Controllo digitale di un convertitore boost per sistemi a fuel cell

Abstract

Il presente elaborato descrive la progettazione e la verifica sperimentale del controllo di un convertitore DC-DC Boost, realizzato attraverso un ponte H, dedicato all’interfaccia di una fuel cell a idrogeno con una batteria a celle NMC. Il convertitore è stato concepito per essere inserito all’interno dell’imbarcazione del team ELETTRA, associazione studentesca di UniGe che partecipa a diverse competizioni internazionali dedicate alla nautica sostenibile, quale innovazione in grado di far risparmiare su peso e ingombro, data la necessità di essere il più leggeri possibile per le competizioni. L'obiettivo principale è stato quello di verificare che il sistema sia in grado di elevare la tensione di ingresso fornita dalla fuel cell fino al livello richiesto dalla batteria, con un comportamento coerente con il modello teorico del convertitore Boost. Nei primi capitoli viene introdotto il funzionamento del convertitore Boost, con particolare attenzione alla condizione di conduzione continua (CCM) e alle equazioni che legano tensione e corrente di uscita al duty cycle. Vengono inoltre descritte la struttura hardware e le periferiche utilizzate del microcontrollore STM32G431KB impiegato per la generazione di un segnale PWM di tipo center-aligned con una frequenza di 40 kHz. L’ultimo capitolo riporta, invece, i risultati sperimentali ottenuti attraverso due prove principali condotte sul banco di lavoro: La prima prova è stata eseguita con una sorgente di tensione continua impostata a 30 V, che ha permesso di validare il comportamento del convertitore in condizioni di bassa potenza. La seconda prova, di maggiore rilevanza applicativa, è stata condotta utilizzando una sorgente in ingresso a 50 V, analizzando quindi il funzionamento di un singolo ramo alla potenza nominale (circa 1 kW), pari alla metà della potenza massima della fuel cell (2 kW). I risultati ottenuti hanno evidenziato uno scostamento rispetto alle previsioni teoriche a causa della non idealità del circuito.

This thesis describes the design and experimental validation of the control system for a DC-DC Boost converter, implemented using an H-bridge, which interfaces a hydrogen fuel cell with an NMC battery. The converter was conceived for integration into the boat of the ELETTRA team, a UniGe student association that takes part in several international competitions focused on sustainable boating. It is intended as an innovation that saves weight and space, since the boat must be as light as possible to compete. The main objective was to verify that the system can raise the input voltage supplied by the fuel cell to the level required by the battery, with behaviour consistent with the theoretical model of the Boost converter. The thesis is organised as follows. The first chapters introduce how the Boost converter works, focusing on continuous conduction mode (CCM) and on the equations that relate output voltage and current to the duty cycle. They also describe the hardware architecture and the peripherals of the STM32G431KB microcontroller used to generate a 40 kHz center-aligned PWM signal. The final chapter presents the experimental results from two main bench tests: • The first test used a DC voltage source set to 30 V, which made it possible to validate the converter’s behaviour under low-power conditions. • The second test, more relevant to the actual application, used a 50 V input source to analyse the operation of a single leg at rated power (about 1 kW), which is half of the fuel cell’s maximum power (2 kW). The results were compared with theoretical predictions and showed a small deviation, mainly due to the resistive losses in the inductor and the voltage drops across the switching devices.