Circuit modeling of electric vehicle powertrains and filter components for optimized filter design

Facing the urgent need to mitigate climate change and address the volatility of oil prices, the electrification of vehicles emerges as a pivotal solution at the intersection of environmental sustainability and economic stability. Electric vehicles (EVs) have acquired significant attention in recent years as industries and consumers increasingly recognize their potential to enhance the automotive sector. The focus of the thesis is the study of Electromagnetic Compatibility (EMC) inside electric vehicles. All EVs have the same structure, comprising an on board battery, cables, inverter and electric motor. The scope of this work is to model and study common mode (CM) emissions in a Valeo’s powertrain, with a focus on filters. Initially state of the art passive EMI filters are presented. A brief overview of active EMI filters is present as well. The work is then focused on attaining a precise CM model that enables a precise estimation of CM emissions. To be able to obtain such a model, the CM transformation equations are reported and demonstrated. Given that the final purpose is to exploit this model to test innovative filter topologies, a discussion aimed at understanding how to model realistic components is also reported. Finally, the CM circuit model of the whole powertrain is provided. The accuracy of the proposed CM model is validated directly with measurements or with reference models that have already been experimentally proved. The proposed model provides a simple but accurate solution for optimized filter at early design stages.

Per affrontare l'urgente necessità di mitigare il cambiamento climatico e affrontare la volatilità dei prezzi del petrolio, l'elettrificazione dei veicoli emerge come una soluzione cruciale all'incrocio tra sostenibilità ambientale e stabilità economica. I veicoli elettrici (VE) hanno acquisito una significativa importanza negli ultimi anni poiché le industrie e i consumatori riconoscono sempre più il loro potenziale per migliorare il settore automobilistico. La presente tesi si colloca in questo ambito, e ha come scopo lo sviluppo di modelli per analisi di Compatibilità Elettromagnetica (EMC) in veicoli elettrici. Il power train dei veicoli elettrici è caratterizzato dalla presenza di una batteria, cavi di potenza, un inverter e un motore elettrico. Lo scopo di questo lavoro è modellare e studiare le emissioni in modo comune (CM) nel power train di veicoli elettrici. L’attività è stata svolta in collaborazione con Valeo Germania. Inizialmente vengono presentate tipologie avanzate di filtri EMI di tipo passivo. Viene anche fornita una breve panoramica dei filtri EMI attivi. La ricerca è prevalentemente incentrata sullo sviluppo di accurati modelli di modo comune che consentano una stima accurata delle emissioni di modo comune. L’analisi viene svolta facendo uso di circuiti modali equivalenti e riguarda la modellazione dell’intero power train. Particolare attenzione viene rivolta all’analisi del filtro e alla modellazione dei suoi componenti, dal momento che l’obbiettivo finale è utilizzare il modello sviluppato per testare topologie innovative di filtri EMI che non coinvolgano condensatori verso massa. L'accuratezza del modello CM proposto viene convalidata direttamente con misurazioni o con modelli di riferimento che sono già stati dimostrati sperimentalmente. Il modello proposto fornisce una soluzione semplice ma precisa per l’ottimizzazione di filtri nelle prime fasi di progettazione.