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LA RICARICA DEI VEICOLI ELETTRICI: INTEROPERABILITÀ E SICUREZZA

13/04/2017
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Sistemi e modi di ricarica per autovetture e veicoli leggeri: lo stato attuale della normativa relativa alle infrastrutture per la mobilità elettrica.

L’elettrificazione dei trasporti è una priorità nei programmi di ricerca comunitari anche in relazione al piano europeo di ripresa economica.

L’iniziativa Flagship “Resource efficient Europe” della Strategia 2020 propone di modernizzare e ridurre le emissioni di CO2 del settore dei trasporti contribuendo ad aumentare la competitività. In linea con questa strategia, il Transport White Paper del 2011 incoraggia a tagliare la dipendenza dei trasporti dal petrolio  e pone l’obiettivo della riduzione del 60% dell’emissione del Green House Gas (GHG) dovuta ai trasporti a partire dal 2050.

La Commissione Europea ha infine adottato il 24 gennaio 2013 il “Clean Power for Transport Package” (CPT). L’obiettivo generale del CPT è di ridurre gradualmente la dipendenza europea dal petrolio attraverso l’uso di energie alternative  nei trasporti e di realizzare la necessaria infrastruttura con l’ausilio di specifiche tecniche comuni.

A fine 2014 è stata emanata la Direttiva 2014/94/UE del Parlamento europeo e del Consiglio, del 22 ottobre 2014, sulla realizzazione di un’infrastruttura per i combustibili alternativi che è indirizzata ai trasporti su strada e stabilisce obiettivi stringenti per la distribuzione delle infrastrutture di distribuzione di elettricità, idrogeno e celle a combustibile, gas naturale compresso (CNG) per veicoli e gas naturale liquefatto (LNG) per camion. L’allegato III precisa le caratteristiche delle specifiche tecniche per lo sviluppo di infrastrutture (stazioni di ricarica, connettore e corrispondenti prese per la mobilità elettrica) per energie alternative. Tale Direttiva è stata recepita in Italia con Decreto Legislativo 16 dicembre 2016, n. 257 con data di entrata in vigore 14 gennaio 2017.

Ovviamente, l’obbiettivo finale è quello di raggiungere l’interoperabilità dei sistemi di ricarica su tutto il territorio dell’Unione Europea.

Pertanto le norme e le infrastrutture attualmente in fase di sviluppo devono affrontare tre elementi principali: la sicurezza, l’unificazione e le prestazioni.

La sicurezza è ovviamente un fattore fondamentale per ogni sistema di ricarica, soprattutto tenendo conto che la stazione di ricarica, che prevede una presa di connessione, è su strada ed è accessibile da persone comuni, ovvero senza particolari competenze sui rischi di natura elettrica.

In ambito internazionale, anche per ovvi interessi di mercato, esistono opinioni significativamente divergenti sull’opportunità di permettere la carica dei veicoli elettrici da prese di corrente non dedicate. In questo contesto il rapporto con le leggi e le norme nazionali costituisce una questione importante.

Nel seguito si farà riferimento alla normativa relativa alle infrastrutture per la mobilità elettrica sia per automobili sia per veicoli leggeri, quali scooter e motocicli. Veicoli di questo tipo sono infatti molto diffusi nelle città italiane ed in previsione di un cambiamento di propulsione è importante che la struttura di carica sia adeguata alle specifiche esigenze.

 

Sistemi di carica

Il sistema di carica dei veicoli elettrici è attualmente oggetto di un vivace dibattito internazionale per la definizione o, meglio, per i vari comprensibili ma non del tutto utili tentativi da parte delle varie nazioni e delle varie aziende di imporre al mercato i propri standard. Conclusione parziale è che al momento sono definiti 3 tipi di connessione per la carica e 4 modi di carica per un totale teorico di quasi (devono essere cioè escluse le combinazioni non possibili) 3 x 4 ovvero dodici varianti sul tema senza contare i diversi tipi di connettori, prese e spine.

La corrente (e quindi la potenza) di carica è ovviamente inversamente proporzionale ai tempi di carica, ma da un punto di vista dell’impianto può rapidamente raggiungere valori abbastanza elevati di potenza da erogare (Tabella 1).

 

Tabella 1 – Tempi tipici di carica per autovettura elettrica di media taglia.

