1.4 Le colonnine di ricarica
1.4.4 Gli elementi costitutivi
Al fine di garantire una ricarica efficiente e che salvaguardia la durata della batteria sono necessari svariati componenti elettrici. Mediante l’utilizzo di informazioni fornite dai fornitori delle colonnine di ricarica sono stati identificati tutti i moduli costituenti lo schema a blocchi riportato in figura.
Figura 34: schema generico a blocchi di una stazione di ricarica
Tutti i componenti utilizzati per la realizzazione delle colonnine di ricarica (sia CC che CA) devono essere conformi agli standard e soddisfare i requisiti minimi richiesti. Sono state identificate le caratteristiche essenziali di questi moduli che sono rappresentate di seguito mediante un elenco puntato.
• alta velocità di accensione e spegnimento (ON-OFF)
• Bassissima impedenza del canale di transito della corrente (aumento efficienza con diminuzione perdite nel circuito). La somma di tutti gli elementi costituenti dal punto di vista elettrico, elettronico, meccanico e fisico.
• Sistemi di sicurezza all’avanguardia (utilizzato all’aperto e da tutti utenti strada)
• Robustezza (tenuta a colpi/condizioni ambientali/…)
• Tutti i componenti devono essere certificati e a norma
Figura 35: colonnina di ricarica (elementi STD) Tabella 9: elementi colonnina
Nr. Nome elemento Nr. Nome elemento
01 Cavo e/o presa di ricarica 10 Sistema di relè
02 Pannello di controllo 11 Blocchi terminali
03 Software (gestione del carico) 12 Materiale di installazione
04 PC (con software) 13 Autorizzazione e comunicazione
05 Contatore di energia 14 Controllo di carica CC/CA
06 Protezione da sovratensione 15 Elettronica di potenza (solo per CC) 07 Segnali informazione (sicurezza/utilizzo…) 16 Alimentatori e UPS
08 Connettore entrata segnale 17 Filtri
09 Unità di raffreddamento 18 Sensori e cavi elettrici
Nr. 01: cavi e/o prese di ricarica
Spine e/o prese per la ricarica in corrente continua o alternata di automobili elettriche. Elementi sicuri ed ergonomici conformi agli standard imposti dalle normative.
• Cavo di ricarica CC: per la ricarica modo 4 in corrente continua (max 500kW)
• Cavo di ricarica CA: per la ricarica modo 3 in corrente alternata monofase/trifase (max 26kW)
• Prese per infrastrutture: prese con collettore tipo 2 da installare sulle colonnine per la ricarica delle auto in corrente alternata
• Prese di ricarica per veicoli: prese tipo 1/2/3 da installare sul veicolo per la ricarica in corrente continua (max 500kW) o in corrente alternata (max 25kW)
• Attrezzatura: altri elementi da abbinare ai cavi di ricarica CC e C
Cavi e prese di ricarica
Questi elementi fungono da collegamento fisico tra l’autovettura e la colonnina per il trasferimento di energia durante la fase di ricarica-mantenimento della batteria.
Di seguito è riportata una sezione dedicata alle tipologie di connettori normati presenti sul mercato nella quale vengono descritte le caratteristiche di ognuno. Esistono attualmente cinque tipologie di connettori:
tipo1, tipo 2, tipo 3 (3A, 3C), tipo 4 e tipo Combo
• Il connettore IEC 62196 tipo 1: SAE J1772, conosciuto come connettore Yazaki.
Connettore monofase conforme alle specifiche IEC 62196 utilizzato soprattutto nelle Americhe.
Questa tipologia è unicamente presente nel lato macchina e non in quello colonnina
Figura 36: connettore Yazaki
• Il connettore IEC 62196 tipo 2: VDE-AR-E 2623-2-2, conosciuto come connettore Mennekes, utilizzato in alcuni paesi d'Europa. Questa tipologia di connettori è stata sviluppata in Germania ed è conforme allo standard IEC 60309 e IEC61851-1. Questa è la tipologia di connettore maggiormente utilizzata per le stazioni di ricarica modo 3 presenti in Europa centrale ed è adatta a ricariche in corrente alternata monofase e trifase fino a 22 kW.
Figura 37: connettore Mennekes
• Il connettore IEC 62196 tipo 3: EV Plug Alliance, conosciuto come connettore Scame, utilizzato in Italia e Francia; Questa tipologia di connettori è adatta alla ricarica trifase in corrente alternata fino a 32A. Esistono attualmente in commercio due tipologie di connettori tipo 3: tipo 3 A e tipo 3C. Mentre la tipologia C è praticamente in disuso per motivi di sicurezza la tipologia A trova impiego nelle colonnine per la ricarica di veicoli di piccola taglia quali scoter e moto.
Figura 38: connettore Scame (tipo 3A SX; tipo 3C DX)
• Il connettore IEC 62196 tipo 4: JEVS G105-1993, conosciuto come connettore CHAdeMO, viene maggiormente adoperato in Giappone. A differenza delle altre tipologie viste fino ad ora questo connettore è adibito alla ricarica rapida in corrente continua CC per potenze superiori ai 100kW.
