Cosa significa ricarica rapida? Come funziona? Dove posso trovarla? Luc Bronk, Fastned Commercial Activation Manager, ha scritto una breve presentazione per rispondere a queste domande.
Cos’è la ricarica rapida? In cosa si differenzia dalla ricarica normale? Tutte le batterie, comprese quelle dei veicoli elettrici, usano corrente continua (DC, Direct Current) per ricaricarsi e scaricarsi. Tuttavia, la rete elettrica fornisce corrente alternata (AC, Alternating Current). Pertanto è necessario convertire la corrente alternata, proveniente dalla rete, in corrente continua per ricaricare una batteria. Questo è il compito del convertitore AC/DC.
Il convertitore AC/DC fa parte del cosiddetto charger. I charger possono essere integrati nel veicolo, come i caricatori di bordo, oppure possono essere elementi esterni al veicolo, come le colonnine che si trovano nelle stazioni Fastned. Oggi, quasi tutti i veicoli elettrici sono dotati di un piccolo caricatore di bordo che si può collegare via cavo alla classica presa elettrica di casa o a un punto di ricarica. Il punto di ricarica eroga la corrente alternata (AC) al caricatore di bordo, che potrà utilizzarla per ricaricare la batteria solo dopo la trasformazione in corrente continua (CC). Quindi il punto di ricarica non è il caricatore ma una presa intelligente alla quale si collega il cavo di ricarica.
Se si vuole ricaricare il veicolo più velocemente, il convertitore AC/DC e il caricatore devono essere più grandi. Ma un caricatore più grande è più pesante, occupa più spazio e fa lievitare i costi dei veicolo. Senza dimenticare che qualsiasi componente impiegato deve rispettare gli standard di sicurezza automobilistici per garantire la massima affidabilità del veicolo in tutto il suo ciclo di vita. Di solito i produttori scelgono caricatori di bordo piccoli, e quindi lenti, per trovare un compromesso fra questi diversi fattori.
Un caricatore esterno che trasforma la corrente alternata in corrente continua può essere molto più grande, pesante, complesso e costoso di un caricatore di bordo. Ma è anche molto più veloce. Ecco perché di solito vengono chiamati “DC fast charger” o semplicemente “fast charger”. Un fast charger di solito eroga 300 kW, riuscendo a ricaricare un veicolo da 25 a 80 volte più velocemente di un caricatore di bordo. A inizio 2023 abbiamo presentato l’ultima generazione di fast charger con una potenza di 400 kW. Ne vedremo presto l’impatto.
La batteria di un veicolo consiste in tante celle. Una cella è simile alla pila ricaricabile che si usa a casa, solo più grande. Una Lucid Air con un gruppo batteria da 112 kWh contiene 6.600 celle. Una BMW i3 da 21,6 kWh ha 96 celle, ma le sue celle sono più grandi di quelle usate dalla Lucid. L’immagine qui sotto mostra il gruppo batteria formato dalle celle con cavi e imballaggi.
"Oggi i pacchi batteria sono progettati per supportare la ricarica veloce"
Oggi i gruppi batteria sono progettati per supportare la ricarica rapida. Per esempio, il powertrain della BMW i3 ha una capacità nominale massima di 125 kW e una potenza in corrente continua di 75 kW quando si ricarica a 50 kW.
Ecco una cosa che forse non sai: il gruppo batteria non viene mai sfruttato al 100% nel suo utilizzo quotidiano. Accade per una buona ragione. L’industria automobilistica e il settore della ricarica rapida hanno imparato a usare le batterie in modo efficiente. L’ultima generazione di batterie EV è configurata per mantenere un livello di ricarica compreso fra il 10% e il 90%. Mantenendo la ricarica all’interno di questi valori, è possibile estendere la vita della batteria e massimizzare la capacità di ricarica rapida.
Per esempio, la capacità utilizzabile del gruppo batteria da 78,1 kWh della Tesla Model Y Long Range è pari a 75 kWh o al 90-95% della capacità totale. La differenza di 3,1 kWh è usata come riserva per attutire l’impatto delle fasi di carica e scarica. Questi cicli si rinnovano automaticamente intorno al 5% e al 95% della capacità del gruppo batteria. Il tutto è gestito dal Battery Management System (BMS) senza comunicarlo al conducente.
