Modalità di ricarica dei veicoli elettrici 1, 2, 3 e 4 spiegate: a cosa serve ciascuna

Molti parlano di ricarica lenta in corrente alternata (AC) e ricarica rapida in corrente continua (DC). Negli standard tecnici, gli stessi concetti vengono descritti come Modalità 1, Modalità 2, Modalità 3 e Modalità 4.

Queste modalità descrivono come l'auto è collegata alla rete elettrica, dove si trovano i componenti elettronici e come il sistema garantisce la sicurezza di persone ed edifici. La modalità di ricarica non corrisponde alla forma della spina e non è la stessa cosa di "Livello 1 / Livello 2" in Nord America.

La modalità descrive l'intero concetto di ricarica: corrente alternata o continua, quale dispositivo controlla la corrente, come l'auto e la stazione si scambiano i segnali e quali protezioni sono attive. Una volta comprese le quattro modalità, diventa più facile decidere quando un cavo portatile è sufficiente, quando è opportuno utilizzare una wallbox e quando vale la pena investire nella ricarica rapida in corrente continua.

Le quattro modalità di ricarica

Modalità 1 – Semplice collegamento via cavo a una presa domestica, senza centralina di controllo, con comunicazione pressoché assente. Ampiamente obsoleta e sconsigliata per i veicoli elettrici moderni.

Modalità 2 – Cavo portatile con centralina di controllo e protezione. Utilizza le prese esistenti per la ricarica occasionale o di riserva.

Modalità 3 – Wallbox CA fissa o colonnina di ricarica CA con controllo e protezione completi. Utilizzata per la normale ricarica CA a casa, al lavoro e nei parcheggi pubblici.

Modalità 4 – Ricarica in corrente continua (CC) in cui la stazione ospita l'elettronica di potenza e invia la corrente continua tramite un connettore dedicato. Utilizzata per la ricarica rapida e ultraveloce.

La tabella seguente elenca le quattro modalità in base al tipo di alimentazione, alla potenza e alle tipiche posizioni di installazione:

Modalità 1: una soluzione legacy

La modalità 1 collega il veicolo direttamente a una presa standard tramite un cavo di base.
Nel cavo non è presente alcuna centralina di controllo né alcun dispositivo elettronico dedicato per monitorare la corrente o comunicare con l'auto.

In questa configurazione, il veicolo elettrico assorbe energia attraverso cablaggi e prese che non sono stati progettati per sessioni di utilizzo prolungate ad alto carico. Le prese possono surriscaldarsi, i cablaggi possono subire sollecitazioni eccessive e l'utente ha pochissimi preavvisi finché non avverte odore di bruciato o si verifica un guasto.

Per questo motivo, molti paesi limitano o scoraggiano l'utilizzo della Modalità 1 per i veicoli elettrici moderni.
Potreste ancora vederla in vecchi progetti pilota o in veicoli molto piccoli e a bassa potenza, ma non è una scelta realistica per una nuova installazione domestica o per un sito pubblico. Quando si pianificano le infrastrutture oggi, la Modalità 1 è relegata nel "passato storico".

Modalità 2: caricabatterie portatili per veicoli elettrici

La Modalità 2 è il caricabatterie portatile per veicoli elettrici di cui molte auto sono dotate di serie. Un'estremità si collega a una presa domestica o industriale.
A metà del cavo si trova una scatola contenente i componenti elettronici di controllo e protezione. Da lì il cavo prosegue fino alla presa del veicolo.

Quella scatola in genere svolge tre funzioni principali:

Limita la corrente massima al valore nominale della presa e del cablaggio.

Controlla la temperatura della presa o all'interno della scatola e si spegne se la temperatura diventa troppo alta.

Invia segnali di base in modo che l'auto sappia quanta corrente può assorbire

Il concetto è semplice ma utile. Gli automobilisti possono utilizzare le prese esistenti senza installare una wallbox. Chi vive in affitto, si trasferisce spesso o parcheggia in luoghi diversi ne trae vantaggio in termini di flessibilità.

Esistono dei limiti reali:

La potenza è limitata dalla potenza nominale della presa e dalle normative locali.