Tipi di connessione

I tipi di connessione attualmente normati in ambito mondiale ed Europeo per la carica dei veicoli elettrici sono 3 in funzione del lato o dei lati dotati di connessione non fissa:

  1. il veicolo elettrico è connesso al punto di carica utilizzando un cavo di alimentazione e una spina permanentemente fissati al veicolo stesso;
  2. il veicolo elettrico è connesso al punto di carica utilizzando un cavo di alimentazione removibile provvisto di connettore mobile e spina per il collegamento alla presa di alimentazione in c.a.;
  3. il veicolo elettrico è connesso al punto di carica utilizzando un cavo di alimentazione e un connettore mobile permanentemente fissati all’apparecchiatura di alimentazione.

Oltre alle ovvie ma importanti considerazioni di carattere pratico legate alla necessità di trasportare o meno il cavo di alimentazione, una differenza importante tra i vari tipi di connessione per la carica citati è il confine delle responsabilità (Figura 1).

Figura 1 – Tipi di connessione per la carica (Norma CEI EN 61851-1).

 

Modi di carica

In totale, sono attualmente disponibili 4 modi di carica differenziati in funzione del regime (AC, CC), della corrente massima, del tipo di connettore, presa/spina, delle caratteristiche dell’eventuale comunicazione/controllo tra il veicolo e la stazione di carica. Naturalmente ciascun modo di carica ha specifici vantaggi e svantaggi che saranno brevemente commenti nei paragrafi che seguono.

Modo 1

Il Modo 1 di carica si riferisce al collegamento del veicolo elettrico alla rete di alimentazione AC utilizzando prese e spine normate fino a 16 A, ovvero ordinarie prese e spine per uso domestico (In Italia CEI 23-50) o industriale (CEI EN 60309-2) oppure prese e spine speciali ma comunque conformi ad una (qualsiasi) norma internazionale IEC. In questo momento, il Modo di carica 1 è, in un certo senso, l’opzione più immediata per la carica dei veicoli elettrici ma presenta potenziali problemi di sicurezza. Il funzionamento sicuro di un punto di carica di Modo 1 dipende infatti dalla presenza di adeguate protezioni dal lato impianto: protezione contro le sovraccorrenti, impianto di terra, protezione contro i contatti.

Anche se nelle situazioni impiantistiche più comuni in tutti i nuovi impianti elettrici nella maggior parte dei Paesi da alcuni anni le norme tecniche hanno reso obbligatori gli interruttori differenziali, non si può negare che vi siano ancora molti vecchi impianti privi di protezioni differenziali per cui, almeno potenzialmente, potrebbe essere difficile per l’utente, all’atto del collegamento del proprio veicolo elettrico, sapere se l’impianto di alimentazione è adeguatamente protetto o meno.

Nei Paesi in cui è consentito, l’uso del modo 1 di carica potrebbe, per un certo periodo, rimanere la modalità di ricarica più diffusa per locali privati (compresi garage residenziali e parcheggi aziendali) grazie alla semplicità e al basso costo d’investimento. Con una corretta realizzazione e aggiornamento dell’impianto elettrico, il Modo 1 consente la ricarica in sicurezza. Il modo 1 di carica può essere paragonato ai sistemi elettrici di preriscaldo dei motori, che sono di uso comune nei paesi del nord Europa da molti anni senza aver manifestato alcun problema di sicurezza.

Modo 2

Anche il Modo di carica 2 per il collegamento del veicolo elettrico alla rete di alimentazione prevede prese e spine conformi ad uno standard IEC (ordinarie o ad hoc) ma con corrente nominale fino a 32 A. E’ prevista una protezione supplementare garantita da un box di controllo collocato sul cavo tra il veicolo elettrico e la stazione di ricarica a meno di 30 cm dalla spina e contenente, oltre ai dispositivi per alcune funzioni di controllo, anche un differenziale da 30 mA.

L’introduzione del Modo di carica 2 è stato inizialmente pensato per gli Stati Uniti e considerato una soluzione transitoria in attesa dello sviluppo di infrastrutture dedicate.

Recentemente, tuttavia, il Modo 2 sembra aver destato un rinnovato interesse anche in Europa, nella prospettiva di sostituire il Modo 1 per la carica presso punti non dedicati.

Oltre agli ovvi svantaggi di avere un dispositivo di controllo posizionato sul cavo, lo svantaggio principale del Modo 2 è che il box di controllo protegge il cavo a valle e il veicolo, ma non la spina stessa, che in realtà risulta essere uno dei componenti più soggetti ad usura.

Modo 3

Il Modo di carica 3 prevede il collegamento diretto del veicolo elettrico alla rete CA di alimentazione utilizzando apparecchiature di alimentazione dedicate. La norma internazionale CEI EN 61851-1 richiede un contatto pilota di controllo tra il sistema di alimentazione e il veicolo elettrico con le seguenti funzioni:

  • inserimento dei connettori
  • continuità del conduttore di protezione
  • funzione di controllo attiva.

