Proposal and implementation of a multifunctional inverter topology with regulated DC bus voltage for electric traction
Proposition et mise œuvre d'une topologie d'onduleur multifonctionnel à tension de bus régulée pour la traction électrique
Abstract
When it comes to electric traction for road vehicles, inverters are essential. Their role is to convert electrical energy between a continuous storage source, such as a battery, and the AC load represented by a three-phase electrical machine. The voltage with which an inverter can supply an electrical machine is inevitably limited. To thoroughly analyze this limitation, we have proposed a detailed modeling of the voltage drops of the inverter to allow for a quick and accurate analytical estimation. The experimental results validate the proposed model in almost all reachable operating points. One solution used industrially to overcome this drawback of the inverter is to add a DC-DC boost converter. The disadvantage of this solutions is that it introduces a new converter that can impact the overall efficiency and reliability of the drive train. In recent years, single-stage boost inverter architectures have been proposed in the literature. One of these architectures, the Split Source Inverter (SSI), has emerged, and offers competitive advantages over its counterparts. As it stands, however, this inverter is incompatible with the aimed application, as it loses a degree of freedom for the load control. This work focuses on the proposal and implementation of a new converter based on the SSI to make it compatible with the targeted application. The named B-ASSI converter is analyzed, modeled, and a modulation and a bus voltage control strategy is developed. Finally, the B-ASSI is developed and experimentally validated with a proof-of-concept of a few kW. This work, then focuses on the possibility of introducing inverter voltage step-down functionality. An extension of the B-ASSI to allow the lowering of its bus voltage is studied and proposed, including an initial experimental validation of the operating principle.
Dans le cadre de la traction électrique pour les véhicules routiers, il est indispensable de recourir à des onduleurs dont le rôle est de convertir l’énergie électrique entre une source de stockage continue de type batterie et une machine électrique à courant alternatif triphasé. Il apparaît inévitablement une limitation de la tension avec laquelle un onduleur est capable d’alimenter une machine électrique. Pour analyser cette limitation, nous avons proposé une modélisation fine des chutes de tension de l’onduleur afin de permettre une estimation analytique rapide et fidèle. Les résultats expérimentaux valident le modèle proposé dans la quasi-totalité des points de fonctionnement atteignables. Une solution utilisée industriellement pour pallier cette limitation de l’onduleur est d’ajouter un convertisseur DC – DC élévateur. L’inconvénient de cette solution est qu’elle introduit un deuxième étage de conversion pouvant impacter le rendement global et la fiabilité de la chaîne de traction. Ces dernières années, des architectures d’onduleur élévateur en un étage de conversion ont été proposées dans la littérature. L’une de ces architectures, l’onduleur à Split Source (SSI), est apparue récemment et présente des avantages compétitifs par rapport à ses homologues. Néanmoins, nous avons montré que ce convertisseur était incompatible avec la traction électrique due principalement au manque de réversibilité et à une perte de degré de liberté pour le pilotage de la charge. Par la suite, nous avons proposé, analysé et modélisé une nouvelle architecture triphasée et réversible basée sur le convertisseur SSI, appelée B-ASSI, qui est compatible avec l’application visée. Une modulation pour son pilotage, ainsi qu’une stratégie de contrôle de sa tension de bus ont été développées. Enfin, le B-ASSI a été construit et testé expérimentalement pour une preuve de concept de quelques kW. La possibilité d’introduire une fonctionnalité d’abaissement de la tension d’alimentation au sein B-ASSI a également été étudiée, simulée et validée expérimentalement.
Origin | Version validated by the jury (STAR) |
---|