ITMO20130177A1 - Sistema di ricarica per veicoli elettrici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“Sistema di ricarica per veicoli elettriciâ€

Forma oggetto del presente trovato un sistema di ricarica per veicoli elettrici. Ci si riferisce in particolare a sistemi di ricarica in corrente alternata, di seguito denominati EVSE, compatibili con sistema di distribuzione della rete elettrica pubblica monofase e trifase in bassa tensione, e conformi alla definizione di ricarica in modo 3: questi sistemi prevedono la connessione del veicolo alla rete elettrica pubblica di alimentazione utilizzando EVSE dedicati, nei quali la funzione di controllo pilota si estende all’apparecchiatura di controllo nell’EVSE collegata in permanenza alla rete di alimentazione.

Questi sistemi sono utilizzabili nei parcheggi, interni o esterni, di civili abitazioni o aziende per la ricarica, in particolare, di autoveicoli a trazione elettrica; questi sistemi hanno una elettronica, più o meno complessa, che viene alimentata dalla tensione di rete e fornisce l’energia necessaria alla ricarica ad un cavo di ricarica che termina con un connettore che viene collegato all’autoveicolo per la ricarica.

I sistemi EVSE noti sono diffusi in diversi tagli di potenza massima (o nominale); una volta installati, essi fanno parte in modo permanente dell’impianto elettrico di un fabbricato o di un parcheggio e possono disporre della potenza contrattualmente impegnata da una utenza di fornitura di energia elettrica già esistente oppure di una nuova utenza espressamente costituita per lo scopo di ricarica di autoveicoli L’impegno di potenza da destinare alla ricarica può, durante periodi di ricarica che sono abbastanza lunghi (almeno alcune ore), essere a tratti incompatibile con il normale assorbimento di altre utenze domestiche cosa che, nel caso di contratti di fornitura elettrica dotati di limitatore, causerebbe frequenti interventi del sezionamento da parte dell’interruttore automatico installato dal gestore di rete sul gruppo di misura; questo problema à ̈ particolarmente sentito se si considera che, nella maggior parte dei casi, i carichi elettrici residenziali richiedono correnti molto elevate per limitati periodi di tempo (le lavatrici e le lavastoviglie durante la fase di riscaldamento per alcuni minuti; i compressori per la climatizzazione ad espansione durante i più frequenti cicli in compressione alla loro accensione per il rapido raggiungimento della temperatura iniziale; la vasca idromassaggio durante il periodo di un bagno; ecc…). L’aumento contrattuale della potenza disponibile dalla rete elettrica pubblica, o l’istallazione di una nuova utenza espressamente dedicata alla ricarica eviterebbero tale problema ma comporterebbero eccessivi ed ingiustificati costi aggiuntivi.

Scopo del presente trovato à ̈ quello di ovviare agli inconvenienti fornendo un sistema di ricarica, che consenta di eliminare tutti gli svantaggi della tecnica nota, fornendo un sistema che consenta l’adeguamento continuo e automatico della potenza impiegata per la ricarica alla potenza disponibile del sistema di distribuzione dell’energia elettrica.

Un vantaggio del presente trovato à ̈ quello di ottimizzare, sia da un punto di vista energetico che economico, l’utilizzo per la ricarica di autoveicoli di fonti di energia rinnovabile collegate al sistema di distribuzione dell’energia elettrica.

Questi scopi e vantaggi vengono tutti raggiunti dal sistema in oggetto così come caratterizzato nelle rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato meglio appariranno dalla descrizione dettagliata che segue del sistema in oggetto del quale, a titolo puramente esemplificativo e non limitativo, nella allegata figura 1 si illustra un possibile schema.

Si precisa innanzitutto che, nella presente descrizione, nelle formule di calcolo che attengono al calcolo delle potenze, o delle correnti o tensioni derivate da una potenza, per semplicità viene omesso di indicare lo sfasamento cos φ fra tensione e corrente, del quale comunque il sistema tiene conto per eseguire i calcoli.

Il sistema di ricarica EVSE in oggetto, il cui schema à ̈ evidenziato da linee di maggiore spessore, riceve potenza da un impianto elettrico dell’utente 302 che fornisce energia anche alle altre utenze. L’EVSE, mediante un cavo di ricarica 120 che termina con un connettore 121, viene collegato al veicolo EV per la ricarica.

