Scopriamo assieme gli EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment)

Chi ha un’auto elettrica o almeno ibrida, purché sia “Plugin” (ovvero ricaricabile dall’esterno) o si sia comunque interessato all’argomento, ne avrà già sentito parlare. Detti anche Wall Box, EV Chargers, Colonnine di Ricarica o, volgarmente, “caricabatterie”, si tratta degli EVSE, acronimo di Electric Vehicle Supply Equipment. La seconda “E”, che sta per equipment, esprime al meglio il senso di questo misterioso EVSE, perché in realtà si tratta di un dispositivo che fa un po’ di tutto, tranne quel che ci si aspetterebbe, ovvero gestire la corrente di ricarica come farebbe un normale caricabatterie; questo, perché in realtà tale azione è svolta dall’elettronica del veicolo.

Ciò detto, a cosa serve l’EVSE, Electric Vehicle Supply Equipment? In effetti la domanda sorge spontanea. La risposta è molto più ricca e articolata di quanto non sembri.

LA STORIA

Da quando esistono le prime auto elettriche ci si è posti il problema di rendere sicura la manovra di ricarica del mezzo. In pratica, gli stessi criteri e normative adottate per le pistole delle pompe di benzina dovevano inevitabilmente diventare il complemento analogo nella versione elettrica.

Ecco quindi che il “nostro marchingegno” è chiamato ad eseguire una lunga lista di azioni di controllo e verifica prima di consentire l’avvio dell’operazione di ricarica, in modo da scongiurare i possibili rischi che l’azione comporta.

LA SICUREZZA PRIMA DI TUTTO

Come sappiamo, acqua ed elettricità vanno poco d’accordo, ma l’auto deve garantire l’utilizzabilità anche sotto la pioggia e l’operazione di ricarica non fa eccezione. Ma l’auto è anche abbandonata all’aperto, alla mercé di eventuali vandali o semplicemente ragazzini in vena di dispetti, quindi sono previsti dei sistemi di blocco dello sgancio dei connettori e un’idonea robustezza del cavo. Inoltre una macchina è una massa metallica che, se non è correttamente tenuta a potenziale di terra, può diventare una trappola mortale per chiunque la tocchi.

Poi c’è la questione delle alte correnti in gioco, che sviluppano facilmente calore quando la conduttività dei contatti non fosse più ottimale, quindi necessità di protezione da surriscaldamento e/o fuoco; è quindi necessario monitorare la temperatura dei connettori, sia lato EVSE, sia lato veicolo.

Insomma, il sistema è pensato per essere sicuro. Molto, sicuro.

I CAVI

I cablaggi sono elettricamente sovradimensionati, ossia le loro sezioni sono pensate per un uso continuativo e costante alla massima corrente nominale, aggiungendo un margine di sicurezza, mentre i trefoli di rame sono sempre intestati con capicorda per evitare che le viti di serraggio del connettore possano danneggiarli.

Ma i cavi stessi sono anche rinforzati, con una corazza che ne rende praticamente impossibile il taglio con attrezzi comuni (coltelli, forbici, ecc…) e persino capaci di resistere anche se vengono schiacciati da una ruota di un camion. E di solito sono resi anche ben visibili (hanno un bel colore fluorescente verde, giallo o arancio) anche per evitare di schiacciarli.

LO STANDARD SUI CONNETTORI TIPO1 E TIPO2

A parte la scontata qualità del contatto elettrico e la bassa resistenza ohmica che un connettore del genere deve garantire, la seconda sfida che tale elemento deve affrontare è l’impermeabilità. Sebbene esistano già degli standard industriali, il problema del connettore impermeabile fu forse il primo da superare da parte dei primi produttori di veicoli elettrici.

Dopo un po’ di confusione iniziale dove ognuno andava per la propria strada, possiamo dire che, ad oggi, esistono sostanzialmente due tipi di connettori standard universalmente riconosciuti a livello mondiale, uno più diffuso in USA e Giappone (sostenuto da General Motors e Nissan), chiamato Tipo 1 (Fig. 1) e l’altro, il Tipo 2 (Fig. 2) più familiare alle case automobilistiche europee quali Renault, Audi, Volkswagen.

