Accoppiamento
reologico/strutturale per la
progettazione meccanica di una colonnina di ricarica elettrica
Studente/i Relatore
Riccardo Sciolli Luca Diviani
Correlatore
Simone Salamina
Committente
Luca Diviani
Corso di laurea Modulo
Ingegneria meccanica M-P6090 Progetto di diploma C10421
Anno
2021
Data 02.09.2021
PAGINA BIANCA
Riassunto / Abstract [ita]
Questo lavoro di diploma consiste in uno studio di fattibilità per la progettazione di una stazione di ricarica modo 3 (CA 22kW) per le auto elettriche mediante l’utilizzo di materiali termoplastici riciclabili.
Con lo stato dell’arte sono stati trovati tutti i criteri per certificare la colonnina alle normative svizzere ed europee, sono stati definiti i polimeri e i processi di fabbricazione associati ed è stato eseguito uno studio completo su tutti i componenti elettrici che ha permesso di definire gli ingombri interni.
Il quaderno dei compiti contiene tutti i risultati ottenuti durante lo studio preliminare. Sono state definite le resistenze strutturali minime della stazione di ricarica, la quale deve resistere all’impatto di un’automobile di 1000kg a 5 km/h.
Nelle specifiche di progetto il risultato principale raggiunto è la suddivisione della struttura nelle sue 10 funzioni per le quali, con lo studio di concetto, sono state definite le migliori varianti associate. Ciò ha portato alla costruzione del disegno di concetto.
Con il pre-dimensionamento è stata calcolata la forza statica equivalente (circa 65 kN) all’impatto dell’automobile che permette l’utilizzo di un solutore statico lineare per certificare la resistenza strutturale della colonnina. La norma DIN 33402 ha permesso di definire a 1500mm l’altezza ergonomica del display da 15” il quale svolge la funzione di interfaccia utilizzatore.
Per quanto riguarda il design dei componenti tutti gli elementi esterni della stazione garantiscono una resistenza IP 55 mediante guarnizioni, filtri antiparticolato, barriere anti-acqua e elementi plastici saldati.
La sicurezza dei moduli elettrici riordinati all’interno della colonnina è garantita da chiusure tipo GN115, manufatti termoplastici con nervature di rinforzo e lamiere di acciaio. La temperatura di funzionamento limite viene gestita da un sistema di raffreddamento tipo ventola controllato dal PC industriale presente all’interno della stazione
Siccome il carico è molto elevato la resistenza all’impatto è garantita da un frame metallico appositamente ottimizzato mediante simulazioni FEM. La struttura interna è saldata con acciaio S460N ed è direttamente ancorata alla base in calcestruzzo.
Il processo scelto per gli elementi semi-strutturali è lo stampaggio a compressione con il quale si lavorano delle cariche in composito PA66 caricato con il 20% fibra di vetro. Mediante simulazioni di riempimento Moldflow sono stati definiti i parametri di processo e sono stati effettuati tutti i controlli necessari a certificare la fattibilità di produzione di uno dei componenti termoplastici. Questo passaggio ha implicato una modifica della parte per facilitare il riempimento di tutte le cavità dello stampo. La resistenza strutturale ottenibile con questo processo equivale ad una forza statica equivalente di 2.5 kN oltre la quale è necessario un intervento di sostituzione. L’intera stazione di ricarica è progettata per permettere un rapido smontaggio dei manufatti plastici senza necessariamente sostituire l’intera colonnina.
Questo studio di fattibilità ha portato a concepire un manufatto 400x450x1700 di 70 kg (35 kg moduli elettrici; 30kg frame metallico).
Riassunto / Abstract [eng]
This thesis consists of a feasibility study for the design of a Mode 3 (AC 22kW) charging station for electric cars using recyclable thermoplastic materials.
Through an analysis of the state of the art, all the criteria for certifying the column to Swiss and European standards were found. Moreover, the polymers and associated manufacturing processes were defined, and a complete study of all the electrical components was carried out to determine the internal dimensions.
The workbook contains all the results obtained during the preliminary study. The minimum structural resistances of the charging station were defined, which must withstand the impact of a 1000kg car at 5 km/h.
In the project specifications, the main result achieved is the subdivision of the structure into its ten functions. Subsequently, the concept study led to the definition of the best-associated variants. This step led to the construction of the concept design.
With the pre-dimensioning, the equivalent static force (approx. 65 kN) at the impact of the car was calculated, allowing the use of a linear static solver to certify the structural strength of the column. The DIN 33402 standard allowed the ergonomic height of the 15" display (which serves as the user interface) to be defined at 1500mm.
In terms of component design, all external elements of the station guarantee IP 55 resistance utilizing seals, particle filters, water barriers, and welded plastic elements. The safety of the electrical modules arranged inside the column is guaranteed by GN115-type closures, thermoplastic products with reinforcing ribs as well as steel plates. The operating temperature limit is managed by a fan-type cooling system controlled by the industrial PC inside the station.
As the load is very high, the impact resistance is guaranteed by a metal frame specially optimized through FEM simulations. The internal structure is welded with S460N steel and is directly anchored to the concrete base.
The process chosen for the semi-structural elements is compression molding, in which composite PA66 filled with 20% glass fiber is processed. Using Moldflow filling simulations, the process parameters were determined, and all the necessary checks were carried out to certify the feasibility of producing one of the thermoplastic components. This step involved modifying the part to facilitate the filling of all the cavities in the mold. The structural strength obtainable with this process is equivalent to a static force equivalent of 2.5 kN beyond which replacement is required. The entire charging station is designed to allow rapid disassembly of the plastic parts without necessarily replacing the entire column.
This feasibility study led to the conception of a 400x450x1700 structure weighing 70 kg (35 kg electrical modules; 30 kg metal frame).