All’impianto 302 viene fornita dalla rete elettrica pubblica 200, attraverso una linea 301, una massima potenza contrattuale P.re il cui valore viene inserito, come dato, nella EVSE; nel caso l’impianto utente comprenda un generatore elettrico da fonte rinnovabile non programmabile, ad esempio un impianto di pannelli fotovoltaici 303, all’impianto viene inoltre fornita, attraverso una linea 304, una potenza P.var che non à ̈ programmabile a priori, in quanto fortemente dipendente da fattori non controllabili e variabili nel tempo, ma che à ̈ misurabile come meglio verrà indicato in seguito. La potenza complessiva P.fid disponibile all’impianto elettrico dell’utente à ̈ quindi definita dalla somma dei valori assoluti di P.re e P.var.

Il sistema in oggetto à ̈ del tipo che prevede la generazione di un segnale periodico ad onda quadra modulato PWM.

Le varie funzioni del sistema, che verranno a seguito dettagliatamente descritte, vengono gestite da componenti elettronici, tutti ampiamente noti, che vengono a seguito sommariamente descritti.

Il sistema comprende un microprocessore 100, ad esempio un Siemens S7-1200, che svolge tutte le funzioni matematiche descritte nel dettaglio di seguito e che dispone di input/output analogici e digitali per la lettura di trasduttori e sensori esterni ed il comando di attuatori.

Il sistema comprende inoltre un modulo di interfaccia 101 tra il livello dei segnali di comunicazione dell’EV sul conduttore 115 denominato “control pilot†ed il livello dei segnali intellegibili dalla unità a microprocessore 100. Il modulo 101 comprende, tra l’altro, dei convertitori DC/DC isolati e stabilizzatori di tensione che ricavano, a partire dalla tensione di alimentazione del processore 100, i livelli 12Vdc, -12Vdc occorrenti per il control pilot e il livello 5Vdc per l’alimentazione della logica TTL; a partire da un segnale ad onda quadra generato alla frequenza fissa di 1 KHz da parte del processore 100 e modulato in PWM, si converte l’ampiezza dello stesso in livelli di tensione compresi tra -12Vdc a 12Vdc. Come à ̈ noto, in condizioni di EV scollegata il segnale generato dall’EVSE, al suo stato definito [A], à ̈ un semplice segnale continuo, fisso alla tensione 12Vdc; l’EV modula l’ampiezza del segnale collegando resistori di valore noto tra il control pilot e terra; entrando nello stato [B] (EV collegata) la tensione della semionda positiva assume il valore 9Vdc, nello stato [C] (EV in ricarica) la tensione della semionda positiva assume il valore 6Vdc, e nello stato [D] (EV in ricarica con ventilazione) la tensione della semionda positiva assume il valore 3Vdc; la parte negativa dell’onda rimane sempre a -12Vdc.

Il sistema comprende inoltre un modulo di comunicazione 102 per l’acquisizione dei parametri utili al calcolo della potenza attiva istantanea, quali tensioni, correnti, cos φ, eccetera, che può essere, o meno, integrato nel modulo microprocessore 100.

Il sistema comprende inoltre dei trasduttori noti 105 e 106, per la misura della tensione di rete e della corrente, che possono essere rispettivamente dei trasformatori di tensione TV e dei trasformatori di corrente TA, oppure dei trasduttori ad inserzione diretta. Il numero totale dei trasduttori da utilizzarsi dipende dalla caratteristiche della linea di montante sulla quale si eseguono le misure (linea monofase, bifase o trifase).

I dati rilevati dal trasduttore 105 vengono forniti al modulo 102 attraverso una linea di segnale 111 mentre i dati rilevati dal trasduttore 106 vengono forniti al modulo 100 attraverso una linea di segnale 113.

E’ inoltre previsto un interfaccia di dialogo uomo/macchina 103 che, ad esempio, può essere costituita da un display; questa interfaccia à ̈ programmata per l’inserimento della parametrizzazione da parte dell’installatore, per l’attivazione e regolazione delle funzioni riservate all’utente, per la lettura delle condizioni e stato di funzionamento della stazione di ricarica e per la diagnosi dell’intero sistema.

Sono inoltre previsti dei segnalatori acustici 119 o luminosi 122 dei quali meglio si dirà in seguito.

Il sistema in oggetto, mediante il trasduttore 105 e con una cadenza prefissata di qualche secondo (ad esempio ogni due secondi), rileva una potenza istantanea P.ist misurata, sulla linea di fornitura elettrica, tra il punto di connessione PDC 201 ed il punto di inserimento 305 dell’impianto di generazione elettrica da fonte rinnovabile nella linea della fornitura elettrica 301; assumendo come negativa la P.re e come positiva la P.var, i valori possibili della P.ist sono: uguale a zero con circuiti aperti o in assenza di carico e di potenza P.var; uguale a zero con potenza assorbita dal carico uguale alla potenza P.var; sempre negativa o uguale a zero in assenza di impianti di generazione elettrica da fonte rinnovabile non programmabile; negativa con potenza assorbita dal carico maggiore della P.var; positiva con potenza generata P.var maggiore di quella assorbita dal carico.

