Riuscire a ricaricare un veicolo elettrico in pochi minuti è un prerequisito essenziale per un’ampia accettazione della mobilità elettrica. Che sia possibile realizzarlo nella pratica lo dimostra il risultato di un progetto di ricerca presentato presso la stazione di servizio sull’autostrada tedesca A8. Il sistema di ricarica HPC raffreddato a liquido di Phoenix Contact svolge un ruolo importante nell’ottenimento di questo risultato.
FastCharge
La ricarica di veicoli elettrici richiede troppo tempo e gli attuali veicoli sono difficilmente utilizzabili nella vita di tutti i giorni… ecco le argomentazioni avanzate da molti conducenti quando si parla di mobilità elettrica. Per renderla adatta all’uso quotidiano, è necessario studiare i limiti elettrotecnici di tutti i componenti e sistemi coinvolti nella ricarica. A tal fine, nel luglio 2016 è stato avviato il progetto di ricerca FastCharge nel quale sono state testate capacità di ricarica fino a 450 kW con l’obiettivo di rendere l’attività di ricarica veloce e conveniente quanto il rifornimento di carburante.
Il progetto congiunto si è focalizzato sulla ricerca di tutti gli aspetti della ricarica High Power Charging con l’obiettivo di rendere disponibili le necessarie tecnologie nell’uso quotidiano.
Oltre all’aumento dei livelli di potenza utilizzati per la ricarica, sono state analizzate anche le basi ed i processi per il funzionamento dei sistemi di ricarica ultrarapida, incluso anche il processo automatico di riconoscimento e di fatturazione “Plug & Charge”, così importante per l’utente. Il progetto triennale che copre tutti gli aspetti del processo di ricarica, promosso dal Ministero Federale dei Trasporti e delle Infrastrutture Digitali, ha coinvolto, in qualità di leader del consorzio, il gruppo BMW e le società Allego GmbH, Dr. Ing. h.c. F. Porsche AGm, Siemens AG e Phoenix Contact E-Mobility GmbH (figura 2).
Con l’inaugurazione a Dicembre 2018 di questo sistema di ricarica high-tech a Jettingen-Scheppach in Baviera sull’autostrada A8 tra Ulm e Augsburg, il consorzio ha dimostrato la fattibilità pratica di tempi di ricarica inferiori a tre minuti per i primi 100 chilometri di autonomia. Occorrono solo 15 minuti per passare da uno stato di carica (SOC – state of charge) del 10 % ad uno dell’80%, ovvero per una batteria quasi completamente carica.
Ricarica con veicoli di test
Per poter sfruttare al meglio questa efficiente infrastruttura di ricarica, sono necessari veicoli elettrici in grado di gestire queste elevate potenze e di immagazzinarle nelle loro batterie. Nel progetto FastCharge, Porsche e BMW hanno fornito veicoli di test adatti allo scopo. Il gruppo BMW ha equipaggiato un veicolo i3 con una batteria ad alto voltaggio con una capacità netta di 57 kWh. Il processo di ricarica è durato circa 15 minuti ad una potenza massima di 175 kW. Porsche ha equipaggiato una Panamera di un pacco batteria con una capacità netta di circa 90 kWh. La vettura ha ricaricato ad una potenza iniziale di oltre 400 kW consentendo di ottenere tempi di ricarica inferiori ai 3 minuti per i primi 100 km di autonomia. Entrambi i veicoli sono dotati di potenti sistemi di raffreddamento dei pacchi batteria durante il processo di ricarica.
Più elevate sono la tensione e la corrente, più velocemente avviene il rifornimento di energia. Ma la ricarica rapida non è priva di problemi: elevate correnti di ricarica producono molto calore. La nuova infrastruttura di ricarica FastCharge raggiunge tensioni fino a 920 Volt e fino a 500 Ampere, valori questi che sottopongono ad uno stress elevato tutti i componenti dell’infrastruttura di ricarica coinvolti, compresa la batteria. Per contenere l’incremento di temperatura sulle parti conduttive, i scomponenti incaricati della trasmissione di energia vengono raffreddati.
L’alimentazione in bassa tensione è sufficiente per il corretto funzionamento della stazione di ricarica
La stazione di ricarica si compone di un unità di potenza remota e di due postazioni equipaggiate con cavi di ricarica HPC. L’unità remota permanentemente connessa ad una linea di alimentazione in bassa tensione, contiene i moduli elettronici di potenza che alimentano entrambe le postazioni, la prima da 175 kW e la seconda da 450 kW. Nonostante le elevate potenze, non è stato necessario implementare un complesso collegamento in media tensione per alimentare la stazione di ricarica in quanto la linea di alimentazione in bassa tensione si è rivelata sufficiente a ricaricare contemporaneamente due veicoli alla massima potenza. Le postazioni di ricarica con il nuovo design di Allego utilizzano i connettori di ricarica CCS Tipo 2 che è lo standard ufficialmente riconosciuto in Europa per la ricarica rapida.