Figura 1

Figura 2

La differenza fra i due, almeno parlando di aspetto e forma, è che il primo, il Tipo 1, SAE J1772, somiglia ad una “pistola spaziale” e possiede un evidente meccanismo di aggancio che serve a scongiurare l’eventualità che si possa sfilare accidentalmente dalla sua sede. Ha un ‘grilletto’ che aziona uno switch (poi vedremo a cosa serve) e possiede tre contatti (pin) principali, disposti a 120° fra loro, più altri due pin di ‘controllo’ più piccoli. Ne esiste anche una versione ‘estesa’ che ha, in aggiunta, un altro paio di pin di potenza, dedicati all’alimentazione in alta tensione DC (vedremo più avanti il Level 3).

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L’altro, il Tipo 2, detto anche Mennekes, richiama anch’esso l’ergonomia di una pistola, ma è più grande, anche perché ha altri due pin di potenza; infatti questo può funzionare indifferentemente con alimentazione monofase o trifase. Ha un solo pin di controllo e non ha nessun ‘gancio’ di ritenuta, la quale è realizzata invece tramite fori quadri ai quali si ancora il meccanismo di blocco, gestito nella controparte complementare fissa (sono così strani che non è facile chiamarli maschio e femmina).

La Fig. 3 illustra la piedinatura dei connettori Tipo 1 e Tipo 2 con le loro versioni.

Figura 3

Esiste un terzo tipo di connettore, chiamato ChadeMo, nato in Giappone ma poco diffuso da noi in Italia, che illustriamo nella Fig. 4.

I QUATTRO ‘MODI’ DI RICARICA (LEVEL 1…4)

Oltre ai due diversi tipi di connettori, lo standard IEC 62196 prevede quattro modi di ricarica, per ciascuno dei quali sono indicate le caratteristiche elettriche e le modalità di protezione e di utilizzo.

Il Modo 1 è una connessione diretta passiva a 230 Vca monofase o 400 Vca trifase (solo con connettori Tipo2), tra il veicolo e la linea di alimentazione.

La protezione elettrica è garantita solo da un sistema di protezione in caso di malfunzionamento della messa a terra, ma è ormai proibito in quasi tutti i Paesi, in quanto la messa a terra non è sempre presente.

Il Modo 2 aggiunge una comunicazione semiattiva tra il veicolo e la linea di alimentazione e fornisce protezione contro sovracorrente ed eccessiva temperatura.

Il Modo 3 è una connessione attiva tra il veicolo e il sistema di ricarica, sempre a 230 Vca monofase o 400 Vca trifase (solo con connettori Tipo2), prevede le stesse sicurezze del modo 2 ma consente una completa comunicazione col veicolo per regolare la corrente di carica. Nota: la tensione di carica è portata al veicolo solo dopo l’inserimento del connettore, attraverso un “ok” ottenuto dal sistema di controllo.

Infine, il Modo 4 è una connessione attiva tra il veicolo e il sistema di ricarica a 600 V in corrente continua. Qui l’alimentazione viene raddrizzata per la carica dal sistema di ricarica, prima di essere fornita al veicolo. Risulta quindi più complesso e costoso dei sistemi precedenti. Garantisce i tempi di ricarica più brevi ed è lo standard per veicoli solo elettrici con batterie molto grandi come le Tesla dove occorre grande potenza per ricariche in tempi utili.

Nel marzo 2011 l’ACEA, a nome delle principali case automobilistiche europee, ha pubblicato un documento dove raccomandava il Tipo 2 Modo 3 come standard unico per l’Unione Europea da adottare entro il 2017. Attualmente quindi, il connettore di Tipo 2, usato in Modo 3 o 4 è quindi da considerarsi l’attuale standard in vigore per il nostro Paese.

LE FUNZIONI ESSENZIALI

Come abbiamo visto all’inizio, il nostro EVSE deve fare una serie di cose che rappresentano controlli di sicurezza, prima di portare fisicamente la tensione di rete, sia essa monofase o trifase, alternata o continua raddrizzata, al veicolo stesso, il quale si occuperà di impiegarla per la propria ricarica in maniera completamente autonoma.

Prima di tutto viene verificato che il collegamento di terra sia valido. Per farlo, naturalmente si dovrà misurare che non ci sia un flusso di corrente che scorre lungo il cavo di terra, né che esista una differenza di corrente fra fase e neutro (o fra le tre fasi in caso di allacciamento trifase), sfruttando lo stesso principio degli interruttori differenziali, chiamati comunemente “salvavita”.

Passato questo check, l’EVSE verifica che la tensione di rete sia valida ed entro i limiti previsti, segnalando eventualmente l’errore relativo. Infine, controlla che la connessione con l’auto sia attiva attraverso il contatto di ‘feedback’ previsto sul connettore stesso. Se è tutto ok, quindi il connettore è inserito e l’auto risponde che è pronta ad avviare la carica, l’EVSE dà inizio allo stato di carica azionando un relè teleruttore che porta la tensione di rete al connettore stesso e quindi al veicolo.

