Μέθοδοι αποδοτικής διαχείρισης ενέργειας ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

The ever-increasing interest in smart grids and electric vehicles has triggered intensive research on new technologies and practices for efficient energy management. The electrochemical cells are the prevalent solution for the energy storage systems of smart grids and electric vehicles. Hence, new research for methods related to the efficient energy management of battery systems is crucial.The main objective of this doctoral thesis is to propose methods for the efficient energy management of electric vehicles in two main axes. The first axis is related to the development of electronic power converters and algorithms to manage the energy of the electrochemical cells that belong in a battery stack, aiming to ensure that each cell operates according to the specifications set by the manufacturer. The second axis of this doctoral thesis is related to the energy management of electric vehicles in a higher level, through the development of decision-making algorithms for the charging of electric vehicles and the selection of the most appropriate charging station based on the requirements of the drivers.The energy management of the battery cells is performed by the Battery Management Systems (BMSs). The purpose of the BMS is twofold. On the one hand, the BMS is responsible for the supervision of the condition of the cell, through measurements related to its operation. On the other hand, the BMSs are used for the energy equalization among the cells of a battery stack, aiming to avoid overcharging or undercharging situations that may radically damage the cell.In the context of this thesis, it is assumed that the battery stack is divided into battery modules, and each module contains eight cells. As a result, the equalization of the energy among the cells is performed in two layers. The first layer of equalization refers to the equalization of the energy among the cells that belong in a battery module, following the bidirectional Module-to-Cell energy flow. The second layer of equalization refers to the equalization of the energy among the modules of the battery stack, following the bidirectional Module-to-Module energy flow. In the context of this thesis, the bidirectional Flyback converter is selected to facilitate the Module-to-Cell equalization, while the bidirectional Quasi-resonant Flyback converter is selected to facilitate the Module-to-Module equalization.During the analysis of the power converters under investigation, analytical equations are derived for all the quantities that characterize the operation of each converter, taking into account the non-idealities of its components, in order to accurately derive its operating point. Afterwards, a detailed loss analysis is performed on all components that comprise the converter. Subsequently, a meta-heuristic optimization algorithm, more specifically the Genetic Algorithm, is executed to derive the values of the elements of the converter that maximize its efficiency. In the final stage, the implementation of laboratory prototypes of the electronic converters and the experimental evaluation of the theoretical assumptions is performed. Using the implemented converters, high-current and high-efficiency cell equalization is achieved. In addition, an important result of the present doctoral thesis is the proposal of a method for the equalization scheduling among the cells within a battery module, aiming to reduce the total losses during the equalization process.The second axis of the thesis is related to the decision-making during the charging of electric vehicles in charging stations. The decision-making involves two directions. The first direction is related to the charge scheduling of the electric vehicles in a charging station, using a meta-heuristic optimization algorithm. This procedure is important to assure that the charging is performed considering the requirements of the drivers, while not only minimizing the charging cost and the battery degradation, but also maximizing the utilization of the chargers in a charging station and also considering the limitations set by the energy system operators. The second direction is related to the application of the Analytic Hierarchy Process (AHP) to support the drivers during the selection of the most appropriate charging station, by evaluating the charging services that are provided by the nearby charging stations based on the drivers’ priorities.Summarizing, through this doctoral thesis, a holistic approach for energy management of the batteries of electric vehicles is proposed. On the low level, Battery Management Systems for the equalization among the cells of the stack, with high current and high efficiency are proposed. On the higher level, decision-making methods for the charging of electric vehicles considering the priorities of the drivers are proposed.

