a Seminario sistemi ricarica veicoli 2012-09-13 Campello · 2 Normativa tecnica di riferimento •...

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CONVEGNO TECNICO MATERIALE DIDATTICO

CONVEGNO TECNICO

“AUTO ELETTRICA: FUTURO E SOLUZIONI

PER LA RICARICA”

Intervento: Ing. Cesare Campello Responsabile Tecnico Vega Formazione

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“AUTO ELETTRICA: FUTURO E SOLUZIONI PER LA RICARICA“

CONVEGNO DEL 13/09/2012

AUTO ELETTRICA: FUTURO E SOLUZIONI PER LA RICARICA

“La tecnologia a disposizione per la g p pdiffusione dei sistemi di ricarica“

CONVEGNO DEL 13/09/2012


VEGA FORMAZIONE - Ing. Cesare Campello

CONVEGNO "AUTO ELETTRICA: FUTURO E SOLUZIONI PER LA RICARICA" DEL 13/09/2012

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Normativa tecnica di riferimento• NORME SUI CONNETTORI

• NORME SUI SISTEMI DI COMUNICAZIONE: tra veicolo e infrastruttura e tra infrastruttura e rete elettrica (Smart Grid)

• NORME SUI SISTEMI DI RICARICANORME SUI SISTEMI DI RICARICA


3Vega Formazione SR 0-0 D42

Normativa tecnica di riferimento

(TC69)

Installazioni fisseCEI 64-8

Sistemi di RicaricaCEI EN 61851

Veicoli a propulsione elettrica

ISO TS22/SC21

Batterie (celle) IEC SC21A

Batterie assemblate Connettori di i t f i

Trasferimento datiJWG IEC/ISO V2G



Batterie assemblate ISO TC22/SC21

+ CEI 69-6

interfacciaIEC 62196



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CEI EN 61851-1: Sistemi di ricarica conduttiva dei veicoli elettrici

La Norma CEI EN 61581-1 (CEI 69-7) definiscel’installazione e le caratteristiche delle infrastrutturedi ricarica per veicoli elettrici quali:o 4 modi di ricarica,o 3 tipi di connessione,o misure di sicurezza (contatti diretti/indiretti etc.),

i f i i l i f (


o interfaccia tra veicolo e infrastruttura (es. presa a spina).



I veicoli elettrici stradali (EV) comprendono tutti iveicoli stradali,

inclusi i veicoli stradali ibridi a spina (PHEV) cheattingono tutta o parte della loro energia dabatterie a bordo.





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Definizioni

EV veicolo elettricoEV veicolo elettrico

veicolo stradale elettrico (ISO)veicolo la cui propulsione è fornita da un motore elettrico cheassorbe corrente da una batteria ricaricabile o da altridispositivi portatili di accumulo di energia (ricaricabili,utilizzando l’energia fornita da una sorgente esterna al


utilizzando l energia fornita da una sorgente esterna alveicolo, quale la rete elettrica domestica o pubblica), costruitoprincipalmente per l’impiego sulla pubblica via, su strade oautostrade


Modo di carica 1

Presa fissa non dedicata

Modi di carica per i veicoli elettrici

Connettori standard domestici o industriali

Protezione differenziale e da sovracorrentinell’impianto a monte

Nessun dispositivo di monitoraggio della ricarica


p gg




5

Modo di carica 2

Presa fissa non dedicata,


Connettori standard domestici o industriali,

Protezione da sovracorrenti nell’impianto a monte,

Protezione differenziale e dispositivo di monitoraggiodella ricarica sul cavo



Modo di carica 3

Presa specifica dedicata (terminale di ricarica),


Connettori dedicati,

Protezione differenziale e da sovracorrenti nellastazione di ricarica,

Dispositivo di monitoraggio sulla stazione di ricarica





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Modo di carica 4Carica batteria a terra, ricarica in corrente continuaP ifi d di t ( t i di i i t )


Presa specifica dedicata (stazione di ricarica stessa),Connettori dedicati,Protezione differenziale e da sovracorrenti nellastazione di ricarica,Dispositivo di monitoraggio sulla stazione di ricarica


Dispositivo di monitoraggio sulla stazione di ricarica


Riassumendo: modi di carica per i veicoli elettrici





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Connessione di tipo “A”

connessione di un EV alla rete di alimentazione inc.a. utilizzando un cavo di alimentazione e una spinapermanentemente fissati all’EV

Tipi di connessione dei veicoli elettrici utilizzando cavi e spine

permanentemente fissati all EV



Connessione di tipo “B”connessione di un EV alla rete di alimentazione in c.a.utilizzando un cavo di alimentazione removibile provvisto diconnettore mobile e un’apparecchiatura di alimentazione inc a Il tipo B1 è un collegamento a una presa a muro il tipo


c.a. Il tipo B1 è un collegamento a una presa a muro, il tipoB2 a una stazione di carica specifica





