Rivoluzionando i veicoli elettrici commerciali: la ricarica a megawatt e le sue implicazioni

Mentre il mondo accelera verso un futuro sostenibile, l’elettrificazione dei veicoli commerciali diventa sempre più indispensabile. Questa presentazione tecnica esamina la crescente domanda di soluzioni di ricarica a megawatt nel settore dei veicoli commerciali elettrici, gli ostacoli tecnici, l’efficienza economica e i vantaggi prestazionali.

Esploriamo i costi legati all’attivazione della ricarica a megawatt sui veicoli commerciali. È necessario comprendere questi elementi tecnologici per valutare le prestazioni desiderate e la velocità di ricarica del veicolo. La nostra presentazione analizzerà questi requisiti tecnologici fondamentali, tra cui batterie ad alta capacità, sistemi di protezione contro correnti anomale e avanzati sistemi di gestione termica. Ognuno di questi fattori può rappresentare un limite per la velocità di ricarica disponibile, ma affrontarli comporta costi aggiuntivi. Attraverso un’analisi del tempo disponibile nell’utilizzo dei veicoli commerciali in diversi modelli di business, identificheremo le velocità di ricarica necessarie per rendere elettrici tali modelli. La flessibilità nel decidere quando e dove ricaricare il veicolo diventa il principale vantaggio di una ricarica più veloce. Presentiamo 3 modelli di business potenziali che richiederanno soluzioni di ricarica diverse:

Consegna locale – Con un basso consumo energetico e un tempo di fermo disponibile elevato, può essere elettrificata tramite una ricarica relativamente lenta da 150 kW.

Trasporti su media distanza – Con un consumo energetico medio e un tempo di fermo disponibile medio, può essere elettrificata con le velocità di ricarica attualmente disponibili, pari a 350 kW.

Trasporti su lunga distanza – Con un alto consumo energetico e un tempo di fermo disponibile ridotto, richiederà una ricarica da 1 MW per poter essere ampiamente utilizzata prima dell’elettrificazione.

Anche se tutte le applicazioni basate su veicoli elettrici potrebbero trarre vantaggio dalla flessibilità di una ricarica più veloce, e in effetti la maggior parte delle applicazioni potrebbe essere elettrificata grazie a sistemi di ricarica da 1 MW ampiamente disponibili, è importante capire che non tutte ne avranno bisogno. Molti modelli di business possono diventare completamente elettrici gestendo i costi dei veicoli attraverso velocità di ricarica più lente.

Grazie a ricerche e sviluppi innovativi, Eaton è in

È in prima linea nello sviluppo di soluzioni di ricarica a bordo scalabili ed efficienti e può aiutare i produttori originali e le flotte a comprendere i compromessi tra costo e benefici specifici per l’uso di ciascun veicolo.

Costo di una ricarica più veloce

Al centro di questa discussione c’è il concetto di velocità di ricarica, un fattore cruciale che influisce sull’implementazione pratica e sull’utilizzo dei veicoli elettrificati. La velocità di ricarica determina le dinamiche operative, influenzando la fattibilità di diversi modelli business orientati all’elettrificazione. Sebbene alcune applicazioni possano integrare senza problemi i veicoli elettrici nei loro attuali framework aziendali, altre potrebbero richiedere l’introduzione di nuove tecnologie o la creazione di nuovi modelli business per sfruttare i vantaggi dell’elettrificazione.

L’affermazione secondo cui una carica accelerata equivale a prestazioni superiori ha dei fondamenti; tuttavia, è indispensabile un’analisi approfondita delle limitazioni che devono affrontare i produttori di veicoli e gli operatori di flotte. Ciò include la valutazione delle implicazioni tecniche ed economiche dell’elettrificazione dei veicoli, al fine di garantire che la transizione sia non solo tecnicamente fattibile, ma anche sostenibile nel contesto di mercato a lungo termine.

