Joint design of vehicle dynamics and energy management control strategies for electric vehicles

In this thesis, we investigate the energy-oriented modeling, identification and control of light electric two-wheeled vehicles (EV). In particular, we present a novel model-based energy management system, which aims at reducing the energy consumption on board by actively modifying the driving-style. The proposed spatially-distributed and hierarchical control architecture is capable of regulating the battery state of charge by imposing a desired discharge rate. The discharge rate is tracked by means of speed and acceleration controllers, which intervene to control the vehicle dynamics conforming to the high-level energy control policies. The latter are adapted in accordance with the a-priori knowledge of the route, by using cartographic data and road slope information available on the internet. The overall control system can be regarded as a smart range-extender, mainly devoted to reduce EV range anxiety. First, we derive, identify and experimentally validate a model for the energy flow on-board of the vehicle. Furthermore, in view of the synthesis of speed and acceleration controllers, we also study the model of the longitudinal dynamics. Experimental results prove the effectiveness of the proposed model and of the adopted identification approach. Finally, for the implementation of the energy management system, we exploit the smartphone-in-the-loop paradigm: the system is based on a three-layer architecture, composed of a smartphone that runs the highlevel control algorithms, of a gateway that hosts the low-level motion controllers, and of the vehicle electronic control unit that takes care of the actuators control. The smartphone serves also as a dedicated driver-to-vehicle interface and communicates with the gateway via bluetooth. We successfully implemented the energy management system on instrumented vehicles. Experimental data are encouraging and demonstrate the feasibility of the proposed approach.

In questa tesi sono trattate le tematiche della modellistica, dell’identificazione e del controllo di scooter elettrici leggeri. In particolare, la tesi presenta un sistema di gestione dell’energia a bordo del veicolo basato su un modello energetico affidabile dello stesso. Tale sistema ha l’obiettivo di effettuare una regolazione in anello chiuso dello stato di carica della batteria, agendo attivamente sullo stile di guida del conducente. L’inseguimento del profilo di scarica è realizzato mediante l’utilizzo di controllori di velocitá ed accelerazione, che intervengono sulla dinamica longitudinale del veicolo per alterarne i consumi, in accordo con le politiche di controllo energetico. Esse vengono adattate in base alla conoscenza a-priori del percorso, sfruttando i dati altimetrici disponibili su internet. Innanzitutto, viene derivato, identificato e validato il modello energetico del veicolo. Quindi, anche in vista della sintesi dei regolatori di velocitá ed accelerazione, il modello della dinamica longitudinale del veicolo è presentato ed analizzato. I risultati sperimentali ottenuti provano l’efficacia del modello e del metodo di identificazione proposti. Successivamente, il paradigma smartphone-in-the-loop viene presentato; al fine di sviluppare il sistema di gestione dell’energia, si utilizza infatti, un’architettura a tre livelli, composta da uno smartphone che esegue gli algoritmi di controllo energetico di alto livello, da una ”centralina ponte” installata sul veicolo che gestisce i regolatori di velocitá ed accelerazione e da una ”centralina veicolo” che si occupa del controllo del motore elettrico. Lo smartphone supporta l’interazione tra il veicolo e il guidatore e comunica con la centralina ponte via bluetooth. Il sistema è stato implementato con successo su veicoli prototipali opportunamente strumentati. I risultati sperimentali sono incoraggianti e dimostrano la fattibilitá del sistema di gestione dell’energia proposto.