Analysis and implementation of a bidirectional dc-dc converter with coupled inductor for an electric vehicle powertrain

Abstract

En aquesta tesi es proposa l'ús d'un convertidor Buck-Boost no inversor situat entre les bateries i l'inversor per regular el bus de contínua del sistema de tracció d'un vehicle elèctric (VE). El convertidor es basa en el Buck-Boost versàtil que ha demostrat un comportament excel·lent en aplicacions de baixa potència i commutació dura en diferents sistemes basats en piles d'hidrogen. A partir d'aquí, ampliar l'ús del convertidor per aplicacions de més alta tensió com les del VE és un repte que s'aborda en aquest treball. L'ús d'un convertidor reductor/elevador d'alta eficiència en el sistema de tracció d'un VE, com és el cas del convertidor versàtil, pot millorar l'eficiència del conjunt per a un rang més ampli de velocitat del motor elèctric que inclou cicles de conducció urbans i en autovia mentre permet la funció tant en tracció com en regeneració (fre regeneratiu). El sistema de control del convertidor consisteix en un llaç extern de tensió i un llaç intern de corrent programats amb el controlador digital de senyal (DSC) TMS320F28377S. Les anàlisis teòriques han estat validades a través de simulacions i proves experimentals realitzades en un prototip construït per a treballar a 400 V i 1,6 kW.

En esta tesis se propone el diseño de un convertidor bidireccional no inversor buck-boost localizado entre la batería y el inversor para regular la tensión dc del sistema de tracción de un vehículo eléctrico (VE). La topología del convertidor está basada en el convertidor versátil buck-boost, el cual para aplicaciones en baja tensión y conmutación dura ha mostrado un gran desempeño, principalmente en distintas topologías de sistemas con pilas de combustible. Por lo tanto, este trabajo se direcciona en el uso de este convertidor para aplicaciones de alta tensión, tal como el vehículo eléctrico. El uso de un convertidor elevador / reductor con alta eficiencia, como en el caso del convertidor versátil, en el sistema de tracción de un VE puede mejorar la eficiencia de todo el sistema para una amplia gama de velocidades del motor eléctrico que comprende las zonas urbanas permitiendo la operación en condiciones de motorización y regeneración (frenos regenerativos). El control propuesto para el convertidor corresponde a un controlador en cascada de retroalimentación con un lazo externo de tensión y un control digital de corriente interno que utiliza el controlador de señal digital (DSC) TMS320F28377S. Los análisis teóricos se han validado mediante simulaciones y pruebas experimentales realizadas en un prototipo construido de 400 V y 1.6 kW.

In this thesis a bidirectional noninverting buck-boost converter located between a battery pack and the inverter to regulate the dc bus in electric vehicle (EV) powertrain is proposed. The converter is based on the versatile buck-boost converter, which in low voltage and hard-switching applications has shown a great performance in different topologies of fuel cell systems. Therefore, extending the use of the converter to higher voltage applications such as the EV is a challenge that is addressed in this work. The use of a high-efficiency step-up/step-down converter, as in the case of the versatile converter, in an EV powertrain can improve the whole system efficiency for an extent range of electric motor speeds which comprises urban and highway driving cycles while allowing the operation under motoring and regeneration (regenerative brake) conditions. The proposed converter control corresponds to an outer voltage feedback loop and an inner current programmed controller using the digital signal controller (DSC) TMS320F28377S. The theoretical analyses have been validated by means of simulations and experimental tests performed on a 400-V 1.6-kW purpose built-prototype.