High-frequency modeling of an automotive powertrain for optimal EMI filter design

The electrification of the automotive industry is manifesting new engineering challenges. Electric vehicles (EVs) involve high power electric motor drives, leading to an increasing level of electromagnetic interferences (EMIs) and of the requirements to meet electromagnetic compatibility (EMC). Power inverters and converters are the main cause of generation of conducted emissions (CEs) through the electric drive system. These emissions can affect key components such as batteries, motor drives, low voltage systems and nearby vehicles. In this thesis, differential mode (DM) and common mode (CM) noise components generated by the inverter and propagating towards the high voltage (HV) battery are analyzed and predicted via a circuit model implemented in LTspice. The ultimate objective of this analysis is the design of a DC EMI filter that ensure compliance with EMC automotive standards set by international committees (CISPR, IEC, FCC and CEVT) and by original equipment manufacturers (OEMs). The model introduced selects from literature and integrates heterogenous circuit models of powertrain components (i.e. battery, power bus DC cables, inverter and induction motor), in order to reproduce the real parasitic coupling path of the EMI noise. This work presents a novel approach that reduces the complexity of the system model by avoiding any modulation scheme control, any analytical analysis and any equivalent noise path modelling. The identification of a worst-case scenario for both DM and CM noise modal circuit configurations, is the key point to perform the classical approach of EMI prediction, i.e., a time-domain simulation followed by a Fast Fourier Transformation analysis. The behavioural model introduced for the noise sources focuses on the external behaviours of the devices instead of the internal physics. By means of six noise generators, the model reproduces periodically a switching period that simulates the worst condition from an EMC point of view. As a result, the complexity is reduced, and fast simulation speed can be achieved. The novelty of the model presented in this work lies in the trade-off between simplicity and accuracy. Eventually, simulation results are validated through experimental tests and used as the starting point of the EMI filter design. In particular, a real case study of an EMI filter, placed between the HV battery and the inverter of a 800 V automotive powertrain, is presented. After the calculation of the required attenuation to comply with the noise limits, electrical and magnetic simulations are used to design the passive components and an optimal filter topology is chosen. Last, a first prototype is built and its impact on the powertrain system is shown.

L’elettrificazione dell’industria automobilistica sta manifestando nuove sfide per l’ingegneria. I veicoli elettrici sono costituiti da propulsori con convertitori sempre più a maggior potenza, portando a un livello crescente di interferenze elettromagnetiche (EMIs) e a maggiori requisiti da soddisfare per quanto concerne la compatibilità elettromagnetica (EMC). Gli inverter e i convertitori di potenza sono la causa principale della generazione di emissioni condotte (CEs). Attraverso le interfacce all’interno del propulsore elettrico, queste possono influenzare alcuni componenti chiave come la batteria, l’azionamento del motore, il sistema a bassa tensione e i veicoli vicini. In questa tesi, le componenti di rumore di modo differenziale (DM) e di modo comune (CM) generate dall’inverter e che si propagano verso la batteria, vengono analizzate e predette tramite un modello circuitale implementato con LTspice. L’obiettivo finale di questa analisi è la progettazione di un filtro EMC, posto tra la batteria e l’inverter, che garantisca la conformità agli standard automobilistici stabiliti dai comitati internazionali (CISPR, IEC, FCC e CEVT) e dalle case produttrici (OEMs). Il modello introdotto seleziona dalla letteratura scientifica e integra i principali modelli circuitali dei componenti del propulsore elettrico (batteria, cavi DC di alimentazione, inverter e motore a induzione), al fine di riprodurre il percorso reale delle emissioni condotte. Questo lavoro presenta un nuovo approccio che riduce la complessità del modello finale, evitando qualsiasi tecnica di controllo del motore, o analisi analitica della propagazione del rumore o qualsiasi modellazione equivalente. L’identificazione di uno scenario peggiore per i circuiti modali in configurazioni DM e CM, è il punto chiave per eseguire una simulazione circuitale nel dominio del tempo seguita da una trasformata di Fourier per ricavarne il relativo spettro in frequenza. Il modello introdotto per le sorgenti di rumore si concentra sui comportamenti equivalenti agli effetti esterni degli IGBTs/MOSFETs anziché sulla loro fisica interna. Il modello dell’inverter trifase, tramite sei generatori di rumore, riproduce periodicamente un singolo periodo di commutazione che simula la condizione peggiore dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica. La complessità del sistema è quindi ridotta e la simulazione può raggiungere una velocità di computazione più elevata. La novità del modello presentato in questo lavoro risiede nel compromesso tra semplicità e accuratezza. I risultati delle simulazioni sono validati attraverso test sperimentali e usati come punto di partenza per il design del filtro EMC. In particolare, un caso reale di progettazione di un filtro EMC, posto tra la batteria e l’inverter di un propulsore elettrico a 800 V, viene presentato. Dopo aver calcolato l’attenuazione necessaria ai fini di rispettare i limiti di rumore delle emissioni condotte, diverse simulazioni elettriche e magnetiche sono effettuate per dimensionare i componenti passivi del filtro. Infine, viene presentato un primo prototipo di filtro e il suo effetto all’interno del propulsore.