Optimization AIMD algorithms for a real electric bus charging plant

In the last decades, the deterioration of the environmental conditions and the depletion of fossil fuels have made a more sustainable transportation system an urgent challenge. In this context, electric vehicles represent a promising option to replace conventional combustion-based energy vehicles. Many cities are making efforts to introduce more sustainable means of transportation aimed at the public transport service. More precisely, they are developing the urban transport system in order to make their bus fleets completely electric by the next few years. Therefore, the adoption of electric buses has opened new problems such as that of guaranteeing an optimal coordination between the charging processes in order to reduce the negative effect to power grid and improve the power supply reliability and the resource utilization efficiency. In this thesis, to solve this problem, we propose a power allocation strategy capable of optimizing the charging of an electric bus fleet, while fulfilling the limitation imposed on the maximum available power, and ensuring limited charging times. Relying a real buses charging scenario, optimization based Additive-Increase Multiplicative-Decrease (AIMD) algorithms are proposed for the considered case study. The AIMD strategy is indeed a suitable approach to achieve the sharing of a limited resource among users, without requiring a direct communication among them. Specifically, the proposed AIMD approach is designed making reference to specific charging power curves of the batteries stored into the available buses, based on the case study provided by Alstom Group S.p.A., and two variants of the algorithm, a linear and nonlinear one, are discussed. Several simulations, carried out in order to evaluate how the charging process behaves when the proposed strategies are adopted, show the efficiency and feasibility of the AIMD methods which result to be adequate also for field implementations in a real electric vehicles charging plant.

Negli ultimi decenni, il deterioramento delle condizioni ambientali e l’esaurimento dei combustibili fossili hanno reso necessaria l’introduzione di sistemi di trasporto più sostenibile. In questo contesto, i veicoli elettrici rappresentano certamente un’opzione promettente per sostituire i veicoli convenzionali a combustione. Molte città stanno infatti introducendo mezzi più sostenibili per il servizio di trasporto pubblico. Nello specifico, recenti progetti sul sistema di trasporto urbano sono finalizzati a rendere le flotte di autobus completamente elettriche entro i prossimi anni. L’adozione degli autobus elettrici ha aperto quindi nuovi problemi come quello di garantire un coordinamento ottimale tra i processi di ricarica al fine di ridurre gli effetti negativi sulla rete elettrica, migliorarne l’affidabilità e l’efficienza di utilizzo delle risorse. In questa tesi, per risolvere questo problema, proponiamo una strategia di allocazione della potenza in grado di ottimizzare la ricarica di una flotta di autobus elettrici, rispettando il limite di potenza imposto dalla rete e garantendo tempi di ricarica limitati. Basandoci su uno scenario di ricarica reale degli autobus, sono stati presentati algoritmi di ottimizzazione di tipo Additive-Increase Multiplicative-Decrease (AIMD). La strategia AIMD è infatti un approccio adatto per ottenere la distribuzione uniforme tra gli utenti di una risorsa limitata, senza richiedere un notevole scambio di informazione tra di essi. Nello specifico, l’approccio AIMD proposto è progettato facendo riferimento a curve di potenza di carica specifiche delle batterie posizionate nei bus disponibili, secondo il caso di studio fornito da Alstom Group S.p.A., e due varianti, una lineare e una non lineare, sono discusse nella tesi. Sono state effettuate anche diverse simulazioni per valutare il comportamento del processo di ricarica nel caso delle strategie proposte, mostrando l’efficienza e la realizzabilità dei metodi AIMD anche per implementazioni sul campo in un vero e proprio impianto di ricarica di veicoli elettrici.