Hardware-in-the-loop implementation of single- and dual-phase shift control for dual active bridge converters in EV applications

Isolated DC-DC converters play a significant role in fast charging and maintaining the variable output voltage for EV applications. This study aims to investigate the different Isolated DC-DC converters for onboard and offboard chargers, then, once the topology is selected, study the control techniques and, finally, achieve a real-time converter model to accomplish Hardware-In-The-Loop (HIL) results. Among the different isolated DC-DC topologies, the Dual Active Bridge (DAB) converter has the advantage of allowing bidirectional power flow, which enables operating in both Grid to Vehicle (G2V) and Vehicle to Grid (V2G) modalities. Recently, DAB has been used in the offboard chargers for high voltage applications due to SiC and GaN MOSFETs; this new technology also allows the utilization of higher switching frequencies. By empowering soft switching techniques to reduce switching losses, higher switching frequency operation is possible in DAB. There are four phase shift control techniques for the DAB converter. They are Single Phase shift, Extended Phase shift, Dual Phase shift, Triple Phase shift controls. This thesis considers two control strategies; Single-Phase, and Dual-Phase shifts, to understand the circulating currents, power losses, and output capacitor size reduction in the DAB. Hardware-In-The-Loop (HIL) experiments are carried out on both controls with high switching frequencies using the PLECS software tool and the RT box supporting the PLECS. Root Mean Square Error is also calculated for steady-state values of output voltage with different sampling frequencies in both the controls to identify the achievable sampling frequency in real-time. DSP implementation is also executed to emulate the optimized DAB converter design, and final real-time simulation results are discussed for both the Single-Phase and Dual-Phase shift controls.

Analysis, Design, and Hardware-in-the-Loop Validation of Multi-Active Bridge Converters

This master's thesis investigates different aspects of Dual-Active-Bridge (DAB) Converter and extends aspects further to Multi-Active-Bridges (MAB). The thesis starts with an overview of the applications of the DAB and MAB and their importance. The analytical part of the thesis includes the derivation of the peak and RMS currents, which is required for finding the losses present in the system. The power converters, considered in this thesis are DAB, Triple-Active Bridge (TAB) and Quad-Active Bridge (QAB). All the theoretical calculations are compared with the simulation results from PLECS software for identifying the correctness of the reviewed and developed theory. The Hardware-in-the-Loop (HIL) simulation is conducted for checking the control operation in real-time with the help of the RT box from the Plexim. Additionally, as in real systems digital signal processor (DSP), system-on-chip or field programmable gate array is employed for the control of the power electronic systems, and the execution of the control in the real-time simulation (RTS) conducted is performed by DSP.

Progetto di un convertitore full-bridge phase-shifted isolato a commutazione risonante

L'evoluzione della tecnologia allo stato solido e il fiorire di nuove applicazioni determinano una forte spinta verso la miniaturizzazione dei convertitori elettronici di potenza. Questa riduzione di pesi ed ingombri è particolarmente sentita anche in quei convertitori di media potenza che necessitano di un trasformatore d'isolamento. In quest'ambito assume importante rilievo l'utilizzo di una architettura circuitale a ponte intero e di tecniche in grado di spingere la frequenza di commutazione il più in alto possibile. Questa tesi si propone quindi di studiare a fondo il funzionamento dei convertitori DC/DC isolati di tipo Full-Bridge e pilotati con la tecnica di modulazione Phase-Shifted che ben si presta all'impiego di commutazioni risonanti del tipo Zero-Voltage-Switching. L'analisi teorica sarà corroborata da simulazioni condotte su LTspice e sarà orientata all'individuazione di una metodologia di progetto generale per questo tipo di convertitori. Al fine di formalizzare meglio il progetto si è individuata una possibile applicazione nell'alimentazione di un DC-bus per telecomunicazioni (48 Volt DC sostenuti da batterie) a partire da una fonte di energia fotovoltaica quale una stringa di pannelli operanti con tensioni variabili da 120 a 180 Volt DC. Per questo particolare tipo di applicazione in discesa può avere senso l'impiego di un rettificatore del tipo a duplicazione di corrente, che quindi si provvederà a studiare e ad implementare a secondario del trasformatore d'isolamento. Infine particolare cura sarà dedicata alla parte di controllo che si ha intenzione di integrare all'interno di LTspice così da riuscire a simulare il comportamento dinamico del convertitore e verificare quanto predetto in via teorica mediante l'impiego della procedura che utilizza il K-Factor per la realizzazione della rete compensatrice.

