Come funzionano le apparecchiature di ricarica per veicoli elettrici (EVSE)?

L'infrastruttura EVSE comprende tutto, dai caricatori home alle stazioni di ricarica pubbliche e per flotte di veicoli elettrici pesanti. Esaminiamo alcuni dei componenti chiave e delle considerazioni relative all'EVSE.

Metodi di ricarica

Sono prevalenti due tipi di potenza di ricarica:

• Corrente alternata (AC): l'EVSE fornisce corrente alternata al connettore. La corrente alternata viene quindi convertita in corrente continua all'interno del veicolo per ricaricare le batterie.
• Corrente continua (CC): l'EVSE fornisce corrente continua direttamente alle batterie di un veicolo elettrico, bypassando il caricatore di bordo.

A ciò si aggiunge la natura del condotto utilizzato per il trasferimento di potenza:

• Ricarica conduttiva/cablata: è l'opzione di ricarica più comune, in cui un cavo di ricarica collega l'EVSE al veicolo elettrico.
• wireless : invece di un cavo di alimentazione, utilizza la tecnologia induttiva o risonante per fornire energia elettromagnetica alle batterie.
• Ricarica con pantografo: i pantografi collegano un veicolo a una linea di ricarica aerea. Sono utilizzati per veicoli elettrici pesanti in flotte e contesti urbani dove è auspicabile una ricarica rapida e automatizzata senza collegamenti manuali.

Standard di ricarica

Gli standard di ricarica sono quadri normativi completi che coprono diversi aspetti della ricarica tra un EVSE e un EV. Non esiste un unico standard accettato a livello globale. Esistono invece una serie di standard globali e regionali:

• Sistema di ricarica combinato (CCS): lo standard CCS specifica aspetti quali la negoziazione dei parametri di ricarica, l'autenticazione, il pagamento e funzioni avanzate come Plug and Charge (PnC). I connettori CCS supportano sia la ricarica CA che CC. Il connettore CCS di tipo 1 è diffuso in Nord America, mentre quello di tipo 2 è diffuso in Europa e nel resto del mondo.
• Standard di ricarica nordamericano (NACS): il NACS utilizza un unico connettore compatto sia per la ricarica CA che CC.
• CHArge de MOve (CHAdeMO): lo standard CHAdeMO è molto diffuso in Giappone e utilizza due porte separate per la ricarica in corrente alternata e continua.
• Guobiao Tuijian (GB/T): Questi standard sono prevalenti in Cina. In precedenza, utilizzavano porte separate per CA e CC; tuttavia, la nuova versione ChaoJi utilizzerà una porta comune.
• Megawatt Charging System (MCS): lo standard MCS consente di ricaricare rapidamente i veicoli elettrici pesanti, come camion e autobus, utilizzando corrente continua ad alta potenza.

Questi standard riguardano i seguenti aspetti:

• Parametri elettrici, inclusi livelli di carica, tensioni supportate, correnti e limiti di potenza per diverse velocità di carica
• Connettori, compresa la forma, la piedinatura e i meccanismi di bloccaggio meccanico delle interfacce fisiche
• Protocolli di comunicazione, compresi i segnali di controllo tra EVSE e EV e tra EVSE e reti elettriche
• Meccanismi di sicurezza, quali messa a terra e isolamento adeguati

Livelli di carica

La velocità di ricarica è determinata dai livelli di ricarica, come spiegato di seguito.

Ricarica CA

I livelli di ricarica CA dello standard J1772 della Society of Automotive Engineers (SAE) sono integrati nel CCS:

• Ricarica di livello 1: si basa su una presa domestica standard da 120 volt (V) CA in grado di fornire circa 1-2 kilowatt (kW) di potenza a 10-16 ampere (A). È adatta per piccole biciclette elettriche, non per auto elettriche.
• Ricarica di livello 2: la maggior parte home e delle soluzioni di ricarica pubbliche per veicoli elettrici utilizzano caricatori di livello 2. Funzionano a 208-240 V CA. La potenza varia da 7 a 19 kW e la corrente da 32 a 80 A.