PAGINA BIANCA
Indice generale
Riassunto / Abstract [ita] ... 3
Riassunto / Abstract [eng] ... 4
Indice generale ... 6
Progetto assegnato ... 10
1 Stato dell’arte ... 13
1.1 Introduzione ... 13
1.2 Il quadro normativo ... 13
1.2.1 Altre regole generali ... 14
1.3 I processi di fabbricazione ... 16
1.3.1 I processi di fabbricazione in generale ... 16
1.3.2 I materiali polimerici e i processi di fabbricazione associati ... 23
1.3.3 Informazioni aggiuntive sui processi di fabbricazione per termoplastici ... 28
1.4 Le colonnine di ricarica ... 30
1.4.1 I modi di ricarica ... 30
1.4.2 Panoramica globale sulle colonnine di ricarica ... 32
1.4.3 Le colonnine disponibili sul mercato ... 33
1.4.4 Gli elementi costitutivi ... 41
2 Quaderno dei compiti ... 53
2.1 Introduzione ... 53
2.2 Descrizione del progetto ... 53
2.3 Obiettivi del progetto... 53
2.4 User requirements ... 53
2.5 Definizione degli ingombri ... 54
2.5.1 Ingombri dei componenti elettrici ... 54
2.5.2 Ingombri massimi della colonnina di ricarica ... 55
2.6 Tecnologie ... 55
2.7 Organizzazione del lavoro ... 55
2.7.1 Lavoro richiesto ... 55
2.7.2 Pianificazione e scadenze ... 55
3 Specifiche di progetto ... 57
3.1 Specifiche della colonnina ... 57
3.1.1 Requisiti ... 57
3.1.2 Funzioni ... 58
3.1.3 Prestazioni ... 61
3.1.4 Limiti ... 62
3.2 Specifiche di processo ... 63
3.2.1 Requisiti ... 63
4 Studio di concetto ... 65
4.1 Analisi delle varianti ... 65
4.1.1 Funzione1: supporto colonnina ... 65
4.1.2 Funzione 2: ancoraggio ... 66
4.1.3 Funzione 3: strutturale ... 70
4.1.4 Funzione 4: accessibilità tecnici ... 79
4.1.5 Funzione 5: interfaccia utilizzatore ... 80
4.1.6 Funzione 6: gestione dei moduli elettrici ... 80
4.1.7 Funzione 7: sicurezza, comunicazione, gestione e controllo della ricarica ... 81
4.1.8 Funzione 8: ancoraggio moduli ... 81
4.1.9 Funzione 9: collegamento veicolo-colonnina ... 82
4.1.10 Funzione 10: ingresso CA ... 83
4.1.11 Funzione 11: raffreddamento ... 83
4.2 Cassa morfologica ... 84
4.3 Disegno di concetto ... 86
5 Pre-dimensionamento ... 88
5.1 Calcolo della forza statica equivalente ... 88
5.2 Studio ergonomico ... 90
6 Design dei componenti ... 92
6.1 I manufatti termoplastici ... 92
6.1.1 Le nervature di rinforzo ... 94
6.1.2 Le saldature dei polimeri termoplastici ... 96
6.1.3 Sistema di ancoraggio ... 98
6.1.4 Portellini di accesso ... 100
6.2 Componenti elettrici ... 102
6.2.1 Quadro elettrico ... 102
6.2.2 Display 15” ... 103
6.2.3 PC e software ... 104
6.3 Sistema di raffreddamento ... 105
6.4 Divisione anti-acqua ... 107
6.5 Sistema di ancoraggio ... 108
7 Progettazione struttura metallica ... 110
7.1 Definizione della struttura metallica ... 110
7.2 Simulazioni strutturali FEM ... 112
8 Simulazioni reologiche-strutturali... 117
8.1 Definizione del processo di fabbricazione ... 117
8.2 Scelta del polimero adatto ... 117
8.2.1 La resina termoplastica: ... 117
8.2.2 La fibra di rinforzo: ... 119
8.2.3 Gli additivi:... 119
8.2.4 Identificazione del materiale adatto:... 120
8.3 Simulazioni reologiche per lo stampaggio a compressione di un manufatto semi-strutturale
della stazione. ... 121
8.3.1 Modifica del manufatto ... 121
8.3.2 Realizzazione della mesh ... 122
8.3.3 Analisi di Fill + Pack ... 124
8.3.4 Analisi di cool ... 134
8.3.5 Analisi di cool+fill+pack ... 138
8.3.6 Analisi di cool+fill+pack+warp ... 144
8.3.7 Osservazioni e conclusioni ... 148
8.4 Simulazioni strutturali FEM di un manufatto semi-strutturale della colonnina. ... 150
8.4.1 Definizione del modello ... 150
8.4.2 Approccio alla soluzione ... 152
8.4.3 Risultati strutturali ... 153
8.4.4 Osservazioni e conclusioni ... 156
9 Caratteristiche tecniche della colonnina ... 158
9.1 Disegni CAD 3D ... 158
9.2 Pesi ed ingombri della colonnina ... 160
10 Sviluppi futuri ... 162
11 Conclusioni ... 162
Bibliografia ... 165
Allegati ... 169
A01- Documenti PDF fonti stato dell’arte ... 169
A02- Documenti PDF fonti progettazione ... 169
A03- Riassunto documento main 1 e 2 ... 169
A04- Diagramma di Gantt ... 169
Indice delle figure ... 171
Indice delle tabelle ... 177
Piani di lavoro ... 180
PAGINA BIANCA
Progetto assegnato
Accoppiamento reologico/strutturale per la progettazione meccanica di una colonnina di ricarica elettrica
Persone coinvolte
Proponente Istituto MEMTI
Relatore Luca Diviani
Correlatore Simone Salamina
Dati generali
Codice C10421
Anno accademico 2020/2021
Semestre Semestre primaverile
Corso di laurea Ingegneria meccanica
Tipologia del progetto Diploma
Confidenziale NO
Pubblicabile SI
Descrizione
Le tecniche di fabbricazioni di manufatti termoplastici strutturali di grandi dimensioni sono svariate e la loro scelta impatta sulle caratteristiche meccaniche, economiche e sulla sostenibilità del prodotto realizzato.
Lavorando su di un caso pratico, inerente la progettazione di una colonna stradale per la ricarica di veicoli elettrici, si vuole poter scegliere e confrontare alcune tecniche di fabbricazione e i materiali da impiegare più appropriati.
Obbiettivi
1. Sulla base delle normative in vigore realizzare la progettazione meccanica di una colonnina per la ricarica delle auto elettriche che permetta di alloggiare i componenti funzionali. Le parti strutturali andranno progettate per la maggior parte in materiale termoplastico rinforzato.
2. Sulla base delle caratteristiche del manufatto termoplastici e del materiale scelto, identificare i processi di fabbricazione più idonei ed eventualmente fare una analisi comparativa.
3. Ottimizzare il processo di stampaggio plastico in funzione delle esigenze del prodotto (dimensionali, economiche, …)
4. Accoppiare la simulazione reologica con quella strutturale in modo da verificare il comportamento meccanico del prodotto.
Compiti
In dettaglio i compiti dello studente saranno:
1. Sulla base delle esigenze del progetto, redigere un quaderno dei compiti e definire le specifiche del prodotto
2. Analisi delle diverse funzionalità e progettazione meccanica delle parti strutturali della colonna di ricarica elettrica
3. Studio preliminare per il confronto dei processi di fabbricazione (compression molding, injection , combinata, SMC, …)
4. Progettazione degli stampi (solo parte reologica) mediante simulazioni di riempimento, compattazione e analisi delle deformazioni e ritiri dopo stampaggio.
5. Simulazione e ottimizzazione del processo di fabbricazione e ottimizzazione dei parametri e delle condizioni di stampaggio (Moldflow)
6. Ottimizzazione strutturale che tenga conto dell’orientamento dei rinforzi strutturali. (NX) 7. Rapporto di progetto e disegni di assieme dei componenti.
Tecnologie
• Plasturgia e simulazioni Moldflow;
• Simulazione strutturale FEM;
• Metodologie di progettazione meccanica;
• Tecnologie di fabbricazione
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1 Stato dell’arte
1.1 Introduzione
Le colonnine di ricarica sono delle strutture meccaniche con la funzione di ricaricare le auto elettriche.
Oggigiorno non sono ancora molto presenti sul territorio ma entro qualche anno saranno onnipresenti.
La transizione energetica verso i motori elettrici necessiterà l’installazione di molteplici torrette al fine di soddisfare il bisogno energetico della mobilità. Nello stato dell’arte sono stati approfonditi 3 principali argomenti. Il primo riguarda il quadro normativo: l’obiettivo di questo progetto è realizzare una macchina conforme alle leggi attualmente in uso in Svizzera e in Europa. Il secondo riguarda una valutazione dettagliata dei metodi di fabbricazione che si possono adoperare per automatizzare la produzione dei componenti strutturali. Infine, si è eseguito uno studio approfondito sulle colonnine di ricarica. In particolare, si sono analizzati i fornitori, i modi di ricarica, le tipologie di stazioni e i componenti funzionali- strutturali costituenti la stazioni.
1.2 Il quadro normativo
Al fine di garantire la sicurezza e il corretto funzionamento delle stazioni di ricarica sono stati di recente elaborati dei documenti contenenti delle regole e degli standard obbligatori in diversi paesi del mondo.
In questo capitolo viene analizzato il quadro normativo in riferimento alle tematiche del progetto di diploma al fine di garantire che il manufatto realizzato è conforme alle leggi svizzere ed europee.
Di seguito è riportata un’immagine che rappresenta l’universo delle norme in riferimento alle stazioni di ricarica di questi paesi. Le norme in vigore sono le medesime.
