Formula SAE electric : design of a resonant converter for the regenerative braking system applied to an ultracaps-based storage

In this work, a model to simulate an electric vehicle for Formula SAE electric competition is built. The electric motor, the vehicle dynamics, the braking system and the hybrid storage system of Li-ion batteries and ultra-capacitors are implemented. The energy of the regenerative braking is differently stored in the Battery Pack (BP) and in the Ultra-Caps (UC) pack through the Kinetic Energy Recovery System (KERS). The model provides all the current and voltage variables needed to describe the functioning of the electrical part. Thanks to the simulation results, the prototype proves to be able to accomplish the race tests. Then, a bidirectional DC-DC resonant converter, applied to the UC pack managing, is studied and the topology states of the chosen configuration are theoretically analyzed. The operational limits, keeping the soft-switching properties, are discussed and the results show the capability of the designed converter to operate under resonant mode in both boost and buck mode. The switching losses are significantly reduced at high and low switching frequency. The drawback of this configuration is the presence of high current peaks in the resonant inductor that influence the power manageable by the converter. The use of more than one converter in interleaving and the insertion of a capability factor ensure the proper operability of the system.

In questo lavoro, é stato costruito un modello per la simulazione di un veicolo elettrico per competere nella Formula SAE elettrica. Sono stati implementati il motore elettrico, la dinamica del veicolo, l’impianto frenante e il sistema di stoccaggio ibrido delle batterie agli ioni di litio e degli ultra-condensatori. L’energia rigenerativa della frenata é immagazzinata differenzialmente nel pacco batteria e negli ultra-capacitori (UC) attraverso il Kinetic Energy Recovery System (KERS). Il modello fornisce tutte le variabili di corrente e tensione del veicolo. Grazie ai risultati della simulazione, il prototipo dimostra di essere in grado di eseguire i test di gara. Di seguito, é stato studiato un convertitore risonante bidirezionale DC-DC, applicato alla gestione del pacco UC, e ne sono stati analizzati gli stati topologici. Vengono discussi i limiti operativi, mantenendo le proprietá di "soft-switching" e i risultati mostrano che il convertitore é in grado di operare come da progetto sia in modalitá boost che in modalitá buck. Le perdite di commutazione sono significativamente ridotte sia ad alta frequenza che in bassa. Lo svantaggio di questa configurazione é la presenza di elevati picchi di corrente nell’induttore di risonanza che influenzano la potenza gestibile dal convertitore. L’uso di piú di un convertitore in interleaving e l’inserimento di un "capacity factor" garantiscono la corretta operativitá del sistema.