Scenario analysis of integrated road-power infrastructures with hybrid fleets of Electric Vehes icl (EVs) and Internal Combustion Vehicles (ICVs)

Electric Vehicles (EVs) are key contributors to the reduction of CO2 emissions. However, EVs penetration poses new challenges for road networks design, operation and management, given that these have been conceived for Internal Combustion Vehicles (ICVs). A transition to EVs necessitates ensuring that the integrated road-power infrastructure can sustain mobility effectively, even in case of disruption due to car accidents or disturbances due to traffic jams, with respect to the road infrastructure, and loss of power supply, with respect to the power infrastructure. This PhD thesis illustrates the conception and development of a scenario analysis framework to study the impact of EVs penetration, under car accident conditions. The framework allows modelling the System of Systems (SoSs) comprised by road network, electric power system and vehicles. Graph Theory is used for describing the topological structures of the road and power systems. Finite State Machine (FSM) and Cell Transmission Model (CTM) are compared with respect to the modelling of the dynamic motion and state transition of vehicles within the road network. Finally, a metric is originally proposed to quantify the economic service losses related to delays that vehicles may incur in different accidental scenarios, and the resulting transport reliability of the overall SoSs. The framework is applied on a benchmark road-power infrastructure travelled by a mixed fleet of EVs and ICVs. Different EVs penetration levels are considered. The results show that the SoSs framework allows conducting meaningful analysis of the suitability of an existing road-power infrastructure to sustain the penetration of EVs. As such, it can be a valuable tool for design, operation and management: it can allow the decision-makers comparing alternative road-power infrastructure designs (e.g., critical roads, optimal gas and charging station locations, power network structure and topology, …) in relation to potential economic service losses and transport reliability. From the methods point of view, FMS is shown to capture effectively, more than CTM, the effects of disruptions, at the expenses of a larger computational cost compared to CTM.

I Veicoli Elettrici (VE) sono contributori chiave alla riduzione delle emissioni di CO2. Tuttavia, la crescente presenza dei VE nel mercato automobilistico pone nuove sfide per le reti stradali, tradizionalmente adattate per Veicoli a Combustione Interna (VCI). Una transizione senza intoppi verso la dipendenza dai VE richiede di garantire che l'infrastruttura stradale integrata con il sistema di alimentazione possa sostenere efficacemente la mobilità, anche in caso di interruzioni dovute ad incidenti o disturbi causati da ingorghi stradali. In questo dottorato, proponiamo un framework di analisi degli scenari per quantificare il ruolo di una maggiore penetrazione dei VE, quando si verificano diversi scenari di incidenti automobilistici. Per fare ciò sia per le infrastrutture stradali che per quelle energetiche, il framework si basa sulla modellazione del Sistema di Sistemi (SoS) composto dalla rete stradale, dal sistema di alimentazione elettrica e dai veicoli. La Teoria dei Grafi è utilizzata per modellare le strutture dei sistemi stradali e di alimentazione. Le Macchine a Stati Finiti (FSM) e i Modelli di Trasmissione Cellulare (CTM) sono confrontati per modellare il comportamento dinamico e le transizioni di stato dei veicoli all'interno della rete. Infine, viene originariamente proposta una metrica per quantificare le perdite economiche legate ai ritardi che i veicoli possono subire in diversi scenari accidentali e l'affidabilità del trasporto risultante. Per esemplificare l'applicazione del framework, consideriamo un'infrastruttura stradale-energetica di riferimento nello stato di New York percorsa da una flotta mista di VE e VCI, con diversi livelli di penetrazione dei VE. I risultati mostrano che il framework SoS è fondamentale per condurre una valutazione significativa e olistica dell'idoneità di un'infrastruttura stradale-energetica esistente a sostenere la crescente penetrazione dei VE, specialmente se integrato con FSM per simulare il movimento dei veicoli. FSM, infatti, cattura meglio del CTM gli effetti delle interruzioni, sia che derivino da calamità naturali o incidenti stradali, i cambiamenti del volume del traffico quando si verificano incidenti, a scapito di un costo computazionale maggiore. Infine, il framework può consentire ai decisori di confrontare alternative di progettazione dell'infrastruttura stradale-energetica (ad es., strade critiche, posizioni ottimali delle stazioni di servizio e di ricarica, struttura e topologia della rete energetica, ...) rispetto alle perdite economiche di servizio e all'affidabilità del trasporto.