Figura 1: universo normativo
Partendo da questa lista di codici si è proceduto con un lavoro di approfondimento al fine di identificare tutte le caratteristiche necessarie per certificare una colonnina di ricarica.
Nota: nessuna delle seguenti norme contiene informazioni utili per la progettazione reologica-strutturale di una colonnina.
Charging connector
• IEC 62196-1; -2; -3: norma che definisce uno standard per i connettori della ricarica dei veicoli elettrici (tipo1, tipo2 e tipo3). Norma sviluppata dalla commissione elettrotecnica internazionale
• SAE J1772: normativa connettori Tipo1.
Charging Communication
• ISO 15118: standard internazionale per la comunicazione bidirezionale tra auto elettriche e stazioni di ricarica. Normativa continuamente aggiornata al fine di migliorare l’efficienza, la semplicità e la compatibilità tra ricarica delle batterie e rete elettrica nazionale.
• IEC 61850: norma internazionale per la comunicazione tra le stazioni di servizio. Descrive un protocollo di trasmissione generale per il sistema di protezione e controllo
• SAE J2847: pratica consigliata per definire le specifiche tra veicolo elettrico (PEV) e il caricatore esterno in CC. Trasferimento di energia in corrente continua tramite FPF (Forward Power Flow)
• SAE J2836: normativa per definire la documentazione necessaria da associare alle colonnine di ricarica (trasferimento di energia, potenze, interoperabilità e sicurezza).
• SAE J2293-2: normativa nordamericana che definisce il trasferimento di energia in corrente continua (CC). Contiene intero processo dalla sorgente di corrente alternata all’energia nelle batterie.
Charging Topology
• IEC 61851-1; -21; -22; -23; -24: standard internazionale che definisce usa serie di connettori per la ricarica delle auto elettriche in diversi paesi (in svizzera prende in nome di EN62196) Norma sviluppata dalla commissione elettrotecnica internazionale.
Safety
• IEC 60529: norma che definisce l’idoneità delle apparecchiature elettriche in riferimento alla sicurezza e all’ambiente di utilizzo
• IEC 60364-7-722: guida per elettricisti. Definisce la modalità e le avvertenze in riferimento all’istallazione delle colonnine di ricarica delle auto elettriche
• ISO 6469-3: specifiche sulla sicurezza per i veicoli a propulsione elettrica.
• SAE J1766: pratica raccomandata per i test di integrità dei sistemi di batterie dei veicoli elettrici e ibridi
1.2.1 Altre regole generali
Oltre alle norme riferite alle colonnine di ricarica, analizzate precedentemente, esistono altre regole generali applicabili a qualsiasi macchina elettrica pubblica per istallazioni all’aperto. Da questo studio approfondito sono emerse le seguenti regole obbligatorie per l’istallazione di una colonnina di ricarica per le batterie delle auto elettriche:
• Per queste tipologie di infrastrutture è l’obbligatoria l’installazione mediante basamento in calcestruzzo contenete un apposito sistema di ancoraggio e il passaggio dei cavi di alimentazione e comunicazione.
• L’intera stazione di ricarica deve essere munita di un adeguato sistema di segnalamento e informazione per gli utilizzatori e per i tecnici quali indicazioni di pericolo e di utilizzo dei dispositivi.
• Tutti i componenti elettrici della colonnina devono essere conformi allo standard europeo in riferimento alla norma IEC 61851.
• La colonnina di ricarica deve essere munita di un dispositivo di controllo, gestione e sicurezza secondo la norma IEC 61850
• Il dispositivo con carica modo 2,3 e 4 deve essere munito di un dispositivo di sicurezza (salva vita), una protezione da sovraccarico (valvola) e una messa a terra dedicata.
• Tutti i dispositivi elettrici devono essere adeguatamente isolati (protezione utilizzatore e manutentore): protezione da contatto diretto e indiretto
• Protezione da incendi: tutti gli elementi attivi devono essere contenuti in un contenitore ignifugo.
Oltre a questo, bisogna minimizzare il rischio di incendio, garantire una via di fuga e facilitare l’intervento in caso di problemi
• L’accesso alle superfici calde deve essere limitato:
Tabella 1: le temperature delle superfici
• Vige l’obbligo di progettazione sicure ed ergonomica (analisi sicurezza e controlli distruttivi prima di messa in commercio)
• Le norme generali implicano la necessita di utilizzare colori per la differenziazione dei vari collegamenti. Regola obbligatorio ad eccezione di alcuni casi particolari secondo normativa
• Il grado IP (indice di bagnabilità) deve essere adeguato a dipendenza dell’ambiente di installazione (interno, esterno, …)
1.3 I processi di fabbricazione
In questo capitolo è contenuto uno studio approfondito sui processi di fabbricazione in riferimento alla realizzazione di una colonnina di ricarica per le auto elettriche.
Il primo sotto capitolo “i processi di fabbricazione in generale” contiene tutte le tipologie utilizzabili.
Siccome l’obiettivo di questo progetto è uno studio di fattibilità per torrette di ricarica in materiale riciclabile termoplastico sono stati inseriti due ulteriori sotto capitoli di approfondimento.
“I materiali polimerici”: qui sono contenute tutte le informazioni generali in riferimento ai materiali termoplastici e termoindurenti.
“I processi di fabbricazione per termoplastici in dettaglio”: in questo documento è contenuto un approfondimento sui vari processi di fabbricazione adatti per questo progetto (manufatti termoplastici di grandi dimensioni realizzabili con processi di fabbricazione STD).
1.3.1 I processi di fabbricazione in generale
Di seguito sono riportati tutti i possibili metodi di fabbricazione utilizzabili per realizzare delle colonnine di ricarica. Sono stati identificati 10 differenti processi:
• Struttura metallica assemblata
• Lamiere lavorate per imbutitura
• La stampa 3D
• La lavorazione CNC
• Processo di stampaggio con iniezione (injection molding)
• Processo di stampaggio a compressione (compression molding)
• Processo di stampaggio combinato (iniezione+compressione)
• Processo di stampaggio SMC
• Processo di termoformatura (vuoto/pressione)
• Processo di rotostampaggio
Di seguito sono riportati i dettagli dei processi individuati al fine di valutare al meglio tutte le possibilità.
È presente una breve descrizione, le caratteristiche principali e i limiti di ogni metodo.
Struttura metallica assemblata
Questa tipologia di processo di fabbricazione è il più adoperato dai fornitori attualmente presenti sul mercato. Il concetto base è quello di realizzare una struttura rigida metallica sulla quale vengono fissate delle lamiere in materiale polimerico o metallico. Lo scheletro della colonnina viene assemblato mediante svariate tipologie di assemblaggio come la saldatura, l’avvitatura o la rivettatura. Il rivestimento esterno viene applicato a posteriori e protegge tutti i componenti della colonnina dai fattori esterni quali le condizioni ambientali o la manomissione da parte di un utilizzatore. Il montaggio finale viene garantito tramite viti o rivettatura.
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante struttura metallica assemblata:
• Strutture robuste, rigide e con lunga durata di vita
• Processo di fabbricazione classico (processi standardizzati)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante struttura metallica assemblata:
• Processo costoso
• Velocità di produzione limitata
• Impiego di materiale metallico
Figura 2: struttura metallica assemblata
Lamiere lavorate per imbutitura
Processo di fabbricazione che prevede la realizzazione di sagome in metallo mediante il processo di imbutitura/trafilatura. Questi elementi vengono successivamente assemblati mediante collegamenti a vite, saldature o rivettature.