Il sistema calcola inoltre, con la stessa cadenza, una potenza istantanea P.ev erogata al veicolo; tale potenza viene ad esempio calcolata misurando, mediante il trasduttore 106, la corrente di ricarica C.aric dell’EV e considerando la tensione ai morsetti dell’EV uguale a quella di sistema.

Dalla somma algebrica di P.ist e P.ev, il sistema calcola una potenza istantanea P.ut al netto della sola potenza erogata in ricarica all’EV. Il sistema calcola successivamente la potenza teorica P.mric che à ̈ possibile fornire al veicolo come somma algebrica fra P.fid e P.ut.

Il sistema imposta quindi il parametro di modulazione PWM, ossia una percentuale di duty cycle D.pwm da modulare sul segnale ad onda quadra di 1 KHz, per comunicare all’EV la massima corrente erogabile dall’EVSE, coerentemente al rispetto del valore di P.mric.

Il sistema in oggetto consente quindi, in modo completamente automatico, di calcolare una corrente di ricarica C.mric, che può essere resa disponibile all’EV, che sia costantemente mantenuta entro i limiti della potenzialità della fornitura elettrica, qualunque sia la potenza assorbita dalle altre utenze e/o generata in loco; il sistema consente di modificare di conseguenza la corrente di ricarica C.aric dell’EV. Si noti comunque che la corrente di ricarica C.aric non sempre à ̈ uguale alla corrente di ricarica C.mric che può essere resa disponibile all’EV, in quanto la logica di controllo dell’EV può autonomamente decidere di interrompere la carica, oppure di utilizzare solo una quota della potenza comunicata e resa disponibile dall’EVSE (ad esempio per limitazioni dovute alle caratteristiche del caricatore di bordo, oppure per limitazioni dovute alla temperatura della batteria).

Il sistema inoltre verifica che la corrente C.mric calcolata sia sempre superiore a 6 Ampere che à ̈ la corrente minima ammissibile per effettuare la ricarica dell’EV; nel caso in cui C.mric sia inferiore a 6 Ampere il sistema interrompe la ricarica dell’EV.

Il sistema rileva, e memorizza periodicamente tramite 105, la tensione V.sist della fornitura della rete elettrica pubblica utilizzata per i calcoli (si assume trascurabile la caduta di tensione tra il quadro di distribuzione dell’impianto elettrico dell’utente 302 e l’EV); la rilevazione effettuata consente di evitare gli errori dovuti a possibili variazioni della tensione della fornitura elettrica, variazioni che in alcuni casi possono essere dell’ordine del 10% e più.

Il funzionamento sopra descritto à ̈ un funzionamento completamente automatico del dispositivo che decide, a seconda della disponibilità di energia e salvo ovviamente eventuali diverse istruzioni ricevute dall’EV, quanta corrente di ricarica sia possibile fornire all’EV e quando sia invece da interrompere la ricarica per eccesso di carico sulla fornitura di P.re da parte della rete elettrica pubblica.

Al fine di evitare frequenti disconnessioni che possono influire negativamente sulla vita totale della batteria dedicata alla trazione dell’EV, dopo una interruzione della ricarica dovuta ad assorbimenti troppo elevati da parte delle altre utenze del fabbricato, al ristabilirsi delle condizioni di possibile ricarica l’EVSE attenderà che la potenza P.mric rimanga al di sopra della minima possibile per un tempo parametrizzato (esempio 15 minuti) prima di abilitare nuovamente la modulazione del segnale che consente l’ulteriore erogazione di energia all’EV.

Il sistema in oggetto prevede inoltre modi di funzionamento diversi da quello completamente automatico che vengono utilizzati particolarmente in presenza di un impianto di generazione elettrica da fonte rinnovabile non programmabile di proprietà dell’utente.

