Hardware-in-the-loop platform for high-fidelity evaluation of G2V/V2G technologies with DC fast chargers

The electrification of road transport and the growing penetration of intermittent renewable generation are placing the distribution grid under increasing stress, and at the same time creating an opportunity: the aggregated energy stored in electric-vehicle batteries can be returned to the network when it is needed. Bidirectional fast-charging stations, capable of both grid-to-vehicle (G2V) charging and vehicle-to-grid (V2G) discharging, are a key enabling technology for this vision. Designing and testing such high-power converters, however, is expensive and potentially hazardous, which motivates the use of real-time simulation as an intermediate validation step between offline design and physical prototyping. This thesis presents the design, discrete-time control and real-time validation of a bidirectional fast-charging station rated up to 150 kW. The power stage couples a three-level Neutral-Point-Clamped (NPC) active front end to the grid with a bidirectional DC/DC converter interfacing the vehicle battery through an 800 V DC link. A discrete-time hierarchical control architecture regulates the system: an inner vector-control layer governs the grid currents and the DC-link voltage, while a predictive rule-based energy management system (PRB-EMS) supervises the power flow, adapting the charging power to each vehicle’s state-of-charge-dependent profile and enforcing the battery’s voltage and current limits through a one-step algebraic prediction. The complete model was deployed on an OPAL-RT target and executed in a Hardware-in-the-Loop (HIL) environment at a fixed solver step of 20 µs, running entirely on the processor cores of the target without recourse to FPGA-level execution and completing every step within the real-time budget. Three representative vehicles, the Hyundai Kona, the Fiat 500e and the Opel Mokka-e, were modelled and tested across the full bidirectional operating envelope, from start-up to power-flow reversal and controlled shutdown. The reported scenarios exercise the platform up to approximately 100 kW, the envelope set by the real vehicle charging profiles and by the 400 A current limit of the active front end; the 150-kW figure is the nameplate sizing of the power stage. The simulated converter sustained sinusoidal grid currents at near-unity power factor, balanced DC-link operation and a conversion efficiency ranging from approximately 94% during the charging to approximately 95- 96 % during discharging. A complementary bench campaign on real back-to-back converters, supervised remotely, was then used to compare the measured grid-current harmonic distortion against the idealised HIL prediction; the measurements confirmed the qualitative behaviour predicted by the model while quantifying the distortion gap that separates an idealised simulation from physical hardware. The work thus demonstrates that a CPU-based real-time platform, coupled with a carefully discretised hierarchical control, is a credible and economical environment for the pre-prototyping of high-power bidirectional chargers.

L’elettrificazione del trasporto stradale e la crescente diffusione della generazione rinnovabile intermittente sottopongono la rete di distribuzione a uno stress sempre maggiore e, al tempo stesso, creano un’opportunità: l’energia complessivamente immagazzinata nelle batterie dei veicoli elettrici può essere restituita alla rete quando serve. Le stazioni di ricarica rapida bidirezionali, capaci sia di ricarica dalla rete al veicolo (G2V) sia di scarica dal veicolo alla rete (V2G), costituiscono una tecnologia abilitante fondamentale per questa visione. La progettazione e la verifica di convertitori di così elevata potenza sono però costose e potenzialmente pericolose, il che motiva l’impiego della simulazione in tempo reale come passo di validazione intermedio tra la progettazione offline e la prototipazione fisica. Questa tesi presenta la progettazione, il controllo a tempo discreto e la validazione in tempo reale di una stazione di ricarica rapida bidirezionale con una potenza fino a 150 kW. Lo stadio di potenza accoppia alla rete un convertitore attivo a tre livelli con punto neutro clampato (NPC) e interfaccia la batteria del veicolo tramite un convertitore DC/DC bidirezionale e un bus in continua a 800 V. Un’architettura di controllo gerarchica a tempo discreto regola il sistema: uno strato interno di controllo vettoriale governa le correnti di rete e la tensione del bus DC, mentre un sistema di gestione dell’energia predittivo basato su regole (PRB-EMS) supervisiona il flusso di potenza, adattando la potenza di ricarica al profilo di ciascun veicolo in funzione dello stato di carica e imponendo i limiti di tensione e corrente della batteria mediante una predizione algebrica a un passo. Il modello completo è stato implementato su un target OPAL-RT ed eseguito in ambiente Hardware-in-the-Loop (HIL) con passo di calcolo fisso di 20 µs, interamente sui core del processore del target senza ricorrere all’esecuzione su FPGA e completando ogni passo entro il budget temporale reale. Sono stati modellati e testati tre veicoli rappresentativi, Hyundai Kona, Fiat 500e e Opel Mokka-e, sull’intero campo di funzionamento bidirezionale, dall’avviamento all’inversione del flusso di potenza fino allo spegnimento controllato. Gli scenari riportati esercitano la piattaforma fino a circa 100 kW, lo sviluppo fissato dai profili di ricarica reali dei veicoli e dal limite di corrente di 400 A del front-end attivo; la cifra di 150 kW indica la dimensione nominale di potenza. Il convertitore simulato ha mantenuto correnti di rete sinusoidali a fattore di potenza prossimo all’unità, un bilanciamento stabile del bus DC e un’efficienza di conversione che varia da circa 94% durante la ricarica a circa il 95-96% durante la scarica. Una campagna sperimentale complementare su convertitori reali in configurazione back-to-back, comandati da remoto, è stata infine impiegata per confrontare la distorsione armonica della corrente di rete misurata con la previsione idealizzata dell’HIL; le misure hanno confermato il comportamento qualitativo previsto dal modello, quantificando al contempo il divario di distorsione che separa una simulazione idealizzata dall’hardware fisico. Il lavoro dimostra dunque che una piattaforma di simulazione in tempo reale basata su CPU, unita a un controllo gerarchico accuratamente discretizzato, costituisce un ambiente credibile ed economico per la pre-prototipazione di caricatori bidirezionali ad alta potenza.