Onduleur quasi-Z-source pour un système de traction de véhicules électriques à sources multiples : contrôle et gestion

Abstract: Power electronics play a fundamental role and help to achieve the new goals of the automobiles in terms of energy economy and environment. The power electronic converters are the key elements which interface their power sources to the drivetrain of the electric vehicle (EV). They contribute to obtaining high efficiency and performance in power systems. However, traditional inverters such as voltage-source, current-source inverters and conventional two-stage inverters present some conceptual limitations. Consequently, many research efforts have been focused on developing new power electronic converters suitable for EVs application. In order to develop and enhance the performance of commercial multiple sources EV, this dissertation aims to select and to control the impedance source inverter and to provide management approaches for multiple sources EV traction system. A concise review of the main existing topologies of impedance source inverters has been presented. That enables to select QZSI (quasi-Z-source inverter) topology as promising architectures with better performance and reliability. The comparative study between the bidirectional conventional two-stage inverter and QZSI for EV applications has been presented. Furthermore, comparative study between different powertrain topologies regarding batteries aging index factors for an off-road EV has been explored. These studies permit to prove that QZSI topology represents a good candidate to be used in multi-source EV system. For improving the performance of QZSI applied to EVs, optimized fractional order PI (FOPI) controllers for QZSI is designed with the ant colony optimization algorithm (ACO-NM) to obtain more suitable aging performance index values for the battery. Moreover, this thesis proposes a hybrid energy storage system (HESS) for EVs to allow an efficient energy use of the battery for a longer distance coverage. Optimized FOPI controller and the finite control set model predictive controller (FCS-MPC) for HESS using bidirectional QZSI is applied for the multi-source EV. The flux-weakening controller has been designed to provide a correct operation with the maximum available torque at any speed within current and voltage limits. Simulation investigations are performed to verify the topologies studied and the efficacity of the proposed controller structure with the bidirectional QZSI. Furthermore, Opal-RT-based real-time simulation has been implemented to validate the effectiveness of the proposed HESS control strategy. The results confirm the EV performance enhancement with the addition of supercapacitors using the proposed control configuration, allowing the efficient use of battery energy with the reduction of root-mean-square value, the mean value, and the standard deviation by 57%, 59%, and 27%, respectively, of battery current compared to the battery-only based inverter.L'électronique de puissance joue un rôle fondamental et contribue à atteindre les nouveaux objectifs de l'automobile en termes d'économie d'énergie et d'environnement. Les convertisseurs d’électroniques de puissance sont considérés comme les éléments clés qui interfacent leurs sources d'alimentation avec la chaîne de traction du véhicule électrique (VE). Ils contribuent à obtenir une efficacité et des performances élevées dans les systèmes électriques. Cependant, les onduleurs traditionnels tels que les onduleurs à source de tension, les onduleurs à source de courant et les onduleurs conventionnels à deux étages qui constituent les onduleurs les plus couramment utilisés, présentent certaines limitations conceptuelles. Par conséquent, de nombreux efforts de recherche se sont concentrés sur le développement de nouveaux convertisseurs d’électroniques de puissance adaptés à l'application aux véhicules électriques. Afin de développer et d'améliorer les performances des VEs à sources multiples commerciales, cette thèse vise à sélectionner, contrôler l'onduleur à source impédante et fournit une approche de gestion pour l'application du système de traction du VE à sources multiples. Une revue concise des principales topologies existantes d'onduleur à source impédante a été présentée. Cela a permis de sélectionner la topologie de l’onduleur quasi-Z-source (QZS) comme architectures prometteuses pouvant être utilisées dans les véhicules électriques, avec de meilleures performances et de fiabilité. L'étude comparative entre l'onduleur bidirectionnel conventionnel à deux étages et de celui à QZS pour les applications du VE a été présentée. En outre, une étude comparative entre différentes topologies de groupes motopropulseurs concernant les facteurs d'indice de vieillissement des batteries pour une application du VE hors route a été explorée. Ces études ont permis de prouver que la topologie de l’onduleur QZS représente une bonne topologie candidate à utiliser dans un système de VE à sources multiples. Pour améliorer les performances de l’onduleur QZS appliquées aux véhicules électriques, des contrôleurs PI d'ordre fractionnaire (PIOF) optimisés pour l’onduleur QZS sont conçus avec l'algorithme de colonies de fourmis afin d'obtenir des valeurs d'indice de performance de vieillissement plus appropriées pour la batterie. De plus, cette thèse propose un système de stockage d'énergie hybride (SSEH) pour le VE afin de permettre une utilisation efficace de l'énergie de la batterie pour une couverture de distance plus longue et une extension de son autonomie. L’optimisation du contrôleur PIOF et du contrôleur par modèle prédictif d'ensemble de contrôle fini (CMP-ECF) pour l’onduleur QZS bidirectionnel a été appliqué au VE à sources multiples avec des approches de gestion appuyées par des règles. Le contrôleur d'affaiblissement de flux magnétique du moteur a été conçu pour fournir un fonctionnement correct avec le couple maximal disponible à n'importe quelle vitesse dans les limites de courant et de tension. Des investigations et des simulations sont effectuées pour vérifier les différentes topologies étudiées et l'efficacité de la structure de contrôleur proposée avec l’onduleur QZS bidirectionnel. De plus, une simulation en temps réel basée sur Opal-RT a été mise en œuvre pour valider l'efficacité de la stratégie de contrôle SSEH proposée. Les résultats confirment l'amélioration des performances du VE avec l'ajout d'un supercondensateur utilisant la configuration du contrôle proposée, permettant une utilisation efficace de l'énergie de la batterie avec une réduction de la valeur moyenne quadratique, de la valeur moyenne et de l'écart type de 57%, 59% et 27%, respectivement, du courant de la batterie par rapport à l'onduleur connecté directement à la batterie

