Stazione di ricarica aziendale per veicoli elettrici : ottimizzazione del processo di ricarica

This thesis proposes the planning of a charging station for electric vehicles. This has been designed within the parking garage of a company, responding to increasing demand for these types of infrastructures. The innovativeness of the project is represented by the high number of charging points provided, inspired by the Italian Legislative Decree no. 48 of 2020, implementing EU Directives 2018/844, which introduces obligations for the integration of electric vehicles’ charging technologies also in the company buildings and invites to respect a percentage of electric vehicle charging points (about 20%) on the total number of available parking lots. Referring to a medium-large company, the model provides twenty charging points. All the project choices respect the regulations currently in force on the Italian territory, therefore the chargers considered are of the Standard Type and with the Type 2 connector. The charging points are characterized by two charging speeds: slow and accelerated. To take this possibility into account, three models have been created: in the first one, the choice of the charging speed is made by the user; in the second one, it is based on the calculation of the average time of a slow charging process; in the third one, it is entrusted to the modeler. This choice defines the input mode, the charging power, and the related constraints for each vehicle. Moving from the first to the third model, the choices made by the user of the charging station will decrease and those made by the modeler will increase, to search for the optimum constrained only by the technical requirements. Each electric vehicle considered presents different characteristics (i.e. battery capacity, SOC characteristic values) with the intent to reproduce the various properties of electric vehicles offered on the light-duty passenger market and to give more elasticity to the models. The main objective of the three models is the optimal planning and management of the charging station that guarantees the achievement of the State of Charge (SOC) desired by the user, within the time specified by the latter and for each electric vehicle connected to the infrastructure. The secondary objectives are the limitation of fluctuations in charging power - which can be detrimental to the storage systems of electric vehicles and all the related equipment - and the minimization of costs associated with the energy withdrawn from the grid, considering the market’s electricity tariff. These three purposes constitute the multi-objective function in the optimization models implemented through the modeling language GAMS with CPLEX solver. The mathematical models proposed are Mixed Integer Linear Programming. The result obtained will be the programming of the company's charging station that better reaches the objectives set in compliance with the fixed constraints.

In questo elaborato di tesi si propone la programmazione di una stazione di ricarica per i veicoli elettrici. In particolare, questa è stata pensata all’interno del parcheggio di un’azienda, rispondendo ad una richiesta sempre più crescente di infrastrutture di questo tipo. L’innovatività del progetto è rappresentata dal numero elevato di colonnine fornite, ispirata dal decreto legislativo italiano n. 48 del 2020, attuativo delle direttive UE 2018/844, che introduce precisi obblighi per l'integrazione di tecnologie per la ricarica di veicoli elettrici anche in edifici aziendali ed invita a rispettare una percentuale di punti di ricarica di auto elettriche (circa 20%) sul totale di posti auto disponibili nel parcheggio. Facendo riferimento ad un’azienda medio-grande, il modello prevede così venti colonnine di ricarica. Tutte le scelte progettuali rispettano le normative attualmente vigenti sul territorio italiano, quindi i punti di ricarica considerati sono di tipo standard e con connettore Tipo 2. Le colonnine sono caratterizzate da due velocità di ricarica: lenta ed accelerata. Al fine di tenere conto di questa possibilità, sono stati creati tre Modelli: nel primo la scelta della velocità di ricarica è effettuata dall’utente, nel secondo si basa sul calcolo delle tempistiche medie di una ricarica lenta, nel terzo è affidata al modellatore. Questa scelta definisce, per ciascun veicolo, la modalità di inserimento degli input, i valori di potenza di ricarica ed i vincoli connessi, differenziando i vari Modelli. Passando dal primo al terzo, saranno sempre meno le scelte effettuate dall’utente della stazione di ricarica e cresceranno invece quelle del modellatore, al fine di una ricerca dell’ottimo vincolata dai soli requisiti tecnici. Per conferire una maggiore elasticità al modello, ciascun veicolo elettrico considerato presenta differenti caratteristiche, quali la capacità della batteria e valori caratteristici di SOC, con l’intento di riprodurre le svariate proprietà delle auto elettriche offerte sul mercato. L’obiettivo principale nei tre Modelli è la programmazione e la gestione ottimale della stazione di ricarica per il raggiungimento del livello di carica (SOC) desiderato dall’utente, nei tempi da questo indicati e per ogni singola auto elettrica connessa all’infrastruttura. Gli obiettivi secondari sono la limitazione delle oscillazioni della potenza di ricarica – che possono risultare dannose per i sistemi di accumulo dei veicoli elettrici e tutti gli apparati connessi – e la minimizzazione dei costi associati al prelievo di energia dalla rete finalizzato al processo di ricarica, prendendo in considerazione la tariffa dell’energia elettrica del Mercato Libero. Questi tre propositi vanno a costituire la funzione multi-obiettivo nel modello di ottimizzazione implementato tramite il linguaggio di modellazione GAMS, con solutore CPLEX. Il modello matematico proposto nella tesi è un Mixed Integer Linear Programming. Il risultato ottenuto sarà la programmazione della stazione di ricarica aziendale che raggiunga al meglio gli obiettivi fissati, nel rispetto dei vincoli posti.