The freight transport plays an important role in the development of the economy. However, this comes with an important contribution to greenhouse gas emission. Recently a shift toward heavy-duty electric vehicles has been made, but some issues still need to be tackled. One of them is to develop ways to quickly recharge the vehicle’s batteries without damaging them. In this thesis, we highlight that not only the current but also the battery temperature need to be carefully managed in order to prevent damages during a charging session. To show that, an electrical, thermal and aging model of Li-ion battery is developed. A charging strategy based on a Model Predictive Control algorithm is proposed. The algorithm controls both the battery current and cooling system in order to achieve the optimal balance between the charging speed and the preservation of the battery. The resulting algorithm is tested, in simulation, against a conventional constant current charging in different charging scenarios. The results show an important increase in performance and highlight the role of the battery cooling system in the preservation of the battery. / Godstransporterna spelar en viktig roll för ekonomins utveckling. Detta innebär dock ett betydande bidrag till utsläppen av växthusgaser. På senare tid har en övergång till tunga elfordon skett, men vissa frågor måste fortfarande lösas. En av dem är att utveckla metoder för att snabbt ladda fordonsbatterierna utan att skada dem. I den här avhandlingen lyfter vi fram att inte bara strömmen utan även batteritemperaturen måste hanteras noggrant för att förhindra skador under en laddning. För att visa detta utvecklas en elektrisk, termisk och åldrande modell för Li-ion-batterier. En laddningsstrategi baserad på en algoritm för modellförutsägbar styrning föreslås. Algoritmen styr både batteriströmmen och kylsystemet för att uppnå en optimal balans mellan laddningshastighet och bevarande av batteriet. Den resulterande algoritmen testas i simulering mot en konventionell konstantström laddning i olika laddningsscenarier. Resultaten visar en betydande ökning av prestanda och belyser batterikylsystemets betydelse för bevarandet av batteriet.

In this thesis, we explore the potential of financing a fast charging system with energy storage by delivering ancillary services from the energy storage in an optimal way. Specifically, a system delivering frequency regulation services FCR-D Up and FCR-D Down in combination with energy arbitrage trading is considered. An optimization model is developed that could be implemented operationally and then used in a Monte-Carlo simulation to estimate the net present value of the system for four identified cases at three different energy market price scenarios. The main modeling approach is to formulate the system as a state-space model serving as the foundation for model predictive control, with the delay between decision and delivery of the frequency regulation services incorporated as a part of the system state. The optimization of the system is implemented using a dynamic programming approach with a time horizon of 48h, where the choice of admissible controls is optimized for computational efficiency. The result shows that the system could profitable under optimal operation, but it is heavily dependent on the size of the grid connection, future price levels for ancillary services, and the nature of fast-charging demand. As such, the business case and profitability should be evaluated with a specific use case in mind. The developed model showed relatively good computational efficiency for operational implementations with a run time for one iteration of the optimization problem of 15 seconds. The model could therefore be used as the foundation for future research within the specific field and for similar control problems considering delayed controls and stochastic demand. Several proposed improvements and suggested areas of future research are proposed. / I den här uppsatsen utforskar vi huruvida det är finansiellt lönsamt att leverera snabbladdning från ett energilager samtidigt som energilagret används för att leverera systemtjänster på ett optimalt sätt. Mer specifikt undersöks ett potentiellt system som levererar frekvensregleringstjänsterna FCR-D Up och FCR-D Down samt energiarbitragehandel. Vi utvecklar en optimeringsmodell som kan implementeras i ett fysiskt system och använder sedan modellen i en Monte-Carlo-simulering för att estimera nuvärdet av fyra olika systemkonfigurationer för tre olika prisscenarion. Den huvudsakliga modelleringsmetoden är att formulera systemet som en tillstånds-rum modell, som sedan används som grund för modellprediktiv styrning, där fördröjningen mellan beslut och leverans av frekvensregleringstjänster inkluderas som en del av systemets tillstånd. Optimeringen av systemet implementeras med en dynamisk programmeringsmetodik med en tidsram på 48 timmar, där valet av tillåtna kontroller optimeras för beräkningseffektivitet. Resultatet visar att systemet kan vara lönsamt under optimal drift, men det är starkt beroende av storleken på nätanslutningen, framtida prisnivåer för systemtjänster och typen av snabbladdningsbehovet. Därför bör lönsamheten utvärderas för varje specifikt fall. Den utvecklade modellen visade relativt god beräkningseffektivitet för praktiskt implementation med en körtid för en enskilt iteration på 15 sekunder. Modellen kan därför användas som grund för framtida forskning inom området och för liknande problem inom optimal styrteori som involverar fördröjda kontroller och stokastisk efterfrågan. Flera föreslagna förbättringar och områden för framtida forskning föreslås.

