Analisi di un powertrain elettrico per vettura da competizione : modello energetico, controllo e confronto tra architetture RWD e 4WD

The thesis describes the design of an electric powertrain for a full electric vehicle for a Formula student race. The main differences in the design between electric vehicle and thermal vehicle are shown. For example, electric vehicles autonomy is the most prominent issue among the problems that may occur; this is because it is linked with the amount of energy stored in the battery pack characterized by a very low energy density compared with the fossil fuel. In fact, in thermal vehicles the weight of an extra amount of fuel guarantees much more autonomy with a very low impact on the performance of the vehicle. On the contrary, in electric vehicles witch the actual accumulator technology only an extra amount of energy of 0.23 kW/h implies and an increase of 1kg. Therefore, the necessity to find the maximum efficiency of the whole powertrain and to realize accurate models which estimate the total power consumption of a generic work cycle. The problem mentioned above has a stronger impact in case of competition vehicles. For this reason, the technical decisions thorough the thesis consider a driver energy request compatible within a competition context. My standpoint is thus to realize a MATLAB-Simulink model able to compute the power consumption of the whole powertrain (both in case of RWD or 4WD architecture of the electric competition vehicle), given a certain amount of the energy request “at the wheel” by the driver.

La tesi si occupa di descrivere il design del powertrain di un veicolo da competizione FSAE quindi completamente elettrico. Vengono mostrate le principali problematiche in ambito progettuale e come essere differiscono da quelle della formula FSAE in cui sono utilizzati veicoli a motore ICE. Tra queste, la più influente è senz’altro l’autonomia dei veicoli elettrici legata alla quantità di energia immagazzinata nella batteria; un problema che nei veicoli a motore termico non era presente in merito all’elevatissima densità energetica dei combustibili fossili e che invece influisce pesantemente sulle performance del veicolo elettrico costringendo i progettisti a tenere in considerazione il rapporto tra peso della vettura (performance) ed autonomia. Mentre infatti il peso di qualche litro in più di carburante ha un impatto irrisorio sulle prestazioni garantendo maggiore autonomia, nel caso del veicolo elettrico non è così, basti pensare che, con la tecnologia degli accumulatori attuale, 0.23 kW/h di energia comportano un aumento di peso di 1kg. Ecco quindi la necessità di ricercare la massima efficienza dell’intero powertrain della vettura e di realizzare modelli che stimino i consumi di un determinato ciclo di lavoro. Il problema appena descritto ha ovviamente un impatto maggiore qualora si stia progettando un veicolo da competizione ragion per cui le decisioni di carattere tecnico durante la tesi vengono effettuate nell’ottica di una richiesta energetica da parte del pilota compatibile con quella di una gara. L’obiettivo della tesi è quindi quello di realizzare un modello MATLAB-Simulink che effettui la stima dei consumi dell’intero powertrain di una vettura elettrica da competizione (RWD e 4WD) data una certa richiesta energetica “alla ruota” da parte del pilota.