Modeling and Design of Phase Shifted Full Bridge Isolated DC-DC ZVS Converter with Peak Current Mode Control

Nowadays, there is a boom in the use of electrification. Electric vehicles are gaining interest worldwide due to various factors, including climate and environmental awareness. In this thesis, a step-down isolated power supply for electric tractors is investigated, specifically the phase-shifted full-bridge (PSFB) DC-DC with synchronous rectification and zero-voltage switching (ZVS). This converter was selected for its high-power capacity with high efficiency. A 3500 W PSFB converter with peak current control (PCCM) is designed and modeled in MATLAB. The input voltage range is from 550 V to 820 V and the output voltage range is limited to 9 V to 16 V with a maximum output current of 250 A. All components were commercially designed and selected, including magnetics for the high-frequency transformer and inductors, taking into account loss calculations. Zero voltage switching for the lagging leg is achieved at 13% to 100% load. The proven efficiency of the converter is around 90

Progettazione e collaudo di un ballast elettronico per lampade a scarica hid

Nell'elaborato svolto viene presentato un ballast elettronico destinato ad applicazioni di illuminazione stradale. L'alimentatore deve sostituire il tradizionale reattore elettromagnetico attualmente montato sui lampioni, deve poter alimentare lampade HID fino a 150 W, deve soddisfare le più stringenti normative di futura approvazione, deve garantire ulteriori servizi aggiuntivi legati sia al migliore sfruttamento della lampada che a eventuali esigenze legate all'innovativo concetto di palo intelligente (alimentazioni ausiliarie e strategie di risparmio energetico).

Progettazione e realizzazione di un convertitore monofase in sic per applicazioni fotovoltaiche

Negli ultimi anni si è assistito ad un notevole sviluppo e diffusione dei sistemi di produzione di energia rinnovabile, in particolar modo di sistemi eolici e fotovoltaici. La sempre maggior richiesta di energia e la necessità di far fronte ai problemi di inquinamento sempre più intenso, a causa dei combustibili fossili, ha portato ad una crescita nell’interesse ad adottare queste nuove tecnologie per il sostentamento energetico della popolazione. In seguito all’adozione di tali sistemi si è verificata un’intensificazione della ricerca e dello sviluppo tecnologico in tale ambito al fine di massimizzare la produzione dell’energia. Un ruolo chiave nella gestione dell’energia ed in particolar modo l’interfacciamento del sistema di produzione con il carico è svolto elettronica di potenza. L’obiettivo principale della ricerca in tale ambito consiste nella individuazione di nuove tecnologie che permettano un incremento dell’efficienza di conversione anche di soli pochi punti percentuale. L’attività di tesi, svolta presso il LEMAD (Laboratorio di Macchine e Azionamenti del Dipartimento DEI), è stata quindi focalizzata nella progettazione e in seguito realizzazione di un convertitore per applicazioni fotovoltaiche. L’interesse nei confronti delle nuovetecnologie ha portato ad una scelta innovativa per quanto riguarda la configurazione dell’inverter costituente il convertitore. Tale configurazione, che prende il nome di Full Bridge DC Bypass o più semplicemente ponte H6, ha permesso la realizzazione di un convertitore compatto poiché non necessitante di un trasformatore per garantire l’isolamento tra i moduli PV e la rete. Inoltre l’adozione di due switch aggiuntivi rispetto ad un comune ponte H ha garantito una notevole riduzione delle perdite dovute alla tensione di modo comune(CMV)con conseguente incremento dell’efficienza. La ricerca di nuove tecnologie non è stata concentrata solamente nello studio di nuove configurazioni di inverter ma anche nell’individuazione di innovativi dispositivi di potenza. In particolar modo il silicon carbide o SiC ha dimostrato in diverse occasioni di essere un materiale superiore al silicio nelle applicazioni di potenza. Sono stati quindi realizzati due convertitori utilizzanti due differenti dispositivi di potenza (MOSFET in SiC e IGBT in Si)in modo tale da determinare le diverse prestazioni. Un ulteriore studio è stato svolto sulle tecniche di modulazione al fine di valutarne le differenti caratteristiche ed individuare quella più conveniente nella conversione utilizzante il ponte H6.