Gli edifici più vecchi potrebbero avere impianti elettrici che non sopportano ore di corrente elevata

Prese deboli, contatti allentati o prolunghe usurate possono surriscaldarsi se utilizzate a pieno carico.

Pertanto, la Modalità 2 è da considerarsi preferibilmente uno strumento da utilizzare occasionalmente o come soluzione di riserva.
È una soluzione ideale per i rabbocchi notturni quando il chilometraggio giornaliero è modesto, per le visite a parenti e amici, per le case vacanza e per le flotte miste in cui le auto non tornano sempre alla stessa postazione di ricarica.

I caricabatterie portatili progettati per la Modalità 2 devono essere robusti. Il dispositivo viene fatto cadere, preso a calci e gettato nel bagagliaio. Gli involucri devono essere resistenti agli urti e impermeabili contro polvere e acqua. I cavi vengono arrotolati e srotolati frequentemente, quindi devono essere flessibili sia con il freddo che con il caldo. Le spine devono gestire il calore alla corrente nominale anche quando la presa non è in perfette condizioni.

Modalità 3: Wallbox e colonnine CA

La modalità 3 è il metodo standard per effettuare la normale ricarica CA.
Il veicolo elettrico si collega a una wallbox CA dedicata o a una stazione di ricarica CA che contiene la propria elettronica di controllo, i dispositivi di protezione e il sistema di comunicazione con il veicolo.

Il caricabatterie è alimentato da un circuito dedicato. In un'abitazione, potrebbe trattarsi di una wallbox monofase da 7 o 11 kW.
Nelle regioni con alimentazione trifase, i luoghi di lavoro e i parcheggi pubblici offrono spesso fino a 22 kW per presa. I valori esatti dipendono dal collegamento dell'edificio e dalle normative locali. L'obiettivo è un circuito dimensionato e protetto per la ricarica prolungata dei veicoli elettrici.

Per l'utente, la Modalità 3 solitamente significa:

Un cavo che si trova sulla scatola a muro o sul palo invece che nel cassone

Chiavi di stato o uno schermo, a volte con controllo degli accessi e fatturazione

Meno incertezze sulla capacità del cablaggio di sopportare il carico

Per quanto riguarda il veicolo, la maggior parte dei veicoli elettrici leggeri utilizza una presa di tipo 1 o di tipo 2 per la corrente alternata.
Sul lato della stazione esistono due configurazioni comuni:

Unità collegate tramite cavo con spina fissa, pronte per essere afferrate

Unità con connettore in cui il driver porta un cavo di tipo 2 separato

Ogni scelta ha delle conseguenze a livello hardware:

I cavi con cavo di collegamento vengono collegati e scollegati più volte al giorno e rimangono all'aperto esposti a sole, pioggia e polvere. La guaina, il sistema di scarico della tensione e la parte posteriore del connettore sono sottoposti a notevoli sollecitazioni meccaniche.

I morsetti a innesto trasferiscono una maggiore usura al cavo dell'utente, che deve avere la sezione trasversale, la flessibilità e la resistenza alla trazione adeguate.

La geometria dei contatti, il trattamento superficiale e la forza di bloccaggio influiscono sulla durata dei componenti prima che si allentino, diventino rumorosi o inaffidabili.

Quando i componenti sono ben progettati, la Modalità 3 risulta piacevolmente anonima: basta collegare il caricabatterie, allontanarsi, tornare e trovare l'auto carica, e pulire i connettori. I difetti di progettazione si manifestano in seguito con connettori surriscaldati, umidità all'interno degli alloggiamenti o fermi rotti.

Modalità 4: ricarica rapida in corrente continua

La modalità 4 prevede la ricarica in corrente continua con il convertitore presente nella stazione anziché nell'auto.
La stazione preleva la corrente alternata dalla rete, la trasforma in corrente continua a una tensione e corrente adatte alla batteria e la invia tramite un connettore CC dedicato.

