Design of a modular multilevel converter embedded with battery for traction drive applications

The main aim of this thesis is to develop a new kind of converter, a modular multilevel converter (MMC) embedded with batteries, for traction drive applications in order to improve the features of the conventional two-level converter. A small scale prototype of this converter module to power an induction motor is developed. In this converter topology, the battery cells are directly connected to the half-bridge module. Therefore, it is possible to integrate the battery management system , the traction inverter, and the charging power electronics topology within the same converter. In fact, using the state of charge balancing algorithm, each module will converge to the average state of charge of all the batteries, resulting in eliminating battery management system. Depending on the number of modules in an arm, lower voltage and current harmonic distortion are generated. Finally, due to low voltage harmonic distortions and its topology, this converter is able to directly connect to the single phase or three phase AC sockets. Also, it is possible to connect DC charging without any external power electronics. This report is divided into five main sections. From the theoretical point of view, the converter working principle and modules balancing algorithms proposed in the literature are discussed in chapter 2. In the next one (chapter 3), the proposed balancing algorithms have been validated using Matlab/Simulink simulations. Also, the effect of real component characteristics on generated load voltages is examined. Furthermore, field oriented control parameters are set to make the motor follow a specific speed profile. The choice of some main components in the three parts of the PCB design, namely power, measurement, and communication parts, based on the required module board ratings are discussed in chapter 4. The PCB developing process is presented in chapter 5. The power part in the design consists of correctly sending a control signal from the master microcontroller that computes the modules to turn ON to the half-bridge switching components. The measurement part is responsible for measuring the cell voltage and battery voltage and sending this information to the master microcontroller. The communication part responsible for communicating with the modules in the leg is designed. The MMC module PCB schematic and layout are shown. Finally, in chapter 6, module testing and their troubleshoots have been discussed. The module PCB is able to achieve the maximum current ratings, with power MOSFETs command signals and drain-source voltage ripples safely within the threshold limits. Moreover, the temperatures attained by the PCB devices and tracks are within the datasheet limits. The cell voltages along with battery voltage are read with a maximum error reasonable for the application.

L'obiettivo principale di questa tesi è quello di sviluppare un nuovo tipo di convertitore, un convertitore modulare multilivello con batterie integrate, per applicazioni di trazione al fine di migliorare le caratteristiche del convertitore convenzionale a due livelli. Viene sviluppato un prototipo su piccola scala di questo modulo di convertitore per alimentare un motore a induzione. In questa topologia del convertitore, le celle della batteria sono direttamente collegate al modulo half-bridge. Pertanto, è possibile integrare il sistema di gestione della batteria (BMS), l'inverter di trazione e la ed il convertitore di ricarica all'interno dello stesso convertitore. Infatti, utilizzando l'algoritmo di bilanciamento dello stato di carica (SoC), ogni modulo convergerà al SoC medio di tutte le batterie, con conseguente eliminazione del BMS. A seconda del numero di moduli in un ramo, si generano tensioni con minore distorsione armonica a parità di valore di prima armonica.. Proprio perché presenta una bassissima distorsione della tensione in uscita, questo convertitore può essere connesso direttamente alle prese CA monofase o trifase. Inoltre, è possibile collegare la ricarica CC senza alcuna elettronica di alimentazione esterna. La presente tesi è suddivisa in cinque sezioni principali. Dal punto di vista teorico, il principio di funzionamento del convertitore e gli algoritmi di bilanciamento dello stato di carica proposti in letteratura sono discussi nel capitolo 2. Nel capitolo successivo (capitolo 3), gli algoritmi di bilanciamento proposti sono stati convalidati utilizzando simulazioni Matlab/Simulink. Inoltre, è stato esaminato l'effetto delle caratteristiche dei componenti reali sulle tensioni generate. Inoltre, è stato implementato un algoritmo di controllo ad orientamento di campo (FOC) per far seguire al motore asincrono uno specifico profilo di velocità. La scelta di alcuni componenti principali nelle tre parti del progetto PCB, vale a dire la potenza, la misurazione e le parti di comunicazione, in base alle valutazioni della scheda MMC richiesta, è discussa nel capitolo 4. Il processo di sviluppo della PCB è presentato nel capitolo 5. La parte di alimentazione nel progetto consiste nell'inviare correttamente un segnale di controllo dal microcontroller master per accendere i componenti dei moduli necessari ad ottnere in uscita il riferimento di tensione. La parte di misura è responsabile della misurazione della tensione delle celle e della tensione della batteria e dell'invio di queste informazioni al microcontrollore principale. La parte di comunicazione responsabile della comunicazione con i moduli nella gamba è progettata. Vengono visualizzati lo schema e il layout della PCB del modulo MMC. Infine, nel capitolo 6 sono stati discussi i test dei moduli e i relativi problemi. La PCB del modulo è in grado di condurre la massima correntecontenendo la tensione tra drain e source dei singoli MOSFET entro limiti di sicurezza. Inoltre, le temperature raggiunte dai dispositivi e dalle tracce della PCB rientrano nei limiti della scheda tecnica. Le tensioni delle cell insieme alla tensione della batteria vengono lette con un errore massimo ragionevole per l'applicazione.