Analysis and comparison of conventional and BBW braking system layouts for electric vehicle applications

The recently increasing global concern towards sustainability and greenhouse gas emission reduction has boosted the diffusion of electric vehicles. The research on this topic mainly focuses on either re-designing or adapting most of the conventional vehicle subsystems, especially the propulsion motor and the braking components. The present thesis aims to model, analyze and compare three braking system layouts representing passenger cars past, present, and future: a conventional hydraulic braking system, an integrated electrohydraulic braking system, and a distributed electro-hydraulic brake system. As a starting point, the idea of the work is to develop a complete digital twin of the target battery electric vehicle (BEV) to reproduce car, tire, and powertrain dynamics and to macro-validate it. This is necessary to simulate conventional driving scenarios, in which regenerative braking is also considered. The discussion focuses on an in-depth description, modeling, and integration of the first two braking systems with the rest of the vehicle model. Then, the third braking system layout is designed and sized by the authors referring to previous studies. Moreover, a novel control strategy is built for accurate pressure tracking, and a mixed slip-acceleration ABS control logic is implemented. Finally, each of the proposed braking systems is tested regarding braking performances in conventional and emergency-like driving scenarios. In addition, power flows and energy distributions between the different sub-components are highlighted to assess the differences in technology and electrical consumption. Results show that the distributed braking system can guarantee a new type of pressure modulation and improved dynamic response while reaching high performances in dry road conditions. On the other hand, the proposed algorithm shows less robustness in different adhesion conditions than the first two well-consolidated designs and more consistent energy consumption. However, according to the authors, it can be considered a good starting point for further studies regarding a more robust pressure control and electric motor specs optimization.

La crescente attenzione globale verso la sostenibilità e la riduzione delle emissioni di gas serra ha stimolato la diffusione dei veicoli elettrici. La ricerca su questo tema si concentra principalmente sulla riprogettazione o sull’adattamento della maggior parte dei sottosistemi convenzionali dei veicoli, in particolare il motore di propulsione e i componenti del sistema frenante. L’obiettivo della presente tesi è di modellare, analizzare e confrontare tre layout di sistema frenante che rappresentano il passato, il presente e il futuro delle auto commerciali: un sistema frenante idraulico convenzionale, uno elettro-idraulico integrato ed uno elettro-idraulico distribuito o decentralizzato. Come punto di partenza, l’idea del lavoro è quella di sviluppare un digital-twin completo del veicolo elettrico in questione per riprodurre la dinamica del veicolo, degli pneumatici e del powertrain e di macrovalidarlo. Ciò si rivela necessario per simulare scenari di guida convenzionali, tenendo in considerazione anche la frenata rigenerativa. La discussione si concentra successivamente sulla descrizione, la modellazione e l’integrazione dei primi due sistemi frenanti con la restante parte del modello di veicolo. In seguito, il layout del terzo sistema frenante è progettato e dimensionato dagli autori facendo riferimento a studi precedenti. Viene quindi costruita una nuova strategia di controllo per un tracking accurato della pressione. Segue l’implementazione di un’innovativa logica di controllo ABS che combina slittamento e decelerazione della ruota. Infine, ciascuno dei sistemi frenanti proposti è testato per quanto riguarda le prestazioni di frenata in scenari di emergenza e di guida convenzionale. Inoltre, vengono evidenziati anche i flussi energetici per valutare le differenze tecnologiche e di consumo. I risultati mostrano che il sistema distribuito può garantire un nuovo tipo di modulazione della pressione e una rapida risposta dinamica, raggiungendo inoltre prestazioni elevate in condizioni di strada asciutta. D’altra parte, l’algoritmo di controllo proposto mostra una minore robustezza in diverse condizioni di aderenza rispetto ai primi due design ben consolidati e un maggiore consumo energetico. Tuttavia, secondo gli autori, può essere considerato un buon punto di partenza per ulteriori studi sul controllo robusto della pressione di attuazione e sull’ottimizzazione delle specifiche del motore elettrico.