Celle batteria

Le celle batteria, analogamente alla preferenza umana per ambienti controllati termicamente, mostrano prestazioni ottimali entro specifici parametri di temperatura. Idealmente, queste celle funzionano in modo efficiente in un intervallo termico compreso tra 15 e 35 gradi Celsius. È importante notare che l’intervallo di temperatura operativa preferito può variare a seconda del fatto che le celle si trovino

Il processo di carica o scarica. La Figura 1 mostra la relazione tra la temperatura di una cella batteria e le sue prestazioni relative. L’intervallo delle prestazioni è maggiore durante la scarica della batteria rispetto alla carica.

Questo parallelismo sottolinea la necessità di sistemi avanzati di gestione termica nei veicoli elettrici. Tali sistemi sono progettati per mantenere le cellule batteria all’interno della loro “zona di comfort”, garantendo così prestazioni costanti. Inoltre, l’integrazione di funzionalità intelligenti come la pianificazione del percorso permette al veicolo di anticipare le sessioni di carica future, consentendo la precondizionatura della batteria. Questo approccio proattivo favorisce un’efficienza ottimale nella carica.

Il secondo fattore che può influenzare la capacità di una cella di assorbire energia è il suo stato di carica attuale. Facendo un parallelo con il processo per cui le persone entrano in un cinema e cercano un posto a sedere, si può concepire analogamente anche il processo di carica di una batteria. Quando il “cinema” – ovvero la batteria – è vuoto, il processo è semplice. Tuttavia, man mano che aumenta l’occupazione, trovare “posti a sedere” disponibili – ovvero punti di carica all’interno delle cellule – diventa sempre più difficile. La Figura 2 mostra graficamente questa relazione. Man mano che lo stato di carica si avvicina alla capacità massima, la velocità di carica può ridursi al punto in cui caricare diventa poco economico. È meglio per il conducente recarsi in un secondo punto di carica quando la batteria è ancora parzialmente carica, piuttosto che restare fermo ad aspettare a una velocità ridotta.

Questo rapporto tra livello di carica e prestazioni può influenzare anche la capacità del veicolo di utilizzare il motore di trazione come freno secondario. Pertanto, il veicolo deve disporre di una riserva sufficiente nell’insieme delle batterie per garantire un tasso di carica adeguato e una capacità di storage sufficiente per effettuare il frenaggio rigenerativo. Uno strumento avanzato di pianificazione dei percorsi dovrebbe essere in grado di prevedere il consumo energetico nonché la quantità di energia che può essere recuperata, al fine di ottimizzare l’efficienza.

Dimensioni della batteria e tasso C

Un aspetto fondamentale della chimica delle batterie è il rapporto tra la velocità teorica massima di carica dell’insieme delle batterie e la sua capacità.

La ricerca di chimie cellulari più veloci è realizzabile; tuttavia, spesso comporta costi più elevati e un compromesso in termini di durata. Il mercato dei veicoli elettrici commerciali mostra una preferenza per la chimica a fosfato di ferro e litio (LFP), che

raggiunge un equilibrio tra convenienza economica e durata.

I recenti progressi nella chimica LFP hanno aumentato il tasso C del pacco batterie da circa 2 a un intervallo compreso tra 3 e 4. Tuttavia, anche con un tasso C di 3, per raggiungere una potenza di carica di 3,75 MW – il limite massimo dello Standard di Caricamento Mega (MCS) – un veicolo avrebbe bisogno di una capacità batteria a bordo vicina ai 1000 kWh. Al contrario, una potenza di carica di 1 MW può essere ottenuta con una batteria da 400 kWh. Sebbene molto più grande delle batterie presenti nei veicoli leggeri, questa dimensione rimane comunque entro limiti più gestibili.

L’esempio evidenziato mostra che una batteria 3C collegata a un caricabatterie in grado di erogare 1 Megawatt avrà una velocità di carica limitata se la capacità della batteria è inferiore a 350 kWh. Al di sopra di questa capacità, è possibile raggiungere la potenza massima del caricabatterie.

È importante notare che una batteria più grande non solo aumenta l’autonomia del veicolo e permette una maggiore recupero di energia tramite la frenata rigenerativa, ma influisce anche sulla capacità di carico del veicolo. Questo compromesso sottolinea l’equilibrio delicato tra il miglioramento delle prestazioni dei veicoli elettrici e la conservazione di una praticità d’uso efficace.

