Designing and prototyping smart EV charger

Abstract

Transportation is electrifying at an increasing pace, much like many other industries. This transition toward clean energy is driven by international regulations for reducing emissions in the future. Emission reduction targets and the significant reliance on fossil fuels in transportation are key factors behind this change. The number of charging stations is expected to grow and charging times for electric vehicles are anticipated to shorten, leading to higher charging power requirements.

Electric vehicle charging stations place a strain on property-level and electricity distribution infrastructure. In many cases, the implementation of charging systems is constrained by the available connection capacity of the electrical grid. This study examines a high-power charging system that decouples electric vehicle charging power from the grid connection power by leveraging internal energy storage and intelligent control systems.

The aim of this work was to develop a prototype-level energy storage-based charging system with intelligent control. Additionally, it seeks to evaluate the efficiency and functionality of a DC charger when used with an energy storage system. The project was carried out using a prototype, and the high-power charger was tested for charging an electric vehicle.

The study explored the control system functions of the DC charger, and the aspects required for its dimensioning. It investigated how operating solely with a DC converter can improve efficiency compared to traditional inverter-based conversions. The results demonstrate how the charging power of a DC charger can be maximized when integrated with an energy storage system. The DC charger prototype was implemented and works as expected. The efficiency of the device was found to be good, but further development was also identified, for example the electrical quality in the dimensioning and programming of the filter components.

Liikenne sähköistyy kasvavalla tahdilla monien muiden toimialojen tapaan. Muutoksen taustalla tähän puhtaaseen siirtymään ovat kansainväliset säännökset päästöttömämpään liikennöintiin tulevaisuudessa. Päästövähennystavoitteet sekä suuri osa liikenteen fossiilisten polttoaineiden käytöstä. Latausasemien määrä tulee kasvamaan, ja sähköajoneuvojen latausaikojen odotetaan lyhenevän, mikä johtaa suurempiin lataustehoihin.

Sähköautojen latausasemat aiheuttavat kuormitusta muun muassa kiinteistöjen ja sähkönjakeluninfrastruktuurissa. Useissa kohteissa latausjärjestelmän toteutusta rajoittaa saatavissa oleva sähköverkon liittymäkoko. Tässä tutkimustyössä tutkitaan teholaturijärjestelmää, joka erottaa sähköajoneuvojenlataustehot verkon liityntätehoista. Hyödyntämällä sisäistä energiavarastointia ja älykästä ohjausta.

Tämän työn tarkoituksena oli kehittää prototyyppitasoinen energiavarastoiva latausjärjestelmä älykkäällä ohjauksella. Lisäksi tarkastella tasavirtalaturin lataushyötysuhdetta ja toiminnallisuutta energiavaraston yhteydessä.

Työ toteutettiin prototyypillä ja testaamalla teholaturia sähköauton lataukseen. Tutkimuksessa tarkasteltiin tasavirtalaturin ohjausjärjestelmän toimintoja ja mitoitukseen tarvittavia asioita. Työssä selvitettiin, kuinka pelkästään tasavirtamuuntimella toimimalla hyötysuhdetta voidaan parantaa verrattuna perinteisiin muunnostapoihin, joissa käytetään invertteriä. Työn tuloksena esitetään, kuinka DC-laturin latausteho voidaan maksimoida energiavaraston yhteydessä. Prototyyppi saatiin toteutettua ja toimii odotetulla tavalla. Laitteen hyötysuhde todettiin hyväksi, mutta myös jatkokehitettävää tunnistettiin muuan muassa sähkönlaadun suodatinkomponenttien mitoituksessa ja ohjelmoinnissa.