Due to climate changes and global warming more care was given to energy efficiency and emissions reduction. Greater interest has been placed on the research of renewable energy sources. Nowadays transportation is one of the most reasons of air pollution and widespread fossil fuel usage. In the last years, the industry and academic research have looked for electric vehicles development. Power electronics plays a crucial role in this field that is continuously growing up. The efficiency maximization, magnetic design, thermal modeling, Electro Magnetic Compatibility (EMC), system reliability and cost reduction are some aspects demanded by the transport electrification process. In this contest, motor control is another field of interest where the research is investigating new algorithms to improve electric machine performances. All these aspects are dealt with this thesis work that proposes solutions corroborated by simulation models and experimental validations. The first part of the manuscript is related to the presentation of the design, function modes and results obtained from power converters intended for electric vehicles and characterized by high efficiency and power density. The electric motor is one of the onboard systems of an electric vehicle, others are located inside the vehicle and upon the working conditions may require a wide range of the input-output voltages. The battery charger is an example of such converters, it can be placed onboard or be outside of the vehicle and the typology is monodirectional or bidirectional as well. The bidirectionality is mandatory when the converter has to manage both phases of propulsion and regeneration to recover energy. The battery pack supplies also other systems strictly related to vehicle safety or involving the comfort of the driver, as the case of illumination, air conditioning and infotainment. This thesis presents in detail two DC-DC power converters: a monodirectional LLC architecture and a bidirectional Dual Active Bridge (DAB). The design of the resonant tank of the former typology will be carried out in order to satisfy the constraints on the wide output voltage regulation range. For this purpose, the hard-switching commutations will be analyzed when the PWM modulation is adopted at light load and an alternative approach will be proposed to mitigate the effects. In the following, the design of a DAB with a wide input-output voltage range will be performed. The results will be shown for advanced modulation techniques implemented for the maximization of the conversion’s efficiency on the whole operating range. The motor control theory is analyzed in the last chapters of the thesis and an advanced flux weakening algorithm is presented. The fast transitions from propulsion to regeneration (and vice versa) of the electric machine in flux weakening operations are properly managed by means of this control strategy. During these phases, the saturation and wind-up of the control loop regulators may happen and the torque and power delivered by the motor have been improved by means of a strategy enhanced with a feedforward contribution.

I cambiamenti climatici e la ricerca di fonti rinnovabili come sorgente d’energia hanno suscitato una sensibilità sempre maggiore per ciò che riguarda l’efficienza energetica e la riduzione delle emissioni. I mezzi di trasporto, ad oggi, sono tra le principali cause d’inquinamento dell’aria e rappresentano uno dei motivi di maggior sfruttamento dei combustibili fossili. Infatti negli ultimi anni, grande è stato l’interesse nel settore industriale e nel mondo della ricerca per lo sviluppo di veicoli elettrici. Un campo questo, in crescente espansione anche grazie allo sviluppo dell’elettronica di potenza, chiamata in causa per ciò che riguarda: la massimizzazione dell’efficienza, il dimensionamento dei magnetici, la modellazione termica, la compatibilità elettromagnetica (EMC), l’incremento dell’affidabilità dei sistemi e la riduzione dei costi. Il controllo motore rappresenta un altro ambito ancora dove vengono sviluppati algoritmi per consentire una massimizzazione delle performance delle macchine elettriche. Tutti questi aspetti sono oggetto del lavoro di tesi che verrà esposto, nella cui trattazione vengono proposte soluzioni da considerarsi sempre avvalorate e sostenute da simulazioni e prove sperimentali. Nella parte iniziale si intende illustrare la progettazione, le modalità di funzionamento e i risultati ottenuti realizzando convertitori ad alta efficienza e densità di potenza, destinati ad applicazioni funzionali alla trazione elettrica. A bordo di un veicolo elettrico, oltre al motore utile alla propulsione, sono installate numerose utenze il cui regime operativo può richiedere un ampio range di funzionamento delle tensioni di ingresso-uscita. Il caricabatterie è un esempio di convertitore che può essere di tipologia monodirezionale o bidirezionale e trovarsi a bordo del mezzo o all’esterno. La bidirezionalità dello stadio di conversione è richiesta per gestire sia la fase di propulsione che quella di recupero dell’energia in fase rigenerativa. Dal pacco batterie vengono alimentati anche altri sistemi strettamente legati alla sicurezza o al comfort di guida: i sistemi di illuminazione, di climatizzazione e l’infotainment. Nello specifico di questo lavoro di ricerca si presentano due convertitori DC-DC: un’architettura LLC unidirezionale e un Dual Active Bridge (DAB) bidirezionale. Riguardo la prima tipologia verrà illustrato il dimensionamento del resonant tank per soddisfare specifiche di funzionamento ad ampio range di regolazione della tensione di uscita. A tale scopo sono state analizzate le commutazioni hard-switching che si verificano durante la modulazione PWM, adottata a carico leggero, e una tipologia di controllo che ne mitighi gli effetti. Poi è stato dimensionato un convertitore DAB ad ampio range di tensioni di ingresso-uscita. I risultati che si troveranno illustrati sono stati ottenuti con l’implementazione di strategie avanzate di modulazione, finalizzate a massimizzare il rendimento dello stadio di conversione rispetto a tutto il range operativo di funzionamento. Infine, negli ultimi capitoli di tesi, analizzando la teoria del controllo motore si presenta un algoritmo avanzato di flux weakening. Esso è in grado di mitigare le problematiche relative alle fasi di transizione rapida dagli stati di funzionamento da motore e da generatore della macchina elettrica. In tali transitori si verificano fenomeni di saturazione e wind-up degli anelli di regolazione. Grazie ad una strategia di deflussaggio basata su un contributo feedforward sono stati ottenuti benefici sulla coppia motrice e la potenza erogata dal motore.