Το συνεχές ενδιαφέρον που σχετίζεται με το έξυπνο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και τα ηλεκτρικά οχήματα έχει πυροδοτήσει εντατική έρευνα για νέες τεχνολογίες και πρακτικές αποδοτικής διαχείρισης της ηλεκτρικής ενέργειας. Δομικά στοιχεία των έξυπνων δικτύων και των ηλεκτρικών οχημάτων αποτελούν οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές. Συνεπώς, η εύρεση μεθόδων για την αποδοτική διαχείριση της ενέργειας των συσσωρευτών είναι ιδιαίτερης σημασίας.Μέσα από την παρούσα Διδακτορική Διατριβή επιδιώκεται η πρόταση μεθόδων αποδοτικής διαχείρισης της ενέργειας ηλεκτρικών οχημάτων σε δύο βασικούς άξονες. Ο πρώτος άξονας αφορά την ανάπτυξη ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος και αλγορίθμων με σκοπό τη διαχείριση της ενέργειας κάθε συσσωρευτή, ώστε να διασφαλιστεί ότι αυτός λειτουργεί κατά το βέλτιστο δυνατό τρόπο, εντός των προδιαγραφών που τίθενται από τον κατασκευαστή. Ο δεύτερος άξονας της διδακτορικής διατριβής αφορά τη διαχείριση της ενέργειας συσσωρευτών σε υψηλό επίπεδο, μέσα από την πρόταση αλγορίθμων χρονοπρογραμματισμού φόρτισης και υποβοήθησης λήψης αποφάσεων για την επιλογή του καταλληλότερου σταθμού φόρτισης, σύμφωνα με τις απαιτήσεις των οδηγών.Το ρόλο της διαχείρισης της ενέργειας των μεμονωμένων κελιών επιτελούν τα Συστήματα Διαχείρισης Συσσωρευτών (ΣΔΣ), που είναι ευρέως γνωστά με την αγγλική ορολογία Battery Management Systems (BMS). Τα BMS επιτελούν διττό ρόλο. Αφενός μεν επιτηρούν την κατάσταση των συσσωρευτών μέσω της συλλογής και επεξεργασίας μετρήσεων, αφετέρου δε, πραγματοποιούν εξισορρόπηση της στάθμης φόρτισής τους, ώστε να αποφεύγονται καταστάσεις υπερφόρτισης και υποφόρτισης που μπορεί να οδηγήσουν σε ραγδαία φθορά του συσσωρευτή.Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή θεωρείται ότι η συστοιχία των συσσωρευτών χωρίζεται σε ομάδες των οκτώ συσσωρευτών. Συνεπώς, η εξισορρόπηση της ενέργειας πραγματοποιείται σε δύο επίπεδα, εσωτερικά κάθε ομάδας και μεταξύ των ομάδων. Για την εξισορρόπηση της ενέργειας των συσσωρευτών εντός μιας ομάδας, ακολουθώντας την ροή ενέργειας από ομάδα σε κελί (Module-to-Cell), προτείνεται ο αμφίδρομος μετατροπέας Flyback. Για την εξισορρόπηση της ενέργειας μεταξύ των ομάδων συσσωρευτών, ακολουθώντας την ροή ενέργειας από ομάδα σε ομάδα (Module-to-Module), προτείνεται ο αμφίδρομος μετατροπέας Quasi-resonant Flyback. Κατά την ανάλυση των υπό διερεύνηση τοπολογιών εξάγονται αναλυτικές εξισώσεις για όλα τα μεγέθη που χαρακτηρίζουν τη λειτουργία του κάθε μετατροπέα, λαμβάνοντας υπόψη τις μη ιδανικότητες των στοιχείων που τον απαρτίζουν, ώστε να εξαχθεί με ακρίβεια το σημείο λειτουργίας αυτού. Έπειτα, πραγματοποιείται μοντελοποίηση των απωλειών στα επιμέρους στοιχεία του μετατροπέα. Στη συνέχεια, εκτελείται μετα-ευρετικός αλγόριθμος βελτιστοποίησης, πιο συγκεκριμένα ο Γενετικός Αλγόριθμος (Genetic Algorithm, GA), προκειμένου να εξαχθούν οι τιμές των στοιχείων του μετατροπέα που μεγιστοποιούν την απόδοση. Στο τελικό στάδιο, πραγματοποιείται η κατασκευή εργαστηριακών πρωτοτύπων των ηλεκτρονικών μετατροπέων και η πειραματική αξιολόγηση των θεωρητικών εκτιμήσεων. Με τα πρωτότυπα που κατασκευάστηκαν στην παρούσα διατριβή επιτυγχάνεται εξισορρόπηση της ενέργειας των συσσωρευτών με υψηλή απόδοση και ρεύμα. Επίσης, ένα σημαντικό αποτέλεσμα της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η πρόταση μεθόδου για το χρονοπρογραμματισμό εξισορρόπησης των συσσωρευτών εντός μίας ομάδας με σκοπό τη μείωση των συνολικών απωλειών κατά τη διαδικασία της εξισορρόπησης.Ο δεύτερος άξονας της διατριβής σχετίζεται με τη λήψη αποφάσεων σχετικά με τη φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων σε σταθμούς φόρτισης. Η λήψη αποφάσεων πραγματοποιείται σε δύο κατευθύνσεις. Η πρώτη κατεύθυνση αφορά το χρονοπρογραμματισμό φόρτισης ενός ηλεκτρικού οχήματος σε σταθμό φόρτισης με χρήση μετα-ευρετικού αλγορίθμου βελτιστοποίησης. Η διαδικασία αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική για την επίτευξη της φόρτισης του οχήματος με γνώμονα τις ανάγκες μετακίνησης των οδηγών με χαμηλό κόστος και φθορά των συσσωρευτών κατά τη φόρτιση, αλλά και τη βέλτιστη αξιοποίηση των πόρων του σταθμού, τηρώντας τους περιορισμούς που τίθενται από το διαχειριστή του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας. Η δεύτερη κατεύθυνση σχετίζεται με την εφαρμογή της μεθόδου Analytic Hierarchy Process (AHP) για την υποβοήθηση των οδηγών κατά την επιλογή του καταλληλότερου σταθμού φόρτισης, αξιολογώντας τις υπηρεσίες φόρτισης που προφέρονται από τους κοντινότερους σταθμούς και επιλέγοντας το σταθμό εκείνο που καλύπτει σε μεγαλύτερο βαθμό τα κριτήρια που τίθενται από τους οδηγούς.Συμπερασματικά, μέσα από την παρούσα Διδακτορική Διατριβή επιδιώκεται η επίλυση του προβλήματος της διαχείρισης της ενέργειας συσσωρευτών ηλεκτρικών οχημάτων ολιστικά, αφενός μεν μέσα από τη διερεύνηση του χαμηλού επιπέδου που αφορά μεμονωμένους συσσωρευτές, αφετέρου δε, μέσω της λήψης αποφάσεων που σχετίζονται με τη διαδικασία της φόρτισης.