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante imbutitura:
• Strutture robuste, rigide e con lunga durata di vita
• Processo di fabbricazione classico (processi standardizzati)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante imbutitura:
• Processo costoso (meno di struttura metallica assemblata)
• Impiego di materiale metallico
Figura 3: lamiere imbutite e assemblate
La stampa 3D
Questo processo di fabbricazione prevede l’utilizzo di una stampante 3D. Questo metodo è innovativo e ad oggi non esistono colonnine sul mercato realizzate mediante stampante 3D. Questo è da attribuirsi al fatto che questo processo non è adatto alla realizzazione di grandi volumi ed implica un lungo periodo di tempo per effettuare la stampa completa.
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante stampa 3D:
• Materiale termoplastico (riciclabile)
• Realizzazione di geometrie molto particolari
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante stampa 3D:
• Tempo di realizzazione lungo
• Processo costoso
• Non adatto ai grandi volumi di produzione
Figura 4: stampante 3D
La lavorazine CNC
Questo metodo prevede la realizzazione di una colonnina mediante la lavorazione delle parti con asportazione di truciolo partendo dal pieno. Questa tecnica non è attualmente in uso in quanto ha una serie di limitazioni che implicano la non idoneità di questa tecnica per la realizzazione di grandi manufatti. Questo non implica che alcuni piccoli elementi possano essere sviluppati partendo da un grezzo pieno mediante lavorazione CNC
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante lavorazione CNC:
• Processo economico per grandi volumi
• Processo di fabbricazione classico (processi standardizzati)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante lavorazione CNC:
• Tempo di lavorazione lungo
• Non adatto per grandi volumi di produzione
• Non adatto alla realizzazione di manufatti di grandi dimensioni
• Elevato volume di scarto per lavorazioni particolari
Figura 5: macchina CNC
Processo di stampaggio con iniezione (injection molding)
Lo stampaggio a iniezione consiste nell’inoculazione di un polimero in uno stampo chiuso.
Questo processo è caratterizzato dall’utilizzo di grandi pressioni. La realizzazione dello stampo e la progettazione della macchina ad iniezione è complicato. I ‘investimento iniziale per recuperare l’attrezzatura risulta quindi essere relativamente elevato. la macchina per iniettare deve essere adatta alla tipologia di polimero che si vuole stampare. Tramite iniezione si possono realizzare manufatti di piccole, medie e grandi dimensioni. Le plastiche lavorabili sono sia termoplastici che termoindurenti che quali possono essere in forma semplice oppure composita (caricati fibra)
Questo processo diventa economicamente conveniente quando si devono produrre grandi volumi in quanto si riesce ad ammortizzare l’elevato costo iniziale.
Questo processo di fabbricazione più essere riassunto in 5 fasi principali:
1. Impostazione dello stampo: aggiunta di eventuali inserti e chiusura dello stampo
2. Estrusione della plastica: il polimero viene fluidificato e trasportato nella camera di iniezione adiacente lo stampo.
3. Stampaggio: il polimero viene iniettato nello stampo chiuso mediante pressioni elevate
4. Reticolazione e rimozione: raffreddamento (termoplastici) o reticolazione chimica (termoindurenti) del manufatto nello stampo e successiva estrazione meccanica.
5. Post-elaborazione: rimozione di bave/sporgenze/guide (di solito in automatico durante apertura stampo)
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio con iniezione:
• Possibilità di lavorare materiale termoplastico (riciclabile)
• Processo adatto alla realizzazione di manufatti con geometria complessa
• Processo adatto alla realizzazione di piccoli, medi e grandi manufatti
• Tempo ciclo inferiore rispetto allo stampaggio a compressione
• Economico per grandi volumi di produzione (ammortamento costo iniziale)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio con iniezione:
• Costi attrezzature superiori rispetto a stampaggio a compressione (investimento iniziale elevato)
Figura 6: processo di injection molding
Processo di stampaggio a compressione (compression molding)
A differenza dello stampaggio a iniezione questo processo opera a pressioni inferiori. Un preformato polimerico (carica), con forma e peso noto, viene posizionato su uno stampo caldo che, chiudendosi (compressione), genera il manufatto finale desiderato. Le caratteristiche della carica svolgono un ruolo determinante: vi sono applicazioni particolari in cui questa è composta da più elementi (anche tessuti o micropellet). Con questo metodo lo stampo e le attrezzature necessarie sono più economici ma il processo risulta essere più lento. La formatura a compressione diventa economicamente conveniente rispetto al processo di iniezione quando il volume da realizzare è relativamente contenuto. Questa tecnologia è adatta alla produzione di manufatti di media e grande dimensione. Mediante stampaggio a compressione è possibile lavorare sia termoplastici che termoindurenti, le caratteristiche reologiche- strutturali ottenibili sono molteplici. Si possono lavorare il polimero semplice oppure svariate tipologie di compositi (polimero caricato fibra). Bisogna considerare che lo stampo deve essere adatto alla tipologia di materiale plastico che si vuole lavorare.
Esistono due tipologie di stampaggio a compressione:
• Stampo freddo: il materiale da formare viene preriscaldato prima di essere introdotto nello stampo.
• Stampo caldo: la carica viene inserita fredda e viene successivamente riscaldata tramite lo stampo.
Questo processo di fabbricazione più essere riassunto in 5 principali fasi:
1. Pulizia e assemblaggio: tutti i componenti dello stampo vengono puliti e assemblati 2. Inserimento carica: la carica viene posizionata all’interno dello stampo
3. Riscaldamento e formatura: dopo un preriscaldamento di applica pressione allo stampo al fine di generare la geometria finale del pezzo
4. Reticolazione e estrazione: successivamente alla formatura si aspetta la solidificazione del polimero nello stampo mediante reazione fisica o chimica. Dopo si procede all’estrazione del manufatto.
5. Post-elaborazione: rimozione di bave/sporgenze/guide (di solito eseguito manualmente da operatore)
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio a compressione:
• Possibilità di lavorare materiale termoplastico (riciclabile)
• Processo adatto alla realizzazione di medi e grandi manufatti
• Economicamente conveniente per piccoli e medi volumi di produzione (costi attrezzature inferiore rispetto a stampaggio a iniezione ma tempi di processo più lunghi)
• Lunghezza fibre illimitata
• Possibilità di realizzare manufatti con spessore elevato (15-20mm)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio a compressione:
• Non adatto alla realizzazione di manufatti a geometria complessa
• Tempo ciclo superiore rispetto a stampaggio a iniezione (bassa produttività)
• Necessita rimozione manuale delle bave
Figura 7: processo di compression molding
Processo di stampaggio combinato (injection+compression molding)
Il processo consiste in una combinazione di stampa a iniezione e stampa a compressione. In particolare, vi è in una modifica dell’apertura dello stampo durante o dopo la fase di iniezione che avviene a stampo aperto (3-4mm). Processo complicato che necessita di personale espero. Lo stampaggio combinato trova impiego per la realizzazione di manufatti particolari in quanto ha la capacità di minimizzare le tensioni interne residue dei manufatti prodotti. Ad esempio, le lenti in plastica sono realizzate tramite inietto compressione
I polimeri lavorabili sono molteplici: sia termoplastici che termoindurenti con la possibilità di caricamento fibra per elaborare compositi
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio a inietto- compressione:
• Possibilità di lavorare materiale termoplastico (riciclabile)
• Per manufatti piccoli, medi o grandi a spessori ridotti
• Lunghezza fibre illimitata
• Minimizza la deformazione del materiale (temperatura pressione costante in tutte le regioni stampo)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante processo di stampaggio a compressione:
• Tempo ciclo superiore rispetto a stampaggio per iniezione (bassa produttività)
• Necessita rimozione manuale delle bave
Figura 8: stampaggio per inietto-compressione
Processo di termoformatura
Metodo di produzione mediante il quale una lamina di plastica viene formata mediante applicazione di vuoto o pressione tra il polimero e lo stampo. I materiali plastici lavorabili son questo metodo sono sia termoplastici che termoindurenti. Il prodotto finito può essere sia semplice che composito mediante applicazione di fibre inorganiche.