Analisi e realizzazione di un convertitore multilivello ad alta efficienza per applicazioni fotovoltaiche

Nei primi vent’anni, la ricerca in ambito fotovoltaico si è focalizzata sull’evoluzione di quelle tecnologie associate alla semplice cella ed al sistema intero, per offrire miglioramenti con particolare riguardo al fronte dell’efficienza. Negli ultimi decenni, lo studio sull’energia rinnovabile ha ampliato i propri confini, sino a quella branca denominata elettronica di potenza, che ne permette la conversione e lo sfruttamento da parte dell’utente. L’elaborato si propone quindi di apportare un contributo verso tale direzione, teorico piuttosto che pratico, esaminando dapprima il mondo che effettivamente circonda l’impianto fotovoltaico grid-connected e successivamente ponderando e pianificando le scelte che conseguono dall’analisi letteraria. Particolare attenzione sarà rivolta al concetto di multilivello relativo agli inverter e agli aspetti che ne comportano il largo utilizzo nell’elettronica di potenza. Si stima che i primi brevetti risalgano a circa trent’anni orsono e uno di questi, tracciabile, riguarderebbe la configurazione a cascata di full-bridge, alimentati separatamente in DC, per ottenere a valle una scala di tensioni AC. Per mezzo di manipolazioni, nascerà in seguito il diode-clamped, attuale predecessore del Neutral Point Clamped T-Type Inverter. Si introdurranno pertanto le principali caratteristiche che contraddistinguono il convertitore, peculiare riguardo per la configurazione single leg nonché trifase. Ardua sarà la scelta sulla tecnica di controllo dell’inverter, sia per quanto concerne la fase simulativa che quella realizzativa, in quanto il dispositivo è indubbiamente considerato innovativo nel proprio campo di appartenenza. Convalidando la letteratura per mezzo di opportune simulazioni, si potrà procedere alla progettazione e quindi all’assemblaggio della scheda che effettivamente include l’inverter. Il lavoro implicherà numerose prove, effettuate in svariate condizioni di funzionamento, al fine di sostenere le conclusioni teoriche.

Wind analysis of the Messina Strait Bridge design project proposal with stabilizing cables

A new study on suspension bridges has been prompted by the big disaster of the Tacoma Narrow Bridge at half its design speed. The aerodynamic instability of long-span bridges has been studied using wind tunnel tests. As a result of improved aerodynamic performance from the geometrical configuration of the bridge deck, the aerodynamic criteria for suspension and cable-stayed bridges have become well established in recent years, thereby allowing longer bridge spans to be developed. Although the Messina Strait Bridge has yet to be constructed, we are looking forward to evaluating the impact of different deck cross-sections on both aerodynamic stability and cost reduction. To further improve the aerodynamic characteristics of long-span suspension bridges, an optimized multi-box bridge deck model with two side decks for traffic lanes, two middle railway decks, and three gaps separating them has been proposed aerodynamic performance has been experimentally verified. 1:80 scale wind tunnel tests have been conducted. According to the current MIDAS Model, the first torsional and the first vertical frequency ratios are 1.27787 and 1.36[1] respectively. It is the torsional/vertical frequency ratio, combined with the deck aerodynamic properties, that determines the wind response properties of the bridge for the most dangerous possible form of aeroelastic instability. The classic flutter is caused by the coupling of torsional and vertical modes. Stabilizing cables to the deck could be a solution to this classic flutter by reducing lateral displacement of the deck and increasing frequency ratios. Stabilizing cables will be installed on the deck in three different orientations: vertical, inclined, and horizontal, with diameters of 80 cm, 60 cm, and 40 cm in each orientation respectively. An overview of the research undertaken on this topic will be presented, as well as the most important findings.

