Impianti di carica per i veicoli elettrici (Seconda parte)

    Impianti di carica per i veicoli elettrici  (Seconda parte)    Sistemi di carica    Il  sistema  di  carica  dei  veicoli  elettrici  è  attualmente  oggetto  di  acceso  dibattito  internazionale per la definizione o meglio per i vari, comprensibili, ma non sempre del tutto  utili, tentativi da parte delle varie nazioni e delle varie aziende di imporre al mercato i propri  standard. Conclusione parziale è che al momento sono definiti 3 tipi di connessione per la  carica  e  4  modi  di  carica,  per  un  totale  teorico  di  quasi  (devono  essere,  cioè,  escluse  le  combinazioni non possibili) dodici varianti sul tema, senza contare i tipi di connettori, prese  e spine.  I tempi richiesti per la carica sono ovviamente inversamente proporzionali alla potenza e  questa,  dal  punto  di  vista  dell’impianto  utente,  può  rapidamente  raggiungere  valori  abbastanza  elevati,  soprattutto  in  relazione  alle  abitudini  italiane  e  più  in  generale  dell’Europa meridionale.  Attualmente,  assieme  alla  infrastruttura  di  carica,  le  batterie  costituiscono  il  punto  più  critico per la definitiva affermazione dei veicoli elettrici.  I principali elementi che costituiscono, infatti, in questo momento i maggiori problemi sono:  - incidenza del costo delle batterie sul costo del veicolo nuovo;  - densità energetica, ovvero volume e peso delle batterie per immagazzinare una quantità  di energia adeguata all’autonomia richiesta;  - tempi e modalità di carica.    Tabella 1:Tempi tipici di carica.      Tipi di connessione 

I  tipi  di  connessione  attualmente  normati  a  livello  IEC  e  Cenelec  per  la  carica  dei  veicoli elettrici sono 3, in funzione del lato o dei lati dotati di connessione non fissa:  A) il veicolo elettrico è connesso al punto di carica utilizzando un cavo di alimentazione e  una spina permanentemente fissati all’EV stesso;  B)  il  veicolo  elettrico  è  connesso  al  punto  di  carica  utilizzando  un  cavo  di  alimentazione  removibile, provvisto di connettore mobile, e un’apparecchiatura di alimentazione in c.a.;  C) il veicolo elettrico è connesso al punto di carica utilizzando un cavo di alimentazione e  un connettore mobile permanentemente fissati all’apparecchiatura di alimentazione.    Si parla di sistema presa/spina sul lato stazione di carica e di connettori se ci si riferisce al  lato veicolo.  Oltre  alle  ovvie,  ma  importanti  considerazioni  di  carattere  pratico  legate  alla  necessità  di  trasportare o meno il cavo di alimentazione, che per le potenze maggiori può rapidamente  avere un peso non trascurabile, una differenza importante tra i vari tipi di connessione per  la carica citati è il confine delle responsabilità. L’impianto elettrico BT dell’utente termina,  infatti,  in  funzione  del  tipo  di  connessione,  in  punti  diversi  (figura  1)  e  con  esso  la  responsabilità  del  progettista  e  dell’installatore.  Quello  che  sta  a  valle  di  questo  punto  è,  infatti, nella responsabilità dell’utente o del costruttore del veicolo.      Figura1: Tipi di connessione per la carica (Norma CEI EN 61851-1)    Modi di carica  Attualmente sono disponibili 4 modi di carica, differenziati in funzione:  - del regime (c.a., c.c.);  - della corrente massima;  - del tipo di presa/spina;  - del tipo di connettore; -  delle  caratteristiche  dell’eventuale  comunicazione/controllo  tra  il  veicolo  e  la  stazione  di  carica.   