Figura 39: connettore CHAdeMO
• Il connettore tipo Combo: questa tipologia è adoperata per la ricarica rapida in corrente continua come l’omonimo giapponese CHAdeMO. In Europa è il maggiormente usato per le colonnine pubbliche CC e, nei prossimi anni, sostituirà completamente il connettore tipo 4
Figura 40: connettore Combo
Nr. 02: pannello di controllo
Display per la comunicazione con l’utilizzatore. L’interfaccia utente deve essere chiara, sicura, semplice, robusta, intuitiva, meccanicamente resistente e deve possedere un angolo di visualizzazione ampio(display LCD e TFT)
• Display tuch
• Display con tastiera
• Display senza controllo (controllo remoto mediante App, siti web o messaggi vocali)
Figura 41: pannello di controllo
Nr. 03: Software
Programma di gestione della ricarica di batterie (carica dinamica e gestione del carico). Il programma deve essere facile, intuitivo da adoperare e perfettamente integrabile nei sistemi di gestione degli edifici.
Figura 42: software
Nr. 04: PC
Il software per la gestione della carica deve essere installato su un apposito computer, il quale è posizionato all’interno della colonnina di ricarica. Esistono 2 tipologie di macchine adatte a questo scopo:
• PC in scatola
• Panel PC con display touch
Pannel PC SX, PC in scatola DX
Nr. 05: contattore di energia:
I contattori sono necessari per quantificare la corrente trasferita alle batterie delle auto al fine di gestire la corrente sulla rete e permettere il pagamento dell’energia assorbita. Elemento indispensabile nelle stazioni di ricarica pubbliche per stabilire il pagamento della carica. Esistono contatori in corrente continua e in corrente alternata adatti per le diverse modalità di carica (CC e CA).
• contatori classici in corrente alternata CA per la ricarica modo 3 (max 22kW)
• contatori ad alta tenzione in corrente continua CC
Figura 43: contatore di corrente (CC/CA)
Nr. 06: protezione contro le sovratensioni (interruttore differenziale).
Sono necessari, secondo normativa, alcuni dispositivi di protezione. Lo scopo è quello di salvaguardare le stazioni di ricarica, i veicoli elettrici e gli utilizzatori delle colonnine (essere umano).
• Interruttore differenziale (salva vita): per la protezione da folgorazioni (protegge dal contatto diretto dell’essere umano con una fase)
• Interruttore magnetotermico (valvole): dispositivo per la protezione da sovraccarico e da cortocircuito.
Questi dispositivi di protezione assicurano di staccare la corrente in caso di guasti o esposizione dell’utente alla corrente elettrica. Sono componenti richiesti dalla norma NIBT e devono essere presenti in ogni punto di allacciamento della stazione di ricarica. Esistono in commercio dei dispositivi in grado di svolgere contemporaneamente tutte le funzioni di protezione: l’interruttore magnetotermico differenziale.
Figura 44: interruttore magnetotermico differenziale
Nr. 07: segnali d’informazioni
Per certificare la stazione di ricarica secondo le norme descritte nel quadro normativo è necessaria una segnaletica.
Questa deve informare l’utilizzatore e il tecnico specializzato sul corretto utilizzo della colonnina e su eventuali pericoli legati alla sicurezza.
Figura 45: segnali d'informazione
Nr. 08: connettore entrata segnale
Connettori di grandi dimensioni che permettono la trasmissione di tutti i segnali necessari in un unico collegamento. Utilizzati per collegare la colonnina di ricarica alla corrente di alimentazione ed a tutti gli altri dispositivi associati esterni alla torretta.
Figura 46: connettore
Nr. 09: unità di raffreddamento
Il componente di raffreddamento ha il compito di garantire la corretta dissipazione del calore generato dai vari moduli presenti nella colonnina di ricarica al fine di garantire che si trovino sempre (anche in piena estate) nell’intervallo di temperatura consentita dal fornitore.
Esistono diverse tipologie adatte per le differenti condizioni ambientali di utilizzo coltre che per il modo di ricarica.
• Assenza del sistema di raffreddamento (non necessario per carica modo 1 e 2)
• Dissipatore a lamelle passivo: sistema adatto al modo di ricarica 1,2 e 3. La dissipazione di calore passiva è limitata. Bisogna quindi prestare attenzione alle condizioni ambientali di esercizio della colonnina
• Raffreddamento ad aria: espulsione di calore mediante ventola meccanica. Sistema che garantisce una discreta efficienza e è relativamente economico. Sistema adatto a ricarica di tipo 1,2 e 3.
• Gruppo frigorifero: questa unità è indispensabile esclusivamente per la carica modo 4 ad alta potenza in corrente continua (500kW). I moduli di potenza dissipano molto calore e quindi necessitano di essere raffreddati. Solitamente viene installata in appositi armadi in cui sono raccolti anche i moduli di potenza.