Traction control in electric vehicles

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Área de Especialização de Automação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 201

Digital Control of Power Converters and Drives for Hybrid Traction and Wireless Charging

In the last years environmental issues and constant increase of fuel and energy cost have been incentivizing the development of low emission and high efficiency systems, either in traction field or in distributed generation systems from renewable energy sources. In the automotive industry, alternative solutions to the standard internal combustion engine (ICE) adopted in the conventional vehicles have been developed, i.e. fuel cell electric vehicles (FCEVs), hybrid electric vehicles (HEVs), plug-in hybrid electric vehicles (PHEV) or pure electric vehicles (EVs), also referred as battery powered electric vehicles (BEV). Both academic and industry researchers all over the world are still facing several technical development areas concerning HEV components, system topologies, power converters and control strategies. Efficiency, lifetime, stability and volume issues have moved the attention on a number of bidirectional conversion solutions, both for the energy transfer to/from the storage element and to/from the electric machine side. Moreover, along with the fast growing interest in EVs and PHEVs, wireless charging, as a new way of charging batteries, has drawn the attention of researchers, car manufacturers, and customers recently. Compared to conductive power transfer (usually plug-in), wireless power transfer (WPT) is more convenient, weather proof, and electric shock protected. However, there is still more research work needs to be done to optimize efficiency, cost, increase misalignment tolerance, and reduce size of the WPT chargers. The proposed dissertation describes the work from 2012 to 2014, during the PhD course at the Electric Drives Laboratory of the University of Udine and during my six months visiting scholarship at the University of Michigan in Dearborn. The topics studied are related to power conversion and digital control of converters and drives suitable for hybrid/electric traction, generation from renewable energy sources and wireless charging applications. From the theoretical point of view, multilevel and multiphase DC/AC and DC/DC converters are discussed here, focusing on design issues, optimization (especially from the efficiency point-of-view) and advantages. Some novel modulation algorithms for the neutral-point clamped three-level inverter are presented here as well as a new multiphase proposal for a three-level buck converter. In addition, a new active torque damping technique in order to reduce torque oscillations in internal combustion engines is proposed here. Mainly, two practical implementations are considered in this dissertation, i.e. an original two-stage bi-directional converter for mild hybrid traction and a wireless charger for electric vehicles fast charge