Potenziali ostacoli termici

Nel contesto della carica, i vincoli termici rappresentano un fattore importante da considerare. Ogni componente all’interno della batteria e dell’infrastruttura di carica può diventare un punto di restrizione. Le perdite nel sistema elettrico seguono la regola I2r, il che indica che le perdite dovute alla resistenza sono proporzionali al quadrato della corrente. Quando le correnti variano da 800 a 3000 Ampere, anche piccoli aumenti di resistenza, soprattutto nei pressi dei contatti, possono causare una notevole generazione di calore.

La Figura 4 mostra l’analisi termica della tecnologia di protezione dei circuiti Breaktor® di Eaton. Essa fornisce informazioni su tali dinamiche, evidenziando la capacità di trasportare continuamente 350A, ma correnti molto più elevate per periodi limitati. L’integrazione di meccanismi di raffreddamento attivi può aumentare la durata per cui i componenti possono funzionare entro parametri termici sicuri. È fondamentale riconoscere i limiti individuali di ciascun componente e gestire i limiti termici a livello di sistema per garantire un funzionamento sicuro ed efficiente. Il modo migliore per gestirlo a bordo di un veicolo è utilizzare sensori di temperatura e funzioni di trasferimento per monitorare la temperatura interna dei componenti. L’uso di un sistema di monitoraggio attivo permette a un veicolo di richiedere la massima potenza per il maggior tempo possibile, rimanendo comunque entro i limiti termici.

Distribuzione dell’energia

La progettazione dei sistemi ad alta tensione comprende non solo i parametri operativi, ma anche le strategie di protezione necessarie per garantire un funzionamento sicuro e ridurre al minimo gli effetti di eventuali guasti. Nei casi in cui vengono utilizzati più gruppi batteria, ciascun gruppo potrebbe richiedere la gestione soltanto di una parte della corrente di carica e l’esposizione a una frazione proporzionale delle possibili condizioni di guasto. Per questo motivo, l’Unità di Disconnessione della Batteria (BDU) di ciascun gruppo potrebbe rispondere alle esigenze tipiche delle applicazioni nei veicoli leggeri.

Come mostrato nella Figura 5, il Breaktor 900 si rivela una soluzione di protezione ottimale per i singoli pannelli batteria. Essendo in grado di gestire da solo una carica di 500 kW per un periodo limitato e di proteggere contro cortocircuiti fino a 20 kA, soddisfa i requisiti di ciascun pannello dopo che l’energia del MCS viene distribuita in modo uniforme. Tuttavia, le sue capacità non coprono le alte correnti presenti alla porta del MCS.

Alla porta MCS, il sistema deve essere protetto da guasti totali causati sia dal caricabatterie che da più gruppi batteria contemporaneamente. Questo può comportare correnti di guasto fino a 70kA. Il meccanismo di protezione deve essere in grado di limitare la corrente per proteggere efficacemente i sistemi del veicolo. È in questo contesto che le fusibili per veicoli commerciali di Eaton diventano particolarmente utili: tali fusibili possono essere disposti in parallelo per creare una strategia di protezione scalabile che copra l’intero intervallo di corrente MCS. Tuttavia, questi fusibili devono essere coordinati con cura con un paio di contattori della dimensione adeguata per facilitare le normali operazioni di commutazione, garantendo così una progettazione del sistema ad alta tensione robusta e affidabile.

Sessione di carica

Sintetizzando gli elementi, immaginiamo una sessione reale di ricarica di un veicolo elettrico. Il calcolo del tempo di ricarica si basa sull’area sotto la curva. La maggior parte dei sistemi di ricarica ha una limitazione di corrente, il che significa che il caricabatterie può erogare solo una corrente massima. Moltiplicando questa valore per la tensione del sistema si ottiene la potenza massima di ricarica. Aumentare il limite di corrente, sia sul caricabatterie che sul veicolo — ad esempio attraverso strategie di riduzione termica o l’uso di contattori più potenti — può elevare la velocità massima di ricarica, riducendo così il tempo necessario per una carica completa.

