Modular multilevel converters for automotive applications

The actual state of the art system inside electric vehicles is composed by five fundamental components: *Battery Pack, *Inverter, *Motor, *Battery Management System and *Charging Controller. A new kind of inverter based on the structure of modular multilevel converters will be presented during this thesis. The proposed topology will embedd batteries within the converter. This kind of Modular Multilevel Converters (MMCs) can replace Inverter, BMS and Charging Controller. The advantages of MMCs in automotive applications over actual systems are: less space requirement, intrinsic battery balance capabilities and, depending on chosen number of levels, less harmonic distortion of output voltages and currents. MMCs could also recharge the battery pack at the same rate of the nominal power of the vehicle and they could be able to handle all different charging systems actually available. During this thesis three different modulation techniques for MMCs will be proposed. The first one will approximate the reference voltage turning on or off a different amount of cells reducing as much as possible the error between output and reference voltage (Nearest Level Control). The second modulation technique will add to the previous one PWM on each discretized level of the output waveform. The third and last proposed modulation technique will be programmed to apply PWM just on top and bottom levels of the output voltage. The aim of this last technique is to best approximate input references without increasing the number of commutations as much as all levels PWM technique does. Obtained results will be compared with simulations performed on a common two levels PWM inverter. This document is divided in three main parts representing different tests. In the first one (Chapter 3) the converters will feed a static load to measure output voltage and current harmonic distortion. The second part (Chapter 4) focus on internal losses produced inside solid state switches: a comparison between conduction losses over commutation losses will be done for all the modulation techniques to have a deeper view on losses generation. In the last part (Chapter 5) the proposed modulation techniques will be tested to drive an asynchronous machine over a predetermined speed path. The aim of this last test is to include in the losses analysis also the contribute of additional losses produced inside the core of the machine because of voltage distortion. Results obtained from static load tests show that the best modulation technique to reduce current distortion has to be chosen depending on the output frequency. At very low frequencies the lowest current distortion was produced applying PWM on all levels. At medium frequencies the best modulation technique is the one which applies PWM just on last levels and at very high frequencies the best one is the Nearest Level Control. Losses analysis shows the influence of circulating currents over MMC global efficiency when supplying low frequency voltage. It is also evident that the main contribute to total losses is given by conduction losses rather than switching ones, this suggest to use high frequency carrier frequency (10kHz) rather than low ones (1kHz) when PWM is needed.Analysis performed over global systems (MMC + Motor) shows higher losses in the converter with the NLC technique (without any kind of PWM). The reason for this is strictly related to the references generated by Field Oriented Control (FOC) which makes the MMC converter switch between two subsequent levels very fast, thus highly increasing commutation losses. Applying PWM on all MMC levels completely solve this problem because fixes the converter switching frequency. All MMC converter modulation techniques appeared to be more efficient in driving the motor than traditional two level PWM inverters. This thesis has confirmed some of the advantages of proposed multilevel converters over two level PWM inverters. Simulations performed have also shown some aspects which needs more work to optimize further proposed modulation techniques.

