Analysis and control of a single phase dual active bridge dc-dc converter

For several years, transportation trends have been firmly pushing on renewable energy sources with the aim of reducing the environmental impact; indeed, the transport sector contributes for nearly 30% of the whole greenhouse gases (GHG) emissions in Europe. Alternative fuels, fuel cells and battery powered vehicles are gaining credits as time goes by since, together, they can truly lead to a successful energetic transition. Focusing the attention on electric vehicles, their interface with the grid is of primary relevance given the projected sharing of such vehicles in the next future. Ensuring smart infrastructures and interconnections becomes vital in this view. For instance, recharging stations must be properly equipped, powerful and spread in order to guarantee users confidence, minimizing the range anxiety issue. One of the key elements for achieving these goals is bidirectionality, namely the capability of letting the energy flow from the grid to the consumer and vice-versa; suitable power converters shall be installed either on vehicles or charging points (preferably off board) to allow it. Dual active bridge (DAB) fulfills such requirements. As an isolated DC-DC bidirectional power converter, the DAB begins to be widely exploited as main device in the off/onboard charger since it also ensures galvanic insulation, higher power density, lower storage demand and greater efficiency with respect to other converters. Throughout this thesis, such component will be thoroughly investigated starting from its state of the art, working principle and mathematical model before entering simulation environment: there, Matlab/Simulink will provide the tools for both open and closed loop analysis. At last, thanks to the collaboration with ePEBBs staff, experimental tests will be carried out on a physical prototype trying to validate above-mentioned simulations and more.

Da diversi anni il settore dei trasporti sta puntando insistentemente sull’energia rinnovabile con l’obiettivo di ridurre al minimo l’inquinamento atmosferico; infatti, i mezzi di trasporto contribuiscono a quasi il 30% delle emissioni totali di gas serra in Europa. I carburanti alternativi, le celle a combustibile e i veicoli elettrici stanno guadagnando sempre più credito col passare del tempo poiché, combinati, possono guidare ad un’effettiva ed efficace transizione energetica. Ponendo l’accento sui veicoli elettrici, la loro interfaccia con la rete è di primaria importanza, data la percentuale di veicoli circolanti prevista per il prossimo futuro. Assicurare infrastrutture e interconnessioni smart diventa un punto cruciale in questo proposito. Ad esempio, le stazioni di ricarica devono essere ben attrezzate, garantire una buona potenza di carica ed essere largamente diffuse al fine di rassicurare i proprietari dei mezzi, minimizzando il più celebre problema relativo all’auto elettrica, la cosiddetta range anxiety (ansia da autonomia). Uno degli elementi chiave per raggiungere questi obiettivi è la bidirezionalità, ovvero la capacità di far fluire l’energia non solo dalla rete al consumatore ma anche nel verso opposto; per consentirlo, un’adeguata elettronica di potenza (convertitori) dovrebbe essere installata all’interno dei veicoli o nei punti di ricarica (preferibilmente nei secondi). Il dual active bridge (DAB) soddisfa tali requisiti. Come convertitore di potenza isolato DC-DC bidirezionale, il DAB inizia ad essere sempre più utilizzato in dispositivi come il caricatore on-board e off-board, in quanto fornisce isolamento galvanico, una maggiore densità di potenza, occupa un minor spazio nell’abitacolo e offre una maggiore efficienza rispetto ad altri convertitori. Nel corso di questa tesi, tale componente verrà esaminato nel dettaglio a partire dallo stato dell’arte, dal principio di funzionamento e dal modello matematico, per poi addentarsi nell’ambiente simulativo: in questo contesto, Matlab/Simulink fornirà gli strumenti utili per l’analisi in anello aperto e in anello chiuso. Infine, grazie alla collaborazione con il team di ePEBBs, verranno effettuate prove sperimentali su un prototipo fisico nel tentativo di convalidare le simulazioni sopra menzionate ed altro ancora.