Negli scenari che prevedono sessioni di carica da 1MW e 500kW, il sistema mantiene la massima velocità di carica solo in modo transitorio, prima di incontrare ostacoli termici o limitazioni intrinseche della batteria che richiedono una riduzione della velocità di carica. Al contrario, un’applicazione di carica a bassa potenza, che opera al di sotto di questi limiti, può mantenere la velocità massima per la maggior parte della durata della carica. Tutte e tre le sessioni di carica forniscono gli stessi 600kWh, ma ci vogliono tempi sostanzialmente diversi

per farlo.

Questi profili di carica sono fondamentali da comprendere per i produttori di equipaggiamenti originali (OEM) e gli operatori di flotte. Essi devono allineare le capacità di carica del veicolo al suo ruolo operativo specifico. Questa allineamento è essenziale per garantire che le prestazioni del veicolo soddisfino le aspettative legate al suo utilizzo previsto. Successivamente esamineremo come tali considerazioni si traducano in applicazioni pratiche per OEM e operatori di flotte.

Velocità di carica richiesta

Per capire a che velocità si possa considerare una carica sufficientemente rapida, dobbiamo innanzitutto analizzare alcuni casi d’uso dei veicoli commerciali. Utilizzando una combinazione di dati reali provenienti dall’iniziativa NACFE Run on Less e un caso teorico relativo ai camion per trasporti su lunghe distanze, esamineremo la quantità di energia consumata in un giorno rispetto al tempo a disposizione del veicolo per caricarsi.

Applicazione per consegne locali

La prima applicazione riguarda un veicolo per consegne locali fornito da Penske in base ai dati di NACFE. In questo caso, il veicolo percorre ogni giorno una breve rotta di consegne locale di circa 200 chilometri in un’unica giornata lavorativa. Ciò significa che il veicolo consuma soltanto circa 250 kWh e dispone di oltre 15 ore di tempo fermo nel deposito per ricaricarsi. Teoricamente, questo potrebbe essere gestito tramite sistemi di carica in corrente alternata di livello II disponibili sul mercato, ma i veicoli dovrebbero rimanere collegati alla presa per tutto il tempo in cui non sono in movimento. Nella pratica, Penske utilizza sistemi di carica rapida in corrente continua da 150 kW che permettono di ricaricare il camion in 2 ore alla fine della giornata lavorativa, prima che venga spostato in un posto di parcheggio ordinario nel deposito; questo approccio consente di concentrare le infrastrutture necessarie per gestire più veicoli e mantenere la loro flessibilità operativa. La Tabella 2 e la Figura 7 illustrano questa applicazione.

Applicazione per le consegne regionali

Il secondo esempio da analizzare proviene anch’esso dal Run on Less Electric Depot. Qui Pepsi utilizza una flotta di camion semi-trasporto Tesla per rotte di consegna regionali. Il veicolo può percorrere fino a 965 chilometri in 24 ore, suddivisi in due turni di guida. Ciò lascia un lasso di tempo limitato, di 3 ore alla fine di ciascun turno, per effettuare la ricarica. Utilizzando un metodo simile che tiene conto di tutto il tempo disponibile, teoricamente questa situazione potrebbe essere gestita con una ricarica da 250 kW, ma anche in questo caso sarebbe necessaria una ricarica continua per ogni momento in cui il veicolo non è in movimento.

Nella pratica, Pepsi utilizza una ricarica da 600 kW per riempire nuovamente i camion

Attraverso due sessioni di 2 ore ciascuna, si ottiene maggiore flessibilità e un tempo di funzionamento più lungo. La Tabella 3 e la Figura 8 illustrano questa applicazione.

Applicazione per i trasporti su lunghe distanze

L’ultimo scenario da esaminare è un esempio teorico di cabina per camion per lunghi tragitti. Questo tipo di veicolo è spesso considerato uno degli applicativi più difficili da elettrificare, poiché attualmente dipende da una rete dispersa di stazioni di rifornimento, anziché da un deposito controllato di proprietà della flotta o dell’operatore.

