Control strategy and EMI analysis of a two-stage on-board charger

The purpose of the thesis is to discuss characteristics, implement a control strategy, and perform electromagnetic compatibility analysis of a two-stage on-board charger (OBC), using as a reference a prototype owned by Xi’an Jiaotong University. The OBC is a key element in the recharge systems of modern electric vehicles, as it allows a vehicle to be charged directly from the AC grid. On-board chargers are widely used in the automotive industry, especially because they allow for a minimal and cost-effective off-board charging infrastructure. The first part of the thesis work takes into account existing technologies related to OBCs. This discussion highlights design considerations, objectives, benefits, and critical aspects that provide a better general understanding of the topic of the thesis. The second part focuses on the two converters of the on-board charger. A totem-pole PFC is used in the first stage to realize the AC-DC conversion. This device ensures that the AC input current is sinusoidal and in phase with the AC grid voltage, and controls the average value of the DC-link voltage. Instead, to realize the DC-DC conversion in the second stage, a dual active bridge is employed and its main objective is to supply the battery with appropriate voltage and current. To examine the two converters, the adopted procedure is based on the following aspects: review of the operating principle, selection and design of the main parameters, implementation of a control strategy, and discussion of the final results. The last part of the thesis focuses on the electromagnetic compatibility field. A general introduction to the subject is provided, with particular attention to conducted emissions, standards, and components of passive filters. Then, an analysis concerning the conducted emissions of the totem-pole PFC is performed. The study takes into account four cases characterized by different power and filters, and shows the comparison between simulated and experimental results. Finally, an investigation is conducted to understand how some key parameters, such as switching frequency and parasitic elements, affect the conducted emissions of the converter.

Lo scopo della tesi è discutere caratteristiche, implementare una strategia di controllo ed eseguire un’analisi di compatibilità elettromagnetica di un on-board charger (OBC) a due stadi, usando come riferimento un prototipo di proprietà di Xi’an Jiaotong University. Un OBC è un elemento chiave dei sistemi di ricarica dei veicoli elettrici moderni perché permette al veicolo di essere ricaricato connettendolo direttamente alla rete elettrica. Gli on-board charger sono ampiamente utilizzati nell’industria automotive, soprattutto perché consentono di ottenere infrastrutture di ricarica fuori bordo minime ed economiche. La prima parte del lavoro di tesi prende in considerazione tecnologie già esistenti relative gli OBC. La discussione mette in luce considerazioni legate a design, obiettivi, benefici e aspetti critici che forniscono una miglior comprensione generale dell’argomento di tesi. La seconda parte si concentra sui due convertitori dell’on-board charger. Nel primo stadio, per realizzare la conversione AC-DC, viene impiegato un totem-pole PFC. Questo dispositivo assicura che la corrente di ingresso sia sinusoidale e in fase con la tensione di rete e controlla che il valore medio della tensione sul DC-link sia quello desiderato. Invece, la conversione DC-DC nel secondo stadio viene realizzata con un dual active bridge, il quale ha il compito di fornire alla batteria gli appositi valori di tensione e corrente. Per esaminare i due convertitori, la procedura adottata è basata sui seguenti aspetti: revisione dei principi operativi, selezione e design dei principali parametri, implementazione di una strategia di controllo e discussione dei risultati finali. L’ultima parte della tesi si concentra sulla compatibilità elettromagnetica. Viene fornita un’introduzione generale della materia, con particolare attenzione ad emissioni condotte, standard e componenti usati nei filtri passivi. In seguito, viene eseguita un’analisi riguardante le emissioni condotte del totem-pole PFC. Questo studio prende in considerazione quattro casi caratterizzati da diversi valori di potenza e filtri, e mostra il confronto tra i risultati ottenuti tramite simulazione ed esperimenti di laboratorio. Infine, viene condotta un’investigazione per capire come alcuni parametri chiave, quali frequenza di commutazione ed elementi parassiti, influiscano sulle emissioni condotte del convertitore.