Ricarica CC

Il CCS specifica queste cinque classi di alimentazione CC:

• Ricarica a bassa potenza: la potenza di ricarica rimane inferiore a 8 kW.
• Ricarica CC: questi EVSE possono erogare da oltre 8 kW fino a 50 kW.
• Ricarica rapida (FC): FC EVSE può fornire 50-100 kW per almeno 30 minuti.
• Ricarica ultraveloce (UFC): possono erogare 100-150 kW per almeno 20 minuti.
• Ricarica ad alta potenza (HPC): l'EVSE HPC è in grado di fornire più di 150 kW per almeno 10 minuti.

Queste classi e livelli di potenza sono utilizzati anche per la ricarica bidirezionale.

Sistema di ricarica Megawatt (MCS)

La ricarica megawatt è destinata ad autobus elettrici pesanti, semirimorchi, macchine movimento terra, attrezzature aeronautiche e persino navi marittime. Prevede tensioni CC superiori a 1.000 V e correnti da diverse centinaia a 4.000 A. I sistemi MCS esistenti possono fornire da 0,4 a 6 megawatt (MW), mentre i sistemi futuri sono progettati per fornire da 12 a 24 MW.

MCS attualmente specifica cinque livelli di potenza:

• Livello MCS 1: il livello 1 EVSE utilizza cavi di ricarica non raffreddati per fornire fino a 350 A a 1.250 V.
• Livello MCS 2: possono fornire fino a 1.500 A a 1.250 V utilizzando cavi di ricarica raffreddati a liquido.
• Livello MCS 3: il livello 3 EVSE utilizza il raffreddamento a liquido sia per i cavi di ricarica che per le prese EV per fornire fino a 3.000 A a 1.250 V.
• MCS rinforzato (R-MCS): l'MCS rinforzato è in grado di erogare fino a sei MW con correnti che raggiungono i 4.000 A a 1.500 V. È progettato per ambienti difficili come quelli minerari, aeronautici e marittimi.
• X-MCS: questo standard di prossima introduzione potenzierà l'R-MCS per fornire 12-24 MW.

Comunicazione tra EVSE ed EV

L'EVSE e l'EV comunicano tra loro utilizzando protocolli come le specifiche ISO (International Organization for Standardization) 15118 che definiscono come:

• negoziare i livelli di tariffazione
• controllare la sequenza di caricamento che coinvolge handshake e autenticazione
• facilitare la ricarica intelligente (in cui i tempi e le tariffe di ricarica si basano sul carico della rete in tempo reale, sui prezzi dell'energia e sulla disponibilità di energia rinnovabile)
• Implementare PnC con autenticazione e fatturazione automatizzate
• garantire la sicurezza attraverso la segnalazione dello stato di carica e la gestione degli errori
• comunicare in modo sicuro

Meccanismi di sicurezza

Gli standard di ricarica specificano meccanismi di sicurezza quali:

• messa a terra e isolamento per prevenire scosse elettriche
• garantire che l'alimentazione venga erogata solo quando è stabilita una connessione sicura
• meccanismi per rilevare sovracorrenti, sovratensioni, cortocircuiti, guasti a terra e temperature anomale e per spegnere l'alimentazione in modo sicuro
• monitoraggio della temperatura, in particolare per la ricarica CC ad alta potenza

Integrazione nella rete

Gli EVSE sono sempre più integrati nelle reti intelligenti per implementare:

• V2G (vehicle-to-grid) per il flusso bidirezionale di energia
• bilanciamento del carico
• risposta alla domanda
• ricarica intelligente basata sul carico della rete e sulla disponibilità di energia rinnovabile

Alcuni EVSE possono essere alimentati da energia solare e altre risorse energetiche distribuite.

Per una ricarica sicura e affidabile dei veicoli elettrici, è essenziale eseguire test approfonditi sui dispositivi di ricarica (EVSE). I test sugli EVSE devono riguardare gli aspetti descritti di seguito:

