Towards ultra-fast infrastucture for electric vehicles : size, location, renewables and storage system integration

Electric vehicles (EVs) are expected to be the future mode of transportation, and 500 million EVs are expected to be on the road in 2030. The key features of these types of vehicles are their high efficiency and zero tail-pipe emissions. However, the ever-increasing penetration of EVs on the roads inevitably leads to an ever-stringent need for adequate charging infrastructure. In this context, an Ultra-Fast Charging (UFC) system is deemed necessary to facilitate the massive penetration of EVs on the market; particularly as medium-long distance travels are concerned. Indeed, it has the potential to provide a refueling experience similar to that of gasoline vehicles. A UFC infrastructure, however, represents the most critical point as regards hardware technology, grid-related issues, and financial sustainability. For instance, the differences existing in the EVs currently on the market make the sizing problem more challenging. A suitably conceived charging strategy can help to address these concerns. In this thesis, firstly, a smart charging station concept that through a modular dc/dc stage design allows the split of the output power among the different charging ports is presented. The issue of finding the optimal charging station is modeled as a single-objective optimization problem, where the goal is to optimize the number of necessary modular shared DC/DC converters and the power rate of each module and that ensure the minimum charging time and charging cost. Secondly, the integration of renewable energy sources (RESs) and energy storage systems (ESS) is analyzed in order to lower the impact of such a charging technology on the national electric grid and environment. Therefore, this thesis proposes a multi-objective optimization problem for the optimal sizing of photovoltaic (PV) system and battery ESS (BESS) in a UFCS of EVs. The proposed multi-objective function aims to minimize, on one side, the annualized cost of the station, and on the other side, the produced pollutant emissions. Finally, in the last part of this thesis, the location problem is tackled. UFCSs are expected to be installed along the main highways of each country, therefore a study that establishes the maximum distance that these infrastructures can have in order to allow country-wide travel is planned by considering the cost-effective aspects due to both infrastructure and power losses. The proposed methodology is verified on the Italian highway network.

I veicoli elettrici rappresentano il futuro della mobilità: le previsioni dicono che nel 2030, 500 milioni di veicoli elettrici circoleranno nelle strade di tutto il mondo. Le caratteristiche principali di questi tipi di veicoli sono la loro alta efficienza e le zero emissioni dallo scarico. D’altra parte, però la sempre maggiore penetrazione dei veicoli elettrici sulle strade porta inevitabilmente alla necessità sempre più stringente di infrastrutture di ricarica adeguate. A tal riguardo, si ritiene necessario l’installazione di sistemi di ricarica ultra-veloce per facilitare la massiccia penetrazione dei veicoli elettrici sul mercato; in particolare per poter consentire viaggi a medio-lungo raggio. Infatti, tale sistema ha il potenziale di fornire un'esperienza di rifornimento simile a quella dei veicoli a benzina. Un'infrastruttura ultra-veloce, tuttavia, rappresenta alcune criticità per quanto riguarda la tecnologia hardware, e problemi legati alla rete elettrica e alla sostenibilità finanziaria. Ad esempio, le differenze esistenti tra i veicoli elettrici attualmente in commercio rendono il problema del dimensionamento di tali sistemi non banale. In questa tesi, in primo luogo, viene presentato un concetto di stazione di ricarica intelligente che attraverso un design modulare dello stadio CC/CC consente la suddivisione della potenza in uscita tra le diverse porte di ricarica. Il problema del dimensionamento della stazione di ricarica ottimale è modellato come attraverso uno studio di ottimizzazione, in cui l'obiettivo è ottimizzare il numero di convertitori CC/CC modulari necessari e la potenza nominale di ciascun modulo per garantire il minimo tempo e costo di ricarica. In secondo luogo, viene poi analizzata l'integrazione all’interno della stazione di ricarica di fonti di energia rinnovabile e di sistemi di accumulo di energia al fine di ridurre l'impatto di tale tecnologia di ricarica sulla rete elettrica nazionale e sull'ambiente. Pertanto, questa tesi propone un problema di ottimizzazione multi-obiettivo per il dimensionamento ottimale del sistema fotovoltaico e della batteria stazionaria all’interno di una stazione di ricarica di veicoli elettrici Ultra-Veloce. La funzione multi-obiettivo proposta mira a minimizzare, da un lato, il costo annuale della stazione e, dall'altro, le emissioni inquinanti prodotte. Infine, nell'ultima parte di questa tesi, viene affrontato il problema della localizzazione di tali sistemi di ricarica. Infatti, le stazioni ultra-veloce dovrebbero essere installate lungo le principali autostrade di ciascun paese; pertanto, è previsto uno studio che stabilisca la distanza massima che queste infrastrutture debbano avere per consentire spostamenti su tutto il territorio nazionale, considerando gli aspetti economici dovuti sia alle infrastrutture che alle perdite di energia. La metodologia proposta è infine verificata sulla rete autostradale italiana.