Convertitori DC-DC Soft-Switching e Azionamenti Elettrici per l’Elettrificazione dei Trasporti / Raffaele Fornari , 2020 Mar 05. 32. ciclo, Anno Accademico 2018/2019.

Convertitori DC-DC Soft-Switching e Azionamenti Elettrici per l’Elettrificazione dei Trasporti

Fornari, Raffaele
2020

Abstract

Due to climate changes and global warming more care was given to energy efficiency and emissions reduction. Greater interest has been placed on the research of renewable energy sources. Nowadays transportation is one of the most reasons of air pollution and widespread fossil fuel usage. In the last years, the industry and academic research have looked for electric vehicles development. Power electronics plays a crucial role in this field that is continuously growing up. The efficiency maximization, magnetic design, thermal modeling, Electro Magnetic Compatibility (EMC), system reliability and cost reduction are some aspects demanded by the transport electrification process. In this contest, motor control is another field of interest where the research is investigating new algorithms to improve electric machine performances. All these aspects are dealt with this thesis work that proposes solutions corroborated by simulation models and experimental validations. The first part of the manuscript is related to the presentation of the design, function modes and results obtained from power converters intended for electric vehicles and characterized by high efficiency and power density. The electric motor is one of the onboard systems of an electric vehicle, others are located inside the vehicle and upon the working conditions may require a wide range of the input-output voltages. The battery charger is an example of such converters, it can be placed onboard or be outside of the vehicle and the typology is monodirectional or bidirectional as well. The bidirectionality is mandatory when the converter has to manage both phases of propulsion and regeneration to recover energy. The battery pack supplies also other systems strictly related to vehicle safety or involving the comfort of the driver, as the case of illumination, air conditioning and infotainment. This thesis presents in detail two DC-DC power converters: a monodirectional LLC architecture and a bidirectional Dual Active Bridge (DAB). The design of the resonant tank of the former typology will be carried out in order to satisfy the constraints on the wide output voltage regulation range. For this purpose, the hard-switching commutations will be analyzed when the PWM modulation is adopted at light load and an alternative approach will be proposed to mitigate the effects. In the following, the design of a DAB with a wide input-output voltage range will be performed. The results will be shown for advanced modulation techniques implemented for the maximization of the conversion’s efficiency on the whole operating range. The motor control theory is analyzed in the last chapters of the thesis and an advanced flux weakening algorithm is presented. The fast transitions from propulsion to regeneration (and vice versa) of the electric machine in flux weakening operations are properly managed by means of this control strategy. During these phases, the saturation and wind-up of the control loop regulators may happen and the torque and power delivered by the motor have been improved by means of a strategy enhanced with a feedforward contribution.
Soft-switching DC-DC Power Converters and Electric Drives for Green Transportation
5-mar-2020
LORENZANI, EMILIO
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