Functional and cost effective systems for the full electrification of a bus network are areas of intense research and development. The electrification can be accomplished using different technological solutions, for example using opportunity charging or using an electric road system – ERS. Both opportunity charging and ERS have the potential to be integrated into already existing bus lines. With opportunity charging, the regular dwell time at the end stops is used for the bus to recharge its batteries and with an ERS the bus can charge dynamically along the road. The purpose of this report is to analyze how the existing Alfa- and Beta line at Stockholm Arlanda Airport, in a functional and cost effective way, can be electrified using either opportunity charging or an ERS. The tradeoff between required charging power, battery capacity and the necessity to change the existing running schedule is explained in detail. In addition, the impact on the electrical grid is analyzed based on different load profiles of different charging stations using different power levels. The analysis is based on real data from the Alfa – and Beta line with its existing buses, the electrical grid at Arlanda and data provided by both the leading (electrical) bus manufacturers and the leading charging infrastructure manufacturers.  The outcome of this report suggests that a full electrification of the existing Alfa- and Beta line has the potential to lower CO2-emissions and energy use at a functional and cost effective way.

With the increase of electric vehicles (EVs) on the roads the availability of charging infrastructure becomes more important. Today it is relatively straightforward to install fast chargers in areas with strong power grid connections, such as in urban areas. However, in areas with less available electrical power, the grid is considered to be a weak grid, typically in remote areas, which limits charging speeds. Local peak shaving can be implemented with battery energy storage systems (BESS) to support faster charging at these locations by increasing available power when needed. As the majority of the power is supplied by the BESS there are noticeable conversion losses when converting from the BESS DC voltage to AC in the grid and then back to DC through the fast charger. This thesis investigates DC/DC converters to charge EVs directly from a BESS DC bus by regulating the voltage to the level of the EV, while also supporting safe simultaneous charging capability. It was done through understanding relevant standards’ requirements, converter review, as well as design and simulation of the interesting topologies. The converters selected to simulate were the Buck-Boost and the Dual-Active Bridge (DAB). After analysing the efficiency result in combination with industry requirements, it was concluded that one DAB per output is the preferred option in most use cases. This would potentially also reduce the material usage and carbon footprint of this type of infrastructure compared to the current solution. Furthermore, some suggestions were made for improving the design of DAB converter before making a prototype for real testing. / Denna avhandling har undersökt hur en snabbladdares effektelektronik för en mobil batterienergilagringssystem kan designas för att ladda två elbilar samtidigt. För att göra detta har systemkrav från relevanta standarder sammanställts och olika snabbladdares kapacitet undersökts. Därefter har olika DC/DC-omvandlare identifierats i ändamål att välja ut de mest lämpade för att uppfylla funktionen. De utvalda omvandlarna designades iterativt och simulerades med i verktyget PLECS för att kunna jämföra hur vardera omvandlare presterade under olika scenarior och med olika transistorer. Resultat och slutsatser från detta arbete är att galvanisk isolering krävs mellan de två elbilarna samt att två Dual-Active Bridge (DAB) omvandlare är den mest lämpade utifrån effektivitet, kapacitet och materialanvänding. Det finns även flera områden att fortsätta arbetet på för att förbättra designen och testa med en prototyp.