezzatura di ricarica, incluso il design dei cavi di ricarica, che deve essere conforme a HD 60364-5-52. Ciò include anche il test della temperatura durante un’ora di funzionamento continuo. I risultati alla fine testerebbero il rischio di surriscaldamento sia dell’unità di ricarica che del cavo di ricarica, prevenendo il rischio di danni da incendio o burnout. È tollerabile un aumento massimo della temperatura di 45 Kelvin. Questi rischi possono essere facilmente identificati utilizzando termocamere.

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Termocamera Fluke TiS55

Prendi il tuo piano per un programma di manutenzione proattiva (PM) e trasformalo in realtà. Per iniziare, sono necessarie funzionalità che semplifichino l’impostazione dell’organizzazione dell’immagine e delle routine di ispezione.

Parte delle procedure di test per le stazioni di ricarica per veicoli elettrici non dipende dall’installazione iniziale, ma è anche imperativo che i test periodici vengano eseguiti durante la sua durata. La clausola 6.5 di HD 60364-6 deve essere seguita per includere la sicurezza elettrica del segnale pilota e le prove di funzionamento per essere conformi alla EN 61851-1. Per eseguire questo test del segnale PWM è necessario utilizzare un oscilloscopio. I dati grafici restituiti dovrebbero consentire a un ingegnere di valutare qualsiasi guasto all’interno del segnale di carica in qualsiasi punto tra la stazione di ricarica e il veicolo in questione.

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Il futuro dell’infrastruttura EV

Poiché sempre più utenti stanno investendo in veicoli elettrici, aumenta anche la richiesta di più punti di ricarica da rendere disponibili in posizioni convenienti. Ci sono anche una serie di schemi sostenuti dal governo disponibili per aiutare ad alleviare parte della pressione installando punti di ricarica per veicoli elettrici nelle aziende per i lavoratori e anche a casa.

Esiste anche una politica globale sul cambiamento climatico che è anche parte della forza trainante del “passaggio all’elettricità” e le case automobilistiche stanno lentamente adattando il loro business dal motore a combustione al completamente elettrico. Proprio di recente Ford ha annunciato che entro il 2030 sarebbe diventato completamente elettrico su tutti i suoi modelli.

Non c’è dubbio che l’infrastruttura di ricarica subirà progressi nel corso degli anni, ma il sistema attualmente in uso è un’ottima base su cui costruire in futuro.

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