Questo processo di fabbricazione più essere riassunto in 5 principali fasi:
1. Fissaggio: lamina di plastica fissata al telaio
2. Riscaldamento: lamina avvicinata a riscaldatori per aumento temperatura
3. Sottovuoto: la pellicola calda viene messa sullo stampo e viene applicato il vuoto per fare aderire il materiale polimerico
4. Raffreddamento e rimozione: dopo la formatura della pellicola si raffredda il sistema e si estrae l manufatto
5. Rifilatura: eliminazione del materiale in eccesso mediante asportazione manuale o CNC I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante formatura sottovuoto:
• Possibilità di lavorare materiale termoplastico (riciclabile)
• Processo adatto per grandi volumi di produzione
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante formatura sottovuoto:
• Geometrie ottenibili semplici e spessori massimi limitati
• Spessore manufatto finale non costante (causato da deformazione lamina)
Figura 9: processo di formatura sottovuoto
Processo di rotostampaggio
Questo processo di fabbricazione consiste nel riscaldamento di uno stampo cavo nel quale viene inserita della polvere termoplastica. Lo stampo ruota su due assi e genera uno spessore di polimero costante su tutta la superfice del manufatto. IL rotostampagio è adatto a realizzare manufatti cavi di grandi dimensioni on spessore compreso tra 2 e 15 mm. Il processo consiste in 4 fasi principali:
1. Caricamento: polvere plastica caricata e chiusura dello stampo
2. Riscaldamento: riscaldamento e rotazione (per ottenere plastica liquida sulle pareti) 3. Raffredamento: raffreddamento e rotazione (per ottenere plastica solida sulle pareti) 4. Rimozione della parte: separazione manufatto stampo
I vantaggi nella realizzazione di una colonnina mediante rotostampaggio:
• Materiale termoplastico (riciclabile)
• Per la produzione di piccoli-medi volumi
• Stampo economico (sottile e no leghe particolari)
I limiti nella realizzazione di una colonnina mediante rotostampaggio:
• Gamma di materiali termoplastici limitata (costi elevati materia prima)
• Tempo ciclo lungo (no adatto a produzione in massa)
• Difficile stampare nervature
• Difficile reperibilità personale esperto
Figura 10: processo di rotostampaggio
1.3.2 I materiali polimerici e i processi di fabbricazione associati
Siccome in questo progetto si vuole studiare la realizzazione di una colonnina di ricarica in materiale plastico è stato eseguito uno studio sulle principali tipologie esistenti e le loro caratteristiche.
Una prima considerazione è in riferimento agli additivi supplementari, i quali vengono miscelati ai polimeri al fine di fornire loro alcune caratteristiche particolari. Esistono tantissime tipologie, di seguito alcuni esempi:
• Coloranti
• Additivi antimicrobici (protezione da formazione muffa)
• Agenti stabilizzattori (protezione UV e HALS)
• Agenti antiossidanti (protegge il polimero durante il processo di fabbricazione)
• Agenti sbiancanti fluorescenti (dare brillantezza)
• Ritardanti di fiamma (protezione incendi)
• Agenti lubrificanti (materiale autolubrificante)
Di seguito sono state analizzate le due macrocategorie di polimeri: i termoplastici e i termoindurenti
I polimeri termoplastici:
Il legame che si instaura tra le catene polimeriche è di tipo non covalente, legami deboli impediscono lo strisciamento rendendo solido il materiale. La disposizione delle catene organiche può essere di tipo amorfo (groviglio) oppure semicristallino (ordine parziale dei filamenti). Un aumento di temperatura causa l’eliminazione di questi legami e quindi una fusione del materiale. Questa caratteristica rende il materiale rifondibile infinite volte e quindi riciclabile. Bisogna però prestare attenzione alla degradazione delle catene nel tempo che causa una diminuzione dell’ I.P. (indice di polidispersità). Questo limita la possibilità di riutilizzo del materiale termoplastico.
Esistono molteplici tipologie di materiale in riferimento alle caratteristiche chimico fisiche necessarie.
Questi materiali possono essere suddivisi in 2 macrocategorie:
• Materiale semplice: la forma piu semplice. L’assenza di fibre di rinforzo strutturale comporta caratteristiche meccaniche limitate
Figura 11: piramide materiali termoplastici
• Materiale composito: è possibile inglobare delle fibre inorganiche (es. vetro, carbonio,..) nel materiale polimerico per aumentare le caratteristiche meccaniche. Questa categoria contiene diverse tipologie di compositi realizzabili con diverse tipologie di processo. Le caratteristiche meccaniche ottenibili sono inferiori rispetto ai compositi ottenuti mediante termoindurenti. Come collante per il materiale inorganico vengono adoperati dei termoplastici.
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic):
compositi da pellet caricati con fibre con lunghezza massima di 1mm (0.3-1mm).
Rappresenta l’85% dei materiali compositi attualmente in uso. Questa conformazione è realizzabile mediante stampaggio a iniezione, combinato e compressione.
Figura 12: pellet caricato fibra corta
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics): in questa configurazione di composito la lunghezza delle fibre è limitata dalla dimensione del pellet che hanno una lunghezza tra 6 e 25 mm. Questa conformazione, come la SFT, è realizzabile mediante stampaggio a iniezione, combinato e compressione.
Figura 13: pellet caricato fibra lunga
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre continue (CFRT- Continuous Fiber Reinforced): vasta gamma di prodotti con fibre continue preimpregante di materiale polimerico termoplastico. Questa categoria comprende tessuti unidirezionali, bidirezionali, nastri stretti e fibre miste sotto forma di foglio.
▪ La co-tessitura: tessuto composto da fibre di rinforzo inorganiche intrecciate con fibre in polimero. Questo possiede buone caratteristiche di drappaggio (prestare attenzione al fatto che si potrebbe verificarsi una distribuzione non uniforme delle fibre nel materiale durante la formatura)
Figura 14: co-tessitura
▪ La tecnica a matrice intrecciata: preimpregnato in cui il polimero avvolge la fibra di rinforzo inorganica. Questo metodo garantisce una migliore ridistribuzione della resina rispetto alla co-tessitura. Fibre inter-disperse per ottenere tessuti da adoperare nella formatura.
Figura 15: composito a matrice intrecciata
▪ L’impregnatura con polvere: combinazione delle fibre inorganiche con una polvere di polimero. Siccome la resina non deve scorre per raggiungere tutte le posizioni dello stampo questo processo è adatto alle grandi velocità di fabbricazione.
Figura 16: preimpegnato con polvere polimerica
▪ Tessuto preimpregnato il cui filamento è composto da filamenti polimerici e fibre inorganiche di rinforzo. Processo che permette la realizzazione di compiti strutturali ad alta resistenza (i più resistenti). Questo metodo richiede tempi di lavorazione più lunghi a temperature maggiori.
Figura 17: filamenti compositi
I processi di fabbricazione associati ai termoplastici
Di seguito sono riportati i materiali plastici termoplastici precedentemente descritti, i quali sono stati associati ai vari processi di fabbricazione utilizzabili per la loro produzione. Nel capitolo “informazioni aggiuntive sui processi di fabbricazione per termoplastici” sono stati analizzati in dettaglio i processi adatti alla realizzazione della colonnina di ricarica delle auto elettriche.
• Processo di stampaggio a iniezione o Materiale non caricato
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic) o Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics)
• Processo di stampaggio a compressione o Materiale non caricato
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic) o Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics) o Compositi termoplastici da preimpregnati rinforzati a fibre continue (CFRT- Continuous
Fiber Reinforced)
▪ La co-tessitura
▪ La tecnica a matrice intrecciata
▪ L’impregnatura con polvere
▪ Tessuto preimpregnato il cui filamento è composto da filamenti polimerici e fibre inorganiche di rinforzo.