Loading and damage modelling for an integrated SHM system of a prestressed concrete railway bridge in Naples

The thesis explores recent technology developments in the field of structural health monitoring and its application to railway bridge projects. It focuses on two main topics. First, service loads and effect of environmental actions are modelled. In particular, the train moving load and its interaction with rail track is considered with different degrees of detail. Hence, results are compared with real-time experimental measurements. Secondly, the work concerns the identification, definition and modelling process of damages for a prestressed concrete railway bridge, and their implementation inside FEM models. Along with a critical interpretation of the in-field measurements, this approach results in the development of undamaged and damaged databases for the AI-aided detection of anomalies and the definition of threshold levels to prompt automatic alert interventions. In conclusion, an innovative solution for the development of the railway weight-in-motion system is proposed.

BIM-FEM model interoperability for the design of a prestressed concrete bridge deck

In questa tesi ho analizzato il passaggio dall'ambiente BIM a quello FEM di un impalcato da ponte a travata precompressa, identificando criteri e applicando una metodologia che hanno consentito lo sviluppo di un modello FEM utilizzabile per l'analisi strutturale. Nella tesi si descrive l'opera e il suo dimensionamento, con l'analisi statica e le verifiche strutturali eseguite sia a mano sia sul modello in ambiente FEM importato dall'ambiente BIM. Oltre a ciò, viene modellata l'opera nella sua interezza ed inserita in un contesto reale. La tesi discute l'interoperabilità tra i due software evidenziando vantaggi (modello geometrico di partenza in ambiente FEM, trasferimento di informazioni inserite in ambiente BIM, riduzione dei tempi di modellazione e inserimento proprietà dei materiali e caratteristiche degli oggetti, inserimento armature di precompressione) e criticità (implementazione manuale di alcuni elementi nel modello geometrico, perdita di alcune informazioni, definizione di alcuni parametri, limitata interoperabilità FEM-BIM) della metodologia applicata.

Un bridge tra sistemi di bordo e di terra per prevenire minacce informatiche alla sicurezza delle infrastrutture critiche dei trasporti ferroviari

Il progetto di tesi nasce dall’interesse e dalla passione verso il mondo della Cybersecurity, che da sempre segna il mio percorso accademico e di vita, ma che durante questo ultimo anno di università ha avuto particolare rilevanza. Il progetto è stato svolto con il supporto e la supervisione del team Railway dell’azienda ALTEN Italia presso la sede di Bologna. Il lavoro di tesi mira allo sviluppo di un componente software che rappresenta un livello aggiuntivo di sicurezza nella comunicazione tra sistemi di bordo e di terra. In particolare, il progetto si pone come obiettivo la creazione di un Bridge, ovvero un componente software indipendente e configurabile che si interfaccia sia con il client che con il server, con lo scopo di garantire autenticità e cifratura dei messaggi scambiati tra le due entità. Inoltre, la potenza del Bridge sta nel fatto che nasce come possibile soluzione ai problemi di sicurezza informatica in ambito ferroviario, ma la sua applicabilità può essere estesa anche ad altri settori in cui sia presente una comunicazione client/server da rendere sicura. Infatti, tale software risulta particolarmente flessibile e adattabile, attraverso l’impostazione a priori di parametri di configurazione, in base al tipo di comunicazione che si desidera implementare tra le due entità. Per questo motivo, si ritiene che la forza del progetto sia la possibilità di fornire una soluzione software per proteggere l’infrastruttura critica dei trasporti ferroviari da eventuali minacce informatiche, ma anche la capacità adattiva del Bridge, in grado di svolgere le sue funzioni di sicurezza in un ampio ventaglio di ambiti di applicazione.