Step up and down converter combined with motor inverter for powertrain applications

Abstract

In the electric vehicle industry, the inclusion of a DC-DC converter between the battery and the inverter has shown to improve the efficiency of the propulsion system and reduce its size. Typically, a boost converter is used as DC-DC, which, although is simple to implement, has high losses, low power density and generates high-frequency electromagnetic noise. This thesis proposes a new step-up and step-down stage combined with the motor inverter that is able to increase efficiency, operate in soft switching, provide galvanic isolation and operate in a wider voltage range, optimizing the propulsion system significantly. The proposed topology is analyzed and a design method is presented to meet the main automotive requirements. Subsequently, the proposed converter is modeled in discrete time and continuous time. With these models, a control for the stage is proposed. In addition, a second control loop is added to improve the efficiency of the system. All the results obtained throughout this thesis are validated experimentally by means of two setups, agreeing previous theoretical and simulated results.

En la industria de los vehículos eléctricos, la inclusión de un convertidor DC-DC entre la batería y el inversor ha demostrado mejorar la eficiencia del sistema de propulsión y reducir su tamaño. Por lo general, un convertidor elevador se usa como DC-DC, que, aunque es simple de implementar, tiene altas pérdidas, baja densidad de potencia y genera alta frecuencia ruido electromagnético. Esta tesis propone una nueva etapa elevadora y reductora combinada con el motor inverter que es capaz de aumentar la eficiencia, operar en conmutación suave, proporcionar aislamiento galvánico y operar en un rango de voltaje más amplio, optimizando significativamente el sistema de propulsión. Se analiza la topología propuesta y se presenta un método de diseño para cumplir con los principales requerimientos automotrices. Posteriormente, se modela el convertidor propuesto en tiempo discreto y tiempo continuo. Con estos modelos, un control para el escenario que se propone. Además, se añade un segundo lazo de control para mejorar la eficiencia del sistema. Todos Los resultados obtenidos a lo largo de esta tesis se validan experimentalmente mediante dos montajes, coincidiendo resultados teóricos y simulados.

A la indústria del vehicle elèctric, la inclusió d'un convertidor DC-DC entre la bateria i l'inversor ha demostrat millorar l'eficiència del sistema de propulsió i reduir-ne la mida. Normalment, s'utilitza un convertidor boost com a DC-DC, que, tot i que és senzill d'implementar, té pèrdues elevades, baixa densitat de potència i genera alta freqüència. soroll electromagnètic. Aquesta tesi proposa una nova etapa de pujada i baixada combinada amb el motor inversor que és capaç d'augmentar l'eficiència, operar en commutació suau, proporcionar aïllament galvànic i operar en un rang de tensió més ampli, optimitzant significativament el sistema de propulsió. S'analitza la topologia proposada i es presenta un mètode de disseny per satisfer els principals requisits de l'automoció. Posteriorment, el convertidor proposat es modela en temps discret i temps continu. Amb aquests models, un control per l'etapa es proposa. A més, s'afegeix un segon bucle de control per millorar l'eficiència del sistema. Tot el Els resultats obtinguts al llarg d'aquesta tesi es validen experimentalment mitjançant dos muntatges, coincidint anteriorment resultats teòrics i simulats.