• Processo di stampaggio a inietto compressione (combinato) o Materiale non caricato
o Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic) o Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics)
• Processo di termoformatura o Materiale non caricato
o Compositi preimpregnati dedicati
I polimeri termoindurenti
In questa tipologia di polimeri il legame tra le catene è garantito mediante legame covalente. Questo viene creato tramite una reazione chimica esoenergetica. Trattandosi di una reazione irreversibile i materiali termoindurenti non sono riciclabili. Anche per questa categoria di polimeri esistono svariate tipologie per soddisfare tutte le necessità del mercato globale. Esistono 2 sottocategorie come per i materiali termoplastici:
• Materiale semplice: la forma più semplice. (es. polistirolo, …). L’assenza di fibre di rinforzo strutturale comporta caratteristiche meccaniche limitate
Figura 18: resine termoindurenti
• Materiale composito: è possibile inglobare delle fibre inorganiche (es. vetro, carbonio, ...) nella matrice termoindurente per aumentare le caratteristiche meccaniche. In questa categoria sono contenute diverse tipologie di compositi realizzabili con diverse tipologie di processo. Come collante per il materiale inorganico vengono adoperate diverse tipologie di termoindurenti a seconda delle caratteristiche richieste.
o CFRC: composito in fibra di carbonio con orientamento unidirezionale. Prestazioni superiori ai tradizionali SMC in merito alla facilità di lavorazione
o SMC (Sheet Moulding Compound): composito con fibre di vetro o carbonio con lunghezza compresa tra 12 e50mm. Questo materiale di rinforzo viene solitamente fornito mediante fogli lunghi 1300mm e con spessore di 2-3mm. L’SMC è adatto per il processo di stampaggio a compressione. Queste fibre molto lunghe permettono di realizzare manufatti di grandi dimensioni con proprietà meccaniche elevate. Si trovano sul mercato diverse tipologie di tessuto: unidirezionale, bidirezionale, random, … o BMC o DMC (Bulk moulding compound): composito rinforzato con fibre (carbonio o
vetro) di lunghezza compresa tra 3 e 24mm.Il materiale BMC è adatto per un processo di stampaggio a iniezione, a compressione e a inietto-compressione. Questa tipologia di materiale è disponibile sul mercato sotto forma di una massa omogenea.
o CF SMC (Carbon Fiber Sheet Moulding Compound): composito con fibre di carbonio random con lunghezze comprese tra 10 e 50 mm. La componente inorganica si trova tra due strati di polimero. Composito direttamente pronto per il processo di formatura.
o RTM (resin transfer molding): materiale finale simile a SMC. Questa denominazione viene attribuita ad un processo di iniezione su fibre precedentemente depositate nello stampo. I materiali lavorabili con questo processo sono solo termoindurenti (no termoplastici)
o ARTM: composito analogo a RTM ottenuto mediante processo di iniettocompressione o VARTM: composito analogo a RTM ottenuto mediante processo di termformatura
sottovuoto.
Figura 19: SMC SX, BMC, CF SMC DX
I processi di fabbricazione associati ai termoindurenti
Di seguito sono riportati i materiali plastici termoindurenti precedentemente descritti, i quali sono stati associati ai vari processi di fabbricazione utilizzabili per la loro produzione. Siccome non sono obiettivo di questo progetto non è presente uno studio approfondito in riferimento alla produzione di queste tipologie di materiali polimerici
• Processo di stampaggio a iniezione o Materiale non caricato
o Materiale caricato fibra BMC (Bulk moulding compound) o RTM (resin transfer molding)
• Processo di stampaggio a compressione o Materiale non caricato
o Materiale caricato fibra SMC (Sheet Moulding Compound) o Materiale caricato fibra BMC (Bulk moulding compound)
o Materiale caricato fibra CF SMC (Carbon Fiber Sheet Moulding Compound) o CFRC (fibra di carbonio unidirezionale)
• Processo di stampaggio a inietto compressione (combinato) o Materiale non caricato
o Compositi BMC (Bulk moulding compound) o Compositi ARTM
• Processo di termoformatura o Materiale non caricato
o Compositi SMC (Sheet Moulding Compound) o Compositi CF SMC (fibra di carbonio) o Compositi VARTM
1.3.3 Informazioni aggiuntive sui processi di fabbricazione per termoplastici
Di seguito sono illustrate alcune informazioni aggiuntive per i processi di fabbricazione identificati (vedi capitolo “materiali polimerici termoplastici”) come possibile soluzione per l’automazione della produzione della colonnina di ricarica in materiale termoplastico riciclabile.
Sono stati scelti 4 processi:
• Processo di stampaggio a iniezione
• Processo di stampaggio a compressione
• Processo di stampaggio a inietto compressione
• Processo di termoformatura
Nota: per informazioni generali sui processi sotto riportati fare riferimento al capitolio “i processi di fabbricazione in generale”.
Da questa analisi si evince che i processi utilizzabili sono lo stampaggio a iniezione e quello a compressione. Di seguito sono riportate alcune informazioni importanti per la scelta definitiva del metodo da adoperare.
Processo di stampaggio a iniezione
Con l’iniezione si possono realizzare materiali compositi di grandi dimensioni con:
• Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic)
• Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics) Questo processo è una possibile soluzione applicabile in questo progetto.
Vantaggi rispetto a stampaggio a compressione:
• Geometrie realizzabili anche complesse Svantaggi rispetto a stampaggio a compressione:
• Resistenza strutturale inferiore:
o Spessore massimo delle pareti: 4mm o Le fibre di rinforzo:
▪ Concentrazione massima:10-20%
▪ Lunghezza massima: 25 mm (l’utilizzo di lunghezze elevate è molto complicato e comporta la realizzazione di un composito a basse concentrazioni di fibra)
• l’utilizzo di fibre lunghe e in concertazioni elevate è molto complicato (di solito massimo 1-2mm al 0-15%)
Processo di stampaggio a compressione
Con lo stampaggio a compressione si possono realizzare molteplici tipologie di materiali termoplastici caricati fibra. Togliendo i metodi innovativi o poco diffusi rimangono i seguenti materiali:
• Compositi termoplastici rinforzati a fibre corte (SFRT-Short fiber Termoplastic)
• Compositi termoplastici rinforzati a fibre lunghe (LFRT- Long Fiber Thermoplastics)
• Compositi termoplastici da preimpregnati rinforzati a fibre continue (CFRT- Continuous Fiber Reinforced)
Questo processo è una possibile soluzione applicabile in questo progetto.
Vantaggi rispetto a stampaggio a iniezione:
• Resistenza strutturale maggiore
o Spessore massimo delle pareti: 7mm o Le fibre di rinforzo:
▪ Concentrazione massima:15-30%
▪ Lunghezza massima: continue (l’applicazione di fibre continue richiede l’utilizzo di processi di fabbricazione particolari ed innovativi i quali sono brevettati) Svantaggi rispetto a stampaggio a iniezione:
• Geometrie realizzabili semplici
Processo di stampaggio a inietto compressione
Con l’inietto compressione è possibile realizzare gli stessi materiabili termoplastici ottenibili mediante iniezione. Questo processo ha delle caratteristiche particolari non associate alla realizzazione della colonnina di ricarica.
Processo non adatto per questo progetto
Processo di termoformatura
Tramite termoformatura è possibile, mediante processi innovativi, la realizzazione di termoplastici rinforzati. Trattandosi di un metodo particolare e innovativo è stato deciso di non considerare questa possibilità per la colonnina studiata in questo progetto.
1.4 Le colonnine di ricarica
In questo capitolo vengono analizzate e studiate le colonnine di carica delle auto elettrice. Inizialmente si sono studiate le strategie di ricarica esistenti e le tipologie di stazioni presenti sul territorio.
