Electronic power converter with high frequency transformer for fast DC charging infrastructure

In my thesis I analyzed the charging for electric vehicles in direct current and I developed and verified a charger model that, unlike the one for the charging in alternating current instead of being placed on the vehicle, is put inside the column itself, saving weight for the vehicle and installation assessment volume. Before doing that, I examined the main elements constituent this device. First of all, I considered the main typologies of DC DC converters (both with isolating transformers and without) and then the different types of switches that modify the converters themselves, with special regard to the ones based on wide band gap semiconductors (SiC and GaN) because they constitute an innovative technology that could lead to an interesting increase of the performances. Then, I analyzed the Lithium-Ion batteries that, besides they have some limitations, appear the better solution today. The theoretical part of my dissertation concludes with an overview about connectors for direct charging and shows how in the world many solutions have been tried, but just two standards developed: CHAdeMO, especially developed in Japan, and CCS, mainly followed in Europe and in America. Later, after creating a working charger in direct current and without power limits, through the program Simulink, I verified its correct functioning on three types of vehicles: Audi e-tron, Tesla Model 3 and Kia e-Nitro. With the three different power profiles of charging requested from the batteries of vehicles, depending on their state of charge, I alternated for each of them two different kinds of Lithium-Ion batteries: the first one with nominal voltage of 400 V and the second with nominal voltage of 700 V.

Nel mio elaborato di tesi ho analizzato la ricarica dei veicoli elettrici in corrente continua e ho sviluppato e verificato un modello di caricabatterie che, a differenza di quello per la ricarica in corrente alternata anziché trovarsi sul veicolo, è riposto all’interno della colonnina stessa, risparmiando all’autovettura peso e spazio di ingombro. Prima di fare ciò, ho esaminato gli elementi principali costituenti questo dispositivo. Innanzitutto ho considerato le tipologie principali di convertitori DC DC (sia con trasformatore d’isolamento che senza) e poi i vari tipi di interruttori che modificano le prestazioni dei convertitori stessi, con particolare riguardo a quelli basati su semiconduttori wide band gap (SiC e GaN) poiché costituiscono una tecnologia innovativa che potrebbe portare un’interessante incremento delle prestazioni. In seguito ho analizzato le batterie agli Ioni-Litio che, nonostante abbiano qualche limite, appaiono oggigiorno la soluzione migliore. La parte teorica del mio elaborato termina con una panoramica sui connettori per la ricarica in corrente continua e mostra come nel mondo non si sia seguita un’unica soluzione, ma si siano formati due standard: CHAdeMO, sviluppatosi soprattutto in Giappone, e CCS, seguito principalmente in Europa e in America. In seguito, dopo aver creato un caricabatterie funzionante in corrente continua e senza limiti di potenza, tramite il programma Simulink, ho verificato il suo corretto funzionamento su tre tipi di veicoli: Audi e-tron, Tesla Model 3 e Kia e-Nitro. Con i tre differenti profili di potenza di ricarica richiesta dalle batterie delle autovetture, in funzione del loro stato di carica, ho alternato per ognuno di essi due differenti tipi di batterie agli Ioni-Litio: la prima con tensione nominale di 400 V e la seconda con tensione nominale di 700 V.