Design of an innovative modular multilevel converter for automotive applications

A new kind of inverter, a modular multilevel converter (MMC) with embedded batteries, is presented in this thesis. With respect to the state of the art of the electric cars, it is possible to integrate the traction inverter, the battery management system (BMS) and the charger power electronics functionalities within this converter topology. Comparing the MMC to the classic two-level inverter, depending on the number of levels, a lower voltage and current harmonic distortion is generated. The higher hardware complexity, with respect to the inverter, is compensated by the removal of the BMS. Indeed, using state of charge (SoC) balancing algorithms, each module battery SoC will converge to the average SoC of all the batteries within the converter. Finally, due to its topology and the low voltage harmonic distortions, this converter is able to be directly connected to AC sockets, single phase or three phase, or to DC charging stations with no need of auxiliary power electronics. Overall, the MMC allows a space saving and an increase of efficiency with respect to the components it is substituting. The aim of this thesis is to build a small scale prototype of this type of converter to power an induction motor. The prototype purpose is to provide a proof of concept and to allow a testing base for modulation techniques and control strategies. This report is divided in four main sections. The first section (Chapter 2) is dedicated to the explanation, from the theoretical point of view, of the converter working principle and of some modules SoC balancing algorithms proposed in literature. In the second one (Chapter 3) some Simulink simulations are performed to validate the balancing algorithms proposed. It is also checked how the generated load voltages are affected by the real components characteristics. Moreover, the parameters of a field oriented control (FOC) are set to make the motor follow a certain speed profile in order to verify the expected currents flowing within the modules. In the third section (Chapter 4) the modules battery are dimensioned together with the coupled inductors, that limit the currents circulating among the phases. Then, the choice of some main components for the module PCB design is explained. In the fourth section (Chapter 5), the PCB developing process is explained. The PCB is divided in two parts. One part is responsible for the power part, that consists of properly sending a control signal from the master microcontroller, that computes the modules to turn on, to the half bridge switching components. The other PCB part is responsible to measure the battery voltage and temperature and to send this information to the master microcontroller. Both the PCB sections provide an electrical insulation between the battery and the master microcontroller to avoid failure propagation. Three test PCB versions were built. For every version it is explained the schematic, the layout and, after the tests, the troubles that should be addressed in the next PCB version. Finally, the MMC modules definitive PCB schematic and layout are shown. This module PCB is able to accomplish the maximum continuous battery current and peaks at the motor nominal current, with clean power MOSFETs command signals and Vds ripples which safely accomplish the limits. Also the temperatures reached by the PCB devices and tracks are within the datasheets limits. The battery voltage and temperature are read with a maximum error reasonable for the application. Checks are set for the module battery cells and the battery temperature, and, if these parameters are outside safe limits, some alarms are activated and an error message is sent to the master microcontroller.

Un nuovo genere di inverter viene presentato in questa tesi: il modular multilevel converter (MMC) con batterie integrate. Rispetto allo stato dell’arte dei veicoli elettrici, è possibile integrare in questa topologia di convertitore le funzionalità di inverter di trazione, di battery management system (BMS) e dell’elettronica di potenza di ricarica. Comparando l’MMC al classico inverter a due livelli, in base al numero di livelli, vengono generate minori distorsioni armoniche di tensione e corrente. La maggiore complessità dell’hardware, rispetto all’inverter, viene compensata dalla rimozione del BMS. Infatti, usando algoritmi di bilanciamento per lo stato di carica (SoC), il SoC della batteria presente in ogni modulo convergerà al SoC medio di tutte le batterie presenti nei moduli del convertitore. Infine, grazie alla sua topologia e alle basse distorsioni armoniche di tensione, questo convertitore può essere connesso direttamente alla rete in alternata monofase o trifase, o a stazioni di ricarica in continua, senza il bisogno di elettronica di potenza ausiliaria. Nel complesso l’MMC consente un risparmio di spazio e un aumento di efficienza rispetto ai componenti che sostituisce. L’obiettivo di questa tesi è di costruire un prototipo di questo genere di convertitore in piccola scala, per alimentare un motore asincrono. Il fine del prototipo è di fornire una verifica dei risultati teorici e di avere una base per testare tecniche di modulazione e strategie di controllo. Questo report è diviso in quattro sezioni principali. La prima sezione (Capitolo 2) è dedicata alla spiegazione, dal punto di vista teorico, del principio di funzionamento del convertitore e di alcuni algoritmi di bilanciamento dello stato di carica proposti in letteratura. Nella seconda sezione (Capitolo 3) alcune simulazioni Simulink® sono usate per validare gli algoritmi di bilanciamento proposti e per vedere come le tensioni di carico generate vengono influenzate dalle caratteristiche dei componenti reali. Inoltre, sono stati impostati i parametri di un field oriented control (FOC) in modo da far seguire al motore un determinato profilo di velocità e verificare l’entità delle correnti che scorreranno all’interno dei moduli. Nella terza sezione (Capitolo 4) vengono dimensionati la batteria presente nei moduli e gli induttori accoppiati, utili a limitare le correnti circolanti tra le fasi. Dopo di che, viene spiegata la scelta di alcuni componenti importanti per la progettazione della PCB che comporrà un modulo dei 36 presenti nell’MMC. Nella quarta sezione (Capitolo 5), viene spiegato il processo di sviluppo della PCB. La PCB è divisa in due sezioni. Una sezione per la parte di potenza, che consiste nel mandare opportunamente un segnale di controllo dal master microcontroller, che calcola quali moduli accendere, all’half-bridge di potenza. L’altra sezione della PCB misura tensione e temperatura della batteria e invia queste informazioni al master microcontroller. Entrambe le sezioni forniscono l’isolamento elettrico tra la batteria ed il master microcontroller per ridurre la probabilità di propagazione di guasti. Sono state costruite tre versioni di test della PCB. Per ogni versione viene spiegato lo schematico, il layout e, dopo i test, i problemi che sono stati risolti nella versione successiva. Infine, vengono mostrati lo schematico ed il layout della PCB definitiva. Questa PCB sostiene sia la massima corrente continua di scarica della batteria, che i picchi alla corrente nominale del motore. I segnali di comando dei MOSFET di potenza sono liberi da disturbi significativi e la massima sovratensione allo spegnimento è inferiore alla massima sopportabile dal componente con un buon margine di sicurezza. Anche le temperature raggiunte dai componenti e dalle tracce della PCB sono nei limiti presenti sui datasheet. La tensione e la temperatura della batteria sono lette con un errore massimo ragionevole per l’applicazione. Inoltre, vengono fatti dei controlli sulle tensioni delle celle della batteria presente in ogni modulo, e, nel caso siano fuori dal range di corretto funzionamento, vengono attivati alcuni allarmi e viene inviato un messaggio di errore al master microcontroller