Modo 4

Il modo di carica 4 è l’unico modo di carica che prevede il collegamento indiretto del veicolo elettrico alla rete CA di alimentazione utilizzando un convertitore esterno, e un conduttore pilota di controllo che si estende alle attrezzature permanentemente collegate alla rete. Con il modo di carica 4 il carica batterie non è più a bordo del veicolo ma nella stazione di carica.

Stato attuale della normativa

Le norme relative alla ricarica dei veicoli elettrici che contengono sia i requisiti di sicurezza che costruttivi, sia le prove a cui sottoporre i componenti del “sistema di ricarica per veicolo elettrico” per renderli affidabili e sicuri, sono elaborate contemporaneamente alla messa sul mercato dei veicoli elettrici, allo scopo di sincronizzare la normativa con le più recenti innovazioni tecnologiche, come verrà nel seguito descritto. Purtroppo, la situazione attuale vede ora sul mercato “sistemi di ricarica” non conformi ai requisiti di sicurezza necessari per essere utilizzati da persone “non avvertite o formate”.

Nella Figura 2 sono stati riportati gli elementi fondamentali per consentire la carica di un veicolo con la terminologia che nel seguito verrà utilizzata. Si parla di sistema presa/spina sul lato stazione di carica e di connettori se ci si riferisce al lato veicolo.

 

Figura 2 – Elementi  fondamentali  per consentire la carica di un veicolo.

 

CEI EN 61851-1 Sistema di ricarica conduttiva dei veicoli elettrici

Attualmente la norma che riporta le prescrizioni necessarie per la ricarica dei veicoli elettrici è la Norma CEI EN 61851-1:2012-05 “Sistema di ricarica conduttiva dei veicoli elettrici – Parte 1: Prescrizioni generali”.

Al proposito, è opportuno precisare che la l’edizione nazionale della norma europea oggi in vigore riporta la seguente Premessa italiana:

…con riferimento ai modi di carica in corrente alternata adottati in Italia, al fine di garantire la necessaria sicurezza durante la carica conduttiva dei veicoli elettrici, quando questa viene eseguita in ambienti aperti a terzi deve essere adottato il Modo di carica 3.

…in Italia, il Modo di carica 1 è consentito solamente in ambiti strettamente privati non aperti a terzi, quali ad esempio ambienti il cui accesso necessiti di chiavi, attrezzi particolari, ecc. in possesso del solo relativo proprietario.

La Premessa evidenzia le caratteristiche necessarie a garantire la sicurezza delle persone sia in condizioni di carica sia  di manutenzione e controllo. In essa ci sono elementi importanti che consentono l’utilizzazione della norma europea recepita in Italia CEI EN 61851-1 nel contesto nazionale.

In primo luogo, si fa la precisazione su “dove” utilizzare i modi di ricarica: luoghi “pubblici o privati aperti a terzi”, dove il termine “terzi” è già in uso in ambito normativo da tempo. E’ stato infatti introdotto per la prima volta nella normativa nel 1998 e da allora viene utilizzato ai fini della sicurezza per definire le persone “non avvertite o formate” sui rischi; pertanto se un ambiente è definito “aperto a terzi” si intende aperto a persone che non hanno alcuna consapevolezza dei rischi. Per questi è indicato il Modo di carica 3.

Per i luoghi strettamente “privati non aperti a terzi” in Italia è consentito utilizzare il Modo 1 di ricarica con una corrente  limitata max di 16 A, in conformità alla norma, che permette di assimilare il veicolo elettrico ad un carico per “usi domestici e similari”. Pertanto devono essere rispettate tutte le prescrizioni di sicurezza già previste per questi apparecchi utilizzatori.

E cosa si applica agli scooter e le piccole automobili? Né l’attuale premessa italiana né il testo della CEI EN li citano come categoria separata. Secondo l’attuale orientamento, i “light vehicles” dovranno prevedere la ricarica in Modo 3 in ambito pubblico, mentre nei luoghi non aperti a terzi (a casa) scooter e piccole automobili potranno essere ricaricati usando il Modo 1.

