Innovative modular multilevel converter applied to electric vehicles

Our purpose is to develop a new and innovative kind of converter able to improve the features of the existing ones. More precisely we built a model of control for an AC Brushless using a 46 levels Modular Multilevel Converter to compare it to a typical three phase inverter. The advantages of this new converter are mainly related to its ability of creating less harmonic distortion on the load and thanks to this the filters, whose size is relevant, could be reduced sensibly bringing a lot of benefits in terms of weight and size of the whole traction system. Choosing particular switches and applying a suitable command law the efficiency of the converter could be very close to the efficiency of the inverter. Anyhow typical modulation techniques can be used for this kind of converter, this means that it is possible to exploit their advantages. We followed a specific path to reach the target we set, studying, in the beginning, the operating principles of a traditional MMC. Starting from a system whose submodules are designed with one capacity and two switches, we developed a way of generating , from a DC line, a three-phase alternate voltage on the load. The main goal of this branch of work was to find a way of balancing the voltage on the capacities. Once built a working model for the converter, we modified it in order to apply it to the field we chose. We replaced the capacities with battery cells and we adapted the balancing technique developed for the capacities voltage for using it on the batteries SoC. A current control and speed control were built for an electric vehicle. We imagined to be able to use this system for a hypothetical electric scooter basing on the features the new BMW Concept-E. Later we developed a procedure of recharging the batteries to the grid. The work was concluded analyzing into deep some of the operating features of the converter and drawing a possible path for the future developments.

Il nostro obiettivo è di sviluppare un nuovo tipo di convertitore in grado di migliorare le caratteristiche di quelli esistenti. Più precisamente abbiamo progettato un modello di Convertitore Modulare Multilivello a 46 livelli per un AC Brushless, confrontandolo con un classico inverter trifase . I vantaggi di questo nuovo tipo di convertitore sono principalmente legati alla sua capacità di creare minori distorsioni armoniche sul carico, permettendo di ridurre o rimuovere i filtri, le cui dimensioni sono rilevanti, portando grandi benefici in termini di peso e volume dell’intero sistema di trazione. Utilizzando interruttori mosfet e applicando tecniche di modulazione adatte è possibile, usando anche alcune classiche tecniche di modulazione, ottenere valori di efficienza vicini a quelli dell’inverter. Per raggiungere gli obiettivi prefissati è stato seguito un percorso specifico, iniziando con l’analisi dei principi di funzionamento di un tradizionale MMC. Si è partiti infatti studiando di un sistema costituito da moduli composti da una capacità e due interruttori, elaborando un strategia di generazione di una terna di tensioni trifase equilibrata sul carico dalla DC line. Il principale obiettivo di questo passaggio era di trovare un modo di bilanciare le tensioni sui condensatori. Una volta costruito un modello funzionante del convertitore, questo è stato modificato al fine di applicarlo al campo scelto. I condensatori sono stai infatti rimpiazzati con delle batterie, la DC line è stata rimossa e la strategia di bilanciamento è stata riadattata sulle SoC delle batterie. Sono stati implementati un controllo di corrente e di velocità per un ipotetico veicolo elettrico, basandosi sulle caratteristiche del nuovo BMW Concept-E. Successivamente è stata elaborata una strategia di ricarica delle batterie dalla rete. Il lavoro è stato concluso analizzando alcune caratteristiche di funzionamento del convertitore e sviluppando un possibile percorso da seguire per gli sviluppi futuri