Model predictive control of a bidirectional dual active bridge converter for EV charging applications

The increasing integration of Electric Vehicles (EVs) and Vehicle to Grid (V2G) systems necessitates high performance, bidirectional power converters. The Dual Active Bridge (DAB) is a preferred topology for this application, but its complex, nonlinear dynamics and the requirement to operate across multiple, distinct modes (idle, constant current, constant voltage, and constant power) present a significant control challenge that traditional linear controllers struggle to address. This thesis addresses the scientific question of how to develop a single, robust, and computationally viable control strategy for a 60 kW bidirectional DAB based EV charger. The adopted methodological approach is a hierarchical control system centered on a Model Predictive Controller (MPC). A key contribution of this work is the design of a computationally efficient, adaptive MPC. This is achieved by using a reduced order 2nd state prediction model and an adaptive, multi objective cost function, which allows the controller to autonomously manage all four operating modes by dynamically reconfiguring its optimization goal. The controller is validated through a two stage methodology. First, extensive offline MATLAB/Simulink simulations are used to verify the controller's high precision tracking, optimal transient response, and seamless management of all mode transitions. Second, the controller is implemented and executed in real time on an OPAL-RT 5707 Hardware in the Loop (HIL) platform. The findings of this work demonstrate that the proposed controller is both high performance and computationally feasible. The HIL results show a strong correlation with offline simulations, validating the controller's ability to execute successfully within the 50 µs real time deadline of the 20 kHz switching frequency. The relevance of this work lies in providing a complete, validated control framework that bridges the gap from theoretical design to a practical, real time proven implementation for modern bidirectional EV charging systems.

La crescente integrazione dei Veicoli Elettrici (EV) e dei sistemi Vehicle to Grid (V2G) necessita di convertitori di potenza bidirezionali ad alte prestazioni. Il Dual Active Bridge (DAB) è una topologia preferita per questa applicazione, ma le sue complesse dinamiche non lineari e la necessità di operare in molteplici e distinte modalità (idle, corrente costante, tensione costante e potenza costante) presentano una sfida di controllo significativa che i controllori lineari tradizionali faticano ad affrontare. Questa tesi affronta la questione scientifica di come sviluppare una strategia di controllo unica, robusta e computazionalmente sostenibile per un caricabatterie EV bidirezionale da 60 kW basato su DAB. L'approccio metodologico adottato è un sistema di controllo gerarchico centrato su un innovativo Model Predictive Controller (MPC). Un contributo chiave di questo lavoro è la progettazione di un MPC adattivo e computazionalmente efficiente. Ciò si ottiene utilizzando un modello di predizione a 2 stati di ordine ridotto e una funzione di costo adattiva multi obiettivo, che consente al controllore di gestire autonomamente tutti e quattro i quadranti operativi riconfigurando dinamicamente il suo obiettivo di ottimizzazione. Il controllore è validato attraverso una metodologia a due stadi. In primo luogo, simulazioni offline complete in MATLAB/Simulink sono utilizzate per verificare il tracciamento ad alta precisione del controllore, la risposta ai transitori ottimale e la gestione fluida di tutte le transizioni di modalità. In secondo luogo, il controllore è implementato ed eseguito in tempo reale su una piattaforma Hardware in the Loop (HIL) OPAL-RT 5707. I risultati di questo lavoro dimostrano che il controllore proposto è sia ad alte prestazioni sia computazionalmente fattibile. I risultati HIL mostrano una forte correlazione con le simulazioni offline, validando la capacità del controllore di mantenere lo Zero Voltage Switching (ZVS) ad alta efficienza e dimostrando che il suo intero algoritmo può essere eseguito con successo entro la stringente scadenza temporale di 50 µs della frequenza di commutazione di 20 kHz. La rilevanza di questo lavoro risiede nel fornire un framework di controllo completo e validato che colma il divario tra la progettazione teorica e un'implementazione pratica e comprovata in tempo reale per i moderni sistemi di ricarica EV bidirezionali.