Naturalmente  ciascun  modo  di  carica  ha  specifici  vantaggi  e  svantaggi,  che  saranno brevemente commentati nei paragrafi che seguono.    Modo 1  Nel  Modo  1  di  carica,  il  collegamento  del  veicolo  elettrico  alla  rete  di  alimentazione  c.a.  viene  realizzato  attraverso  prese  e  spine  normate  fino  a  16  A,  ovvero  ordinarie  prese  e  spine per uso domestico (in Italia, CEI 23-50) o industriale (CEI EN 60309-2) oppure prese  e spine speciali, ma comunque conformi ad una (qualsiasi) Norma IEC.  In questo momento, il Modo di carica 1 costituisce l’opzione più immediata per la carica dei  veicoli elettrici, ma presenta potenziali problemi di sicurezza. Il funzionamento sicuro di un  punto  di  carica  di  Modo  1  dipende,  infatti,  dalla  presenza  di  adeguate  protezioni  lato  impianto: protezione contro le sovraccorrenti, impianto di terra, protezione contro i contatti.      Figura 2: Modo di carica 1 (Norma CEI EN 61851-1)  Nota:   se previsto    Anche  se  nelle  situazioni  impiantistiche  più  comuni,  in  tutti  i  nuovi  impianti  elettrici  nella  maggior  parte  dei  Paesi,  da  alcuni  anni  le  Norme  tecniche  hanno  reso  obbligatori  gli  interruttori differenziali, non si può negare che vi siano ancora molti vecchi impianti privi di  protezioni differenziali, per cui almeno potenzialmente potrebbe essere difficile per l’utente,  all’atto del collegamento del proprio veicolo elettrico, sapere se l’impianto di alimentazione  è adeguatamente protetto o meno.  Nei  Paesi  in  cui  è  consentito,  l’uso  del  Modo  1  di  carica  potrebbe,  per  un  certo  periodo,  rimanere la modalità di ricarica più diffusa per locali privati (compresi garage residenziali e  parcheggi  aziendali)  grazie  a  semplicità  e  basso  costo  d’investimento.  Con  una  corretta  realizzazione e aggiornamento dell’impianto elettrico, il Modo 1 consente, infatti, la carica  in sicurezza. Il Modo 1 di carica può essere paragonato ai sistemi elettrici di preriscaldo dei motori, che  sono di uso comune nei Paesi del nord Europa da molti anni senza aver manifestato alcun  problema di sicurezza. 

La premessa nazionale della Norma CEI EN 61851-1 indica che il Modo 1 «…è consentito solamente in ambiti strettamente privati non aperti a terzi, quali, ad esempio, ambienti il cui  l’accesso  necessiti  di  chiavi,  attrezzi  particolari,  ecc.,  in  possesso  solo  del  relativo  proprietario».    Modo 2  Analogamente al Modo di carica 1, anche il Modo 2 per il collegamento del veicolo elettrico  alla rete di alimentazione prevede prese e spine conformi ad uno standard IEC (ordinarie o  ad  hoc),  ma  la  massima  corrente  nominale  arriva  a  32  A  ed  è  prevista  una  protezione  supplementare garantita da un box di controllo collocato sul cavo, tra il veicolo elettrico e  la  stazione  di  ricarica,  a  meno  di  30  cm  dalla  spina  e  contenente,  oltre  ai  dispositivi  per  alcune funzioni di controllo, anche un differenziale da 30 mA.      Figura 3: Modo di carica 2 (Norma CEI EN 61851-1)  Nota:   se previsto    L’introduzione  del  Modo  di  carica  2  è  stato  inizialmente  pensato  per  gli  Stati  Uniti  e  considerato  una  soluzione  transitoria,  in  attesa  dello  sviluppo  di  infrastrutture  dedicate.  Recentemente,  tuttavia,  il  Modo  2  sembra  aver  destato  un  rinnovato  interesse  anche  in  Europa, nella prospettiva di sostituire il Modo 1 per la carica presso punti non dedicati.  Oltre  agli  ovvi  svantaggi  di  avere  un  dispositivo  di  controllo  posizionato  sul  cavo,  lo  svantaggio  principale  del  Modo  2  è  che  il  box  di  controllo  protegge  il  cavo  a  valle  e  il  veicolo,  ma  non  la  spina  stessa,  che  in  realtà  risulta  essere  uno  dei  componenti  più  soggetti ad usura. La premessa nazionale della Norma CEI EN 61851-1 indica implicitamente che il Modo 2  non è indicato per ambienti aperti a terzi.   Modo 3 

Il  Modo  di  carica  3  prevede  il  collegamento  diretto  del  veicolo  elettrico  alla  rete  c.a.  di alimentazione,  utilizzando  apparecchiature  di  alimentazione  dedicate.  La  Norma  internazionale  CEI  EN  61851-1  richiede  un  contatto  pilota  di  controllo  tra  il  sistema  di  alimentazione e il veicolo elettrico con le seguenti funzioni:  - inserimento dei connettori;  - continuità del conduttore di protezione;  - funzione di controllo attiva.    Non  è  previsto  esplicitamente  alcun  limite  per  la  corrente  nominale,  ma  di  fatto  esiste  il  limite imposto da prese e connettori attualmente disponibili.      Figura 4: Modo di carica 3 (Norma CEI EN 61851-1)    Vantaggi e svantaggi del Modo 3 sono, in un certo senso, opposti ai Modi 1 e 2: la potenza  per  la  carica  è  elevata  e  la  sicurezza  anche,  ma  ovviamente  richiede  punti  di  carica  dedicati.  La  premessa  nazionale  della  Norma  CEI  EN  61851-1  indica  «con  riferimento  ai  Modi  di  carica  in  corrente  alternata  adottati  in  Italia…  in  ambiente  aperto  a  terzi  deve  essere  adottato il Modo di carica 3».    Modo 4  Il Modo di carica 4 è l’unico che prevede il collegamento indiretto del veicolo elettrico alla  rete  c.a.  di  alimentazione  utilizzando  un  convertitore  esterno  e  un  conduttore  pilota  di  controllo che si estende alle attrezzature permanentemente collegate alla rete.  Con il Modo di carica 4, il carica batterie non è più a bordo del veicolo, ma nella stazione di carica.  Non  è  previsto  esplicitamente  alcun  limite  per  la  corrente  nominale,  ma  di  fatto  esiste  il  limite imposto da prese e connettori attualmente disponibili.  

