La ricarica a corrente continua è il metodo più efficace per alimentare la batteria di un veicolo elettrico. Scienziati e ingegneri hanno compiuto progressi incredibili. Una nuova generazione di caricabatterie veloci DS permette di ricaricare ancora più velocemente, fino all'80% della capacità totale in meno di un'ora.
Questa guida fornisce un'introduzione completa all'hardware di ricarica in c.c., comprese informazioni sui principali metodi di ricarica, sulle interfacce di ricarica e sui protocolli di comunicazione.
CA contro CC: perché la CC vince per le flotte
I veicoli passeggeri e commerciali leggeri utilizzano un caricabatterie CA collegato alla rete elettrica. L'energia CA viene trasferita a un caricabatterie di bordo che la trasforma nella carica CC richiesta dalla batteria.
La soluzione è economica, piccola e leggera, ma è lenta: richiede ore per ricaricare completamente una batteria.
I caricabatterie a corrente continua, invece, forniscono energia direttamente alla batteria, garantendo una carica molto più rapida. Di conseguenza, la ricarica a corrente continua è una soluzione ottimale per gli operatori delle flotte che vogliono massimizzare la capacità operativa dei loro veicoli.
La tecnologia di ricarica a corrente continua è in continua evoluzione. I caricabatterie a corrente continua di prima generazione erano limitati a 50kW, ma i veicoli più recenti sono in grado di accettare velocità di carica molto più elevate, in alcuni casi fino a 270kW.
Se a questo si aggiungono le batterie più grandi montate sui veicoli commerciali, i vantaggi sono evidenti.
La ricarica a corrente continua significa che i veicoli possono passare più tempo sulla strada e meno tempo a ricaricarsi. Di conseguenza, stanno alimentando un domani più pulito per tutti noi.
Quali sono i principali metodi di ricarica in corrente continua?
Esistono diversi metodi di ricarica in corrente continua attualmente utilizzati per ricaricare i veicoli della flotta, tra cui la ricarica conduttiva e la ricarica wireless:
- Ricarica conduttiva La ricarica conduttiva funziona attraverso un collegamento manuale tra il veicolo e la stazione di ricarica. La corrente scorre attraverso un cavo (o da un pantografo a un filo), consentendo velocità di ricarica elevate con un'alta efficienza di trasferimento. È la soluzione hardware più economica, ma per funzionare ha bisogno di un intervento manuale. Il trasferimento di energia è unidirezionale, dal caricatore al veicolo. La ricarica conduttiva può erogare fino a 400kW con un connettore CCS di tipo-2. Tuttavia, i caricabatterie MW sono dietro l'angolo e renderanno i tempi di ricarica ancora più rapidi.
- Ricarica wireless in corrente continua - La ricarica wireless utilizza campi magnetici variabili nel tempo per trasferire energia. Ci sono due piastre, una montata sul fondo del veicolo (che contiene una stazione di ricarica a induzione) e l'altra a terra. L'alimentazione viene fornita al trasmettitore a terra per creare un campo magnetico. La bobina sul veicolo lo riceve e lo converte in energia per alimentare la batteria. Il principio è in vigore da oltre 100 anni ed è in grado di fornire una ricarica rapida senza fili o interazione fisica.
Quando si parla di soluzioni di ricarica in corrente continua, è possibile che si parli anche di ricarica bidirezionale. La ricarica bidirezionale consente il flusso di energia in due direzioni: dalla rete alla batteria e dalla batteria alla rete.
La ricarica bidirezionale può svolgere un ruolo cruciale nella creazione di una rete intelligente, con i veicoli a batteria che fungono da dispositivi di stoccaggio dell'energia. Il processo è gestito da un software cloud e potrebbe aiutarci ad affrontare una delle più grandi sfide che abbiamo di fronte, quella di immagazzinare l'energia rinnovabile.
Sebbene la ricarica wireless e bidirezionale offra un enorme potenziale futuro, la ricarica conduttiva è la soluzione più conveniente a breve e medio termine.
Hardware interno della rete di ricarica in c.c.
Le stazioni di ricarica CC combinano software e hardware per offrire una ricarica rapida e sicura. Ecco le parti principali di ogni stazione di ricarica CC:
- Connessione alla rete - Le stazioni di ricarica richiedono una connessione alla rete solida e stabile per fornire l'energia necessaria alla ricarica.
- Armadi - I robusti armadi metallici devono essere impermeabili (livello di protezione IP54) e adatti all'installazione all'esterno. Gli armadietti Heliox, ad esempio, sono costruiti per durare 15 anni o più. All'interno si trova l'hardware necessario per erogare la carica e le funzioni di sicurezza, compresi i fusibili ad alta velocità per la protezione dalle sovracorrenti.
- Distributori - Ogni stazione di ricarica è dotata di un distributore che si collega al veicolo. Esistono diverse interfacce di ricarica in corrente continua, che analizziamo di seguito.
