Standard di ricarica per veicoli elettrici

Nel 2011, l'Associazione dei costruttori europei di automobili (ACEA) ha stabilito le seguenti definizioni:

• Presa (Socket Outlet): Si riferisce alla porta sull'apparecchiatura di alimentazione del veicolo elettrico (EVSE) responsabile della fornitura di energia per la ricarica al veicolo.
• Spina (Plug): Indica l'estremità del cavo flessibile che si collega alla presa sull'EVSE. In Nord America, la presa e la spina non vengono utilizzate a causa del collegamento permanente del cavo.
• Cavo (Cable): Descrive un fascio flessibile di conduttori che collega l'EVSE al veicolo elettrico.
• Connettore (Connector): Rappresenta l'estremità del cavo flessibile che si interfaccia con l'ingresso del veicolo.
• Ingresso del veicolo (Vehicle Inlet): Si riferisce alla porta sul veicolo elettrico progettata per ricevere l'energia di ricarica.

I termini connettore per veicolo elettrico e ingresso per veicolo elettrico sono stati precedentemente definiti in modo simile ai sensi dell'Articolo 625 del National Electric Code (NEC) degli Stati Uniti del 1999. Il NEC-1999 ha inoltre delineato l'apparecchiatura di alimentazione del veicolo elettrico come l'unità completa installata specificamente per fornire energia dal cablaggio dei locali al veicolo elettrico, comprendente conduttori, connettori per veicoli elettrici, spine di collegamento e tutti gli altri raccordi, dispositivi, prese di corrente o apparecchi.

Tesla, Inc. utilizza il termine stazione di ricarica per descrivere un luogo che ospita un gruppo di caricatori, mentre si riferisce a un singolo EVSE come connettore.

Il National Electric Transportation Infrastructure Working Council (IWC) è stato istituito nel 1991 dall'Electric Power Research Institute, composto da membri sia di produttori automobilistici che di aziende elettriche, con l'obiettivo di stabilire standard negli Stati Uniti. I primi sforzi dell'IWC hanno portato allo sviluppo di tre livelli di ricarica, come delineato nel manuale del National Electric Code (NEC) del 1999.

In conformità con il NEC-1999, le apparecchiature di ricarica di Livello 1 (come definite nel manuale NEC, sebbene non esplicitamente nel codice) venivano collegate alla rete utilizzando una presa elettrica standard a 3 poli NEMA 5-20R con messa a terra. Inoltre, ha imposto l'inclusione di un dispositivo a corrente residua entro 12 pollici (300 mm) dalla spina. Il circuito di alimentazione doveva avere una protezione pari al 125% della corrente nominale massima. Ad esempio, le apparecchiature di ricarica con una corrente continua nominale di 16 Ampere necessitavano di un interruttore da 20 A.

Le apparecchiature di ricarica di Livello 2 (come specificato nel manuale) erano cablate in modo permanente e posizionate saldamente in una posizione fissa ai sensi del NEC-1999. Richiedevano inoltre la messa a terra e la protezione contro i guasti a terra, oltre a un meccanismo di interblocco per impedire l'avviamento del veicolo durante la ricarica e un dispositivo di sicurezza a sgancio per il cavo e il connettore. Un interruttore da 40 A (equivalente al 125% della corrente di alimentazione massima continua) era obbligatorio per salvaguardare il circuito derivato. Per una maggiore comodità e una ricarica più rapida, molti dei primi veicoli elettrici (EV) hanno favorito l'installazione di apparecchiature di ricarica di Livello 2, che potevano essere collegate al veicolo elettrico tramite una paletta a induzione (Magne Charge) o un connettore conduttivo (Avcon).

Le apparecchiature di ricarica di Livello 3 impiegavano un raddrizzatore fuori bordo per convertire la potenza AC in ingresso in DC, che veniva successivamente fornita al veicolo. Al momento della sua stesura, il manuale NEC-1999 prevedeva che le apparecchiature di ricarica di Livello 3 avrebbero richiesto alle aziende elettriche di aggiornare i propri sistemi di distribuzione e trasformatori.

La Society of Automotive Engineers (SAE International) definisce i requisiti fisici, elettrici, di comunicazione e di prestazione generali per i sistemi di ricarica dei veicoli elettrici (EV) utilizzati in Nord America come parte dello standard SAE J1772, sviluppato inizialmente nel 2001. SAE J1772 delinea quattro livelli di ricarica, con due livelli ciascuno per alimentazione a corrente alternata (AC) e a corrente continua (DC). Queste distinzioni si basano sul tipo di distribuzione dell'alimentazione, sugli standard e sulla potenza massima.

Le stazioni di ricarica AC collegano direttamente il circuito di ricarica di bordo del veicolo all'alimentazione AC.

• AC Livello 1: Questo livello si collega direttamente a una presa nordamericana standard da 120 V ed è in grado di fornire 6–16 A (0,7–1,92 kW), a seconda della capacità di un circuito dedicato.
• AC Livello 2: Utilizza alimentazione a 240 V (monofase) o 208 V (trifase) per fornire tra 6 e 80 A (1,4–19,2 kW), fornendo un aumento significativo della velocità di ricarica rispetto alla ricarica AC Livello 1.

