Design of a torque vectoring system with slip control and state estimator for a 4WD electric hypercar

The growth in electric vehicle development has been driven by the increasing demand for eco-friendly transportation solutions. This is because they offer significant advantages over traditional combustion engine cars in terms of reduced emissions, lower operating costs and superior performance. As a result, there has been also an increase in the demand of high-performance electric cars, particularly hypercars, which require advanced control systems capable of delivering maximum power while ensuring safety during driving. The possibility to introduce four electric motors in hypercars has been a significant improvement as it allows for a more efficient and high-performing torque distribution, thereby enhancing vehicle performance and safety. To achieve this, among the existing algorithms, this thesis proposes the design and implementation of a torque vectoring approach, which optimally allocates each motor torque and brake pressure. The control system includes a high-performance non-linear slip control module, which enables maximum wheel adherence during aggressive maneuvers, thereby stabilizing the system and extracting maximum performance. Moreover, it features an estimation algorithm that can estimate the states of the vehicle that are typically unmeasurable with standard production car sensors. After an intensive testing phase on an ad-hoc simulation environment, the designed control system has proven to be effective in stabilizing the vehicle in every safety-critical situations, while improving vehicle handling and feel. The performance of the vehicle have seen also an important improvement as it can extract the maximum power and reach its limits.

La crescita nello sviluppo di veicoli elettrici è stata spinta dalla crescente domanda di soluzioni di trasporto ecologiche. Questo in quanto offrono vantaggi significativi rispetto alle auto tradizionali a motore a combustione interna, quali le ridotte emissioni, i minori costi operativi e le prestazioni superiori. Di conseguenza, c'è stato anche un aumento della domanda di auto elettriche ad alte prestazioni, in particolare le hypercar, che richiedono sistemi di controllo avanzati in grado di erogare la massima potenza garantendo la sicurezza durante la guida. La possibilità di introdurre quattro motori elettrici nelle hypercar è stata un'importante evoluzione poiché consente una distribuzione della coppia più efficiente e performante, migliorando le prestazioni e la sicurezza del veicolo. Per ottenere ciò, tra i vari algoritmi esistenti, questa tesi propone lo sviluppo e l'implementazione di un algoritmo di distribuzione della coppia, il quale alloca in modo ottimo la coppia dei motori e la pressione dell'impianto frenante. Il sistema di controllo include, inoltre, un modulo di controllo non lineare della trazione delle gomme, che consente la massima aderenza delle ruote anche durante manovre aggressive, stabilizzando così il sistema ed estraendo le massime prestazioni. Inoltre, presenta un algoritmo di stima in grado di stimare gli stati del veicolo che sono tipicamente non misurabili con i sensori standard delle auto di produzione. Dopo una fase intensiva di test in un ambiente di simulazione ad-hoc, il sistema di controllo progettato si è dimostrato efficace nella stabilizzazione del veicolo in ogni situazione di emergenza, migliorando sia la maneggevolezza che la sensazione di guida del veicolo. Le prestazioni del veicolo hanno visto anche un importante miglioramento in quanto l'algoritmo proposto è in grado di estrarre dalla vettura la massima potenza, raggiungendo i suoi limiti.