Feasibility study of Battery Swap Stations for electric vehicles on highways

This study assesses the viability of implementing Battery Swap Station (BSS) technology along the highways in Italy. The first step needed is the study of the characteristics of Battery Swap as an alternative to the traditional charging method of electric vehicles. This technology reduces some barriers to the diffusion of electric mobility since it requires a short stop time, similar to traditional refuelling at gas stations. On the other hand, it still has some drawbacks that slowed down past projects regarding the use of Battery Swap, like the need for unique or similar battery packs for all cars, the high upfront investment needed, and the requirement of an adequate business model. There have been different past projects of BSS created by different automotive companies, but most of them have failed due to an inadequate definition of the business model regarding the ownership of battery packs. Battery Swap stations have seen a spark in its diffusion since 2015 in China both along highways and inside cities. The success in China has brought the companies to start their diffusion also in Europe. This thesis develops the analysis along the A4 highway which runs along North Italy from Turin to Trieste using technical data of three of the most sold electric cars in Italy in first semester of 2023: Tesla Model Y, Tesla Model 3, and Fiat 500e. To understand the feasibility of the project, it has been used a mechanical model to study the consumption of cars over the highways considering also the stops required to recharge the vehicle. Consumption values are different based on cars since they cover different categories of personal vehicles, and they are used to size the number of stations required along the highways to cover the total distance. The study of the feasibility of this project concludes with a cost-benefit analysis which takes into account different aspects that impact the project.

Questa ricerca analizza la fattibilità dell’utilizzo delle Battery Swap Station lungo le autostrade in Italia. Innanzitutto è necessario studiare le caratteristiche del Battery Swap per capire pregi e difetti e capire se è possibile considerarlo come alternativa alla ricarica tradizionale dei veicoli elettrici. Questa tecnologia aiuta a ridurre alcune barriere alla diffusione della mobilità elettrica poiché richiede brevi soste con durate simili al rifornimento tradizionale presso le stazioni di servizio. Tuttavia, presenta alcuni svantaggi che hanno rallentato i precedenti progetti di utilizzo delle Battery Swap Station, come la necessità di avere pacchi batterie uguali o simili nelle macchine che devono usufruire del servizio per consentire lo scambio all’interno delle stazioni, elevati investimenti iniziali e la necessità di definire un adeguato business model che consenta di sostentare la buona uscita del progetto garantendo prezzi accessibili agli utilizzatori e sostenibilità ai gestori. In passato sono stati realizzati diversi progetti di Battery Swap Station con diverse aziende in tutto il mondo, la maggior parte è fallito a causa di una cattiva definizione del modello di business riguardante la proprietà delle batterie. Le stazioni di Battery Swap sono state già utilizzate lungo le autostrade dall’azienda NIO in Cina raggiungendo un grande successo negli ultimi anni che ha portato NIO a inizia a installarle anche in Europa. L'analisi della tesi riguarda lo studio di fattibilità dell’utilizzo del Battery Swap lungo l'autostrada A4, che attraversa il Nord Italia da Torino a Trieste, usando dati relativi a tre delle auto elettriche più vendute in Italia nel primo semestre del 2023: Tesla Model Y, Tesla Model 3 e Fiat 500e. Per analizzare la fattibilità del progetto, è stato utilizzato un modello meccanico per studiare i consumi delle auto lungo le autostrade, considerando anche le soste necessarie per ricaricare il veicolo che ne influenzano i consumi. I valori di consumo sono diversi in base alle auto, poiché coprono diverse categorie di veicoli e sono stati utilizzati per dimensionare le stazioni necessarie per coprire la distanza totale. Infine, un’ultima analisi riguarda i costi-benefici del progetto riguardo diversi aspetti che influenzano il progetto.