Novel grid-connected electric vehicle charging stations by modular multilevel converter with integrated storage units

In recent years, battery powered vehicles are getting more and more common. Their spread moves in parallel with the development of larger and more powerful charging facilities. Due to the high power required by new fast charging standards, larger charging spots are connected to the medium voltage grid. To avoid high localized power demands and provide uninterrupted fast charging for electric vehicles, charging stations with higher power integrates a storage system to supply enough power to charge the vehicles when the grid power is not enough. The current topologies for fast charging stations have two main weak points. The first one is that introducing a storage system requires a battery management system to keep all the batteries within their rated condition. The second problem is that in current topologies the charging stations interface with the network through a front-end transformer that can be rather bulky and expensive. The proposed solution is to remove the front-end transformer by substituting it with a modular multilevel converter (MMC) integrating the storage units at submodule level. Some of the submodules are then connected to a charging station that will perform all the tasks to recharge a vehicle. The control systems of the charging station perform the task of synchronizing the output voltage of the MMC with grid voltage, regulating active and reactive power transferred with the grid, and balancing state of charge (SoC) of the storage units in the charging station. The balancing is done to take advantage of all the storage units in charging station and keep them within their rated condition. Finally, the performance of the charging station and control systems are validated with simulation. The presented results show that the charging station is able to provide enough power for uninterrupted fast charging of the vehicles.

Negli ultimi anni, i veicoli alimentati a batteria stanno diventando sempre più comuni. La loro diffusione si muove parallelamente allo sviluppo di strutture di ricarica più grandi e potenti. A causa dell'elevata potenza richiesta dai nuovi standard di ricarica rapida, i punti di ricarica più grandi sono collegati alla rete di media tensione. Per evitare elevate richieste di energia localizzate e fornire una ricarica rapida ininterrotta per i veicoli elettrici, le stazioni di ricarica con potenza maggiore integrano un sistema di accumulo per fornire energia sufficiente per caricare i veicoli quando la potenza della rete non è sufficiente. Le attuali configurazioni per le stazioni di ricarica rapida hanno due principali punti deboli. Il primo è che l'introduzione di un sistema di accumulo richiede un sistema di gestione delle batterie per mantenerele entro le condizioni nominali. Il secondo problema è che nelle attuali configurazioni, le stazioni di ricarica si interfacciano con la rete tramite un trasformatore di interfaccia che può essere piuttosto ingombrante e costoso. La soluzione proposta è quella di rimuovere il trasformatore di interfaccia sostituendolo con un convertitore modulare multilivello (MMC) che integri le unità di accumulo a livello di sottomodulo. Alcuni dei sottomoduli sono poi collegati ad un punto di ricarica che svolgerà tutte le attività per ricaricare un veicolo. I sistemi di controllo della stazione di ricarica svolgono il compito di sincronizzare la tensione di uscita del’MMC con la tensione di rete, regolando la potenza attiva e reattiva scambiata con la rete e il bilanciamento dello stato di carica (SoC) delle unità di accumulo presenti nella stazione di ricarica. Il bilanciamento viene eseguito per sfruttare tutte le unità di stoccaggio presenti nella stazione di ricarica e mantenerle nelle condizioni nominali. Infine, le prestazioni della stazione di ricarica e dei sistemi di controllo sono state validate in simulazione. I risultati presentati mostrano che la stazione di ricarica è in grado di fornire energia sufficiente per una ricarica rapida ininterrotta dei veicoli pur assorbendo una potenza limitata dalla rete.