Il Modo 2 di ricarica non è citato espressamente nella premessa della norma CEI EN 61851-1, pur essendo previsto dalla stessa con una corrente massima di ricarica di 32 A, perché è un Modo che in termini di sicurezza non ha i requisiti necessari a garantire una ricarica nei luoghi “aperti a terzi” come lo è il Modo 3, ma che ha i requisiti per poter essere considerato più sicuro del Modo 1: per questo motivo non è consigliato per luoghi “non aperti a terzi” ma non è vietato. Si noti tuttavia che l’edizione successiva della Norma 61851-1 “Electric vehicle conductive charging system – Part 1: General requirements”, già pubblicata in ambito internazionale (IEC), che verrà successivamente recepita come norma europea e, quindi, come norma nazionale, assoggetta il Modo 2 di ricarica alle stesse limitazioni del Modo 1.

 

CEI EN 62196 Spine, prese fisse, connettori mobili e fissi per veicoli elettrici

Attualmente sono normati (CEI EN 62196-2 “Spine, prese fisse, connettori mobili e fissi per veicoli – Carica conduttiva dei veicoli elettrici – Parte 2: Compatibilità dimensionale e requisiti di intercambiabilità di attacchi a spina e alveoli per corrente alternata”) 3 tipi principali di prese, spine e connettori specifici per la carica del veicolo elettrico in CA differenziati in funzione della corrente, della tensione nominale, del numero delle fasi e del numero dei contatti pilota, ovvero utilizzabili, con alcune restrizioni, per i modi di carica 3, 2 e 1 (Tabella 2).

 

Tabella 2 – Principali caratteristiche di prese, spine e connettori specifici per la carica del veicolo elettrico.

 

Le caratteristiche dei connettori in CC sono definite dalla Norma 62196-3, pubblicata a livello internazionale nel 2014 come IEC 62196-3 “Plugs, socket-outlets, vehicle connectors and vehicle inlets – Conductive charging of electric vehicles – Part 3: Dimensional compatibility and interchangeability requirements for d.c. and a.c./d.c. pin and contact-tube vehicle couplers” e recepita a livello nazionale nel 2016 come Norma CEI EN 62196-3 “Spine e prese per veicoli elettrici – Carica conduttiva dei veicoli elettrici Parte 3: Prescrizioni dimensionali per compatibilità e intercambiabilità di apparecchi con alveoli e spinotti cilindrici per c.c. e c.a./c.c.”.

Queste norme identificano nel dettaglio quali connettore/presa, possono essere utilizzati per la ricarica dello stesso e quali prescrizioni devono essere rispettate per la loro costruzione.

Attualmente è in corso una revisione delle caratteristiche di prese, spine e connettori coerentemente con le indicazioni del Mandato M/468-2010/04/06 della Commissione Europea alle Organizzazioni Europee di Standardizzazione (CEN e CENELEC) e della Direttiva Europea prima menzionata. Vale la pena di sottolineare che, nell’attuale versione della direttiva, si fa riferimento a connettore/presa per i veicoli leggeri: il tipo 3a che è una variazione semplificata del tipo 3.

In  particolare, il paragrafo 4.1.2 recita:

(…omissis…) 4.1.2. Una norma europea per la fornitura di energia elettrica

Una raccomandazione deve essere prevista per una specifica di interoperabilità per i veicoli “categoria L”, (Nota Veicoli leggeri quali scooter) come stabilito nel tipo 3a EN 62196-2:2012. In caso di mancanza di un accordo comune, deve essere fatta una modifica della presa  tipo 3a nella EN 62196-2:2012.

Un emendamento alla EN 62196-2:2012 per la presa ” tipo 2″ deve essere previsto per inserire la possibilità di prevedere gli schermi (denominati comunemente shutter)   di protezione meccanica, per poter soddisfare le richieste delle norme nazionali. (…omissis…).

Pertanto, con riferimento alla situazione definitiva secondo i documenti europei richiamati in precedenza, si garantirà “l’intercambiabilità” e quindi  la carica dei veicoli elettrici su tutto il territorio europeo come segue:

  • Veicoli elettrici connettore Tipo 2 con o senza protezione meccanica (shutter);
  • Veicoli elettrici leggeri connettore Tipo 3a con o senza protezione meccanica (shutter);
  • Veicoli elettrici in DC tipo COMBO 2.

Ovviamente la sicurezza del sistema di carica è legata anche al connettore sul veicolo. Oggi purtroppo sul mercato ci sono ancora veicoli elettrici  con connettori di vario tipo, non conformi alla normativa e pertanto è necessario gestirne il transitorio. Al termine dell’adeguamento e applicato il mandato della Commissione Europea in materia di “connettore europeo” per la carica dei veicoli elettrici, sarà possibile circolare liberamente in Europa e caricare in sicurezza il proprio veicolo elettrico sia in luoghi pubblici o privati aperti a terzi che nei luoghi “privati non aperti a terzi”.

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