Resumen de Step up and down converter combined with motor inverter for powertrain applications
- español
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.
- català
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.
- English
This thesis is based on the improvement of the electric vehicle powertrain system thanks to the introduction of a DC-DC converter between the battery and the inverter of the permanent magnet synchronous motor. This converter regulates the bus voltage of the inverter, increasing the battery voltage and improving the efficiency of the system thanks to the reduction of the current for a given torque.
The most commonly used topology is the boost converter. Although this is an easy to implement stage, it has high losses, especially switching losses. These losses increase notably as the difference between the battery voltage and the bus voltage increases, limiting the operating range of the converter. On the other hand, it does not allow the bus voltage to be reduced below the battery voltage.
The thesis presents a novel converter that combines a step up and down stage together with an inverter. The step up and down stage operates under soft switching reducing the switching losses, in addition to reducing the RMS currents flowing through the inverter switches by 10\%. It is an isolated stage that thanks to a transformer and the design process proposed in the thesis, allows to choose the optimal gain of the system depending on the battery voltage and the bus voltages levels, being able to operate in a wide range of voltages. Through experimental verification, an improvement of up to 0.75\% is observed with the proposed stage compared to the conventional boost converter.
In addition to the analysis of the proposed stage, two models are included: one in discrete time and the other in continuous time. From these models, transfer functions are extracted to control the bus voltage from two control variables, phase shift and switching frequency. The transfer functions obtained with either model and with Matlab Simulink are equivalent, with the transfers functions calculated from the discrete model being the simplest to operate and understand.
From these models, a proportional control based on discrete control techniques that allows a fast response to disturbances and reference changes, and an integrator using conventional continuous control techniques are elaborated.
Finally, an alternative control based on switching frequency variation to regulate the output voltage and phase shift variation to minimize the input current, allowing to improve the efficiency of the stage is elaborated.