Successivamente si è proceduto con una valutazione sui principali fornitori di colonnine di ricarica.
Infine, si sono studiati tutti i componenti che costituiscono la stazione di ricarica (elettrici e strutturali).
1.4.1 I modi di ricarica
• Modo1: connessione diretta passiva tra il veicolo elettrico e l’alimentazione. Ricarica (6-8h) mediante corrente monofase (220V) o trifase (400V) con una corrente massima di 16A.Tipologia impiegata per la ricarica domestica. Con questo metodo non ci sono sistemi di controllo, bisogna quindi prevedere della messa a terra e un sistema di protezione supplementare. Questa metodologia di ricarica è proibita in alcuni paesi (es. Stati uniti) in quanto la messa a terra non è presente nelle abitazioni.
Tabella 2: modo 1 di ricarica
• Modo2: connessione diretta semiattiva tra il veicolo elettrico e l ‘alimentazione. Ricarica (6-8h) mediante corrente monofase (220V) o trifase (400V) con una corrente massima di 32A.Tipologia impiegata per la ricarica domestica. Con questo metodo il veicolo deve trovarsi ad una distanza massima di 0.3m dalla presa di corrente alternata. A differenza del metodo 1, in questo caso, la colonnina di ricarica contiene sia la messa a terra che un sistema di controllo in caso di malfunzionamento (sicurezza PWM).
Tabella 3: modo 2 di ricarica
• Modo3: connessione attiva tra il veicolo elettrico e il sistema di alimentazione. La ricarica (lenta:
6-8h; semi rapida: 30min-1h) avviene con corrente alternata monofase (220V) o trifase (400V).
Come per il metodo 2, anche i questo caso, il dispositivo di ricarica possiede sia una messa a terra che un sistema di controllo in caso di guasti o malfunzionamenti (sicurezza PWM).
L’amperaggio massimo consentito è di 32A. In casi particolari, con l’aggiunta di cavi supplementari, si riesce a raggiungere i 250A per la ricarica rapida. Il cavo di comunicazione tra l'elettronica del veicolo e la stazione di ricarica consente l'integrazione nelle smart grid.
Tabella 4: modo 3 di ricarica
• Modo4: connessione attiva tra il veicolo elettrico e il sistema di alimentazione. Ricarica rapida (5-10min) con corrente continua a 600V mediante un massimo di 400A. Come il metodo 2 e 3 anche in questo caso la stazione di ricarica possiede una messa a terra e un sistema di controllo. Questa metodologia implica la trasformazione da corrente alternata trifase a corrente continua. Questa necessità implicala la presenza di ulteriori componenti elettrici che causano un aumento della complessità di fabbricazione ed un conseguente aumento dei costi.
Tabella 5: modo 4 di ricarica
1.4.2 Panoramica globale sulle colonnine di ricarica
Le colonnine di ricarica per le auto elettriche vengono impiegate in 3 ambiti:
• Stazione di ricarica privata: la forma piu semplice. Di solito impiegata per la ricarica notturna di un’auto presso la propria abitazione. In queste tipologie di stazioni si eseguono ricariche attraverso il modo 1 e 2 (corrente alternata con ricarica lenta: 6-8h)
Figura 20: stazione di ricarica privata
• Stazione di ricarica semipubblica: diverse persone possono accedere alla medesima colonnina.
È necessario un sistema di autenticazione e conteggio. In queste tipologie di stazioni si eseguono ricariche attraverso il modo 2 e 3 (corrente alternata con ricarica lenta: 6-8h o semi rapida: 30min-1h)
Figura 21: stazione di ricarica semipubblica
• Stazione di ricarica pubblica: queste stazioni sono situate in luoghi pubblici e sono accessibili e utilizzabili da chiunque. Siccome sono utilizzate per aumentare l’autonomia del proprio veicolo la velocità e la potenza di carica hanno elevata importanza. In queste tipologie di stazioni si eseguono ricariche attraverso il modo 3 e 4.
• Colonnine in corrente alternata CA: ricarica secondo modo 3. Queste colonnine non predispongono di un cavo di collegamento in quanto è necessario utilizzare il cavo in dotazione nelle auto elettriche(non sempre: a volte sono munite di cavo di alimentazione). La ricarica può essere lenta (6-8h) oppure semi rapida (30min-1h)
• Colonnine in corrente continua CC: ricarica secondo modo 4. Queste colonnine predispongono del cavo di alimentazione per effettuare il collegamento vettura- colonnina e non è quindi necessario utilizzare quello CA in dotazione nelle vetture elettriche
Figura 22: stazione di ricarica pubblica
1.4.3 Le colonnine disponibili sul mercato
La tabella sotto riportata rappresenta un valore indicativo del costo in delle varie tipologie di colonnine di ricarica attualmente disponibili sul mercato.
Nota: in questa stima non è presente il costo di installazione dell’apparecchio i quale ammonta circa a 1000 CHF
Tabella 6: costi indicativi colonnine di ricarica
Per identificare la disponibilità delle varie tipologie di colonnine di ricarica nel mercato globale è stata fatta un’analisi sulle aziende leader di questo mercato.
Fornitore 1: Schneider
Questa azienda fornisce diverse tipologie di torrette (EVlink Stazioni) in corrente alternata CA che fanno riferimento ad un unico modulo elettrico contenente tutti gli elementi elettrici necessari per il corretto funzionamento delle colonnine di ricarica. Selezionando il modulo adatto (modo di ricarica + numero di fasi + numero di connettori) e la tipologia di colonnina (interna, appesa, …) è possibile configurare la torretta secondo le proprie esigenze. Queste tipologie di colonnine sono adatte ad un utilizzo privato o semipubblico (ricarica gratuita/ a pagamento con tessera)
Di seguito è riportata un’immagine contenente un esempio di modulo e la relativa colonnina (componente strutturale).
Figura 23: modulo elettrico a SX; colonnina di ricarica a DX (Schneider)
Oltre a questa gamma di prodotti modulabili vi sono anche delle wallbox (EVlink Wallbox) per uso esclusivamente privato predisposte per un montaggio alla parete in ambiente interno. Anche per questa tipologia di caricatori vi sono diverse tipologie da selezionare in riferimento alle necessità di utilizzo.
Figura 24: caricatore a parete Schneider
Fornitore 2: Mennekes
Questa azienda mette a disposizione due tipologie differenti di colonnine di ricarica. Queste non sono adatte ad un utilizzo pubblico.
• colonnine di ricarica Basic – Smart: questa tipologia è più economica ed è adatta ad un utilizzo privato o semipubblico
• AMEDIO Professional+: In questo caso la colonnina possiede un sistema di controllo e gestione avanzato adatto a stazioni di ricarica semi private come grandi hotel o stazioni di ricarica aziendali.
Figura 25: colonnine Mennekes (Basic SX; professional DX)
Fornitore 3: Fimer
Questo fornitore ha una vasta gamma di prodotti. Sia colonnine da fissare al pavimento sia wallbox da fissare alla parete. Oltre alla ricarica di modo 1, modo 2 e modo 3 questa azienda fornisce anche torrette di ricarica di tipo 4 in corrente continua per la ricarica veloce.
• Wallbox: ricarice di modo 2 e 3 adatte ad una stazione di ricarica dimentica (max 22KW)
• Colonnine CC: ricarica modo 3 adatta a stazioni semipubbliche o pubbliche (max 22kw)
• Colonnine CA: ricarica modo 3 e 4 adatta a stazioni pubbliche. Colonnina combinata CC e CA (ricarica rapida per aumento autonomia veicoli elettrici)
Figura 26: colonnine fornitore Firmer
Fornitore 4: Circontrol
Anche questo fornitore, come il fornitore 3 (Firmer) mette a disposizione una vasta gamma di prodotti configurabili in riferimento alle proprie esigenze di ricarica.