Comunemente, sebbene erroneamente, chiamata ricarica "Livello 3" basata sulla vecchia definizione NEC-1999, la ricarica DC è classificata separatamente nello standard SAE. Nella ricarica rapida DC, l'alimentazione AC della rete viene convertita in DC tramite un convertitore AC-DC nella stazione prima di raggiungere la batteria del veicolo, bypassando qualsiasi convertitore AC-DC a bordo del veicolo.

• DC Livello 1: Questo livello fornisce un massimo di 80 kW a 50–1000 V.
• DC Livello 2: Fornisce un massimo di 400 kW a 50–1000 V.

Ulteriori standard rilasciati dalla SAE per la ricarica includono SAE J3068, che riguarda la ricarica AC trifase utilizzando il connettore Tipo 2 definito in IEC 62196-2, e SAE J3105, che affronta la connessione automatizzata dei dispositivi di ricarica DC.

Nel 2003, la Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) ha incorporato una parte significativa dello standard SAE J1772 in IEC 62196-1.

IEC 62196-1 è stato successivamente rivisto ed espanso in IEC 62196, diventando uno standard internazionale che comprende una varietà di tipi di spina e modalità di ricarica per veicoli elettrici. Questo standard è riconosciuto come standard DIN DIN EN 62196 in Germania, ÖVE/ÖNORM EN 62196 in Austria e SN EN 62196 in Svizzera. Comprende diversi componenti che sono stati gradualmente adottati. La terza parte è stata rilasciata nel giugno 2014 e IEC TS 62196-4, che copre i connettori per veicoli elettrici leggeri, è stata pubblicata nell'ottobre 2022. La Parte 1 ha raggiunto la sua quarta edizione nel 2022.

Lo standard segue la definizione IEC 61851 per un pin di segnale responsabile della commutazione della corrente di ricarica. In particolare, la stazione di ricarica rimane priva di tensione finché non viene collegato un veicolo elettrico, garantendo che il veicolo non possa essere azionato durante il processo di ricarica.

Le definizioni per il pin di segnale e le spine di ricarica IEC-62196-1 della Parte 1 sono state integrate in vari regolamenti tecnici. Oltre ai connettori trifase IEC 60309 "CEEform", le modalità di ricarica sono state adottate anche per il connettore SAE J1772 in Nord America (sviluppato da Yazaki), il connettore CHAdeMO in Giappone e il connettore Mennekes (VDE-AR-E 2623-2-2) in Europa. Ognuno di questi connettori funge da base per una rete di stazioni di ricarica pubbliche fornite dai fornitori di energia.

La IEC classifica la ricarica in modalità (IEC 61851-1) come segue:

• Modalità 1: Comporta una ricarica lenta da una presa elettrica standard, monofase o trifase AC.
• Modalità 2: Ricarica lenta da una normale presa AC, ma con specifici dispositivi di protezione per EV, come i sistemi Park & Charge o PARVE.
• Modalità 3: Comprende sia la ricarica AC lenta che quella veloce, utilizzando una particolare presa multipolare per EV dotata di funzioni di controllo e protezione, come SAE J1772 e IEC 62196-2.
• Modalità 4: Ricarica rapida DC tramite un'interfaccia di ricarica dedicata, come IEC 62196-3, ad esempio CHAdeMO.

Il collegamento tra la rete elettrica e il "caricatore" (apparecchiatura di alimentazione del veicolo elettrico) è delineato in tre scenari (IEC 61851-1):

• Caso A: Si riferisce a qualsiasi caricatore collegato alla rete, solitamente con il cavo di alimentazione di rete collegato al caricatore stesso, principalmente associato alle modalità 1 o 2.
• Caso B: Descrive un caricatore di bordo del veicolo con un cavo di alimentazione di rete che può essere staccato sia dall'alimentazione che dal veicolo, tipicamente corrispondente alla modalità 3.
• Caso C: Riguarda le stazioni di ricarica DC dedicate, dove il cavo di alimentazione di rete può essere collegato in modo permanente alla stazione di ricarica, simile alla modalità 4.

Il North American Charging Standard (NACS), noto anche come standard di ricarica Tesla, è un sistema di connettori per la ricarica di veicoli elettrici (EV) sviluppato da Tesla, Inc. È stato utilizzato su tutti i veicoli Tesla del mercato nordamericano dal 2012. Nel novembre 2022, Tesla lo ha aperto all'uso da parte di altri produttori.

Il sistema di connettori NACS, attualmente in fase di standardizzazione come SAE J3400, è progettato per facilitare sia la ricarica AC che quella DC. La versione attuale del connettore NACS utilizzata con i Tesla Supercharger può fornire fino a 250 kW di potenza. Quando viene utilizzata l'alimentazione AC, il sistema NACS può fornire fino a 80 Ampere a 277 Volt. Nella configurazione più comune, fornisce fino a 48 Ampere di corrente a 240 Volt, equivalenti a 11,5 kW, il che è tipico per l'uso residenziale in Nord America.