Legalmente, nei paesi più importanti gli autisti di lungo raggio sono obbligati a fare pause di riposo a intervalli regolari. In condizioni ideali, il periodo di riposo di 10 ore, così come tutte le fermate programmate durante la giornata, potrebbero essere utilizzati per caricare il veicolo; in tal caso un operatore potrebbe percorrere 965 chilometri al giorno avendo bisogno soltanto di una potenza di carica di 150 kW. Tuttavia, data la distribuzione disomogenea dei punti di carica necessari, trovare costantemente una presa ogni volta che il camion è fermo risulterebbe probabilmente impossibile.

Per questo motivo, dobbiamo presumere che il camion possa trovare una presa di carica solo un numero limitato di volte durante la giornata e non si colleghi durante il periodo di riposo notturno, riducendo così l’orario disponibile per la carica a circa 3 ore al giorno. Questo modello riflette più fedelmente il modello commerciale attualmente in uso, caratterizzato da fermate per il riposo e stazioni di rifornimento di diesel. Utilizzando questo tempo disponibile, per coprire la distanza richiesta teoricamente è necessaria una carica media di 666 kW. Tenendo conto di tutto ciò che abbiamo appreso sulle limitazioni legate alla carica massima e sulla flessibilità, sarà necessario un caricabatterie da 1 MW o superiore. La Tabella 4 e la Figura 9 rappresentano questo scenario teorico.

Questo non significa che la ricarica a megawatt risolva tutti i problemi legati all’elettrificazione dei camion per lunghi tragitti: la disponibilità di caricabatterie e le connessioni alla rete rappresenteranno comunque delle sfide. Tuttavia, questa analisi dimostra che se la ricarica a 1 MW diventasse ampiamente disponibile, anche i casi d’uso più complessi potrebbero diventare realtà.

Quanto velocemente è abbastanza veloce?

Infine, riassumiamo l’intera situazione. Ogni applicazione presenterà un diverso consumo energetico durante la giornata rispetto al tempo disponibile per ricaricare. La Figura 10 rappresenta graficamente questa situazione, utilizzando aree ombreggiate per indicare le tre applicazioni esaminate. Tracciando le curve delle diverse velocità di ricarica massime, possiamo individuare una soglia al di sotto della quale un’applicazione potrebbe essere effettivamente supportata da un determinato caricabatterie.

Incorporando i tre esempi che abbiamo analizzato in questo grafico, si può vedere come ciascuno di essi possa essere gestito da una rete di ricarica diversa. Ciò indica inoltre che la maggior parte delle applicazioni può essere adeguatamente servita dall’infrastruttura di ricarica da 1MW ampiamente disponibile.

Anche se lo standard MCS permette capacità di ricarica

fino a 3,75MW, è importante notare che i costi legati all’attivazione di una ricarica ad alta potenza tendono ad aumentare esponenzialmente. Pertanto, la giustificazione economica per l’uso di tale tecnologia sarà probabilmente limitata ad applicazioni specifiche. Questo approccio garantisce un equilibrio tra efficienza operativa e convenienza economica.

Conclusione

Ogni applicazione relativa ai veicoli commerciali è unica e richiede una valutazione specifica delle sue esigenze energetiche e dei motivi economici per l’elettrificazione. Comprendere i limiti e i costi legati al miglioramento delle prestazioni di ricarica permette alle flotte e ai produttori originali

di confrontare i costi con i vantaggi in termini di flessibilità offerti da una ricarica più veloce. Non esiste una soluzione universale. Molte applicazioni possono essere soddisfatte adeguatamente dalla tecnologia di ricarica attuale, e l’avvento di stazioni di ricarica da Megawatt ampiamente disponibili dovrebbe aprire la strada all’elettrificazione per la maggior parte delle applicazioni dei veicoli commerciali odierni.

Su Eaton: Eaton è da tempo un fornitore di riferimento nel settore dei veicoli commerciali. Con l’espansione della nostra gamma di prodotti per l’elettrificazione, Eaton rappresenta il partner ideale per i clienti OEM per comprendere appieno l’equilibrio tra costi e benefici. La nostra esperienza nella distribuzione e protezione dell’energia può aiutare i produttori OEM a progettare architetture ad alta tensione efficienti dal punto di vista economico, in grado di soddisfare le esigenze dei loro clienti.

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