Durante la carica il veicolo mantiene il segnale “OK” sul pin di controllo fintanto che va tutto bene. In caso di surriscaldamento o altre anomalie il veicolo interrompe la carica e cambia lo status, il che fa in modo che l’EVSE tolga alimentazione al connettore. Appena il veicolo lo percepisce, sblocca il fermo al connettore per consentire l’estrazione dello stesso dalla presa posta sull’auto. Tale sistema fa in modo che non ci sia mai una scintilla sui connettori durante gli attacchi e distacchi, ma il tutto avvenga sempre in assenza controllata di alimentazione.

Alcuni veicoli poi sono in grado di segnalare all’EVSE uno speciale status, di “ventilazione richiesta” che l’EVSE può segnalare con una spia di allarme e/o attivando uno switch ausiliario che, per esempio, potrebbe azionare dei ventilatori se il locale è chiuso come ad esempio un garage. Questo perché la chimica delle batterie, sotto uso estremo, può prevedere il rilascio di gas idrogeno, molto pericoloso.

L’ultima funzione che citiamo è la misurazione delle temperature sui connettori: negli EVSE a muro, o Wallboxes, è previsto un sensore di temperatura sulla presa del connettore posto sull’EVSE, mentre per quello lato veicolo il monitoraggio è svolto dall’elettronica dell’auto. In alcuni EVSE portatili, quelli dai quali escono direttamente i cavi (uno che va al connettore auto e l’altro di alimentazione dell’EVSE, che termina con una spina per la presa di casa) a volte troviamo un sensore annegato nella spina stessa (un esempio è proposto nella Fig. 5).

Questo perché la spina scalda facilmente, dal momento che le spine comuni da 16A come le Shuko sono per 16Amax non continuativi e quindi non risultano idonee all’uso. Ad esempio la Volkswagen fornisce un EVSE di questo tipo, dotato di Shuko, ma lo limita a 10Amax, benché la GTE possa essere caricata fino a 16Amax.

LA REGOLAZIONE DELLA CORRENTE DI CARICA

A cavallo fra funzionalità essenziali ed opzioni dell’EVSE c’è proprio questa, in quanto il veicolo stesso ha già nel suo menu di impostazioni la possibilità di impostare la massima corrente alla quale verrà effettuata la ricarica. Avere quindi un EVSE che permetta di impostare un limite alla corrente di carica non è quindi un must, ma spesso è molto utile. Ecco quindi che il nostro EVSE dovrà intervenire per concordare col veicolo stesso tale valore, che sarà il più basso fra i due. Se, per esempio, imposteremo a 12A max la corrente sull’EVSE ma sul veicolo avremo impostato a 8A max, vedremo che il da nostro EVSE non usciranno più di quegli 8A impostati. Viceversa, se sull’EVSE avessimo messo 6A max, allora la corrente assorbita dal nostro veicolo scenderà a 6A, pur lasciando impostato a 8A il limite sul menu dell’auto. Questa comunicazione avviene utilizzando una modulazione del duty-cycle PWM di un segnale a 1kHz emesso sul pin di controllo, che “dice” all’auto a che limite di corrente deve avviare la carica. La Fig. 6 riporta la tabella con la correlazione tra duty-cycle e corrente di carica.

ALTRE FUNZIONI UTILI

Chi ha un veicolo elettrico o Plugin Hybrid (quindi ricaricabile via EVSE) sa che è molto utile conoscere la corrente di ricarica, e quindi la potenza con cui tale azione è svolta, per diversi motivi. Prima di tutto, per evitare di far saltare il contatore di casa, soprattutto se ci sono altri carichi domestici collegati, ma anche per sapere quanto tempo si dovrà attendere per avere una carica completa: ad esempio se si sta caricando da una colonnina pubblica.

Nota la capacità nominale della batteria, ad esempio nel caso della Golf GTE sono 8,7kWh, togliamo la capacità residua che conviene sempre lasciare: impostando l’auto per non scendere mai sotto al 20% otteniamo circa 7,0 kWh.

Bene, questa è l’energia che dobbiamo introdurre per riempire il “serbatoio” elettrico dell’automobile, quindi se ricarichiamo a 10A, cioè a una potenza di 2,2kW (220V x 10A) sapremo che immetteremo circa 2,2kWh ogni ora che passa. In 7/2,2 = 3,2h circa, avremo quindi eseguito la completa carica.