- Pantografo - Alcuni grandi veicoli della flotta, come gli autobus, utilizzano un particolare tipo di connettore noto come pantografo per la ricarica. Il veicolo si parcheggia sotto una stazione di ricarica e i bracci a forbice si abbassano e si collegano alle guide sul tetto del veicolo per ricaricare la batteria. Il sistema è in grado di fornire una ricarica ad alta potenza fino a 600kW e diricaricare un veicolo di grandi dimensioni come un autobus in pochi secondi.
Quali sono le principali interfacce di ricarica?
Esistono diversi tipi di interfacce di ricarica in corrente continua per i veicoli della flotta. I caricabatterie devono soddisfare diversi standard di sicurezza internazionali, tra cui ISO 15118 e DIN SPEC 70121.
I connettori CC utilizzati in Giappone, America, Cina ed Europa (e nel resto del mondo) presentano differenze regionali. Ecco quali sono e come funzionano:
- Piedinatura CCS1 e 2 - CCS è l'acronimo di sistema di ricarica combinato. All'interno di entrambe le interfacce CCS1 e CCS2 sono presenti pin che forniscono una carica CC direttamente al veicolo. La piedinatura CCS1 e 2 è utilizzata principalmente dalle case automobilistiche statunitensi ed europee, ma si sta spingendo affinché diventi uno standard globale.
- DC GB/T - Questo standard è utilizzato esclusivamente in Cina. Il protocollo è definito dallo standard GB/T 27930.
- CHAdeMO - È lo standard di ricarica DC utilizzato in Giappone.
- Tesla - Come ci si aspetterebbe, Tesla ha creato il proprio caricabatterie a corrente continua, ma le cose potrebbero cambiare. Per l'ultimo lancio europeo della Tesla Model 3, Tesla ha scelto di utilizzare lo standard CCS2.
Protocolli di comunicazione per la ricarica in c.c.
I caricabatterie CC devono funzionare in modo intelligente per caricare e proteggere la batteria. Esistono due livelli di comunicazione: livello alto e livello basso. Gli standard internazionali come IEC 61851, ISO 15118, DIN 70121 e VDV 261 forniscono la base per il contatto tra la stazione di ricarica e il veicolo prima e durante il processo di ricarica.
I protocolli di comunicazione di basso livello gestiscono la corrente massima e la fase di ricarica. I protocolli di alto livello gestiscono compiti più complessi, come la valutazione della compatibilità, la sequenza di ricarica, la definizione dei limiti fisici e la gestione di tariffe e pagamenti.
Esistono tre protocolli di comunicazione di alto livello:
- Power Line Communication (PLC) - È il quadro di comunicazione di alto livello utilizzato in CCS1 e CCS2. Utilizza uno stack TCP/IP standard (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) per comunicare.
- Caratterizzazione dell'attenuazione del livello del segnale (SLAC) - Il veicolo e la stazione di ricarica concordano un identificatore unico basato su un processo di richiesta-risposta. Lo SLAC viene utilizzato in un ambiente in cui più veicoli elettrici e stazioni di ricarica sono interconnessi, come ad esempio un deposito di veicoli.
- Controller Area Network (CAN) - Il CAN è definito dallo standard ISO 11898 ed è una piattaforma orientata ai messaggi utilizzata per lo scambio rapido di informazioni tra unità di controllo in ambito industriale.
Protocolli di comunicazione di basso livello
I caricabatterie intelligenti e i veicoli sono impegnati in un costante scambio di informazioni utilizzando la modulazione a onde d'impulso (PWM). Il contatto è definito da diversi standard concordati a livello internazionale.
Lo standard IEC 61851-1, creato dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale, è utilizzato in tutti i sistemi di ricarica conduttiva dei veicoli elettrici.
Le tensioni del segnale si alternano tra due livelli per indicare lo stato di carica:
- +12 V Stato A Nessun EV collegato all'EVSE
- +9 V Stato B EV collegato all'EVSE ma non pronto per la ricarica
- +6 V Stato C Collegato e pronto per la ricarica, la ventilazione non è necessaria
- +3 V Stato D Collegato, pronto per la ricarica e con ventilazione necessaria
- +0 V Stato E Cortocircuito elettrico verso terra sul controllore dell'EVSE, assenza di alimentazione
- -12 V Stato F EVSE non disponibile
Le informazioni fornite definiscono la carica massima erogata al veicolo elettrico:
- Duty cycle < 3 % No charging allowed
- 3 % ≤ ciclo di lavoro ≤ 7 % Forza il protocollo di comunicazione di alto livello secondo ISO 15118 o DIN 70121
- 7 % < duty cycle< 8 % No charging allowed
- 8 % ≤ duty cycle< 10 % Max. current consumption for AC charging is 6 A
- 10 % ≤ ciclo di lavoro ≤ 85 % Corrente disponibile = ciclo di lavoro * 0,6 A
- 85 % < duty cycle ≤ 96 % Available current = (duty cycle - 64) * 2.5 A
- 96 % < duty cycle ≤ 97 % Max. current consumption for AC charging is 80 A
- Ciclo di funzionamento > 97 % Non è consentita la ricarica
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