I caricabatterie a corrente continua di prima generazione per auto erogavano spesso una potenza di circa 50 kW.
I nuovi snodi autostradali e urbani utilizzano comunemente una potenza di 150-350 kW per singolo punto di collegamento. I veicoli pesanti come autobus e camion possono raggiungere potenze superiori se veicoli, cavi e quadri elettrici sono progettati di conseguenza.

Rispetto alla corrente alternata, l'hardware è soggetto a sollecitazioni diverse:

Le correnti sono molto più elevate rispetto a quelle tipiche delle ricariche domestiche o sul posto di lavoro.

Anche un piccolo aumento della resistenza di contatto può far aumentare le temperature

Il connettore deve bloccarsi saldamente sotto carico, ma deve comunque essere facile da maneggiare per tutto il giorno.

La modalità 4 utilizza famiglie di connettori come CCS e GB/T DC per i veicoli leggeri e interfacce ad alta corrente più recenti per autocarri pesanti e autobus.

Il raffreddamento è una parte fondamentale del progetto. I cavi CC raffreddati naturalmente possono trasportare una potenza considerevole, ma all'estremità superiore della gamma di ricarica rapida molti sistemi utilizzano cavi raffreddati a liquido e maniglie.
I canali di raffreddamento corrono vicino ai conduttori e ai blocchi di contatto e dissipano il calore in modo che la superficie esterna del cavo e dell'impugnatura rimanga a una temperatura accettabile per gli utenti. È necessario trovare un equilibrio tra peso e rigidità, in modo che il personale possa collegare e scollegare i connettori molte volte per turno senza affaticarsi.

La modalità 4 è adatta ai luoghi in cui i veicoli si fermano brevemente ma necessitano di ricaricare molta energia: aree di sosta autostradali, stazioni di ricarica rapida cittadine, depositi logistici e autostazioni.

Come le modalità influenzano i connettori e i cavi

Ogni modalità di ricarica spinge l'hardware in una direzione diversa.

Modalità 2
All'interno del cavo sono alloggiati i componenti elettronici. L'involucro della scatola di controllo deve essere ben sigillato e resistente agli urti. I cavi vengono movimentati e arrotolati più frequentemente rispetto agli impianti fissi, pertanto necessitano di guaine flessibili e di un'adeguata protezione contro le piegature. Le spine su entrambe le estremità devono resistere al calore a pieno carico, poiché le prese domestiche non sono sempre perfette.

Modalità 3
I connettori sono soggetti a un elevato numero di cicli di accoppiamento e all'esposizione agli agenti atmosferici. I contatti devono avere forme e rivestimenti che ne garantiscano una lunga durata. Le guaine dei cavi sono esposte ai raggi UV, alla pioggia e alla neve, oltre a urti occasionali causati da ruote o scarpe. Il sistema di scarico della tensione sul retro del connettore protegge i conduttori nei punti in cui si concentra la flessione.

Modalità 4
Correnti elevate e cicli di lavoro impegnativi determinano la sezione trasversale e la disposizione dei contatti. Nei sistemi di raffreddamento a liquido, i canali del refrigerante e le guarnizioni condividono uno spazio limitato con i conduttori e i pin di segnale. L'impugnatura deve comunque risultare comoda da tenere in mano e i grilletti e i pulsanti devono rimanere facili da usare anche quando l'intero gruppo è più pesante di una spina di alimentazione.

Poiché le sollecitazioni e le modalità di utilizzo differiscono notevolmente, i produttori solitamente sviluppano famiglie di prodotti separate per la Modalità 2, la Modalità 3 e la Modalità 4, anziché cercare di adattare un unico design a tutte e tre.

Scegliere le modalità di trasporto per abitazioni, siti e flotte

La combinazione ideale di modalità di utilizzo dipende da dove si trovano le auto e da come vengono utilizzate.

Per le abitazioni private, le domande utili sono:

È disponibile un parcheggio riservato vicino al quadro elettrico?

Quanta strada percorre solitamente l'auto in un giorno?

Quanti veicoli elettrici condividono la stessa fornitura?

Se il cablaggio è moderno e ha capacità di riserva

Alcuni schemi ricorrenti:

In una casa in affitto con un chilometraggio giornaliero modesto e con permessi limitati per nuovi impianti elettrici, un buon caricabatterie portatile di tipo 2 collegato a una presa moderna e controllata può essere sufficiente per iniziare.