  Figura 5: Modo di carica 4 (Norma CEI EN 61851-1)    La premessa nazionale della Norma CEI EN 61851-1 non riporta limitazioni di impiego in relazione all’accessibilità del luogo di installazione (aperto o meno a terzi).    Connettori, prese e spine per la carica  Attualmente  sono  normati  (CEI  EN  62196-2)  3  tipi  principali  di  prese,  spine  e  connettori  specifici  per  la  carica  del  veicolo  elettrico  in  c.a.,  differenziate  in  funzione  della  corrente,  della  tensione  nominale,  del  numero  delle  fasi  e  del  numero  dei  contatti  pilota,  ovvero  utilizzabili, con alcune restrizioni, per i Modi di carica 3, 2 e 1:  1)  250 V, 32 A, monofase, 2 contatti pilota (utilizzabile solo lato EV);  2)  480 V, 63 A trifase, 70 A monofase, 2 contatti pilota;  3)  250 V, 16 A, monofase, 1 contatti pilota;    250 V, 32 A, monofase, 2 contatti pilota;    480 V, 63 A, monofase o trifase, 2 contatti pilota.    A  livello  normativo  internazionale  sono,  invece,  ancora  allo  studio  le  caratteristiche  dei  connettori in c.c. (Modo 4, futura Norma IEC 62196-3).  In ragione del rischio di danneggiamento meccanico per urti causati dai veicoli in manovra, le prese a spina devono essere installate tra 50 e 150 cm da terra (Norma CEI 64-8).  L’interblocco  è  richiesto  solo  in  assenza  di  potere  d’interruzione  ordinario  ed  ovviamente  per  il  Tipo  di  connessione  C  è  nelle  responsabilità  del  costruttore  del  veicolo  e  non  dell’impiantista fisso (Norma CEI EN 61851-1).    Cavo flessibile di collegamento  Il  cavo  flessibile  di  collegamento  del  veicolo  elettrico  deve  essere  conforme  alla  Norma  CEI  20-106:  “Cavi  elettrici  con  isolamento  reticolato  non  propaganti  la  fiamma,  con  tensione nominale non superiore a 450/750 V, destinati alla ricarica dei veicoli elettrici”. 

Vale la pena di ricordare, però, che tale cavo ricade sotto la responsabilità del progettista e dell’installatore  dell’impianto  elettrico  solo  nel  collegamento  di  tipo  C,  essendo  in  tutti  gli  altri casi più o meno direttamente parte dell’equipaggiamento elettrico del veicolo.  Coerentemente con la necessità di mantenere sotto controllo le caratteristiche (in primis, la  portata) del collegamento, non è ammesso l’uso di prolunghe.    Protezione contro i contatti indiretti  La  protezione  contro  i  contatti  indiretti  delle  stazioni  di  carica  dei  veicoli  elettrici  deve  rispettare  le  prescrizioni  generali  e  quelle  particolari  riportate  nella  sezione  722  della  Norma CEI 64-8.  Se  la  protezione  è  affidata  ad  un  interruttore  differenziale,  deve  essere  previsto  un  dispositivo  per  punto  di  carica  almeno  di  Tipo  A,  se  si  tratta  di  un  circuito  monofase,  viceversa  di  tipo  B,  se  si  tratta  di  un  circuito  trifase.  È,  infatti,  noto  che  le  protezioni  differenziali  di  tipo  A  non  sono  sensibili  alle  correnti  differenziali  prodotte  da  tensioni  generate da raddrizzatori polifase. Comprensibilmente, il tipo AC non è mai ammesso.  Un’alternativa  è  la  separazione  elettrica,  prevedendo  un  trasformatore  per  punto  di  connessione.      Figura 6: Tipi di differenziali e forme d’onda alle quali sono sensibili    Protezione contro le sovracorrenti  Ogni  punto  di  connessione  deve  essere  singolarmente  protetto  contro  le  sovracorrenti.  Considerando  che  la  Norma  CEI  64-8  riporta  esplicitamente  che  i  coefficienti  di  contemporaneità ed utilizzazione devono essere assunti pari ad 1, una linea che alimenta  più  di  un  punto  di  connessione  può  essere  protetta  a  monte  anche  solo  contro  il  cortocircuito,  a  meno  che  non  vi  siano  altre  prescrizioni  che  lo  impediscano  come,  ad esempio, avviene nel caso dei luoghi a maggior rischio in caso d’incendio.    Autori:  Angelo Baggini [email protected] Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Bergamo  

 Franco Bua [email protected] ECD Engineering Consulting and Design, Pavia