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Con l’aggravarsi della crisi climatica, le auto ibride ed elettriche si stanno diffondendo rapidamente nel mercato automobilistico. Di contro, le batterie dei veicoli elettrici sono altamente soggette a combustione in seguito a urti meccanici, problemi elettrici o termici. A causa di valori troppo elevati della corrente durante il processo di carica della batteria, il separatore tra anodo e catodo potrebbe rompersi innescando un aumento incontrollato della temperatura. Infatti, la batteria e l’on-board charger condividono la stessa corrente ed essendo quest’ultima dipendente dalla temperatura, è importante monitorare lo stato termico del caricatore e controllare che questo non superi una certa soglia. Questo studio si focalizza su una fase del processo di ricarica delle auto elettriche e, in particolare, sul convertitore in continua di tipo step-down. La progettazione e il dimensionamento del convertitore vengono svolte prendendo in considerazione anche gli aspetti elettro-termici del buck-converter in modo da ricaricare in modo celere la batteria della vettura ma anche far sì che la temperatura del convertitore si mantenga al di sotto di una certa soglia opportunamente individuata. Per fare questo, si adotterà una progettazione basata sul modello del convertitore che permetta di individuare in tempo eventuali errori di funzionamento, con conseguente riduzione dei tempi e dei costi. La parte iniziale prevede l’individuazione e la descrizione del modello che verrà trasferito nell’ambiente simulativo di Matlab. Dopo la progettazione del convertitore, si prosegue con l’applicazione di due controllori: il classico controllo proporzionale integrale e una tecnica di controllo ottima (model predictive control). Segue un’analisi parametrica in cui vengono esaminati gli andamenti delle variabili peculiari del convertitore (tensione di uscita e corrente sull’induttore) al variare dei parametri caratteristici del circuito e del controllore predittivo, dei metodi numerici, dei riferimenti di tensione ed in base al fatto che il convertitore sia rappresentato dal modello o dal circuito. Questa prima analisi permette di concludere sulla scelta dei parametri ottimali del circuito e del controllo predittivo ed evidenzia le differenze dei due controllori. Il lavoro prosegue con uno studio sul comportamento termico del convertitore nel momento in cui agisce un disturbo improvviso della temperatura del mosfet che compone il convertitore. Lo studio parametrico consente di concludere sulle prestazioni nettamente superiori del controllo predittivo rispetto a quelle del controllo proporzionale-integrale. Il model predictive control non insegue soltanto il riferimento di tensione ma rende possibile anche il rispetto di alcuni vincoli impostati dal progettista (in questo caso si vuole che la temperatura non superi un certo valore massimo). La parte finale ma non meno importante della tesi, prevede la validazione del modello attraverso una simulazione processor in-the-loop. Per svolgere la simulazione, il controllore predittivo è stato trasferito sulla scheda del microcontrollore tramite un toolbox dedicato mentre il modello del convertitore è rimasto nell’ambiente simulativo di matlab. Il confronto della simulazione classica con quella di tipo pil dimostra che le due simulazioni sono coerenti e che la seconda avviene in tempo reale. Il processo di validazione del modello del buck converter ha avuto esito positivo. Possibili prospettive future di questo lavoro di tesi potrebbero essere quelle di aggiungere dei disturbi o degli errori di misura al modello o quelle di completare la validazione del modello eseguendo una simulazione hardware in-the-loop in cui il controllore trasferito sul microcontrollore viene testato con un sistema reale.

As the climate crisis increases, hybrid and electric cars are rapidly spreading across the automotive market. On the other hand, electric vehicle batteries are highly susceptible to combustion because of mechanical impacts and electrical or thermal problems. Because of too high current values during the battery charging phase, the separator between anode and cathode could break, triggering an uncontrolled increase in temperature. In fact, the battery and the on-board charger share the same current and since the latter depends on the temperature, it is important to monitor the thermal state of the charger and check that it does not exceed a certain threshold. This study focuses on a phase of the electric car charging process and, in particular, on the step-down converter. The design and sizing of the converter are carried out also taking into account the electro-thermal features of buck converter in order to not only quickly recharge the car battery but also to ensure that the temperature of the converter is kept below a certain appropriately identified threshold. To do this, a model-based design of the converter will be adopted which allows for the early identification of any operating errors, with a consequent reduction in time and costs. The initial part involves the identification and description of the model that will be transferred to the Matlab simulation environment. After designing the converter, the project continues with the application of two controllers: the classical proportional integral control and an optimal control technique (model predictive control). This is followed by a parametric analysis of the converter in which the trends of the main variables of the converter (output voltage and current on the inductor) are examined as the characteristic parameters of the circuit and predictive controller, the numerical methods, the voltage references change and when the converter is represented by the model or the circuit. This first analysis will allow to conclude on the choice of optimal parameters of the circuit and predictive control and highlights the differences of the two controllers. Subsequently, the analysis continues with a study on the thermal behavior of the converter when a sudden disturbance in the temperature of the mosfet acts on the converter. The parametric study allows to conclude on the clearly superior performance of predictive control compared to that of proportional integral control. The model predictive control not only follows the voltage reference but also makes it possible to respect some constraints set by the designer (in this case the temperature mustn’t exceed a certain maximum value). The last but no least part of the thesis involves the validation of the model through a processor in-the-loop simulation. To carry out the simulation, the predictive controller was moved in the microcontroller board through a dedicated toolbox while the converter model remained in the Matlab simulation environment. The comparison of the classic simulation with the PIL simulation shows that the two simulations are coherent and that the second occurs in real time. The validation process of the buck converter model was successful. Possible future perspectives of this thesis may consist in adding disturbances or measurement errors to the model and completing its validation by performing a hardware in-the-loop simulation in which the controller transferred to the microcontroller is tested with a real system.