Documenti di riferimento, quadro normativo.
Uno dei principali problemi che un nuovo mercato come quello dei veicoli elettrici plug-in (PEV) potrebbe dover affrontare è la mancanza di un quadro normativo definito che consenta l'espansione di reti e veicoli basati su componenti e sistemi standardizzati. La standardizzazione del mercato è fondamentale per il successo di questa nuova opportunità per l'industria automobilistica e dei veicoli elettrici.
Osservando la situazione nei principali mercati come quello americano, europeo e giapponese, si nota che la maggior parte delle normative e degli standard sono attualmente in fase di finalizzazione. Analizzeremo le normative SAE, UL, IEC e ISO.
Documenti di riferimento SAE
La Society of Automotive Engineers (SAE) identifica una serie di documenti di lavoro che trattano vari aspetti della comunicazione tra il veicolo e la rete elettrica intelligente. Oltre al documento J1772, che definisce le considerazioni relative al tipo di connettore, esistono i documenti J2836 e J2847. Ciascuno di questi documenti è suddiviso in cinque sezioni incentrate sulle seguenti aree:
1. Livelli di incentivazione inclusi come raccomandazione.
2. Dettagli sui requisiti delle apparecchiature per i caricabatterie CC esterni, noti come EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment).
3. Stabilisce gli indicatori per definire la futura transizione dell'energia dal veicolo alla rete.
4. Stabilisce i sistemi diagnostici per il sistema di ricarica.
5. Conterrà le opzioni specifiche dei diversi produttori di veicoli.
Inoltre, troviamo le seguenti normative:
- La norma SAE J2894 (Requisiti di qualità dell'alimentazione dei caricabatterie) stabilisce una serie di standard per i caricabatterie di bordo.
- La norma SAE J2293 (Sistema di trasferimento di energia per veicoli elettrici) definisce le normative per le apparecchiature di supporto.
- La norma SAE J2464 (Prove di sicurezza e di resistenza agli abusi per i sistemi di accumulo di energia ricaricabile (RESS) per veicoli elettrici e ibridi) riporta una serie di raccomandazioni di prova, procedure e analisi dei dati per i sistemi di accumulo.
Infine, nel documento J2931 possiamo trovare diversi requisiti per l'utilizzo del PLC (Power Line Carrier Communication) come elemento di comunicazione tra il veicolo e l'EVSE.
UL
stabilisce una serie di standard di riferimento, come ad esempio:
Apparecchiature per sistemi di ricarica di veicoli elettrici (EV) – UL 2202, che definisce una serie di prerequisiti per la sicurezza delle stazioni di ricarica e una serie di armonizzazioni con le normative SAE. Altri standard di riferimento includono:
- UL 1998, Software nei componenti programmabili.
- UL 2231, Dispositivi di protezione individuale per circuiti di alimentazione di veicoli elettrici (EV).
- UL 2251, una serie di aggiornamenti sui connettori (spine, prese e accoppiatori per veicoli elettrici).
- UL 2594, Nuovo standard per i connettori.
- UL 1741, sulle apparecchiature in generale (inverter, convertitori, regolatori e apparecchiature per sistemi di interconnessione per l'uso con risorse energetiche distribuite).
IEC
- IEC 61851 (IEC TC69/WG4), Sistemi di ricarica conduttiva per veicoli elettrici, Ricarica conduttiva (Parte 1, 21, 22, 23).
- IEC 61851-24 (IEC TC69/WG4), Sistemi di ricarica conduttiva per veicoli elettrici, Ricarica conduttiva, Comunicazione tra veicolo e rete (Parte 4: Comunicazione tra veicolo e stazione di ricarica)
- IEC 62196 (IEC TC23/SC23H) - Giunti e connettori (Parte 1: Spine, prese e accoppiatori per veicoli - Ricarica conduttiva di veicoli elettrici)
- IEC 62196 (IEC TC23/SC23H) - Giunti e connettori (Parte 2: Requisiti di intercambiabilità dimensionale per accoppiatori per veicoli a perno e tubo di contatto)
Norma ISO
12405-1 (ISO/TC22/SC21) per le prove di batterie agli ioni di litio in applicazioni di potenza.
congiunto ISO/TC 22/SC 23 - IEC TC69: interfacce di comunicazione veicolo-rete elettrica.