La stazione di ricarica è in grado di ricaricare tutti i veicoli equipaggiati con la presa CCS Tipo 2 in quanto la sua elettronica di controllo è in grado di adattarsi ai livelli di potenza richiesti dal BMS del veicolo. Lo standard di ricarica CCS di tipo 2 si è già affermato in Europa e in Sud America.
Grande autonomia con tempi di ricarica brevissimi
Con i cavi di ricarica HPC raffreddati a liquido di Phoenix Contact, utilizzati nel progetto FastCharge, è possibile ricaricare pacchi batteria alimentabili a 400 V e 800 V, in funzione del modello di veicolo elettrico disponibile. I tempi di ricarica rapida di un’auto elettrica stanno diventando sempre più simili a quelli di un rifornimento di carburante di un veicolo convenzionale. L’avanzata tecnologia di ricarica consente di ricaricare la batteria delle auto elettriche con una corrente di 500 Ampere in modo continuativo – impiegando sostanzialmente lo stesso tempo necessario per una breve pausa caffè (figura 4).
Durante lo sviluppo della tecnologia HPC (High Power Charging), Phoenix Contact non ha solamente realizzato un sistema in grado di offrire le massime prestazioni richieste, ma, realizzando un passaparete dedicato, ha anche considerato le necessità dei propri clienti agevolando la loro attività nella fase di realizzazione della stazione di ricarica. Grazie a ciò i tempi di allestimento di una stazione di ricarica HPC sono similari a quelli di una stazione di ricarica elettrica convenzionale.
A differenza delle stazioni di ricarica “High Power” convenzionali, la tecnologia HPC di Phoenix Contact utilizza un sistema di raffreddamento a liquido intelligente per evitare il surriscaldamento dei connettori e dei cavi di ricarica. L’impiego di un’ecologica miscela acqua-glicole come liquido di raffreddamento semplifica notevolmente la manutenzione del circuito di raffreddamento, questo perché è possibile utilizzare un sistema semiaperto rispetto ai sistemi di raffreddamento chiusi con raffreddamento ad olio, che, al contrario, richiedono molta manutenzione.
Semplice manutenzione e sensori nel connettore di ricarica per la massima sicurezza
I cavi di ricarica nelle stazioni pubbliche sono solitamente esposti a forti sollecitazioni meccaniche, ad esempio quando vengono lasciati cadere o calpestati. La parte del connettore più soggetta a questi stress meccanici è quella frontale. Il connettore HPC di Phoenix Contact è stato sviluppato in modo da consentire una rapida sostituzione della parte plastica frontale e dei contatti di potenza. In caso di danneggiamento, la riparazione è quindi semplice e veloce, in modo da ridurre al minimo i tempi di fermo delle stazioni di ricarica e contenere i costi di manutenzione evitando costose sostituzioni dell’intero cavo.
La sicurezza è una priorità per Phoenix Contact e per questa ragione all’interno dei connettori HPC sono stati integrati numerosi sensori per monitorare una serie di variabili con l’obiettivo di prevenire eventuali situazioni di pericolo. Tutte queste le informazioni vengono memorizzate e trasmesse dal connettore HPC al sistema di controllo della stazione di ricarica che ha il compito, tra gli altri, di monitorare costantemente la temperatura per evitare il surriscaldamento delle parti conduttive.
Il cavo di ricarica HPC è certificato CE e soddisfa tutti i requisiti degli standard richiesti.
Una delle maggiori sfide affrontate da Phoenix Contact durante lo sviluppo del cavo di ricarica HPC è stata quella di renderlo il più leggero e maneggevole possibile, disegnando una particolare geometria del cavo raffreddato e contendo la sezione cablabile dei cavi DC.
Tutto ciò è stato possibile solo grazie ad un sistema di raffreddamento “intelligente” ed efficiente. Inoltre, i connettori HPC sono dotati di contatti argentati e un inserto portacontatti che, grazie alle sue buone proprietà di conducibilità termica, funge anche da dissipatore di calore. Ciò si traduce in una stabilità termica particolarmente elevata con prestazioni di raffreddamento ottimali.
