Development of DC charging system for electric vehicles

This thesis work describes the development of a working prototype of electric vehicle Direct Current (DC) charging station. After initially being discarded in favor of internal combustion engine vehicles due to the limitations of batteries, nowadays the production and use of electric vehicles is experiencing a massive growth thanks to improvements in battery technology and because of the need of reducing polluting emissions. Such growth must be accompanied by an improvement of all related technologies, but especially of the ones related to electric vehicles main concerns: having a long range and being able to charge batteries fast. The more power is used to charge the vehicle batteries, the shorter the time needed to complete the process will be. But since the electric current coming from the grid is Alternating Current (AC) and electric vehicles batteries can be charged only by using Direct Current (DC), an AC-DC converter is needed. The size, weight and cost of a converter increases with its power. This is the reason why typically the internal converter (on-board charger) of each commercial electric vehicle supports little power and therefore a long time is needed to charge the vehicle. A solution to this problem is to build charging stations external to the vehicle which can therefore use very high power, with less concern about the station size and weight and that can integrate many other features. The aim of this thesis is to illustrate the development of such a device both from a software and a hardware point of view. The result of this work is a working prototype of Direct Current (DC) charging station for electric vehicles that uses the CCS (Combined Charging System) interface and supports up to 7 kW of power.

Questo lavoro di tesi descrive dal punto di vista HW e SW lo sviluppo di un caricatore in corrente continua per veicoli elettrici. I veicoli elettrici sono stati tra i primi a fare la loro comparsa sulle strade delle città, insieme a quelli dotati di motori a combustione interna. Furono poi scartati in favore di quest’ultimi a causa dei limiti tecnologici delle batterie e dell’assenza di sistemi efficaci di controllo della carica e della trazione. Oggi, però, i grandi miglioramenti nelle tecnologie legate alle batterie e alla loro ricarica e la necessità di ridurre le emissioni inquinanti, hanno riportato i veicoli elettrici al centro dell’attenzione del settore automotive. Negli ultimi anni la crescita della loro produzione e vendita è stata enorme. Questo aumento della loro diffusione però, deve essere accompagnato da un continuo miglioramento di tutte le tecnologie del settore ed in particolare di quelle legate alle batterie e alla ricarica. Il continuo miglioramento della capacità delle batterie consente ai moderni veicoli elettrici di raggiungere 500-600 km di autonomia, ma questo aumento di capacità comporta anche un innalzamento dei tempi di ricarica. Generalmente, maggiore è la potenza con cui viene caricata la batteria di un veicolo elettrico, minore sarà il tempo necessario al completamento del processo di ricarica. La corrente proveniente dalla rete elettrica, però, è corrente alternata (AC) e per caricare una batteria è necessaria corrente continua (DC). Ogni veicolo elettrico ha quindi a bordo un dispositivo che opera questa conversione, ma maggiore sarà la potenza di ricarica supportata dal veicolo, maggiore sarà la dimensione, il peso ed il costo di questo ed altri dispositivi a bordo e ciò non è compatibile con i volumi e i prezzi di vendita di un veicolo elettrico. Per questo motivo, solitamente un veicolo elettrico supporta la ricarica in AC (dove la conversione AC-DC viene fatta a bordo) a potenze che generalmente non superano i 50 kW. Esiste però un’alternativa: operare la conversione AC-DC e tutti le parti più onerose del processo di ricarica, all’esterno del veicolo, in una stazione di ricarica esterna. Questo tipo di stazione di ricarica si chiama stazione di ricarica in corrente continua (o DC). Lo scopo di questo lavoro di tesi è di illustrare lo sviluppo di una stazione di ricarica di questo tipo, sia dal punto di vista hardware che dal punto di vista software. Il particolare caricatore realizzato utilizza l’interfaccia CCS (Combined Charging System) e ha una potenza massima di 7 kW. Ad un’introduzione dettagliata sul mondo della mobilità elettrica e della questione della ricarica, seguirà un’analisi dei componenti utilizzati per realizzare la stazione di ricarica e del loro ruolo e infine verrà descritto il firmware sviluppato per il controllore di ricarica che controlla l’intero processo di ricarica del veicolo.