ISO TC22, che unirà il lavoro dell'IEC TC69 con quello di altri gruppi di lavoro (SC3/WG1, SC21).
Punto di partenza: architetture di ricarica future.
Per definire le architetture future, è necessario comprendere le esigenze di ricarica e comunicazione che si evolveranno parallelamente all'emergere di nuovi veicoli e tecnologie. Un punto di partenza per la stima del fabbisogno di ricarica delle batterie può essere individuato negli attuali veicoli ibridi (in particolare gli ibridi completi, HEV) (Toyota Prius, Honda Insight, Lexus, ecc.). In questi veicoli, possiamo stimare il fabbisogno di ricarica della batteria a 1,5 kWh. In questo caso, ovviamente, non è necessaria energia esterna, poiché il veicolo stesso fornisce la potenza necessaria. Possiamo osservare l'evoluzione di questo concetto negli ibridi plug-in (PHEV, Plug-in hybrid EV), dove il fabbisogno di ricarica della batteria aumenta a 8 kWh. Infine, il veicolo elettrico puro (BEV) di prossima uscita porterà il fabbisogno energetico per la ricarica della batteria a 25 kWh (Figura 1).
Comprendendo che fa parte di un modello che include azioni negli Stati Uniti, in Europa e nell'area APAC, il documento iniziale J1772 stabilisce i fondamenti dell'interfaccia tra il veicolo e il sistema EVSE, incluso il connettore. Questo sistema di ricarica esterno può essere suddiviso in tre architetture che includono:
- Livello 1, che intendiamo come il livello base sviluppato per essere supportato dalla ricarica domestica delle batterie nelle aree di Stati Uniti/Giappone. I requisiti di potenza variano tra 1,5 e 2 kWh (circa 120 V, 15-20 A). I tempi di ricarica possono variare, ma stabiliamo che la batteria può essere completamente carica in 6-8 ore.
- Livello 2, circa 240 V, monofase, per raggiungere 19,2 kWh (80 A), e
- Livello 3, ricarica in corrente continua, ultraveloce, progettata per caricare direttamente la batteria e ridurre al minimo i tempi di ricarica. È in questo tipo di ricarica che la comunicazione tra il veicolo e il sistema EVSE (caricabatterie esterno) è particolarmente necessaria, i requisiti stabiliti nel documento di lavoro J2293
- I contributi stabiliti nelle indicazioni SAE sono integrati nel sistema ISO/IEC, troviamo le modalità 1, 2, 3 e 4, quest'ultima stabilisce anche vari casi che possono variare a seconda del paese.
Se rappresentiamo graficamente i tempi di ricarica e la potenza trasferita (Figura 2), possiamo constatare che è possibile raggiungere picchi di 7 kW in una ricarica di 3 ore (240 V, 30 A).
Ricarica della batteria vs. tempo di ricarica
. A questo punto, è interessante analizzare come la batteria sia in grado di caricarsi mantenendo uno stato di salute (SOH) che massimizzi la sua durata. Ciò è particolarmente importante nel settore dei veicoli elettrici, dove il costo di queste batterie (solitamente ai polimeri di litio) è piuttosto elevato (a seconda della tecnologia di produzione, si può stimare una media di 400-700 dollari USA per kWh). Ogni ricarica rapida limita questo valore di SOH e può ridurre la durata della batteria se questo metodo viene utilizzato eccessivamente. Il concetto di SOH è piuttosto complesso, in quanto deve essere in grado di parametrizzare il comportamento di carica e scarica della batteria per prevedere (e forse anche garantire) la sua durata futura.
