Real-time simulation and testing of AFE stage for On Board Charger application

This thesis focuses on the real-time simulation and testing of the Av tive Front End (AFE) Power Factor Correction (PFC) stage of an onboard charger (OBC) for electric vehicles (EVs). With the growing push towards reducing green house gas emissions, the automotive industry is shifting towards EVs, but chal lenges persist in terms of charger complexity, high costs, and limited infrastruc ture. The OBC plays a crucial role in managing power transfer from the grid to the vehicle’s battery, ensuring both efficiency and the longevity of the battery. The work presented adopts a two-stage real-time simulation approach, using Model In-the-Loop (MIL) and Hardware-In-the-Loop (HIL) techniques. This approach allows for the replication of real-world operating conditions without the need for a physical prototype in the initial stages, thus reducing costs, time, and risks associ ated with high voltages and currents. The thesis emphasizes the use of advanced hardware such as Speedgoat Real-Time Target Machines and FPGAs to achieve the high switching frequencies and high resolution required for power electronics applications. In particular the focus of the simulations is the PFC stage of the STDES-BCBIDIR power board from STMicroelectronics, capable of bidirectional AC/DC conversion with an 11kW power rating. A key element of this research is the control system design implemented for the AFE converter. The control al gorithm, deployed on the SR5E1 microcontroller (µC) from STMicroelectronics, uses a Voltage-Oriented Control (VOC) strategy, which optimizes the regulation of DC bus voltage and ensures a near-unity power factor. The MIL and HIL sim ulations demonstrate the system’s capability to maintain high fidelity in control performance, achieving low total harmonic distortion (THD) in current waveforms and near unity power factor (PF) under various operating conditions. The results confirm that the combination of real-time simulation with FPGA-based hardware provides a powerful and efficient solution for developing and validating complex power electronics systems.

Questa tesi si concentra sulla simulazione e il test in tempo reale dello stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) Active Front End (AFE) di un caricabatterie di bordo (OBC) per veicoli elettrici (EV). Con l’aumento dell’impegno per ridurre le emissioni di gas serra, l’industria automobilistica si sta orientando sempre più verso i veicoli elettrici. Particolare importanza assume quindi l’OBC che svolge un ruolo cruciale nella gestione del trasferimento di energia dalla rete elettrica alla batteria del veicolo. Il lavoro presentato adotta un approccio di simulazione in tempo reale a due fasi, utilizzando tecniche Model-In-the-Loop (MIL) e Hardware-In-the-Loop (HIL). Questo approccio permette di replicare le condizioni operative reali senza la necessità di un prototipo fisico per la fase iniziale, riducendo così i costi, il tempo e i rischi associati ad alte tensioni e correnti. La tesi sottolinea l’uso della Macchina Target di Speedgoat e la tecnologia FPGA per raggiungere le alte frequenze di commutazione e l’elevata risoluzione richieste nelle applicazioni di elettronica di potenza. In particolare, l’attenzione delle simulazioni si concentra sullo stadio PFC della scheda di potenza STDES-BCBIDIR prodotta da STMicroelectronics, capace di conversione bidirezionale AC/DC con una potenza nominale di 11kW. Un elemento chiave di questa ricerca è il design del sistema di controllo e la sua implementazione sul microcontrollore (µC) SR5E1 di STMicroelectronics. L’algoritmo scelto utilizza una strategia di controllo orientata alla tensione (VOC), che ottimizza la regolazione della tensione del bus DC e garantisce un fattore di potenza quasi unitario. Le simulazioni MIL e HIL dimostrano la capacità del sistema di mantenere un’elevata fedeltà nelle prestazioni di controllo, ottenendo una bassa distorsione armonica totale (THD) nelle forme d’onda della corrente e un fattore di potenza quasi unitario in diverse condizioni operative. I risultati confermano che la combinazione di simulazione in tempo reale e hardware basato su FPGA rappresenta una soluzione potente ed efficace per lo sviluppo e la validazione di sistemi di elettronica di potenza complessi.