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Connessione di tipo “C”connessione di un EV alla rete di alimentazione in c.a.utilizzando un cavo di alimentazione e un connettore mobilepermanentemente fissati all’apparecchiatura dialimentazione Per la carica in modo 4 è consentita solo la


alimentazione. Per la carica in modo 4 è consentita solo laconnessione di tipo “C”



Le funzioni seguenti sono previste dall’EVSE(equipaggiamento di alimentazione dell’EV) o dall’EVSE e

Funzioni fornite in ogni modo di carica per i modi 2, 3 e 4

( q p gg )dall’impianto del veicolo:- verifica che il veicolo sia correttamente connesso;- controllo continuo della continuità del conduttore diprotezione;


- alimentazione del sistema;- disalimentazione del sistema.




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Verifica che il veicolo sia correttamente connesso

Permette di determinare che il connettore mobile siatt t i it i ll fi tt t

Dettagli delle funzioni per i modi 2, 3 e 4

correttamente inserito in quello fisso e correttamentecollegato

Il movimento del veicolo attraverso il proprio sistemadi propulsione è impossibile finché il veicolo èfisicamente collegato



Controllo continuo della continuità del conduttore di protezione

L ti ità d l ll t di t t l’EVSE


La continuità del collegamento di terra tra l’EVSE(equipaggiamento di alimentazione dell’EV) e il veicolo è verificatacontinuamente

Alimentazione del sistema


L’alimentazione del sistema non è consentita finché lafunzione pilota tra l’EVSE e l’EV non siacorrettamente stabilita




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Disalimentazione del sistema

Se la funzione pilota si interrompe la fornitura di


Se la funzione pilota si interrompe, la fornitura dienergia al cavo di alimentazione si interrompe, mail circuito di controllo può rimanere alimentato



Non esiste ad oggi un unico standardLe norme di rifermento sono in fase di modifica,

Connettori per la ricarica

con l’obiettivo di arrivare ad un unico standard(auspicabile per lo meno in ambito Europeo)

Purtroppo non è una novità si pensi alle prese ealle spine in ambito domestico e similare





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Connettori per la ricarica in ca

Lato veicolo Lato infrastruttura

1. Cavo fisso2. Tipo 23. Tipo 3

1. Tipo 12. Tipo 2



Tipo 1 - “Yazaki” (SAE J1772, IEC 62196-2)

Standard del nord America utilizzato anche in


Standard del nord America, utilizzato anche inGiappone, ricarica monofase c.a. (12A/16A - 120V –2 kW, 32A/80A - 240V - 7.5 kW, 80A negli Stati Uniti d’America)

Utilizzabile lato veicolo






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Tipo 2 - “Mennekes” (VDE-AR-E 2623-2-2, IEC 62196-2)

Standard europeo (tedesco) ricarica monofase/trifase


Standard europeo (tedesco), ricarica monofase/trifasec.a.(16A - 230V - 3.5kW, 16A/32A/63A - 400V - 43kW)

Utilizzabile lato veicoloe lato infrastruttura



Tipo 3 - “EV Plug Alliance” (IEC 62196-2)


p g ( )

Standard europeo (italiano, francese), ricaricamonofase/trifase c.a. (16A/32A - 230V – 3.5kW,16A/32A - 400V - 22kW)


Utilizzabile lato infrastruttura




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Cord set con TIPO 1

Connettore TIPO 1 (YAZAKI)

‐ 16‐32‐63 A a.c.‐ 400 V

Cord set con TIPO 2

Connettore TIPO 2(MENNEKES)

‐32 A a.c.‐ 220 V



CONNETTORILATO INFRASTRUTTURA

CONNETTORI LATO VEICOLO

(MENNEKES)

Ricarica del veicolo in corrente continua





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“CHAdeMO” (IEC 62196-3)

Standard giapponese, infrastruttura trifase c.a. (500V –

Ricarica del veicolo in corrente continua

infrastruttura trifase c.a. (500V 50 kW), per la ricarica in corrente continua del veicolo (125A)


Cavo fisso lato


infrastruttura


Universal EV Combined Charging SystemPer condividere le stazioni di ricarica utilizzando una presa unica,si stà creando uno standard di riferimento per Europa e Stati Uniti.L'accordo è stato siglato da 7 costruttori di veicoli

Connettori per la ricarica in ca e in cc





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Universal EV Combined Charging System

Le quattro opzioni di carica sono: corrente alternatamonofase, corrente alternata trifase, corrente

Connettori per la ricarica in ca e in cc

, ,continua a casa e corrente continua nelle stazioni diricarica pubbliche.

Il sistema è stato presentato all'Electric VehicleSymposium EVS26 di Los Angeles (maggio 2012) ele prime vetture dotate di questa tecnologia saranno


le prime vetture dotate di questa tecnologia sarannodisponibili sul mercato nel corso del 2013


Un veicolo elettrico puro impiega esclusivamente ilmotore elettrico per la trazione utilizzando energia

i t d i t di b tt i l tt i h

Struttura del veicolo elettrico

proveniente da un sistema di batterie elettriche connotevoli vantaggi in affidabilità, sicurezza,silenziosità e pulizia.

