Unfolded three-phase inverter for EV traction drives: control of active state-of-charge balancing

A new inverter concept, the Unfolded Three-phase Inverter (UTI), is introduced to enable rapid redistribution of state-of-charge (SoC) among three battery modules during traction-drive operation, which requires neither auxiliary hardware nor a neutral (fourth-wire) connection between the stator star point and the inverter’s common potential. The UTI unfolds a conventional three-phase voltage-source inverter into three half-bridges, each supplied by an independent module; standard three-wire behavior is preserved at the machine terminals, while per-leg modulation is used to steer energy and accelerate SoC balancing within the existing drivetrain. Four modulation strategies are formulated within an induction-motor drive with rotor field-oriented control (RFOC): a homopolar-voltage-injection baseline (M0), an amplitude-based strategy (M1), a phase-based strategy (M2), and a combined amplitude-and-phase strategy (M3). The strategies rely solely on control, require no hardware changes, and are assessed in a MATLAB/Simulink framework across eight torque levels; performance is quantified by SoC balancing time together with complementary indicators . Results focus on SoC balancing and show clear load dependence. At light load, M1 provides the most consistent and rapid balancing; with increasing load, M3 becomes preferable, maintaining orderly SoC evolution while reducing convergence time. M0 achieves balancing with more conservative actuation, and M2 is primarily applicable at low load. Overall, the results delineate load-dependent regimes for the four strategies.

Si propone un nuovo concetto di inverter, l’Unfolded Three-phase Inverter (UTI), che consente una rapida redistribuzione dello stato di carica (SoC) tra i tre moduli della batteria durante il funzionamento in trazione, senza richiedere hardware ausiliari o un collegamento di neutro (quarto filo) tra il punto stella dello statore e il potenziale comune dell’inverter. L’UTI può essere considerato come la decomposizione di un inverter trifase convenzionale in tre half-bridge, ciascuno alimentato da un modulo indipendente. Il comportamento standard a tre fili è mantenuto ai terminali della macchina, mentre la modulazione di ogni half-bridge viene impiegata per ridistribuire l’energia e accelerare il bilanciamento dello stato di carica (SoC) all'interno della catena di trazione esistente. Sono state sviluppate quattro strategie di modulazione per un azionamento di un motore a induzione con controllo orientato di campo lato rotore (RFOC): una strategia di riferimento con iniezione di tensione omopolare (M0), una strategia basata sull’ampiezza (M1), una strategia basata sulla fase (M2) e una strategia combinata ampiezza e fase (M3). Tali strategie si basano esclusivamente sul controllo e non richiedono modifiche hardware. Sono state valutate in ambiente MATLAB/Simulink su otto livelli di coppia e le loro prestazioni sono state quantificate tramite il tempo di bilanciamento del SoC, insieme a indicatori complementari. I risultati si concentrano sul bilanciamento del SoC e mostrano una chiara dipendenza dal carico. A basso carico, M1 risulta la più regolare e rapida; con l'aumentare del carico, M3 diventa la strategia preferibile, poiché garantisce la convergenza del SoC in modo ordinato e riduce il tempo di convergenza. M0 raggiunge il bilanciamento con un'azione più conservativa, mentre M2 è principalmente applicabile a basso carico. Nel complesso, i risultati delineano regimi dipendenti dal carico per le quattro strategie.