Numerical model of an electric vehicle for Shell Eco Marathon competition and driving strategy optimisation for minimum energy consumption

This thesis work is focused on the developement of a numerical model of a battery electric vehicle for Shell Eco Marathon competition. The model is based on Simulink and aims to compute the energy consumption of the vehicle under real race operating conditions. The main resistant forces to the vehicle forward motion are considered. A simple electro-mechanical model of the DC electric motor and of the litium battery pack are developed. The thermal behaviour of the motor is included in the model. Given the map of the circuit and the throttle time history, the model computes the vehicle speed and energy consuption. The developed model was validated by means of experimental tests under controlled operating conditions. Experimental validations were performed considering simple driving scenarios such as a rectilinear acceleration and driving on an oval racetrack. A sensitivity analysis was performed to understand the effect of the main vehicle parameters on the energy consuption. The evaluated parameters are the vehicle mass, the drag coefficient and the effective rolling resistance parameter which are the most influencing physical quantities on vehicle performances. Finally, the driving strategy was optimised in order to minimise the energy consumption during the race. The optimisation process of the race strategy is carried out using a genetic algorithm, aimed to find the optimal input throttle profile of the driver for vehicle consumption minimisation. Starting with a population of properly constructed time series of vehicle input signal, the algorithm moves to the best possible solution considering constraints on the minimum distance to be covered and on the maximum admissible current provided by the battery. In the optimisation process, both the driving strategy and the vehicle gear ratio were optimised.

La presente tesi è incentrata sullo sviluppo di un modello numerico di un veicolo elettrico progettato per Shell Eco Marathon. Il modello è sviluppato su Simulink e ha l'obiettivo di calcolare il consumo energetico del veicolo in reali condizioni di gara. Le principali resistenze al moto sono state considerate. Sono stati sviluppati un modello elettromeccanico semplificato del motore e uno della batteria a Litio. Il modello termico dei motori elettrici è stato considerato. Il modello calcola i consumi del veicolo e il profilo di velocità sostenuto, dati in ingresso la mappa del circuito e il profilo di acceleratore. Il processo di validazione è basato su prove sperimentali con condizioni operative controllate. Le validazioni sperimentali sono state fatte considerando semplici scenari di guida come un'accelerazione rettilinea e una guida su un circuito di gara ovale. Un'analisi di sensitività è stata fatta per capire l'effetto dei principali parametri del veicolo sul consumo di energia. I parametri considerati sono la massa del veicolo, il coefficiente di resistenza aerodinamica a il coefficiente di resistenza al rotolamento che sono i parametri più influenti sul consumo del veicolo in esame. Il processo di ottimizzazione della strategia di gara è stato condotto mediante l'uso di un algoritmo genetico al fine di trovare il profilo ottimo del comando acceleratore pilota che minimizzi i consumi del veicolo. Partendo da una popolazione iniziale di storie temporali propriamente definite di comando pilota, l'algoritmo si muove verso la soluzione di ottimo considerando dei vincoli sul minimo spazio da percorrere e sulla massima corrente ammissibile in uscita dalla batteria. Durante il processo di ottimizzazione sono stati ottimizzati sia la strategia di gara che il rapporto di trasmissione.