Optimal design of highly efficient vehicles

The aim of this research is to define a general method for the optimal design of high-efficiency vehicles. The object of study is an ultra efficient lightweight quadricycle, specially conceived to participate in energy efficiency competitions. More specifically, a single-seat battery-powered electric vehicle, featuring extremely low mass and drag resistance is addressed. The proposed design method consists of three steps. In the preliminary stage of the design process of an ultra energy-efficient vehicle a detailed study of the power demand is required. The objective is to investigate the effect of the main vehicle design parameters on the energy consumption. This stage provides design engineers with useful information for the identification of the key parameters to be kept under control in the design phase. For this purpose, a sensitivity analysis of the power demand with respect to three parameters (i.e. mass, aerodynamic coefficient and tire rolling resistance coefficient) is carried out. Mass reduction leads to major improvements in terms of energy economy, a further and in-depth analysis of the energy demand is performed. The effect of the main vehicle inertial parameters is studied, i.e. mass of the vehicle and mass of the rotating parts. The latter shows a non-negligible influence on the power demand, too. The power demand analysis is performed exploiting a developed tank-to-wheels multi-physics (thermo-electro-mechanical) model of the vehicle. The second step of the proposed method uses the findings of the power demand analysis to obtain the optimal design of vehicle components. Two different approaches are used and many application examples are reported in the thesis. An optimization procedure to be adopted for designing lightweight and safe wheels is presented. The key point of the proposed optimization approach is the capability to manage the large number of design variables and design criteria that characterize the wheels optimization process. The described approach relies on the combination of simplified finite element models of both the tire and the wheel rim and global approximation techniques. A multi-objective optimization problem, for minimum mass and compliance, is formulated to obtain the optimal rim size, number and type of the spokes, spokes structural layout. Design constraints related to wheel safety, structural stiffness and manufacturability are included. The proposed design method presents a "modular" approach, allowing to easily include additional wheel layouts and shapes and different load cases. The design and production process of the vehicle chassis is also considered. The chassis is quite innovative and features a spatial shell architecture. Advanced lightweight materials are used for obtaining a chassis featuring reduced mass and proper levels of strength and structural stiffness. In particular, the chassis exploits sandwich structures made from an expanded polypropylene (EPP) foam core and carbon fiber-reinforced polymer external skins. The production process involves milling operation to shape the EPP core and autoclave curing to obtain a final product with high strength and good aesthetic qualities. The design procedure exploits a finite element modelling approach to assess structural stiffness, strength and vibration behaviour of the chassis. Numerical modelling is also employed to carry out an ergonomic analysis aimed at evaluating comfort and visibility for the driver in the cockpit. Finally, given the great influence of the driving strategy on the vehicle energy demand, in the last step of the proposed method the topic of the optimal energy management during vehicle use is addressed. The objective is to define the optimal driving strategy for a given track route. The developed multi-physics model of the vehicle is employed for the driving strategy optimization. The objective is to minimize the energy consumption to run on a given track, within a time limit. Design variables define the transmission gear ratio and the time history of the input throttle command. The effect of different driving scenarios and the influence of mixed traffic conditions are not considered in the optimization procedure. However, eco-driving strategies, aiming at the minimisation of the energy demand, are more difficult to achieve if real driving conditions are considered. For this reason, a further power demand analysis is performed. In particular, an experimental campaign is carried out exploiting the dynamic driving simulator (DriSMi) installed at Politecnico di Milano, with the aim of providing a quantitative assessment of the effect of the driver action and road traffic conditions in the real implementation of the eco-driving strategy. The procedure is based on the definition of digital twins of both the vehicle and the driving scenario, which are used in the driving simulator to accurately evaluate the power demand. The digital twin of the vehicle features numerical models of vehicle body, suspensions, tires, brakes, steering system and electric powertrain. It is employed to solve an optimal energy management problem and the obtained optimal solution is used as benchmark for the experimental campaign. Results state that, in a realistic driving scenario, the energy demand could increase more than 20% with respect to the value estimated by a reference theoretical model.

