Development of a Real-Time Energy Management Strategy for Hybrid Battery Packs in Formula E Racing Vehicles

Vehicle electrification has become a dominant trend in the automotive industry, extending from small hybrid and fully electric vehicles (EVs) to high-performance electric racing cars, such as those in Formula E. This shift towards electric powertrains offers numerous advantages, including higher motor efficiency, reduced emissions, and decreased noise levels. However, with respect to fuel-based vehicles, batteries represent the main shortcoming in EVs, due to lower energy and power densities compared to fuel tanks. Indeed, the battery sizing in EVs represents a significant challenge, particularly in racing applications where the size of the battery greatly impacts vehicle performance. In this context, hybrid battery packs (HBPs) represent an attractive solution. HBPs are made of different cell technologies featuring complementary characteristics, which cannot be simultaneously provided by a single-cell type. Specifically, HBPs effectively manage the well-known trade-off between high energy and high power density by incorporating cells with complementary properties into a single battery pack. This research focuses on developing real-time energy management strategies (EMS) for hybrid battery packs (HBPs), specifically referring to the Formula E Gen4 battery model. The study builds upon a three-layer optimization framework initially developed for single-cell powertrain design and subsequently extended to hybrid battery packs (HBPs). Initially, a basic approach that allocates power between two batteries using a constant coefficient, \(\alpha\), is employed. Recognizing the limitations of this strategy, the study transitions to the Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS), typically applied to Hybrid Electric Vehicles (HEVs), and adapts it for a HBP in a racing EV. Within the ECMS control strategy, the parameter \(\lambda\) is tuned and optimized. The selected circuit for the analysis is the Marrakech Formula E-Prix Street Circuit. The results from the implicit three-layer optimization framework, defined as the minimum race time achieved with an HBP powertrain, are compared with those obtained with the explicit real-time EMS formulation. To evaluate the performances of the latter one, the same optimal HBP sizing is considered.

L'elettrificazione dei veicoli è diventata una tendenza dominante nell'industria automobilistica, estendendosi dai piccoli veicoli ibridi e completamente elettrici (EV) fino alle auto da corsa ad alte prestazioni elettriche, come quelle della Formula E. Questo passaggio ai gruppi propulsori elettrici offre numerosi vantaggi, tra cui una maggiore efficienza del motore, ridotte emissioni e livelli di rumore diminuiti. Tuttavia, rispetto ai veicoli a combustibile, le batterie rappresentano il principale svantaggio nei veicoli elettrici, a causa delle minori densità energetica e di potenza rispetto ai serbatoi di carburante. Infatti, la dimensione delle batterie nei veicoli elettrici rappresenta una sfida significativa, in particolare nelle applicazioni di corsa dove la dimensione della batteria influisce notevolmente sulle prestazioni del veicolo. In questo contesto, i pacchi batteria ibridi (HBP) rappresentano una soluzione attraente. Gli HBP sono costituiti da diverse tecnologie di celle che presentano caratteristiche complementari, che non possono essere fornite contemporaneamente da un singolo tipo di cella. Nello specifico, gli HBP gestiscono efficacemente il ben noto compromesso tra alta densità energetica e alta densità di potenza, incorporando celle con proprietà complementari in un unico pacco batteria. Questa ricerca si concentra sullo sviluppo di strategie di gestione dell'energia (EMS) in tempo reale per pacchi batteria ibridi (HBP), con particolare riferimento al modello di batteria Formula E Gen4. Lo studio si basa su un framework di ottimizzazione a tre livelli inizialmente sviluppato per il design del gruppo propulsore a cella singola e successivamente esteso ai pacchi batteria ibridi (HBP). Inizialmente, viene impiegato un approccio di base che distribuisce la potenza tra due batterie utilizzando un coefficiente costante, \(\alpha\). Riconoscendo i limiti di questa strategia, lo studio passa alla Strategia di Minimizzazione del Consumo Equivalente (ECMS), tipicamente applicata ai Veicoli Ibridi Elettrici (HEV), e la adatta per un HBP in un veicolo elettrico da corsa. All'interno della strategia di controllo ECMS, il parametro \(\lambda\) viene regolato e ottimizzato. Il circuito selezionato per l'analisi è il Circuito Cittadino di Marrakech del Formula E-Prix. I risultati del framework di ottimizzazione implicito a tre livelli, definito come il tempo minimo di gara raggiunto con un gruppo propulsore HBP, sono confrontati con quelli ottenuti con la formulazione esplicita di EMS in tempo reale. Per valutare le prestazioni di quest'ultimo, viene considerata la stessa dimensione ottimale dell'HBP.