Diversi fattori influenzano la vita della batteria, come la temperatura, l’età, la dimensione, i componenti chimici, quanto si tiene una batteria completamente carica e il numero di cicli di carica-scarica. Le ricerche dimostrano che un uso frequente dei fast charger non danneggia la vita della batteria. Il test è stato fatto su una Tesla Model Y. Il livello di usura della batteria è analogo a quello che si ottiene usando una colonnina a ricarica lenta. In linea di massima, una batteria dura di più quando le sue dimensioni sono importanti perché ha bisogno di meno cicli di carica-scarica a parità di chilometraggio.
"Un uso frequente dei fast charger non danneggia la vita della batteria"
La potenza (watt) è il prodotto fra tensione (volt) e corrente (ampere). Per la ricarica rapida sono necessarie entrambe. Immagina la tensione come se fosse la pressione dell’acqua che esce dal rubinetto e pensa alla corrente come se fosse la grandezza del rubinetto. Se vuoi che l’acqua esca più velocemente, devi aumentare la pressione e/o ingrandire il rubinetto. I nostri fast charger fanno entrambe le cose ma con l’elettricità.
Di solito si parla di ricarica rapida a partire da una velocità di 50 kW. In termini di tensione e corrente significa rispettivamente 400 V e 125 A (400 * 125 = 50.000 W = 50 kW).
Perché 400 V? Per le batterie dei veicoli. La maggior parte dei pacchi batteria opera a 400 V quando la carica è completa, quindi si tratta di un valore ottimale al quale mirare.
Perché 125 A? Per le colonnine di ricarica. La maggior parte dei fast charger da 50 kW erogano una corrente massima di 125 A. Fortunatamente, lo sviluppo dei fast charger è in fermento, e i nostri ultimi CCS charger da 400 kW possono fornire fino a 500 A al momento e presto fino a 600 A. A proposito di rubinetti più grandi!
Un’altra credenza errata vuole che le batterie si ricarichino seguendo una linea retta e un picco massimo sempre uguale. Non è così. Quasi sempre è il veicolo a determinare la velocità di ricarica. Ecco come funziona:
Durante la ricarica rapida c’è una costante comunicazione fra il BMS e il fast charger. Il BMS indica al fast charger la velocità di ricarica. Questa velocità viene solitamente espressa in kilowatt (kW). Ricaricare un auto per un’ora a 50 kW significa alimentare il gruppo batteria con 50 kWh. In media, un veicolo elettrico consuma 1 kWh per percorrere 5 km. Alcuni produttori, come Tesla, esprimono la velocità di ricarica in chilometri di autonomia guadagnati in un’ora di ricarica. Quindi per esempio 50 kW equivalgono a 250 km/h (ovvero un’autonomia di 250 km ricaricata in un’ora).
In generale, un grande pacco batteria può essere ricaricato più velocemente. Quindi una Tesla Model S con una grande batteria da 100 kWh può essere ricaricata a una potenza superiore rispetto a una BMW i3 con una batteria da 21 kWh. Questo è anche il motivo principale per cui gli attuali veicoli ibridi plug-in non supportano la ricarica rapida: i loro pacchi batteria sono semplicemente troppo piccoli. I produttori di questi veicoli non forniscono accessori extra come cavi e prese aggiuntive.
Quando la batteria è quasi completamente carica, la velocità di ricarica cala per impedire il surriscaldamento delle celle. Di solito quando si raggiunge l’80-90% dello stato di ricarica, la velocità diminuisce fino al raggiungimento del 100%. Ecco perché la ricarica rapida è più efficace con un SoC compreso fra 0% e 80-90%. Inoltre, come già detto, le batterie più recenti sono predisposte per mantenere un livello di ricarica del 10-90%.