L’obiettivo della presente attività di ricerca è la definizione di un metodo generalizzato per la progettazione ottima di veicoli ad alta efficienza energetica. L’oggetto di studio è quadriciclo leggero ultra-efficiente, appositamente progettato per competere in competizioni sull’efficienza energetica. Nello specifico, si tratta di un veicolo monoposto elettrico alimentato a batteria, caratterizzato da massa e resistenza all’avanzamento estremamente ridotte. Il metodo proposto è composto da tre fasi. Nella fase preliminare del processo di progettazione di un veicolo ad altissima efficienza energetica è necessario uno studio dettagliato del consumo energetico. L'obiettivo è studiare l'effetto dei principali parametri di progettazione del veicolo sul consumo di energia. Questa fase fornisce ai progettisti informazioni utili per l'identificazione dei parametri chiave da tenere sotto controllo in fase di progettazione. A tal fine viene effettuata un'analisi di sensitività della potenza richiesta rispetto a tre parametri (massa, coefficiente aerodinamico e coefficiente di resistenza al rotolamento degli pneumatici). La riduzione di massa porta a importanti miglioramenti in termini di risparmio energetico. Viene eseguita un'ulteriore e approfondita analisi del consumo di energia in cui è studiato l'effetto dei principali parametri inerziali del veicolo, vale a dire massa del veicolo e massa delle parti rotanti. Anche quest'ultimo mostra un'influenza non trascurabile sul consumo energetico. L'analisi della richiesta di potenza viene eseguita sfruttando un modello multi-fisico (termo-elettromeccanico) del veicolo. La seconda fase del metodo proposto utilizza i risultati dell'analisi della richiesta di potenza per ottenere la progettazione ottima dei componenti del veicolo. Vengono utilizzati due diversi approcci e molti esempi di applicazione sono riportati nella tesi. E’ presentata una procedura di ottimizzazione da adottare per la progettazione di cerchi ruota leggeri e sicuri. Il punto chiave dell'approccio di ottimizzazione proposto è la capacità di gestire l’elevato numero di variabili di progetto e criteri progettuali che caratterizzano il processo di ottimizzazione dei cerchioni. L'approccio descritto si basa sulla combinazione di modelli a elementi finiti semplificati sia del pneumatico che del cerchione e tecniche di approssimazione globale. Viene formulato un problema di ottimizzazione multi-obiettivo, volto a minimizzare la massa e massimizzare la rigidezza, al fine di ottenere la dimensione ottimale del cerchione, il numero e il tipo di raggi, il layout strutturale dei raggi. Sono inclusi vincoli progettuali relativi alla sicurezza, alla rigidezza strutturale e alla produzione. Il metodo di progettazione proposto presenta un approccio "modulare", che consente di includere facilmente ulteriori layout e forme del cerchione e diversi casi di carico. Viene anche considerato il processo di progettazione e produzione del telaio del veicolo. Il telaio è abbastanza innovativo e presenta un'architettura “spatial shell”. Per ottenere un telaio con massa ridotta e adeguati livelli di resistenza e rigidezza strutturale vengono impiegati materiali leggeri avanzati. In particolare, il telaio sfrutta strutture sandwich costituite da un nucleo in schiuma di polipropilene espanso (EPP) e pelli esterne in fibra di carbonio a matrice polimerica. Il processo di produzione prevede la lavorazione di fresatura per realizzare la forma del nucleo e il processo di polimerizzazione in autoclave per ottenere un prodotto finale con elevata resistenza e buone qualità estetiche. La procedura di progettazione adotta un approccio di modellazione a elementi finiti per valutare la rigidezza strutturale, la resistenza e il comportamento vibrazionale del telaio. La modellazione numerica è impiegata anche per effettuare un'analisi ergonomica volta a valutare il comfort e la visibilità del conducente nell’abitacolo. Infine, data la grande influenza della strategia di guida sul consumo di energia del veicolo, nell'ultima fase del metodo proposto viene affrontato il tema della gestione energetica ottimale durante l'uso del veicolo. L'obiettivo è definire la strategia di guida ottimale per un determinato percorso. Il modello multi-fisico sviluppato del veicolo è impiegato per l'ottimizzazione della strategia di guida. L'obiettivo è quello di minimizzare il consumo di energia per percorrere un determinato percorso, entro un limite di tempo. Le variabili di progetto definiscono il rapporto di trasmissione e la storia temporale del comando dell’acceleratore. L'effetto di diversi scenari di guida e l'influenza di condizioni di traffico misto non sono considerati nella procedura di ottimizzazione. Tuttavia, le strategie “eco-drive”, volte a minimizzare il consumo di energia, sono più difficili da seguire se si considerano delle condizioni di guida reali. Per questo motivo, viene eseguita un'ulteriore analisi del consumo di energia. In particolare viene condotta una campagna sperimentale utilizzando il simulatore dinamico di guida (DriSMi) installato al Politecnico di Milano, al fine di fornire un’analisi quantitativa dell'effetto dell'azione del conducente e delle condizioni del traffico stradale nella reale implementazione di strategie “eco-drive”. La procedura si basa sulla definizione di “digital twin” sia del veicolo che dello scenario di guida, utilizzati nel simulatore di guida per valutare con precisione la richiesta di potenza. Il “digital twin” del veicolo presenta modelli numerici di telaio, sospensioni, pneumatici, freni, sistema di sterzo e sistema di propulsione elettrico. Esso è impiegato per risolvere un problema di ottimizzazione del consumo energetico e la soluzione ottima ottenuta è utilizzata come riferimento per la campagna sperimentale. I risultati indicano che, in uno scenario di guida realistico, il consumo di energia può aumentare di oltre il 20% rispetto al valore stimato da un modello teorico di riferimento.