La misurazione dello stato di carica (SOC), un parametro molto più intuitivo del già citato stato di carica (SOH), riflette lo stato di carica della batteria. Come già accennato, soprattutto nei sistemi di ricarica che utilizzano la ricarica trifase o in corrente continua per ridurre i tempi di ricarica, misurare questo parametro e averlo a disposizione di un sistema di monitoraggio può essere fondamentale per garantire di non compromettere significativamente la durata futura della batteria. Per stabilire i tempi di ricarica tipici, è necessario analizzare la potenza da trasferire e la posizione del caricabatterie (all'interno o all'esterno del veicolo, esterno o a bordo). La Tabella I mostra i tempi di ricarica tipici in base alla potenza di avviamento e al tipo di veicolo.
È interessante osservare anche come i tempi di ricarica varino in base alla potenza di avviamento.
La stessa tabella mostra che la connettività PLC dal veicolo all'elemento di supervisione EVSE è necessaria per garantire la comunicazione tra il veicolo e il punto di ricarica; se il caricabatterie si trova all'esterno del veicolo, è assolutamente obbligatoria.
Anche per i sistemi di ricarica più lenti, questa connettività è considerata necessaria, in quanto fornisce al sistema un potente strumento in grado di garantire una ricarica rapida ed efficace, oltre ad aggiungere intelligenza in termini di misurazione dell'energia e comunicazione con il veicolo. Un sistema tipico che includerebbe il veicolo all'interno di un sistema Smart Grid completo potrebbe essere quello mostrato in Figura 3. Per garantire questa comunicazione, oltre al monitoraggio dei parametri di ricarica (corrente, tensione), l'azienda PREMO, insieme a Nagares, sta sviluppando la tecnologia per i cosiddetti moduli di filtraggio e monitoraggio per BEV e PHEV. In sostanza, si tratta di sistemi che forniscono al veicolo informazioni sul tipo di carica che sta ricevendo, oltre a filtrare la corrente utilizzata dal veicolo per la ricarica della batteria. Le informazioni tensione-corrente sono fornite da una serie di sensori che includono misurazioni di tensione e corrente CA e CC per linea, nonché una misurazione ad alta precisione della corrente in modalità differenziale, che consente di stabilire un livello di sicurezza per prevenire anomalie o guasti di isolamento durante le operazioni di carica (Figura 4).
Conclusioni
Abbiamo discusso diversi punti, come i livelli di ricarica stabiliti e come possiamo influenzare la ricarica controllandola sia dal veicolo ai livelli 1 e 2, sia da remoto da un caricabatterie CC dotato di capacità di comunicazione con il veicolo.
Analizzando le tendenze e gli obiettivi fissati da diverse aziende e organizzazioni, possiamo comprendere che la ricarica di BEV e PHEV su reti intelligenti consentirà di raggiungere i seguenti quattro punti fondamentali:
1. Gestione delle tariffe a fasce orarie (Time of Use, TOU) e sistemi di gestione dell'utilizzo della rete.
2. Aprirà una serie di possibilità in quello che viene chiamato Controllo Diretto del Carico (Direct Load Control, DLC), consentendo l'analisi della rete di veicoli connessi.
3. Programmi di tariffazione periodica/oraria (Periodic/Hourly Pricing, P/HP) personalizzati per gli utenti.
4. Possibilità di gestire la ricarica della batteria come carichi attivi.
Il documento J2836 sulle migliori pratiche definisce anche i protocolli di riferimento per la struttura dei messaggi tra il veicolo e la rete (Strutture dei messaggi Smart Energy Profile 2.0). Per lo sviluppo di casi d'uso, è possibile consultare anche il documento di riferimento J2847.
Il gruppo PREMO, insieme ai suoi vari partner in progetti nazionali e internazionali, lavora allo sviluppo di tecnologie per veicoli elettrici e ibridi, in particolare componenti induttivi per convertitori ad alta efficienza, sistemi di monitoraggio della corrente di carica della batteria e moduli di filtraggio e comunicazione.
PREMO sviluppa tecnologie per sistemi di filtraggio, comunicazione e misurazione dell'energia in collaborazione con NAGARES. Entrambe le aziende sono state riconosciute come aziende innovative alla conferenza SAE 2010
di Detroit.
Autore: Felipe Jerez, CTO Gruppo PREMO
