Design of inverter and control system for in-wheel motor applications

In view of the actual technological advancement, it is believed that the future of Electric Vehicles (EVs) is represented by in wheel motors. Indeed, this kind of solution provides a higher efficiency and safety with respect to conventional central unit drive cars. Nonetheless, this type of system is subjected to severe logistic constraints. In this master thesis, the analysis and design of the inverter and control scheme for such application are conducted. First of all, it was necessary to develop a model for the system under study. To this aim, the overview of the existing solutions regarding the structure of the vehicle, as well as the electrical system was investigated. Then, reasonable assumptions were made over which the analysis of interest is based. After that, a detailed literature search on inverters was performed in order to properly understand the requirements and constraints of the device with respect to the system. Additional bibliography study was conducted on the known algorithms for the control of electrical machines. Hence, a complete control scheme was developed specifically designed to fulfil the technical and logistical requirements. Then, the state of the art for inverters was analysed. As a result, a selection of models available on the market, possibly suitable for the purpose of this case study, was done. Similarly, a specific motor model with proper structure and characteristics was chosen. In order to validate the mechanical and thermal expected performances, precise simulations with the use of Simulink were performed. The mechanical simulations are due to analyse the behaviour and performances of the control scheme. Starting from their results, it was instead possible to approximate the thermal variations of the inverter under specific test cycles, thus, to evaluate the suitability of the selected components. Last, but not least, a laboratory experiment was conducted with the purpose of validating the control scheme in a real application and to understand the corresponding possible implementation problems. Indeed, several adaptations were in order, and the study of ad hoc solutions was required.

Alla luce del corrente progresso tecnologico, si ritiene che il futuro delle automobili elettriche sia rappresentato dalle motoruote. Infatti, questo tipo di soluzione offre una migliore efficienza e sicurezza rispetto ad autoveicoli dotati di trazione convenzionale. Tuttavia, questa tipologia di sistema è soggetta a limiti stringenti dovuti alla loro logistica. In questa tesi magistrale sono state portate a termine l’analisi e il design di inverter e sistema di controllo per tale applicazione. Per prima cosa, è stato necessario sviluppare un modello del sistema. Con questo scopo, è stato analizzato il panorama delle soluzioni esistenti riguardanti la struttura del veicolo come del sistema elettrico. Si è poi andati a formulare delle ipotesi ragionevoli su cui basare l’analisi di interesse. In seguito, è stata studiata la letteratura relativa ai sistemi inverter al fine di comprendere appieno i requisiti e i vincoli del componente rispetto al sistema. È stata condotta una ricerca bibliografica riguardante gli algoritmi di controllo delle macchine elettriche. Quindi, è stato sviluppato uno schema di controllo completo, specificamente disegnato per rispondere ai requisiti tecnici e logistici. Successivamente è stato valutato lo stato dell’arte nell’ambito inverter. Come risultato, sono stati quindi selezionati dei modelli commercializzati ritenuti plausibilmente adatti allo scopo di tale ricerca. Analogamente è stato identificato un modello di motore elettrico di tipologia e caratteristiche in linea con il progetto. A validazione delle performance meccaniche e termiche stimate, sono state effettuate attente simulazioni con l’utilizzo di Simulink. Le simulazioni relative al sistema meccanico sono atte ad analizzare la risposta e le prestazioni dello schema di controllo. Partendo dai risultati di queste ultime, è stato invece possibile approssimare le variazioni termiche dell’inverter sottoposto a determinati cicli di lavoro, perciò di valutare l’idoneità dei componenti precedentemente selezionati. Infine, è stata condotta un’attività sperimentale con lo scopo di verificare la correttezza dello schema di controllo in un caso pratico e di comprendere i relativi possibili problemi realizzativi. Si sono infatti rese necessarie considerazioni aggiuntive e modifiche ad hoc per la completezza di progetto.