EV fast charging with embedded battery energy system in weak grid conditions

Grid EV integration has been a discussed topic for several years in the engineering community. Fast charging will be introduced as a solution to the even the playing field with respect to ICE (Internal Combustion Engine) vehicles, and its downsides will be considered and solved via the used of an integrated Battery Energy System (BES). The battery will likely come from decommissioned Electric Vehicle (EV) batteries, in the so called “Second-Life” applications. The effects of BES integration in the network will also be introduced. A possible topology of an EV Fast Charger with Integrated Battery System will be given, to observe how it solves the aforementioned problems. A prototype is being built with the collaboration of ENGIE EPS, an Italian leading company in the sector of electric Mobility. Preliminary results of this prototype will be shown, however full control on the variables will not be shown due to trade secrets. A general overview of the system, complete of simulation model, will be analyzed to better understand the setting in which fast charging needs to be integrated and recognize the areas in which the topology provides advantages and disadvantages for grid integration, EV charging and costs. After that, the focus will be shifted on the design of the filter for a low power AC/DC converter which needs to maintain certain standards. This work proposes filter design as the starting point, via a general algorithm that is valid for low power settings, allowing for careful consideration of the filter effects on the performance of the converter, which is oftentimes overlooked. After thoroughly introducing a mathematical model for PWM switched converters the basic dq control strategy will be employed for the design of a stable linear controller, its performance will be waged against harmonic damping and grid stiffness. Some parameters will be introduced to evaluate performance invariability. Active damping strategies will be then described, with particular focus on the effects that digital systems have on state feedback. A novel algorithm will be proposed to ensure in the design phase complete compatibility with the speed of the controller by viewing discrete effects in the familiar Laplace domain. Finally and adaptive STR (Self Tuning Regulator) controller will be introduced as a possible solution to active damping and the performances will again be wage again grid stiffness. A final comparison will be drawn to compare the classical PI Active damping controller and the newly found STR one.

L'integrazione dei veicoli elettrici (EV) nella rete elettrica è un argomento caldo nella comunità ingegneristica. La ricarica veloce (Fast Charging) sarà introdotta come una soluzione per avvicinare le funzionalità degli EV ai veicoli ICE (Internal Combustion Engine), e i suoi lati negativi saranno considerati e ovviati attraverso l'uso di un sistema integrato di energia a batteria (BES). La batteria integrata proverrà da batterie dismesse di veicoli elettrici, nelle cosiddette applicazioni "Second-Life". Verranno anche introdotti gli effetti dell'integrazione del BES nella rete. Sarà proposta una possibile topologia di un caricatore veloce EV con sistema di batterie integrato, per osservare come risolve i problemi sopra menzionati. Un prototipo è in costruzione con la collaborazione di ENGIE EPS, un'azienda italiana leader nel settore della mobilità elettrica. Saranno mostrati i risultati preliminari di questo prototipo. Una panoramica generale del sistema, completa di modello di simulazione, sarà analizzata per comprendere meglio l'impostazione in cui la ricarica veloce deve essere integrata e riconoscere le aree in cui la topologia fornisce vantaggi e svantaggi rispetto all'integrazione nella rete, la ricarica EV e i costi. In seguito, l'attenzione si sposterà sulla progettazione del filtro per un convertitore AC/DC a bassa potenza che deve mantenere determinati standard. Questo lavoro propone la progettazione del filtro come punto di partenza, attraverso un algoritmo generale che è valido per le impostazioni di bassa potenza, permettendo un'attenta considerazione degli effetti del filtro sulle prestazioni del convertitore, che è spesso trascurato. Dopo aver introdotto accuratamente un modello matematico per i convertitori commutati PWM, la strategia di base di controllo dq sarà impiegata per la progettazione di un controllore lineare stabile, le cui prestazioni saranno valutate contro lo smorzamento delle armoniche e la rigidità della rete. Verranno introdotti alcuni parametri per valutare l'invariabilità delle prestazioni. Saranno poi descritte la strategia di smorzamento attivo ACC (Active Capacitor Current), con particolare attenzione agli effetti che i sistemi digitali hanno sul feedback di stato. Verrà proposto un nuovo algoritmo per garantire in fase di progettazione la completa compatibilità con la velocità del controllore rispetto alla frequenza di switching del convertitore, visualizzando gli effetti discreti nel familiare dominio di Laplace. Infine, verrà introdotto un controllore adattivo STR (Self Tuning Regulator) come possibile alternativa allo smorzamento attivo e le prestazioni saranno di nuovo valutate rispetto alla induttanza di rete nel punto di connessione. Un confronto finale sarà tracciato per confrontare il classico regolatore di smorzamento attivo PI e quello STR appena trovato.