Charging of plug-in electric vehicle fleets in urban environment

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Lund, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Lindgren, Juuso
dc.date.accessioned 2018-01-13T10:02:39Z
dc.date.available 2018-01-13T10:02:39Z
dc.date.issued 2017
dc.identifier.isbn 978-952-60-7740-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7739-0 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/29576
dc.description.abstract This thesis studies the performance and charging of electric vehicle fleets in an urban environment,using three research questions that focused on: 1) allocation of limited total charging power; 2) effect of different charging infrastructure parameters on the total distance driven in electric-only mode, and; 3) effect of cold and warm ambient temperature on the performance and charging of the fleet, respectively. An agent-based computer simulation was employed, with parameters tuned such that the resulting vehicle travel patterns would resemble the observed behaviour of conventional cars in the city of Helsinki, Finland. Two different simulators were used: in the first one, the vehicles travel in a node network according to a stochastic trip-generation algorithm. In the second one, the vehicles' status changes according to the results of a Finnish travel survey. Two different vehicle battery models were also used: a simple linear "kilowatt-hour counter" and a more advanced battery model with temperature dependency. It was found that smart charging power allocation can improve the total distance driven in electric-only mode compared to a "dumb" equal allocation strategy, but the gain is heavily dependent on the battery capacity. If no predictions about the future are made, the gain is small (1%), but with full knowledge on future travel patterns, it increases to over 5%. In general, more power should be allocated to vehicles that depart earlier and travel longer distances before their next charging session. Among plug-in hybrid electric vehicles, those with small battery capacity gain the most benefit from improved charging infrastructure, in terms of total distance driven in electric-only mode. Battery capacity holds the highest potential out of all parameters tested. The second and third most important infrastructure parameters are the number of parking slots around a single charging station and the number of these charging stations. A charging station should be placed in a central location with several parking slots around it, to allow sequential charging of multiple vehicles by switching the charging cable from one vehicle to the next. Low battery temperature has a negative impact on fully electric vehicle charging. This manifests as slightly reduced median state of charge (3–6%-units) for the vehicle fleet and significantly lower median charging rate (15% in terms of self-weighted mean charging power). Battery heating can be used to achieve higher state of charge, as well as increased charging rate for certain vehicles. Deviation from the close-to-optimal +20°C temperature for the cabin and the battery results in reduced efficiency (km/kWh) and eventually reduced number of planned trips that can be realized. Cabin preconditioning and active battery thermal management improve the median efficiency of the fleet around 8-9% at −10°C and +40°C. en
dc.description.abstract Tässä väitöskirjassa tutkitaan sähköautolaivueiden toimintakykyä ja lataamista kaupunkiympäristössä käyttämällä kolmea tutkimuskysymystä, jotka keskittyvät: 1) rajoitetun kokonaislataustehon jakamiseen usealle lataavalle autolle; 2) erilaisten latausinfrastruktuuriparametrien vaikutusta kokonaismatkaan, joka ajetaan täysin sähköllä; ja 3) kylmän ja lämpimän ympäristön lämpötilan vaikutusta autolaivueen toimintakykyyn ja lataamiseen. Tutkimusmenetelmänä käytettiin agenttipohjaista tietokonesimulaatiota, joka säädettiin siten, että simulaation tuloksena syntyneet ajotiedot muistuttaisivat tavallisten polttomoottori-autojen käyttäytymistä Helsingissä. Väitöskirjassa käytettiin kahta erilaista simulaattoria: ensimmäisessä autot liikkuvat noodiverkostossa stokastisen matkageneraattorin ohjaamana ja toisessa autot muuttavat tilaansa suomalaisen henkilöliikennetutkimuksen tuloksiin perustuen. Lisäksi käytettiin kahta erilaista akkumallia: yksinkertaista "kilowattituntilaskuria" ja edistyneempää lämpötilariippuvaista akkumallia. Havaittiin, että lataustehon älykäs jakaminen voi nostaa täysin sähköllä ajettua kokonaismatkaa verrattuna yksinkertaiseen lataustehon tasajakoon, mutta tämä nousu on vahvasti riippuvainen laivueen akkukapasiteetista. Jos mitään ennusteita ei käytetä, kasvu on pieni (1%), mutta täydellä tietämyksellä tulevasta ajosta kasvu on yli 5%. Yleisesti ottaen, lataustehon jakamisessa tulisi suosia autoja, jotka ovat poistumassa aikaisemmin latauspaikalta ja jotka kulkevat pidemmän matkan ennen seuraavaa lataussessiota. Plug-in-hybridisähköautoista ne, joilla on pieni akkukapasiteetti, hyötyvät eniten latausverkoston kehittymisestä, kun mittarina käytetään täysin sähköllä ajettua kokonaismatkaa. Akku-kapasiteetilla on suurin vaikutus kaikista kokeilluista parametreista. Toiseksi ja kolmanneksi tärkeimmät parametrit ovat yhden lataustolpan ympärillä olevien pysäköintiruutujen määrä ja lataustolppien määrä. Lataustolppa tulisi sijoittaa keskeiselle paikalle siten, että sitä voidaan hyödyntää useasta parkkiruudusta vaihtamalla latauskaapelia autosta toiseen. Matala akuston lämpötila huonontaa täyssähköautojen latauskykyä. Tämä näkyy hieman alentuneena mediaanilataustasona (3–6%-yksikköä) ja huomattavasti alentuneena mediaani-latausnopeutena (15% itsepainotetussa keskilataustehossa). Akuston lämmitystä voidaan käyttää kohottamaan lataustasoa ja nostamaan latausnopeutta tiettyjen autojen kohdalla. Kun auton sisätilan ja akuston lämpötila poikkeaa +20°C:sta, autojen tehokkuus (km/kWh) laskee ja poikkeaman kasvaessa joitakin suunniteltuja matkoja joudutaan lopulta perumaan. Sisätilan esi-ilmastointia ja aktiivista akuston lämmönsäätelyä käyttämällä voidaan mediaanitehokkuutta nostaa noin 8–9% lämpötiloissa −10°C ja +40°C. fi
dc.format.extent 132 + app. 76
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 233/2017
dc.relation.haspart [Publication 1]: Lindgren, Juuso & Niemi, Rami & Lund, Peter D., 2013. Effectiveness of smart charging of electric vehicles under power limitations. International Journal of Energy Research. Volume 38, Issue 3. P. 404-414. DOI: 10.1002/er.3130
dc.relation.haspart [Publication 2]: Lindgren, J & Lund, P., 2015. Identifying bottlenecks in charging infrastructure of plug-in hybrid electric vehicles through agent-based traffic simulation, International Journal of Low-Carbon Technologies, vol. 10,no. 2, pp. 110-118. DOI: 10.1093/ijlct/ctv008
dc.relation.haspart [Publication 3]: Lund, Peter & Lindgren, Juuso & Mikkola, Jani & Salpakari, Jyri. 2015. Review of energy system flexibility measures to enable high levels of variable renewable electricity. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 45. P. 785-807. DOI: 10.1016/j.rser.2015.01.057
dc.relation.haspart [Publication 4]: Lindgren, J., Asghar, I. & Lund, P., 2016. A hybrid lithium-ion battery model for system-level analyses, International Journal of Energy Research, vol. 40, no. 11, pp. 1576-1592. DOI: 10.1002/er.3617
dc.relation.haspart [Publication 5]: Lindgren, J. & Lund, P., 2016. Effect of extreme temperatures on battery charging and performance of electric vehicles. Journal of Power Sources, vol. 328, pp. 37-45. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2016.07.038
dc.subject.other Energy en
dc.title Charging of plug-in electric vehicle fleets in urban environment en
dc.title Plug-in-sähköajoneuvolaivueiden lataaminen kaupunkiympäristössä fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword electric vehicle en
dc.subject.keyword charging infrastructure en
dc.subject.keyword charging power en
dc.subject.keyword battery en
dc.subject.keyword temperature en
dc.subject.keyword sähköauto fi
dc.subject.keyword latausinfrastruktuuri fi
dc.subject.keyword latausteho fi
dc.subject.keyword akku fi
dc.subject.keyword lämpötila fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7740-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Lund, Peter, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Andersson, Göran, Prof., ETH Zürich, Switzerland
dc.contributor.lab New Energy Technologies en
dc.rev Järventausta, Pertti, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.rev Lassila, Jukka Asst. Prof., Lappeenranta University of Technology, Finland
dc.date.defence 2018-02-16


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account