Development of multibody model of a formula SAE electric car for torque vectoring control design. Analysis of a dynamic stability controller in transient cornering manoeuvres

Recently, the Formula SAE/Student university competition has been influenced by the transition towards electric mobility that the automotive sector is experiencing due to strict legislation on pollution and CO2 emissions. Although limitation due to battery weight and vehicle driving range, the implementation of an electric powertrain has shown to be beneficial for an FSAE vehicle performance in dynamic events thanks to better torque availability and energy efficiency of this layout. The aim of this thesis project is to address the advantages that electric motors may give to handling performance and vehicle stability, especially in transient manoeuvres, by means of torque vectoring control. The proposed controller is intended for the implementation on an experimental Formula Student vehicle, which has been developed by the electrification of a baseline chassis from 2013 DP5 race car. The vehicle, namely the DP5e, has a RWD driveline with two independent electric motors and a control unit encoded with LabVIEW programming language. During this project, designing, manufacturing and assembling of a new suspension has been carried out, as well as testing of the powertrain operation. A multibody vehicle model has been developed to evaluate the vehicle dynamic response and the control action in a Simulink/Simscape environment. Simulations of open-loop and closed-loop manoeuvres show clear advantages in terms of vehicle stability and safety in critical handling conditions, although the control action may affect the cornering performance: thus a tuning of controller gains might be argued.

Negli ultimi anni la competizione universitaria di Formula SAE/Student è stata influenzata dalla transizione verso la mobilità elettrica che sta interessando tutto il settore automobilistico spinta dalla stringente legislazione sull’inquinamento e sulle emissione di CO2. Nonostante le limitazioni dovute al peso delle batterie a all’autonomia di guida, la messa a punto di un powertrain elettrico si è mostrata vantaggiosa per un veicolo FSAE riguardo la prestazione negli eventi dinamici, grazie alla migliore guidabilità e all’efficienza energetica di questo layout. Lo scopo di questo progetto di tesi è analizzare i benefici che un motore elettrico consente in termini di maneggevolezza e stabilità del veicolo, soprattutto nelle fasi di transitorio, tramite l’utilizzo di un controllo del vettore di coppia (torque vectoring). Il controllore proposto è stato pensato per l’implementazione in un veicolo sperimentale di Formula Student, che è stato sviluppato tramite l’elettrificazione del telaio DP5 non più utilizzato dal 2013. La DP5e consiste in un veicolo a trazione posteriore dotato di due motori elettrici indipendenti controllati da una centralina elettronica programmata in linguaggio LabVIEW. Durante questo progetto è stato portato a termine lo sviluppo, la produzione e l’assemblaggio di un nuovo sistema di sospensioni, in parallelo ad una fase di test del funzionamento powertrain. Un modello multibody del veicolo e dell’azione di controllo è stato sviluppato in ambiente Simulink/Simscape. Le simulazioni di manovre ad anello aperto e ad anello chiuso mostrano i chiari vantaggi in termini di stabilità e sicurezza del veicolo in condizioni limite di tenuta di strada, anche se l’azione di controllo può impattare sulle prestazioni in curva: per questo motivo è stato considerata una valutazione degli adeguati guadagni del controllore.