Component and system design of a mild hybrid 48 V powertrain for a light vehicle
Doktorsavhandling, 2020

This thesis presents contributions in three areas relevant for the development of 48 V mild hybrid electric powertrains for cars.

The first part comprises methodologies and extensive testing of lithium-ion battery cells in order to establish the electric and thermal performance using equivalent circuit models.  Empirical, lumped-parameter models are used to ensure fast simulation execution using only linear circuit elements. Both electrochemical impedance spectroscopy and high-current pulse discharge testing is used to extract model parameters. Plenty of parameter results are published for various cells, temperatures and SOC levels. Further on, the model accuracy in voltage response is also evaluated. It is found that an R+2RC equivalent circuit offers the lowest error, 11 mV RMSE in a 1.5 h drive cycle, which is among the lowest numbers found in the literature for similar models.

In the second part, electric machines with tooth-coil windings are explored as a viable candidate for mild hybrids. First, a method of analytically calculating the high-level electro-magnetic properties for all possible combinations of three-phase, dual layer tooth-coil winding machines is established and presented in a graphically appealing manner.  Then, a pair of pseudo-6-phase 50 kW PMSMs are designed, constructed and validated in a custom designed calorimetric dynamo test stand. These machines feature in-stator and in-slot forced oil cooling, enabling very high current densities of 25 A/mm² continuous and 35 A/mm² peak. A high net power density (19 kW/l) and a large area of high peak efficiency (95%) is shown numerically and validated by calorimetric measurements.

Finally, low-level design, construction and evaluation of 48 V inverter hardware is explored. By using high-performance, extra-low-voltage silicon-based MOSFETs with custom designed metal substrate printed circuit boards, custom made gate drivers, and water cooling, 3x220 A RMS is reached experimentally on a 154 cm² area and an efficiency of 95.6%.

Power Electronics

Efficiency

Oil cooling

Inverter

MOSFET

Li-ion battery

Calorimetric measurement

Permanent Magnet Synchronous Machine

PWM

48 V

Power density

Hybrid Electric Vehicle

Extra low voltage

Multi-phase

Video
Opponent: Thomas M. Jahns, University of Wisconsin-Madison

Författare

Stefan Skoog

Chalmers, Elektroteknik, Elkraftteknik, Elmaskiner och kraftelektronik

Parameterization of Equivalent Circuit Models for High Power Lithium-Ion Batteries in HEV Applications

18th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2016 ECCE Europe, Karlsruhe, Germany, 5-9 September 2016,; (2016)

Paper i proceeding

Pole-Slot Selection Considerations for Double Layer Three-phase Tooth-Coil Wound Electrical Machines

2018 XIII International Conference on Electrical Machines (ICEM),; (2018)p. 934-940

Paper i proceeding

Experimental and model based evaluation of mile hybrid fuel consumption gains and electric machine utilization for personal vehicle application

2017 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific, ITEC Asia-Pacific 2017,; (2017)

Paper i proceeding

Electro-thermal modeling of high-performance lithium-ion energy storage systems including reversible entropy heat

Conference Proceedings - IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition - APEC,; (2017)p. 2369-2373

Paper i proceeding

Acquaviva, A. Stefan, S. Thiringer, T. Design and Verification of In-slot Oil-Cooled Tooth Coil Winding PM Machine for Traction Application

Acquaviva, A. Stefan, S. Grunditz, E. Thiringer, T. Electromagnetic and Calorimetric Validation of Direct Oil Cooled Tooth Coil Winding PM Machine for Traction Application

Acquaviva, A. Stefan, S. Thiringer, T. Manufacturing of in-slot cooled tooth coil winding PM machines

En stor andel av världens energiförbrukning används av bilar, vilka så gott som uteslutande drivs på fossila bränslen. Ett mycket kostnadseffektivt sätt att öka verkningsgraden och därmed minska utsläppen från nya fordon är att introducera elektriska stödfunktioner till förbränningsmotorn, så kallad elektrisk mildhybrid. I detta arbete undersöks ett elektriskt stödsystem som är begränsat till 48 V likspänning, vilket innebär att det kan klassas som ett relativt ofarligt system från elsäkerhetsperspektiv. Två av de elektriska huvud-komponenterna har studerats i detalj: högpresterande litium-jonbatterier och kompakta växelströmsmaskiner. För att kunna virtuellt representera batterierna under fordonens utvecklingsprocess har olika modeller och testmetoder utvärderats och tillämpats på många olika sorters litium-jonbatterityper. Det visar sig att pulsad urladdning med hög ström lämpar sig mycket väl för att extrahera en kraftfull elektrisk modell över batteriernas beteende som erbjuder mycket hög. Två växelströmsmaskiner har utvecklats från grunden, byggts och testats elektromekaniskt för att utvärdera deras prestanda. Två speciella egenskaper har byggts in i dessa maskiner: Direkt oljekylning och ett modulärt lindningskoncept. Tester av motorerna har gjorts upp till 24 kW kontinuerligt och det dubbla i toppeffekt. Verknings-graden är uppmätt till 95% och storleken på maskinens aktiva komponenter är väldigt kompakt; jämförbar effektdensitet med marknadsledande bilmärkens elmaskiner.

Mildhybridisering genom 48 V spänningssystem

VINNOVA, 2014-04-01 -- 2017-12-31.

Styrkeområden

Transport

Ämneskategorier

Rymd- och flygteknik

Annan materialteknik

Annan elektroteknik och elektronik

ISBN

978-91-7905-323-9

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4790

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Video

Online

Opponent: Thomas M. Jahns, University of Wisconsin-Madison

Mer information

Senast uppdaterat

2020-05-28