Unified motor drive and battery charger for electric vehicles

Abstract

Nowadays, Electric Vehicles are emerging as the most sustainable alternative to support the expected rise in the number of vehicles in circulation around the world, and to reduce the impact of the transportation sector on the environment. However, this is a technology that still has some limitations that restrict its mainstream adoption. Typically, an Electric Vehicle has a motor drive system and an on-board battery charger that allows charging its battery pack almost anywhere, as long as there is an electrical outlet available. However, this is usually a low-power charger in order to optimize the space and weight on-board the vehicle. As a result, this type of charging typically takes a couple of hours. The purpose of this MSc. Thesis was the development of a unified power electronics converter, capable of performing the roles of drive the electrical machine of an Electric Vehicle and also charging its battery pack, so as to optimize the space and weight of the power electronics components on-board the vehicle while also providing a faster charging operation. The first part of this MSc. Thesis consisted in the study of the state of art of the unified hardware solutions proposed, based on the use of the power electronics components of the motor drive system during the battery charging operation, since both operation modes cannot be performed simultaneously, except for regenerative breaking. Also the respective control algorithms that allow perform each operation mode, according with the solution proposed, were studied. The second part consisted in simulating the proposed unified solution and implementing a proof-of-concept prototype. In the proposed solution the battery charger is based on the use of a three-phase Voltage Source Inverter and the windings of a Brushless DC machine. With respect to the control algorithms, for the motor drive mode the Field-Oriented Control was chosen, while for the battery charging mode two control algorithms were chosen (one for single-phase charging and the other for three-phase charging), based on the Model Predictive Control. The obtained results validate the proposed solution. However, in the case of the electrical machine used in this MSc. Thesis, the values of the inductances of its windings compromise its use as an input filter.

Atualmente os Veículos Elétricos surgem como a alternativa mais sustentável perante o aumento expectável do número de veículos em circulação no mundo e por forma a reduzir o impacto ambiental do sector do transporte. Contudo, esta é ainda uma tecnologia com algumas limitações, que ainda não permitiram a sua aquisição em maior escala. Tipicamente um Veículo Elétrico possui um sistema de tração e um sistema de carregamento, que permite carregar as suas baterias em praticamente qualquer local, desde que haja disponível uma tomada ligada à rede elétrica. No entanto, este sistema de carregamento tem normalmente uma potência instalada baixa, por forma a otimizar o espaço e peso ocupados no interior do veículo. Como resultado, este tipo de carregamento demora tipicamente algumas horas. Esta Dissertação de Mestrado teve como objetivo o desenvolvimento de um conversor unificado, capaz de controlar a máquina elétrica usada para a tração de um Veículo Elétrico e de carregar as suas baterias, permitindo otimizar ainda mais o espaço e peso ocupados pelos componentes de eletrónica de potência instalados no veículo e possibilitar ainda carregamentos mais rápidos. A primeira parte desta Dissertação consistiu num estudo do estado da arte de sistemas de hardware unificados, baseados na utilização dos componentes de eletrónica de potência do sistema de tração durante o modo de carregamento das baterias, tendo em conta que as duas operações não podem ser realizadas em simultâneo, exceto para travagem regenerativa. Também foram estudados os algoritmos de controlo que permitem executar cada uma das operações, de acordo com a topologia proposta. A segunda parte consistiu na simulação da solução proposta e na implementação de um protótipo para demonstração da funcionalidade. Nesta solução proposta, o sistema de carregamento baseia-se na utilização de um inversor trifásico do tipo Voltage Source Inverter e dos enrolamentos de uma máquina elétrica do tipo Brushless DC. Em relação aos algoritmos de controlo, para o modo de tração foi selecionado o Controlo por Orientação de Campo (Field-Oriented Control), enquanto que para o modo de carregamento foram selecionados dois algoritmos (um para carregamento monofásico e outro para trifásico), baseados no Controlo Preditivo (Model Predictive Control). Os resultados obtidos permitiram validar a solução proposta. Contudo, os baixos valores de indutância da máquina elétrica usada comprometem o seu uso como filtro de entrada.