Attualmente i veicoli elettrici racchiudono al loro interno cinque componenti fondamentali: *Pacco Batterie, *Inverter, *Motore ,*Battery Management System (BMS) e *Controller di Ricarica. Un nuovo tipo di inverter, basato sulla struttura dei Modular Multilevel Converters ma integrante al suo interno batterie piuttosto che condensatori verrà proposto nel corso di questo elaborato. Questo tipo di Modular Multilevel Converter (MMC) potrebbe essere sostituito a Inverter, a BMS e a Controller di Ricarica, apportando alcuni vantaggi auspicabili nel campo dei veicoli elettrici. Alcuni di questi sarebbero: ingombro ridotto, controllo mirato delle correnti su ogni singola cella, impiego delle correnti del carico per bilanciare gli accumulatori, infine, a seconda della configurazione adottata, minor distorsione armonica delle tensioni e delle correnti prodotte. I Modular Multilevel Converters sarebbero inoltre in grado, al contrario di quanto accade ora, di gestire una potenza di ricarica pari a quella nominale del veicolo e potrebbero accettare potenzialmente tutti i diversi tipi di ricarica. Nel corso di questa tesi verranno inoltre proposte tre diverse tecniche di modulazione per i MMC. La prima approssimerà la tensione di riferimento, attivando o disattivando un diverso numero di celle, minimizzando il più possibile l'errore tra tensione in uscita e quella di riferimento (Nearest Level Control). La seconda tecnica di modulazione aggiungerà a quella precedente il PWM su ogni livello discretizzato della forma d'onda in uscita. La terza ed ultima modulazione verrà programmata per applicare il PWM esclusivamente sui livelli componenti estremo superiore ed inferiore della sinusoide in uscita con lo scopo di approssimare al meglio i riferimenti mantenendo limitato il numero di commutazioni. I risultati ottenuti dai convertitori sopracitati saranno comparati con i dati estratti dal modello di un inverter PWM a due livelli. Il corpo centrale del documento è stato suddiviso in tre parti: nella prima (Capitolo 3) verranno confrontate le distorsioni armoniche prodotte dai convertitori quando alimentano un carico statico dalle caratteristiche predeterminate. La seconda parte (Capitolo 4) racchiude l'analisi delle perdite interne ai convertitori dovute all'impiego di interruttori allo stato solido, verranno confrontati i contributi di conduzione e commutazione rispetto alle perdite totali misurate. I dati raccolti nelle prime due parti saranno comparati per individuare il rapporto tra THD generato e le perdite interne, in modo da definire la tecnica di modulazione più vantaggiosa. Nell'ultima parte (Capitolo 5) si utilizzeranno le tecniche di modulazione proposte in precedenza per far seguire ad una macchina asincrona un particolare riferimento di velocità. Lo scopo di quest'ultima analisi risponde alla necessità di includere nello studio delle perdite interne dei convertitori anche quelle aggiuntive create all'interno della macchina asincrona a causa del contenuto armonico nelle tensioni che le vengono applicate. I risultati ottenuti nelle prove con carico statico mostrano che la tecnica di modulazione migliore per ottenere un basso contenuto armonico nelle correnti non è univoco ma bensì dipende dalla frequenza che deve essere generata, in particolare a bassissime frequenze risulta utile applicare il PWM su tutti i livelli, a medie frequenze il THD minore è ottenuto applicandolo solo agli ultimi livelli e, infine, ad altissime frequenze non applicare PWM (NLC) tende a produrre distorsioni armoniche nelle correnti via via più piccole. L'analisi sulle perdite ha mostrato l'influenza delle correnti di circolazione sull'efficienza complessiva del convertitore durante il lavoro a bassa frequenza. È risultato inoltre evidente che il contributo più influente sulle perdite totali è dato dalle perdite per conduzione, fenomeno per cui, se necessario, risulta conveniente applicare carrier dalla frequenza non inferiore a 10kHz. L'analisi effettuata sui sistemi complessivi (MMC + Motore) ha invece rilevato perdite maggiori all'interno del convertitore NLC (senza PWM). La ragione di questo fenomeno è legata principalmente al tentativo del Field Oriented Control (FOC) di imporre delle correnti prefissate agendo rapidamente sulle tensioni imposte, costringendo il convertitore ad effettuare numerose commutazioni per ogni periodo. L'introduzione del PWM su ogni livello ha eliminato questo effetto imponendo dall'esterno la frequenza di commutazione all'interno del convertitore, rendendo ininfluente la variazione del riferimento sulle perdite interne del MMC. Le simulazioni effettuate sui convertitori in cascata al FOC hanno mostrato la superiorità in termini di efficienza dei convertitori multi-livello rispetto agli inverter a due livelli con PWM. Questo elaborato ha confermato alcuni dei vantaggi del convertitore multi-livello proposto rispetto agli inverter a due livelli nell'alimentazione di azionamenti asincroni a velocità variabile. Nel corso delle prove riportate sono tuttavia emersi alcuni aspetti che necessitano ulteriore lavoro al fine di ottimizzare questa nuova famiglia di convertitori.