I connettori comuni includono Tipo 1 (Yazaki), Tipo 2 (Mennekes), Tipo 3 (Scame), CCS Combo 1 e 2, CHAdeMO e Tesla. Molti tipi di spina standard sono definiti in IEC 62196-2 (per l'alimentazione AC) e 62196-3 (per l'alimentazione DC):

• Tipo 1: Accoppiatore per veicoli AC monofase – Conforme alle specifiche SAE J1772/2009 per spine automobilistiche.
• Tipo 2: Accoppiatore per veicoli AC monofase e trifase – Conforme alle specifiche VDE-AR-E 2623-2-2, SAE J3068 e GB/T 20234.2.
• Tipo 3: Accoppiatore per veicoli AC monofase e trifase dotato di otturatori di sicurezza – Proposto dalla EV Plug Alliance.
• Tipo 4: Accoppiatori per ricarica rapida DC
  • Configurazione AA: CHAdeMO
  • Configurazione BB: GB/T 20234.3
  • Configurazioni CC/DD: (riservate)
  • Configurazione EE: CCS Combo 1
  • Configurazione FF: CCS Combo 2

Design dei connettori elencati in IEC 62196-2 e -3
Alimentazione	Stati Uniti	Unione Europea	Giappone	Cina
AC monofase	Tipo 1 (SAE J1772)	Tipo 2 (DE, UK) Tipo 3 (IT, FR; ora deprecato)	Tipo 1 (SAE J1772)	Tipo 2 (GB/T 20234.2)
AC trifase	Tipo 2 (SAE J3068)		-
DC	EE (CCS Combo 1)	FF (CCS Combo 2)	AA (CHAdeMO)	BB (GB/T 20234.3)
			ChaoJi (pianificato)

Alla fine degli anni '90 e all'inizio degli anni 2000, diversi veicoli elettrici (EV), tra cui GM EV1, Ford Ranger EV e Chevrolet S-10 EV, sono stati introdotti negli Stati Uniti. Questi veicoli hanno favorito l'uso di apparecchiature di alimentazione per veicoli elettrici (EVSE) di Livello 2 (AC monofase), come definito dal NEC-1999, per mantenere una velocità di ricarica accettabile. Gli EVSE erano dotati di un connettore a induzione (Magne Charge) o di un connettore conduttivo (solitamente AVCON). GM, Nissan e Toyota hanno supportato il sistema a induzione, mentre DaimlerChrysler, Ford e Honda hanno sostenuto il sistema conduttivo.

Le palette Magne Charge erano disponibili in due dimensioni: una paletta più vecchia e più grande (utilizzata per EV1 e S-10 EV) e una paletta più nuova e più piccola (utilizzata per la prima generazione di Toyota RAV4 EV ma retrocompatibile con i veicoli a paletta grande tramite un adattatore). La paletta più grande, introdotta nel 1994, era necessaria per una porta di ricarica dell'ingresso del veicolo raffreddata a liquido, mentre la paletta più piccola, introdotta nel 2000, si interfacciava invece con un ingresso raffreddato ad aria. SAE J1773, che delineava i requisiti tecnici per l'accoppiamento a paletta a induzione, è stato rilasciato per la prima volta nel gennaio 1995, con una revisione nel novembre 1999.

Il connettore AVCON (a sinistra) accanto al suo successore, il connettore SAE J1772 (a destra).

Il 28 giugno 2001, l'influente California Air Resources Board ha adottato il connettore conduttivo come standard, citando costi inferiori e una maggiore durata. Di conseguenza, la paletta Magne Charge è stata interrotta entro il marzo successivo. Esistevano tre connettori conduttivi a quel tempo, ognuno chiamato con il nome dei propri produttori: Avcon (noto anche come butt-and-pin, utilizzato da Ford, Solectria e Honda), Yazaki (noto anche come pin-and-sleeve, sul RAV4 EV) e ODU (utilizzato da DaimlerChrysler). Il connettore butt-and-pin Avcon supportava sia la ricarica di Livello 2 che di Livello 3 (DC) ed era inizialmente descritto nell'appendice della prima versione (1996) della pratica raccomandata SAE J1772. La versione del 2001 ha spostato la descrizione del connettore nel corpo della pratica, stabilendolo come standard de facto per gli Stati Uniti. L'IWC ha raccomandato il connettore butt Avcon per il Nord America sulla base di test ambientali e di durata. Nella sua implementazione, il connettore Avcon utilizzava quattro contatti per il Livello 2 (L1, L2, Pilot, Ground) e ne ha aggiunti altri cinque (tre per comunicazioni seriali e due per alimentazione DC) per il Livello 3 (L1, L2, Pilot, Com1, Com2, Ground, Clean Data ground, DC+, DC−). Tuttavia, entro il 2009, J1772 aveva adottato il connettore rotondo pin-and-sleeve (Yazaki) come sua implementazione standard, rendendo obsoleto il connettore rettangolare butt Avcon.