Le celle della batteria operano efficacemente a 20-25 gradi Celsius (68-77 gradi Fahrenheit). Quando la temperatura è troppo bassa o troppo alta, il BMS riduce la corrente richiesta per proteggere la salute delle celle. Se il gruppo batteria ha un sistema di raffreddamento o di riscaldamento (come nella BMW i3), il BMS attiva il sistema per controllare la temperatura delle celle. La temperatura della batteria non dipende solo dalla temperatura esterna ma anche dalla guida (in autostrada) e dalla ricarica (rapida) perché entrambi i fattori tendono a far salire la temperatura della batteria.
Quando progettano una batteria, i produttori devono prendere decisioni riguardanti le dimensioni, il peso, i costi, la durata e la performance della batteria. A seconda della tipologia di cliente, possono decidere ad esempio di trovare un compromesso fra performance e peso per tenere bassi i costi. O, in alternativa, decidere di dare priorità alla performance e includere un regolatore della temperatura che determinerà un prezzo finale più alto.
"Da Fastned tutte le colonnine funzionano a piena potenza indipendentemente dal numero di veicoli in ricarica"
I fast charger stessi possono limitare la massima velocità di ricarica del veicolo. Se una colonnina ricarica a 50 kW non potrà mai erogare più potenza solo perché il veicolo la supporta.
Potrebbero esserci anche limitazioni dovute alla connessione di rete o alla condivisione della potenza da parte di più colonnine: in casi simili il fast charger non può fornire la potenza massima.
Attualmente ci sono due standard di ricarica rapida: “CCS” e “CHAdeMO”.
Lo standard Combined Charging System (CCS) fu sviluppato da sette case automobilistiche e inizialmente fu progettato per ricaricare fino a ~80 kW (a 400 V). Lo standard è promosso da CharIN e sostenuto da un gran numero di produttori di automobili e colonnine nel mondo.
Lo standard CHAdeMO è stato sviluppato nel 2010 dalla CHAdeMO Association ed è frutto di un'iniziativa delle aziende automotive giapponesi. Il progetto iniziale consentiva di ricaricare fino a ~50 kW (a 400V).
Fastned è membro di entrambe le organizzazioni e offre i due standard in tutte le sue stazioni. Da Fastned troverai la potenza di ricarica adatta al tuo veicolo. Dal 2023, abbiamo iniziato a installare le colonnine da 400 kW. Al momento non esistono ancora veicoli per il trasporto di persone in grado di raggiungere questa velocità.
I veicoli stanno toccando nuovi picchi nella velocità di ricarica. Le ultime auto elettriche stanno adottando sempre di più un’architettura di batterie a 800 V. Quando la tensione elettrica è più alta, è probabile che l’auto si ricarichi più velocemente. Nell’estate del 2023, la Lotus Eletre ha debuttato sul mercato europeo con una potenza di ricarica massima pari a 350 kW. A ottobre 2023 è il veicolo elettrico per il trasporto di persone con la ricarica più rapida.
Intanto vediamo che le case automobilistiche tradizionali stanno mettendo sul mercato veicoli che si ricaricano più velocemente. Porsche uscirà con una nuova versione della Taycan che si ricarica a 320 kW. Audi presenterà la nuova Q6 e-tron con una potenza di ricarica massima di 270 kW su una batteria da 100 kWh, superando ampiamente le velocità supportate dalla Q8 e-tron del 2023 (170 kW) e dalla Q4 e-tron del 2021 (175 kW).
Annunci simili dimostrano che la corsa alla ricarica rapida è iniziata. È evidente la necessità di una rete di stazioni di ricarica ultra veloce per i veicoli elettrici di ultima generazione, le cui batterie non potrebbero essere alimentate in modo efficiente dalle altre tipologie di ricarica.
Molte stazioni Fastned hanno colonnine da 300 kW, con connessioni di rete che supportano da 4 a 8 veicoli simultaneamente per un totale di 300 kW. Altre stazioni Fastned possono essere potenziate con connessioni più grandi. In futuro sarà possibile aggiungere più capacità introducendo il buffering delle batterie on-site e/o migliorando ulteriormente la capacità delle connessioni. Il layout delle stazioni è già stato concepito per servire il maggior numero di veicoli possibile. Abbiamo installato la nostra prima colonnina da 400 kW a dicembre 2022 e continueremo a installarne altre nei prossimi anni.
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