• Wallbox: ricarice di tipo 2 e 3 adatte ad una stazione di ricarica dimentica (max 22KW) Questo fornitore mette a disposizione molteplici tipologie di wallbox:
o Circontrol wallbox DC eSpeed Basic: (max 25 Kw) caricabatterie per uso domestico e resistente alle intemperie (uso interno o esterno)
o Circontrol wallbox eHome Plus: (max 7.4 kW) caricatore semplice per uso domestic in ambiente chiuso (no resistente H2O)
o Circontrol wallbox eNext Elite S 7,4kW / T 22kW: (max 22 kW) questa tipologia é adatta per tutte le tipologie di stazioni (privata-semi privata-pubblica). Un sistema di controllo senza fili regola l’erogazione di energia per mezzo del sito internet aziendale
Figura 27: wallbox fornitore Circontrol (speed basic SX; eHome; eNext DX)
• Colonnine: diverse tipologie di stazioni di (CC, CA, CC+CA) che utilizzano il metodo 3 e 4 di ricarica mediante connettore tipo2
o Colonnine Post eVolve Smart, Master-Slave (T): (max 22 Kw) questa tipologia di torrette è adatta per stazioni di ricarica semi-private o pubbliche. Sono presenti due connettori per il collegamento di due veicoli elettrici simultaneamente.
o Circontrol colonnine DC eSpeed Basic: (max 25 kW) colonnina utilizzabile esclusivamente per uso privato. Ricarica modoo 4 mediante corrente continua (x ricariche veloci)
o Circontrol DC Raption 50-150: (max 150 kW) colonnina adatta a tutte le tipologia di stazioni di ricarica (privata, semi privata, pubblica). Ricarica secondo il metodo 4 mediante corrente continua CC (colonnina adatta per necessità di carica rapida
<30min).
Figura 28: colonnine fornitore Circontrol (eVolve SX, eSpeed, Raption DX)
Fornitore 5: BTicino
Questa azienda fornisce divere tipologie di colonnine di ricarica. Per ogni categoria sotto riportata vi sono svariate configurazioni (potenze, numero connettori, controllore, …).
• Kit per la ricarica domestica: (max 25kW) apparecchio che permette la ricarica di tipo domestico mediante il metodo 1 e 2.
• Wallbox in plastica: (max 22 kW) ricarica ti tipo domestico, semi privato o pubblico mediante modo 2 o modo 3. Possibilità di colonnine in corrente CC e con anche 2 connettori per la ricarica di due macchine simultaneamente.
• Colonnine di ricarica in plastica: (max 22 kW) colonnine a pavimento con ricarica mediante modo 2 o modo 3 applicabile a tutte le tipologie di stazioni (sia pubbliche che private)
Figura 29: colonnine fornitore BTicino (kit SX; wallbox; colonnine DX)
Fornitore 6: E-Station
Dall’analisi svolta è risultato il fornitore con il più vasto assortimento in ambito di colonnine di ricarica delle auto elettriche. Di seguito sono riporate le macrocategorie dei prodotti a disposizione. Questa azienda garantisce soluzioni per qualsiasi tipologia di stazione (sia privata che pubblica) e per ogni modo di caricare (dalla corrente CA monofase alla corrente continua ad alta potenza per la ricarica rapida delle batterie).
• Soluzioni per la ricarica classica il corrente alternata mono/trifase CA: questa tipologia di colonne viene suddivisa a seconda della tipologia di autorizzazione associta. Per ognuna sono disponibili diverse varietà di colonnina, wallbox, a diverse potenze (max 22kW) e sono adatte sia ad uso privato che ad uso pubblico.
o Stazioni di ricarica ad accesso libero
o Stazioni di ricarica ad accesso riservato con chiave ON/OFF o Stazioni di ricarica ad accesso riservato con tessere RFID o Stazioni di ricarica con monete/gettoni
o Stazioni di ricarica con pagamento con carte di credito, App e Roaming o Stazioni di ricarica con software di monitoraggio
o Stazioni di ricarica con Gestione del Carico
Tabella 7:prodotti CA fornitore E-Station
Accesso libero Chiave ON/OFF Tessera RFID
Wallbox monete/gettoni Colonnina monete/gettoni credito/app/roming
Software di monitoraggio Gestione del carico
• Soluzioni per la ricarica rapida in corrente continua CC:
o Ricarica Rapida Multi-Standard High-Power: (max 150kW CC + 60kW CA) colonnine adatte alla ricarica rapida in corrente continua di 4 veicoli contemporaneamente. Sono disponibili diverse versioni con svariati sistemi di autorizzazione e controllo adatte per tutte le tipologie di stazioni (pubbliche e private)
o Ricarica Rapida Fast DC 50 kW: (max 50 kW CC + ev. 22 kW CA) colonnine adatte per la ricarica rapida in corrente continua. L’autorizzazione e il pagamento viene gestito con carte di credito e Smartphone App integrato. Anche questa tipologia è adatta per tutte le stazioni sia pubbliche che private
o Ricarica Rapida Fast DC 24 kW: (24 kW CC) la soluzione di colonnina di ricarica rapida piu economica e integrabile sugli attuali impianti elettrici. Adatta a stazioni sia private che pubbliche
o Ricarica Rapida Multi-Standard Normal-Power: (20kW CC) colonnine adatte per stazioni pubbliche o private. Possibilità di caricare uno o due veicoli con diverse tipologie di connettori
o Modo 4 Fast DC CHAdeMO o CCS Combo2 (max 20kW) colonnina di ricarica veloce (modo4) che non richiede alcuna installazione per funzionare.
Tabella 8: prodotti CC fornitore E-Station
Multi-Standard High-Power Fast DC 50 kW Fast DC 24 kW wallbox
Fast DC 24 kW colonnina Multi-Standard Normal-Power Modo 4 Fast DC
Fornitore 7: Scame
Questo fornitore possiede prodotti di diverso genere nell’ambito della ricarica modo 3 mediante corrente alternata trifase (max 22kW). Sia le wallbox che le colonnine sono adatte a stazioni di ricarica sia pubbliche che private in quanto l’accesso e la quantità di energia erogata è controllata mediante un software dedicato.
• Wallbox di ricarica in corrente alternata modo 3 (max 22kW) o Wall Box BE-W: elementi strutturali in acciaio (resistente)
o Wall Box LIBERA: elementi strutturali in materiale termoplastico (reciclabile)
o Wall Box doppio: caricatori caratterizzati dalla possibilità di caricare simultaneamente due vetture elettriche
Figura 30: wallbox fornitore Scame (BE-V SX; LIBERA; doppia DX)
• Le colonnine di ricarica in corrente alternata modo 3 (max22kW) o Colonnine BE
o Colonnine LIBERA
Figura 31: colonnine fornitore Scame (BE SX; LIBERA DX)
Fornitore 8: Repower
Repower è uno dei principali produttori di colonnine di ricarica. Fornisce soluzioni sia per uso domestico, semi privato che pubblico. Colonnine caratterizzate da un design innovativo e compatto.
La gamma di prodotti è limitata ma i componenti sono progettati in dettaglio per garantire compattezza e efficienza di ricarica elevata.
Figura 32: colonnina Repower SX; wallbox Repower DX
Fornitore 9: Tesla
Anche i produttori di automobili (BMW, Mercedes, WW, Toyota, …) si sono immessi nel mercato di dispositivi per la ricarica delle batterie. Tra questi troviamo Tesla, azienda leader nella produzione di veicoli full elettrici, la quale ha il suo assortimento di colonnine di ricarica. Questa azienda fornisce colonnine per stazioni di ricarica private, semi private e pubbliche. Il loro design è innovativo e compatto.
Figura 33: colonnina Tesla SX; wallbox Tesla DX
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
