On the effects of in-wheel motors and torque vectoring on the front suspension geometry of an EV

The climate crisis demands policies targeting net-zero greenhouse gas emissions. In the light-duty transports sector, direct electrification is the technology with the highest well-to-wheel efficiency, therefore battery electric vehicles (BEVs) are growing in popularity. One of the most interesting drivetrain layouts for these vehicles, is the four in-wheel motors (IWM) layout, because of its advantages in terms of packaging and ease of implementation of torque vectoring (TV) control strategies. TV, in particular, allows to improve stability, cornering performance and efficiency of the vehicle by independently driving each wheel, generating asymmetric traction and braking forces. The aim of this work is to understand how to rethink the front suspension and steering geometry of an EV equipped with IWMs subject to torque vectoring, in order to exploit the advantages of this architecture, and address its shortcomings. In particular, it will be demonstrated, through numerical simulations, that TV enables to approach the front suspension alignment differently, reducing the resistance to forward motion at no loss of cornering performance. Furthermore, it will be shown that TV reduces energy losses due to scrubbing under large lateral loads, compared to a passive vehicle with the same front suspension setup. Moreover, the adverse effects on the steering torque due to the asymmetric traction forces generated by IWMs will be analysed, with the intent of identifying the parameters of the front suspension geometry that can be tuned, and how to tune them, to address these issues. In order to perform the analyses, a feedback yaw rate and side slip angle controller has been developed. The control logic has then been implemented through MATLAB Simulink, allowing to simulate the test manoeuvres with software-in-the-loop (SIL) simulations performed through VI-CarRealTime.

La crisi climatica richiede politiche che mirino ad annullare le emissioni nette di gas serra. Nel settore dei trasporti leggeri, l’elettrificazione diretta è la tecnologia con la maggiore efficienza well-to-wheel, pertanto i veicoli elettrici a batteria (BEV) crescono in popolarità. Uno dei layout più interessanti per questi veicoli, è il layout a quattro in-wheel motors (IWM), per via dei suoi vantaggi in termini di packaging e facilità di implementazione delle logiche di controllo torque vectoring (TV). Il TV, in particolare, permette di migliorare stabilità, prestazioni in curva ed efficienza del veicolo, fornendo motricità indipendentemente a ciascuna ruota, generando forze di trazione e frenata asimmetriche. L'obiettivo di questo lavoro é di capire come ripensare la geometria della sospensione anteriore e dello sterzo, su un EV equipaggiato con IWM e soggetto a torque vectoring, per sfruttare i vantaggi di questa architettura, e risolverne i difetti. In particolare, verrà dimostrato, tramite simulazioni numeriche, che il TV permette di approcciare l'allineamento della sospensione anteriore diversamente, consentendo di ridurre la resistenza all'avanzamento senza perdite di prestazione in curva. Inoltre, verrà mostrato che il TV riduce le perdite di energia dovute allo scrubbing in condizioni di alto carico laterale, in confronto a un veicolo passivo con lo stesso setup della sospensione anteriore. Successivamente, verranno analizzati gli effetti negativi sulle coppie allo sterzo dovuti alle forze di trazione asimmetriche generate dagli IWM, con l'obiettivo di identificare quali parametri della geometria della sospensione anteriore possono essere regolati, e come regolarli, per risolvere questo problema. Per svolgere le analisi, è stata sviluppata una strategia di controllo in anello chiuso della velocità di imbardata e dell'angolo di slittamento. Questa logica di controllo è stata implementata tramite MATLAB Simulink, permettendo di simulare le manovre di test con simulazioni software-in-the-loop svolte tramite VI-CarRealTime.