Figura 47: unità di raffreddamento SX; ventola; lamelle dissipazione calore DX
Nr. 10: sistema di relè
Insieme di commutatori a relè per impianti ad alta tenzione. Vengono governati dal sistema di controllo e gestiscono la commutazione (ON-OFF) della corrente CA e CC adoperata per la carica delle auto elettriche
Figura 48: relé per correnti elevate
Nr.11: blocchi terminali
I blocchi terminali sono elementi passivi necessari per il collegamento di tutti i componenti costituenti il circuito elettrico della colonnina di ricarica.
Figura 49: blocchi terminali
Nr.12: materiale di installazione
Svariati componenti passivi strutturali per la composizione del quadro elettrico. Elementi conformi agli standard elettrici svizzeri ed europei.
Figura 50: materiale di installazione
Nr. 13: autorizzazione e comunicazione
Modulo che permette la comunicazione della colonnina di ricarica con l’esterno. L’autorizzazione è indispensabile per le colonnine pubbliche o semi private. Questo elemento ha il compito di garantire l’accesso all’energia elettrica solamente alle persone autorizzate. Esistono diverse tecnologie che permettono di interagire con l’utilizzatore, con il sistema di controllo generale e con le altre colonnine applicate sulla stessa rete elettrica.
Figura 51: moduli di autorizzazione e comunicazione Di seguito un elenco delle varie tipologie attualmente disponibili:
• accesso libero
• accesso riservato con chiave ON/OFF: forma più semplice attualmente in uso (semplice interruttore con chiave)
• accesso riservato con tessere RFID: identificazione tramite tessera dedicata
• accesso con monete/gettoni
• accesso con carte di credito, App e Roaming
• accesso con codice QR: codice per richiamare il sito del gestore per richiedere autorizzazione e gestire pagamento
• accesso con software di monitoraggio
Nr. 14: controllo di carica
Moduli elettrici per la regolazione della corrente di carica CA e CC. Vasta gamma di modelli esistenti con svariate funzioni idonee a stazioni di ricarica private, semi private o pubbliche. Moduli conformi agli standard e configurabili o programmabili in modo flessibile secondo le proprie esigenze.
• Controllo della carica CC: sistemi di controllo per la ricarica rapida in corrente continua
Figura 52: controllo della carica CC
• Regolatori di carica CA: sistemi di controllo per ricarica modo 3 con protocolli di controllo e gestione comuni. Svariati sistemi modulabili e non da selezionare in base alle esigenze della stazione di ricarica
Figura 53: controllo della carica CA (modulabile SX, non modulabile DX)
Nr. 15: elettronica di potenza
Moduli dedicati alla generazione di potenza in corrente CC per la ricarica modo 4 (ricarica rapida a max 500kW). Questi elementi sono predisposti per il montaggio su rack in appositi armadi con raffreddamento incorporato. Questi componenti attivi non sono presenti nelle stazioni di ricarica tradizionali (modo 1, 2 e 3) in quanto queste ultime operano in corrente alternata.
Figura 54: modulo di potenza di 30 kW
Nr. 16: alimentatori e UPS
Altri elementi attivi funzionali necessari per il corretto funzionamento di tutti i moduli costituenti la colonnina di ricarica delle auto elettriche
• Alimentatori: dispositivi con la funzione di fornire energia elettrica in corrente continua agli elementi attivi presenti nella colonnina.
Figura 55: moduli di alimentazione
• Gruppi di continuità: moduli che garantiscono l’alimentazione dei componenti attivi anche in caso di assenza di corrente elettrica per un breve periodo di tempo (elemento non indispensabile).
Figura 56: modulo gruppo di continuità
• Convertitore CC/CC: modulo dedicato al controllo e alla regolazione della corrente continua in presenza di lunghi cavi di collegamento (elemento non indispensabile)
Figura 57: convertitore CC/CC
• Moduli di ridondanza: altri moduli per funzioni particolari correlate al software di controllo adoperato
Figura 58: moduli di ridondanza
Nr. 17: filtri
Questo modulo ha il compito di eliminare i disturbi e le interferenze casuali sulla corrente elettrica.
Questo elemento è obbligatorio e deve essere conforme agli standard delle colonnine di ricarica.
Figura 59: filtri
Nr.18: sensori e cavi di collegamento
Tutti i moduli e gli altri elementi sono monitorati da un sistema di sensori e collegati mediante cavi elettrici. Anche questi componenti devono rispettare lo standard definito dalle normative.
Figura 60: sensore umidità SX, cavi elettrici DX
PAGINA BIANCA
2 Quaderno dei compiti
2.1 Introduzione
Successivamente allo studio che ha permesso di realizzare lo stato dell’arte, si è proceduto con degli incontri con il cliente al fine di realizzare il quaderno dei compiti. Questo documento contiene tutte le caratteristiche che deve avere la colonnina di ricarica studiata in questo progetto. Prima di proseguire con il lavoro, il suddetto documento è stato condiviso e accettato da entrambi le parti al fine di ottenere un risultato funzionale, conforme alle regole e che soddisfi tutti i bisogni del cliente.