• Interoperabilità: l'EVSE deve essere in grado di ricaricare correttamente qualsiasi veicolo elettrico di qualsiasi produttore o modello, al fine di mantenere la fiducia dei consumatori nella mobilità elettrica.
• Conformità al protocollo: molti problemi di interoperabilità derivano da errori di comunicazione. Con numerosi standard EVSE e funzionalità avanzate, è fondamentale eseguire test approfonditi di conformità al protocollo per garantire l'interoperabilità.
• Sicurezza: i test EVSE verificano eventi critici per la sicurezza, come gli arresti di emergenza e lo scaricamento delle fonti interne ad alta tensione. Anche il test della resistenza di isolamento è un controllo di sicurezza fondamentale.
• Prestazioni: i test EVSE devono convalidare le prestazioni in condizioni di guasto, temperature estreme ed eventi dinamici della rete.
• Simulazione: simulazioni realistiche di diversi veicoli elettrici, batterie, scenari positivi e condizioni di errore consentono di spingere i sistemi al limite sin dalle prime fasi a basso costo, senza mettere a rischio le installazioni EVSE o i veicoli elettrici.
• Automazione: l'automazione dei test consente una valutazione ripetibile attraverso centinaia di test, verificando continuamente l'interoperabilità e la conformità.
• Compatibilità elettromagnetica (EMC): le emissioni degli EVSE possono interferire con altri dispositivi elettronici e wireless . I test EMC garantiscono che gli EVSE funzionino sempre nell'ambiente elettromagnetico previsto.
• Sicurezza del protocollo: l'autenticazione sicura e lo scambio di dati vengono verificati testando la sicurezza del livello di trasporto, l'infrastruttura a chiave pubblica per PnC e la sicurezza XML per l'integrità e la non ripudiabilità del livello applicativo.
• Debugging: per il debugging e l'analisi delle cause alla radice, i visualizzatori di tracce di protocollo e gli analizzatori man-in-the-middle consentono l'osservazione, l'acquisizione e la decodifica dei segnali di comunicazione e di alimentazione tra un veicolo elettrico e un EVSE.

I test di interoperabilità utilizzano sistemi e metodi di prova specializzati per garantire una comunicazione e un trasferimento di energia senza soluzione di continuità tra diverse reti, EVSE ed EV. Esaminiamo queste tecniche di seguito.

• Test di conformità: una rigorosa verifica della conformità al protocollo utilizzando specifiche ufficiali dei casi di test di vari standard di ricarica garantisce il rigoroso rispetto delle regole che regolano le negoziazioni di ricarica. Il test dei comportamenti di negoziazione e di fallback garantisce la compatibilità con i modelli EV sia nuovi che legacy. Gli EVSE possono essere progettati per supportare standard in evoluzione.
• Emulazione EVSE: il sistema di test emula un EVSE CA o CC configurabile per testare qualsiasi veicolo elettrico.
• Emulazione EV: il sistema di test funge da EV configurabile universalmente che consente di eseguire test funzionali, di sicurezza e prestazionali dell'EVSE. Utilizza un carico elettronico e un alimentatore rigenerativo per simulare il comportamento dell'EV.
• Emulazione della batteria: il sistema di test è in grado di emulare qualsiasi capacità, tecnologia, stato di carica o resistenza interna della batteria di un veicolo elettrico.
• Test man-in-the-middle: un sistema di test viene posizionato tra un veicolo elettrico reale e un EVSE reale per monitorare, acquisire e decodificare in modo passivo i segnali di comunicazione e di alimentazione. Ciò consente l'analisi in tempo reale degli errori e delle loro cause durante una sessione di ricarica effettiva.
• Test automatizzati: è possibile eseguire in modo sistematico e continuo ampie librerie di casi di test automatizzati basati sulle specifiche del settore per convalidare i comportamenti, inserire parametri modificati e impostare condizioni di superamento/fallimento.
• Test a livello di componenti: il controller di comunicazione EV (EVCC) nel veicolo e il controller di comunicazione dell'apparecchiatura di alimentazione (SECC) nel caricabatterie vengono testati singolarmente utilizzando un tester di interfaccia di comunicazione che emula il controller corrispondente ed esegue casi di test preprogrammati. 

Qual è la differenza tra test di conformità EVSE e test funzionali?

I test di conformità EVSE verificano rigorosamente l'aderenza agli standard di ricarica ufficiali e ai protocolli di comunicazione, compreso il comportamento in condizioni normali, estreme e di errore. Si tratta di un prerequisito per l'omologazione e la certificazione.

I test funzionali vanno oltre i test di conformità, verificando che un EVSE funzioni e abbia le prestazioni previste e attese dagli utenti.