Un altro modo di funzionamento prevede che, a comando, l’EV venga ricaricato alla minima corrente ammissibile (6 Ampere) ogni qualvolta P.ist à ̈ inferiore a zero; ovviamente questa modalità di funzionamento rispetta comunque la potenza parametrizzata P.re. Questo modo di funzionamento, che viene selezionato quando non vi siano particolati tempi da rispettare nella ricarica dell’EV, consente di ricaricare l’EV, in modo automatico, almeno in parte con potenza generata dall’impianto di generazione da fonte rinnovabile, con evidenti risparmi economici. In questa modalità l’EV si ricarica comunque seppure, nel caso peggiore, al minimo della corrente ammissibile.

Un ulteriore modo di funzionamento prevede che la ricarica dell’EV avvenga unicamente quando il sistema rileva una P.ist maggiore o uguale a zero; in altre parole, questo modo di funzionamento consente la ricarica dell’EV solamente nel caso in cui tale ricarica possa essere effettuata unicamente utilizzando la potenza generata dall’impianto di generazione da fonte rinnovabile. In questo modo di funzionamento, attivato in particolare quando l’EV non debba essere impiegato per periodi di tempo abbastanza lunghi, si utilizza l’EV come un accumulatore della energia generata dall’impianto di generazione da fonte rinnovabile. Qualora la ricarica dell’EV venga disconnessa automaticamente per P.ist minore di zero, può essere previsto che successivamente la potenza P.ist debba rimanere al di sopra di quella corrispondente alla corrente di ricarica minima per un tempo parametrizzato (esempio 15 minuti) prima di abilitare nuovamente la ricarica.

Tutti questi modi di funzionamento sono selezionabili dall’utente attraverso l’interfaccia di dialogo uomo/macchina 103.

Il sistema EVSE in oggetto può essere abbinato, mantenendo inalterate le sue caratteristiche di automazione nella ricarica, ad altri sistemi uguali ciascuno dei quali effettua la ricarica di un veicolo in una stazione multipla di ricarica. A tale scopo i vari sistemi EVSE utilizzati vengono collegati in rete e uno di essi, con funzione di MASTER, rileva la potenza istantanea P.evt erogata a tutti i veicoli; il MASTER calcola, con le modalità sopra descritte, la potenza teorica P.mric che à ̈ possibile fornire a ciascun veicolo dividendo la potenza teorica P.mrict totale per il numero di veicoli in ricarica. Questo modo di funzionare, particolarmente indicato per la gestione della ricarica di EV in parcheggi di centri commerciali o pubblici, consente di coordinare la potenza totale in ricarica di tutte le EVSE entro la potenza contrattualmente impegnata, diminuendo della stessa quota la corrente disponibile per ogni EV in ricarica, senza penalizzare particolarmente nessuna di esse, qualora la potenza impegnata fosse raggiunta: in questa modalità si elargisce sempre il massimo che il sistema può elargire con la minima penalizzazione istante per istante.

Il sistema in oggetto genera un segnale che à ̈ proporzionale alla potenza istantanea P.ist solo nel momento in cui il valore assoluto di quest’ultima si approssima, di un valore predeterminato, alla P.re. Mediante tale segnale vengono comandati il segnalatore acustico 119 e/o il segnalatore luminoso 122 in modo che questi emettano dei segnali, rispettivamente acustici o luminosi, che hanno una intensità variabile e commisurata al segnale di comando. In questo modo, a prescindere dal fatto che l’EV sia collegata o meno all’EVSE, à ̈ possibile valutare l’eventuale imminente disconnessione automatica della fornitura pubblica di energia elettrica per l’approssimarsi del massimo carico consentito. Ulteriormente, nel caso in cui l’EV sia in ricarica attiva, il sistema EVSE, conoscendo C.aric, calcola continuamente quanta energia per unità di tempo à ̈ stata erogata. Ne consegue che gli stessi segnalatori acustici e luminosi di cui sopra possono essere attivati anche nel caso in cui la quantità di energia erogata all’EV in un intervallo di tempo prefissato sia inferiore ad un valore parametrizzato. In altre parole l’utente viene informato preventivamente sia della possibile interruzione della fornitura elettrica all’intero fabbricato, sia della probabile insufficiente ricarica dell’EV, in modo che lo stesso utente possa intraprendere per tempo azioni correttive per evitare il verificarsi di tali situazioni.

