High Power Charging: ridurre i tempi di ricarica delle auto elettriche

La tecnologia High Power Charging è una realtà per la ricarica: installata presso la stazione di servizio Euro Rastpark Jettingen in Germania

Riuscire a ricaricare un veicolo elettrico in pochi minuti è un prerequisito essenziale per un’ampia accettazione della mobilità elettrica. Che sia possibile realizzarlo, lo dimostra il progetto di ricerca presso la stazione di servizio sull’autostrada tedesca A8: il sistema di ricarica High Power Charging (HPC) raffreddato a liquido di Phoenix Contact.

Area di servizio con tecnologia High Power Charging
Area di servizio Autohof Jettingen-Scheppach sulla A8: la tecnologia High Power Charging (HPC) consente di ridurre drasticamente i tempi di ricarica delle auto elettriche

Studio sulla tecnologia High Power Charging

Al momento proprio una delle criticità legate alla ricarica di veicoli elettrici è proprio il tempo, 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.

team progetto High Power Charging
Il team del progetto FastCharge con unità di potenza remota, colonnine di ricarica e veicoli di test di Porsche e BMW: Dr. Markus Göhring (Porsche), Frank Bauer (BMW Group), il project manager di FastCharge Stephan Elflein (BMW Group), Bernhard Pufal (Allego), Gerhard Oberpertinger (Siemens) e Robert Ewendt (Phoenix Contact)

Ricarica con veicoli di test

Per poter sfruttare al meglio questa efficiente infrastruttura di ricarica, sono necessari veicoli elettrici in grado di gestire elevate potenze e di immagazzinarle nelle loro batterie.

Nel progetto FastCharge, Porsche e BMW hanno fornito veicoli di test adatti allo scopo e dotati di potenti sistemi di raffreddamento dei pacchi batteria durante il processo di ricarica:

  • 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 a 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 a una potenza iniziale di oltre 400 kW consentendo di ottenere tempi di ricarica inferiori ai 3 minuti per i primi 100 km di autonomia.

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 a uno stress elevato tutti i componenti dell’infrastruttura di ricarica coinvolti, compresa la batteria. Per contenere l’incremento di temperatura sulle parti conduttive, i componenti utilizzati per la trasmissione di energia vengono raffreddati.

Alimentazione in bassa tensione sufficiente per il 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 High Power Charging (HPC). L’unità remota – permanentemente connessa a 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 (installate da Allego) utilizzano i connettori di ricarica CCS (Combo) Tipo 2, lo standard europeo 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 (Battery Management System -bilanciamento e controllo) del veicolo.

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.

colonnine di ricatica High Power Charging HPC
Connettore di ricarica HPC di Phoenix Contact: i veicoli elettrici si ricaricano comodamente in pochi minuti

L’avanzata tecnologia di ricarica consente di ricaricare la batteria delle auto elettriche con una corrente di 500 Ampere in modo continuo – impiegando sostanzialmente lo stesso tempo necessario per una breve pausa caffè.

Durante lo sviluppo della tecnologia HPC, Phoenix Contact non ha solamente realizzato un sistema in grado di offrire le massime prestazioni richieste, ma, realizzando un passa-parete 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 High Power Charging 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.

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.

Le sfide affrontate nello sviluppo dell’High Power Charging

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 porta-contatti 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.

Area di servizio con tecnologia HPC
La stazione di ricarica di destra fornisce 450 kW, la seconda stazione (a sinistra) carica a 175 kW

I risultati ottenuti

Il progetto FastCharge Euro Rastpark Jettingen ha dimostrato che i veicoli elettrici possono essere utilizzati anche per percorrere lunghe distanze.

Con l’inaugurazione avvenuta a dicembre 2018 presso Jettingen-Scheppach in Baviera sull’autostrada A8 tra Ulm e Augsburg, il consorzio ha dimostrato la fattibilità 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% a uno dell’80%, ovvero per una batteria quasi completamente carica.

I partner del consorzio hanno operato in perfetta sinergia, mettendo a disposizione le rispettive competenze e tecnologie durante la breve durata del progetto, dando un contributo importante all’accettazione dei veicoli elettrici. In futuro non ci vorranno più ore, ma solo pochi minuti per la ricarica di un veicolo elettrico prima di riprendere il viaggio.

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Informazioni su Alessia Varalda 1340 Articoli
Ingegnere elettrotecnico con esperienza come Project Manager presso un'importante multinazionale attiva nel settore dell'energia e dell'automazione. La curiosità verso le tecnologie innovative e le soluzioni all'avanguardia nel mondo delle energie (tradizionali e rinnovabili) mi ha portata a lavorare per 14 anni presso un importante editore di riviste tecniche di settore scrivendo di home&building automation, illuminazione, comfort, efficienza energetica e sostenibilità.