In un'abitazione con un posto auto fisso e un chilometraggio elevato, una wallbox Mode 3 su un circuito dedicato è solitamente la soluzione più comoda a lungo termine.

Molte famiglie tengono un'unità Mode 2 nel bagagliaio come riserva, anche dopo aver installato una wallbox.

Per i luoghi di lavoro e gli spazi pubblici, le domande si spostano su:

Che tipo di sito è: uffici, negozi, hotel, uso misto, deposito

Per quanto tempo di solito le auto restano parcheggiate

Sia che i conducenti si aspettino una ricarica completa o solo un utile rabbocco

Risultati tipici:

Uffici e parcheggi di destinazione si affidano principalmente alla modalità 3 CA. Le auto rimangono parcheggiate per ore, quindi una potenza moderata per posto auto è sufficiente.

Spesso, nei punti vendita al dettaglio, si trovano alcuni caricabatterie rapidi di tipo 4 vicino all'ingresso, affiancati da una fila di colonnine di tipo 3 più distanti.

Le aree di sosta e i depositi autostradali per autobus e camion si affidano in larga misura alla Modalità 4, con un numero inferiore di punti di ricarica in corrente alternata per le auto del personale o per i parcheggi a lunga sosta.

Visto in questo modo:

La Modalità 2 colma le lacune laddove le infrastrutture fisse sono limitate o ancora in fase di progettazione.

La modalità 3 diventa la base della ricarica CA quotidiana

La modalità 4 copre le soste brevi con elevato fabbisogno energetico

Domande e risposte sulle modalità di ricarica

Quali sono le quattro modalità di ricarica dei veicoli elettrici?

Si tratta di quattro concetti derivanti da standard internazionali che descrivono come un veicolo elettrico si connette alla rete elettrica. La Modalità 1 prevede un semplice cavo CA collegato a una presa, senza centralina di controllo. La Modalità 2 aggiunge una centralina di controllo e protezione al cavo. La Modalità 3 utilizza una stazione di ricarica CA dedicata. La Modalità 4 utilizza una stazione di ricarica CC con l'elettronica di potenza integrata.

La modalità di ricarica determina il tipo di connettore di cui ho bisogno?

Non sono concetti separati. Le modalità descrivono come è costruito e controllato il sistema. I tipi di connettore, come Tipo 2, CCS o GB/T, descrivono la forma fisica e la disposizione dei pin. In pratica, alcuni connettori corrispondono a determinate modalità – Tipo 2 con la Modalità 3, CCS con la Modalità 4 – ma i due concetti sono distinti.

In che modo le modalità di ricarica si relazionano ai livelli 1, 2 e 3?

Livello 1, Livello 2 e Livello 3 sono etichette nordamericane per i livelli di potenza e le configurazioni di alimentazione. Le modalità da 1 a 4 sono concetti globali relativi al modo in cui il veicolo elettrico e l'alimentazione sono collegati e controllati. Un caricabatterie di Livello 2 per uso domestico, ad esempio, di solito funziona in Modalità 3.

Le modalità di ricarica sono definite allo stesso modo in tutte le regioni?

Le definizioni di base derivano da standard internazionali, quindi le modalità da 1 a 4 hanno sostanzialmente lo stesso significato in tutto il mondo. Ciò che cambia è il modo in cui le normative locali consentono o limitano ciascuna modalità, in particolare la modalità 1 e la modalità 2 ad alta potenza sui circuiti domestici.

Un veicolo elettrico può utilizzare più di una modalità?

Sì. La maggior parte dei veicoli elettrici moderni può essere ricaricata in diverse modalità. La stessa auto potrebbe utilizzare un caricabatterie portatile di Modalità 2 a casa di un parente, una wallbox di Modalità 3 a casa o al lavoro e la ricarica rapida in corrente continua di Modalità 4 durante i viaggi lunghi. La presa di ricarica del veicolo e i sistemi di bordo sono progettati per riconoscere e funzionare con queste diverse configurazioni.