Modelling of electric power systems in electric vehicles

Abstract

The rapid electrification of heavy-duty vehicles has introduced traction voltage systems (TVS) with electrical scale and complexity not previously seen in on-road applications. Multiple power electronic subsystems interact through long cables and frequency-dependent impedances, making conducted electromagnetic interference (EMI) a system-level phenomenon. Differential-mode (DM) and common-mode (CM) disturbances generated by converter switching propagate through intentional and parasitic impedances up to approximately 200 kHz for DM behaviour and 3 MHz for CM behaviour.

This thesis combines measurements on commercial battery-electric vehicles with physically based modelling and system-level simulation. A dedicated 96-channel, 60 MS/s measurement system is developed to capture CM and DM quantities across the distributed TVS with ability to record up to one hour of full resolution data. The
results show that CM behaviour is governed by the ratio between symmetric CM capacitances and asymmetric parasitic capacitances, referred to as the X-factor. Both the CMDC voltage and the resulting CM current paths depend on capacitance placement, cable and junction-box impedances and non-ideal semiconductor behaviour.

A library of validated subsystem models is developed and calibrated with measurements, including converters, batteries, cables, filters and interconnection components. State-space reduction and eigenvalue analysis preserve the required bandwidth while enabling computationally feasible vehicle-level simulations. The simulations reproduce the measured CM and DM behaviour, quantify the influence of distributed impedances and measurement artefacts such as Break-Out Boxes and demonstrate how phase-shifted switching suppresses CM disturbances. The combined results provide system-level guidelines for EMI-aware design, including CM capacitance placement, use of damped DM filters and strategies that reduce sensitivity to subsystem interaction.

The thesis establishes a system-level framework for analysing, modelling and mitigating conducted EMI in commercial battery-electric vehicles and demonstrates how measurement, modelling and simulation must be integrated to understand and control behaviour in electrically large traction voltage systems.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning:

Elfordon uppfattas ofta som en modern uppfinning, men elektriskt drivna fordon har funnits sedan slutet av artonhundratalet. De första helelektriska personbilarna, bussarna och lastbilarna utvecklades redan innan förbränningsmotorn slog igenom.

För att förstå varför elektriska störningar spelar en så viktig roll i dagens elfordon kan man börja med en enkel bild. Tänk dig en hamn en stilla dag. Båtarna ligger lugnt vid bryggorna och allt är stilla. Men när vinden ökar, eller en större båt passerar, bildas vågor som rullar in, studsar mellan båtar och bryggor och får allt att gunga. På samma sätt kan modern elektronik som styr en elmotor skapa små elektriska “vågor” i fordonets elsystem. Dessa elektriska “vågor” är en förenklad bild av det som i facklitteraturen kallas elektromagnetiska störningar – Electromagnetic Interference (EMI). Hur mycket dessa vågor sprider sig beror på elsystemets motstånd mot sådana svängningar – det som i elektrotekniken kallas impedans. Det kan jämföras med hur lätt vatten rör sig i ett trångt eller brett rör: ett smalt rör bromsar flödet, ett bredare släpper igenom det lättare.

Dessa tidiga elfordon var dock tekniskt enkla: begränsad effekt, få delsystem, ingen avancerad elektronik och mycket små möjligheter till att sådana elektriska “vågor” uppstod mellan komponenter. Elektromagnetiska störningar utgjorde därför sällan några avgörande konstruktionsproblem.

Dagens elfordon representerar en helt annan komplexitet. Särskilt tunga fordon, såsom bussar och lastbilar, innehåller många elektriska delsystem som alla är kopplade till samma likspänningsnät. Batterier, elektroniska omvandlare som gör växelström av likström eller tvärtom, hjälplastssystem och omfattande kablage arbetar samtidigt. Delsystem som luftkonditionering, luftkompressor, värmare och DC/DC-omvandlare delar samma elektriska infrastruktur, vilket gör att störningar lätt sprider sig mellan komponenterna. Utvecklingen går dessutom mot elektronik som arbetar allt snabbare, vilket ytterligare förstärker problemet.

Elektriska störningar – det som på fackspråk kallas Electromagnetic Interference (EMI) – är inte något nytt. I system som tåg och spårvagnar har ledningsbundna störningar, impedanskopplingar och resonansfenomen studerats och hanterats i många decennier. Men i moderna elfordon uppträder dessa störningar i en mycket tätare och mer komplex elektrisk miljö.

Elektriska störningar – det som på fackspråk kallas Electromagnetic Interference (EMI) – är inte något nytt. I system som tåg och spårvagnar har ledningsbundna störningar, impedanskopplingar och resonansfenomen studerats och hanterats i många decennier. Men i moderna elfordon uppträder dessa störningar i en mycket tätare och mer komplex elektrisk miljö.

Den snabba elektrifieringen av fordon, särskilt inom tunga transporter, innebär att dessa utmaningar nu uppträder i en bransch som historiskt har förlitat sig på mekanisk kraftöverföring eller enklare generatorbaserade elsystem. För att verifiera elektriska delsysxi tem används ofta standardiserade provmetoder. En vanlig metod är att mäta störningar genom ett Line Impedance Stabilization Network (LISN) – ett instrument som ger en fast och reproducerbar elektrisk miljö för testning. Syftet är att säkerställa jämförbarhet mellan olika tester, men metoden bygger på antagandet att denna standardiserade miljö liknar den verkliga miljön i ett fordon.

Denna avhandling visar att så inte alltid är fallet. Genom modellering och analys av kompletta fordonssystem kan man se att den impedans som ett delsystem faktiskt upplever beror starkt på fordonets konfiguration: antal och typ av batterier, olika omvandlare, kablarnas längder och deras inbördes placering. Både impedansens storlek och dess resonansbeteende skiljer sig ofta markant från den miljö som skapas av ett LISN – både i differential- och common-mode-fall.

Sammanfattningsvis presenterar avhandlingen ett systemorienterat ramverk för att förstå och analysera ledningsbundna elektromagnetiska störningar i elfordon. Genom att kombinera modellering, mätning och analys av fordonets impedans tydliggörs begränsningarna med att testa komponenter isolerat och vikten av att betrakta fordonet som ett integrerat elektriskt system. Simuleringarna överensstämmer sällan exakt med mätningarna, men de hjälper till att förstå hur systemet fungerar. Avhandlingen visar också att det som uppmäts i ett system som på något sätt är påverkat av mätinstrument inte alltid speglar det sanna beteendet när dessa instrument kopplats bort.

Arbetet är avsett att fungera som ett uppslagsverk och en praktisk vägledning för ingenjörer och forskare som vill förstå hur delsystemsinteraktioner, elektrisk impedans och resonanser påverkar EMI-beteendet i moderna elfordon.

• author: Widek, Per
• supervisor: Mats Alaküla; Hans Bängtsson
• opponent: Prof. Hoene, Eckart, Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM, Germany.
• organization: Division for Industrial Electrical Engineering and Automation
• publishing date: 2026-05-05
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
• pages: 408 pages
• defense location: Lecture Hall M:B, building M, Ole Römers väg 1F, Faculty of Engineering LTH, Lund University, Lund.
• defense date: 2026-06-08 09:15:00
• ISBN: 978-91-985110-8-6
• ISBN: 978-91-985110-9-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: d5ab77c5-be3d-413d-a710-237ee2a8253d
• date added to LUP: 2026-05-05 14:42:36
• date last changed: 2026-05-11 09:31:30