Se però caricassimo alla massima corrente/potenza che l’auto consente, cioè 16A, completeremmo la carica in 7:220:16 = 2 h.

L’auto presa ad esempio è una ibrida plugin, quindi la batteria è relativamente poco capiente (il costruttore dichiara con essa circa 45km di autonomia in modalità solo elettrica) ma ci sono mezzi elettrici puri come Nissan Leaf, Renault Zoe, Bmw i3, Hyundai Ioniq, Kia Niro, eccetera che hanno batterie da oltre 40kWh; per non parlare dei 70kWh e oltre di alcuni modelli Tesla.

Per caricare tali batterie serve parecchia potenza, soprattutto se dobbiamo completare una carica in tempi ragionevoli e impostare la giusta corrente di ricarica può essere molto importante. Ecco quindi che alcuni EVSE consentono di misurare ad ogni carica gli effettivi kWh riversati in quel serbatoio elettrico che è la batteria, anche per tenere sotto controllo un eventuale degrado della stessa, che si manifesta come perdita di capacità (si vede la capienza che diminuisce). Inoltre le versioni con connessione WiFi sono spesso abbinate ad una App software che consente anche di fare questi conti facilmente, traducendo in km di autonomia un certo tempo di ricarica applicato ad una batteria già parzialmente carica ed arrivando a dirci quanti minuti di ricarica servirebbero per poter percorrere un certo numero di chilometri.

EVSE CON FUNZIONI EVOLUTE

In Germania, dove gli impianti fotovoltaici sono molto diffusi, si trovano facilmente dei dispositivi di misurazione che consentono di misurare l’energia prodotta, quella auto consumata, e quella esportata in rete. Si tratta di sensori di corrente da applicare ai cavi dell’impianto che misurano la corrente e calcolano i relativi consumi, trasmettendoli via radio (sulla frequenza di 433MHz) a una centralina collegata via ethernet ad un server che regista i dati e sul quale sono basate le App, che poi mostrano i grafici dei consumi. Un esempio è proposto nella Fig. 7.

Alcuni EVSE hanno un sistema simile per integrare i dati di consumo per la ricarica dell’auto con quelli di consumo domestico in modo da consentire all’EVSE di impostare la potenza di ricarica dell’auto dinamicamente sempre pari al miglior valore disponibile ottenuto come differenza fra la potenza erogata dal FV (oppure, in assenza di autoproduzione FV, la potenza massima ottenibile dal contatore) e quella assorbita dai carichi domestici, ottimizzando la carica al massimo ed evitando i fastidiosi distacchi del contatore.

In un EVSE evoluto poi, a volte è utile avere un calendario con la possibilità di stabilire una fascia oraria di avvio schedulato della ricarica perché, è pur vero che molti veicoli hanno già funzioni simili, ma consentono di impostare solo l’ora di partenza prevista, non quella di avvio della ricarica (tempo che il veicolo aggiunge automaticamente) che, siccome dipende da quanta batteria è rimasta dall’uso precedente, non è mai una costante.

Alla fine ciò non permette l’avvio della ricarica programmata ad un tempo preciso usando il timer dell’auto, cosa che invece è facile e precisa se viene fatta fare all’EVSE.

COSTI E SPECULAZIONI

Se interpellate una qualunque concessionaria di auto, vi parleranno, uno per l’altro, di circa 1.500€ di costi per una Colonnina di Ricarica o Wall Box, come amano chiamarla; la cifra si intende installazione esclusa.

I marchi più blasonati sfiorano i 3.000€, ma parliamo pur sempre di EVSE, spesso con le stesse identiche funzioni. Certo, se state spendendo 30, 40 o 50 mila euro per un’auto elettrica, forse non farete troppo caso ai 2.000 € di costi per l’installazione dell’EVSE, ma se siete arrivati a leggere fin qui, avrete immaginato che il valore dell’hardware di un EVSE probabilmente non arriva a un decimo di quelle cifre.

Tutta questa speculazione ha aperto la strada all’ingegno dei maker ed ha scaturito una serie di progetti di EVSE più o meno Open Source, come quelli reperibili sul web a questi indirizzi:

– http://www.aprs.org/charging-DIY.html;

– https://www.openevse.com/;

– http://www.instructables.com/id/DIY-J1772-EVSE/

e mille altri che si trovano in rete cercando su Google, ad esempio, con la chiave “EVSE”.

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1 Commento

  1. a quando un progetto su elettronica in di una wall box fai da te magari biderizionale ??? grazie

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