Il sistema in oggetto possiede anche una funzione che consente la ricarica di veicoli che richiedono la ricarica in ambiente ventilato (caratterizzato dallo stato [D]). Nel caso in cui l’EVSE sia installato in un ambiente chiuso, circostanza che viene segnalata all’EVSE ad esempio mediante un comando inserito attraverso l’interfaccia di dialogo uomo/macchina 103, il sistema rileva l’eventuale presenza di ventilazione 107, per esempio mediante un rilevatore di flusso di aria 108 disposto su di una uscita dell’ambiente; nel caso non venga rilevata la presenza di ventilazione il sistema non fornisce un segnale di consenso che autorizza la ricarica del veicolo. L’assenza di tale consenso impedisce la ricarica del veicolo e può essere segnalata attraverso l’interfaccia di dialogo oppure attraverso i segnalatori di cui dispone il sistema.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di ricarica (EVSE) per veicoli elettrici (EV), del tipo che riceve potenza da un impianto elettrico dell’utente (302) e, mediante un cavo di ricarica (120) che termina con un connettore (121), viene collegato al veicolo per la ricarica, e al quale viene fornito il valore della potenza massima contrattuale fornita dalla rete elettrica pubblica (P.re) che, sommata in valori assoluti con un eventuale potenza generata da un impianto di generazione elettrica da fonte rinnovabile non programmabile (P.var), definisce la potenza disponibile all’impianto elettrico (P.fid), e del tipo che prevede la generazione di un segnale periodico ad onda quadra modulato PWM, caratterizzato dal fatto che: rileva, con cadenza prefissata, una potenza istantanea (P.ist) sulla linea della fornitura elettrica e una potenza istantanea (P.ev) erogata al veicolo e, dalla somma algebrica di queste, calcola una potenza istantanea (P.ut) al netto della sola potenza erogata in ricarica all’EV; calcola la potenza teorica (P.mric) che à ̈ possibile fornire al veicolo come somma algebrica fra (P.fid) e (P.ut); imposta il parametro di modulazione PWM coerentemente al rispetto del valore di (P.mric).
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che: verifica che la corrente teorica di ricarica (C.mric), calcolata dal valore di (P.mric), sia sempre superiore a 6 Ampere; interrompe la ricarica di EV nel caso in cui (C.mric) sia inferiore a 6 Ampere.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la potenza istantanea (P.ist) viene misurata, sulla linea di fornitura elettrica, tra un punto di connessione PDC (201) ed un punto di inserimento (305) dell’impianto di generazione elettrica da fonte rinnovabile nella linea della fornitura elettrica (301); assume come negativa la (P.re) e come positiva la (P.var), in modo che i valori possibili della (P.ist) siano: uguale a zero con circuiti aperti o in assenza di carico e potenza (P.var); uguale a zero con potenza assorbita dal carico uguale alla potenza (P.var); sempre negativa o uguale a zero in assenza di impianti di generazione elettrica da fonte rinnovabile non programmabile; negativa con potenza assorbita dal carico maggiore della (P.var); positiva con potenza generata (P.var) maggiore di quella assorbita dal carico.
4. 4. Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che prevede che, a comando, l’EV venga ricaricato alla minima corrente ammissibile (6 Ampere) ogni qualvolta P.ist à ̈ inferiore a zero.
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che prevede che la ricarica dell’EV avvenga unicamente quando il sistema rileva una (P.ist) maggiore o uguale a zero.
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 1, del tipo da abbinarsi ad altri sistemi uguali ciascuno dei quali ricarica un veicolo in una stazione multipla di ricarica, caratterizzato dal fatto che: i vari sistemi vengono collegati in rete e uno di essi, con funzione di MASTER, rileva la potenza istantanea totale (P.evt) erogata a tutti i veicoli e calcola la potenza teorica (P.mric) che à ̈ possibile fornire a ciascun veicolo dividendo la potenza teorica totale (P.mrict) per il numero di veicoli in ricarica.
7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che genera un segnale proporzionale alla potenza istantanea (P.ist) nel momento in cui il valore assoluto di quest’ultima si approssima di un valore predeterminato a (P.re); con tale segnale comanda segnalatori acustici (119) o luminosi (122) a emettere segnali di intensità variabile e commisurata al segnale di comando.
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che: il sistema EVSE calcola continuamente l’energia per unità di tempo erogata; attiva segnalatori acustici (119) o luminosi (122) a emettere segnali se la quantità di energia erogata all’EV in un intervallo di tempo prefissato à ̈ inferiore ad un valore parametrizzato.
9. 9. Sistema secondo la rivendicazione 1, del tipo istallato in un ambiente chiuso e fornito di una indicazione in tal senso, caratterizzato dal fatto che: rileva l’eventuale presenza di ventilazione (107) mediante un rilevatore di flusso di aria (108) disposto su di una uscita dell’ambiente; non fornisce un segnale di consenso che autorizza la ricarica del veicolo nel caso non venga rilevata la presenza di ventilazione.