BatterieSistemaGestione Inverter Motore

TRAZIONE



Batterie GestioneBatterie

Inverter elettrico TRAZIONE



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Il sistema per la gestione delle batterie si occupa dicontrollare le batterie durante le fasi di carica e

i i d d it d i t d ll

Struttura del veicolo elettrico

scarica, in modo da evitare un danneggiamento dellestesse. Quando il veicolo richiede potenza, il sistemagestisce la fase di scarica della batteria

L’inverter trasforma la corrente continua dellebatterie in alternata per fornirla al motore


Il motore elettrico è generalmente in presa diretta,evitando cosi sistemi di cambio e frizione


Le batterie sono, ad oggi, la parte più critica delveicolo elettrico, basti pensare ai costi, al peso, ait i di i ll’ t i

Batterie

tempi di carica, all’autonomia …





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La benzina ha una densità di energia pari a circa45 MJ/kg (12.510 Wh/kg), le batterie invece ..

Batterie

Batterie NiMH (nichel metallo ioduro)

Piombo acido Litio ioni Litio

polimeropDensità di energia

(MJ/kg) 0,22-0,43 0,11-0,18 0,4-0,61 0,47-0,72

Densità di energia (Wh/kg) 60-120 30-50 110-170 130-200

Peso equivalente 8 16 20 33 6 9 5 8



q(Kg/kWh) 8-16 20-33 6-9 5-8

In realtà i pesi reali delle batterie per auto elettriche sono superiori, …esempio: Opel Ampera, batterie 16 kWh, peso ~ 200 kg, 200/16= 12.5 kg/kWh

Energia da carburanti tradizionali1 kg benzina densità di energia 12.5 kWhProblema …. il contenuto !

Batterie

Problema …. il contenuto !

Energia accumulata su batterie per EV1 kg batterie Li – Ion ~ 0.1-0.15 kWh


Da migliorare …. il contenitore !




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L’evoluzione dei veicoli elettrici è strettamentelegata all’evoluzione delle batterie (accumulatori dienergia elettrica, ricaricabili)

Batterie

energia elettrica, ricaricabili)

Le batterie al litio sono quelle che permettono diottenere i migliori risultati grazie al basso pesoatomico ed alla elevata capacità specifica diaccumulare cariche elettriche



Vediamo alcuni dei parametri principali chedescrivono potenzialità e funzionamento dellebatterie elettriche

Batterie

Capacità (C)Si misura in Ampère-ora (Ah) e rappresenta laquantità di carica elettrica che può essereimmagazzinata; la Capacità è data dal prodottodell’intensità della corrente erogata per il tempo


necessario perché l’accumulatore si scarichifornendo continuativamente quella data corrente




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Esempio: batteria da 1 Ah può erogare una correntedi 0,1 ampere per dieci ore prima di scaricarsi.

In realtà la capacità reale è molto dipendente dal

Batterie

In realtà la capacità reale è molto dipendente daltasso di scarica, C decresce con l'aumentare dellacorrente richiesta. Per questo una batteria da 1 Ahsolitamente non riesce a fornire 1 ampere per un'ora.

Per ottenere l'energia in wattora è necessariolti li l ità i Ah l t i


moltiplicare la capacità in Ah per la tensionenominale.


Un veicolo elettrico necessita di circa

Energia accumulata nelle batterie e percorrenze dei veicoli

0,125 ÷ 0,25 kWh per percorrere 1 km

allora con 1 kWh un veicolo elettrico percorre circa 4-8 km


p




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Consumi veicoli elettrici puri: Plug-in Electric Vehicles

Batterie Consumo medio (1)

Autonomia (media)

Veicoli PEVVeicoli PEV segmenti A e B

(peso < 1000 kg)16 kWh 125 Wh/km 130 km

Veicoli PEV segmenti C e D (1000 kg < peso 30 kWh 180 Wh/km 170 km



(1) Senza utilizzo condizionatore, tergicristalli, etc. altrimenti dividere per 0.8-0.9

(1000 kg < peso <2000 kg)

Vediamo alcuni esempi di veicoli elettrici per capire iquantitativi di energia accumulabile nelle batterie

Costruttori di veicoli elettrici e batterie





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Costruttori di veicoli elettrici e batterie



Nel corso del 2012 il prezzo delle batterie per gli e-vehicles si attesta tra i 500 e 600 dollari/kWh. Nel 2020 icosti potrebbero scendere a 200 dollari, per arrivare a160 dollari nel 2025 (studio di McKinsey & Co)

Andamento del costo delle batterie

200300400500600

Stima Andamento Costo Batterie

Costo Batterie $/kWh



0100

2012 2020 2025



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