Sviluppo di una metodologia per la progettazione di un veicolo di piccole dimensioni ad alte prestazioni con propulsore ibrido ed applicazione su una monoposto Formula Student.

In this thesis, an attempt has been made to develop a design methodology for a high-performance small-sized four-wheeled vehicle, powered by a hybrid power unit. The purpose of this methodology is to find the best compromise between the limited space available in such vehicles and the numerous components that constitute a power unit. These requirements are encountered in a Formula Student single-seater, which has been used as a case for defining and validating the methodology. The development of a hybrid power unit aims to optimize the use of the energy stored in the vehicle for its propulsion. Through bibliographic analyses, various mathematical models describing the operation of these systems were researched, with a particular focus on the numerical method of Dynamic Programming based on Bellman's principles. This method is employed to solve problems where decisions need to be made at multiple levels. It can provide an optimal solution to problems of any complexity. However, it is non-causal and can only be implemented in a simulation environment because it requires a priori information about the entire optimization field. Assuming the use of the hybrid vehicle in a homologation cycle or in a track lap where average speed is to be optimized while limiting energy consumption, the method provides numerous pieces of information both on defining the layout of the power unit and on how to best utilize the propulsion unit, which may be constrained by regulatory or construction-related limitations. Additionally, this method can be utilized to anticipate and validate the operating logics of potential control software for both machines, the electric and internal combustion engines, which must cooperate to generate power. These tools have been utilized, refined, and evolved in the design and implementation phases of a Formula Student single-seater with a hybrid power unit. The design constraints for a single-seater in this competition are dictated by regulations that allow the development of motorcycle-derived engines, to be installed within a chassis that must comply with certain safety regulations primarily concerning driver safety. Leveraging the department's existing knowledge in constructing vehicles with internal combustion engines, the basic idea was to replace the inline 4-cylinder, 708cc, and approximately 73,6kW internal combustion engine with a hybrid power unit that would meet all regulatory limits, deliver the same performance and, most importantly, have the same dimensions while trying to limit the total weight of the vehicle. By developing numerical codes following the theories described earlier, a series of data were collected. Critical analysis of this data led to the definition of the power unit layout. It consists of a single-cylinder engine with a displacement of 480 cc developed based on Ducati's 90-degree V-twin "959 Superquadro". The thermal engine is assisted by an electric motor designed for this specific application (30 kW), powered by a lithium-ion battery pack. The Ducati engine was chosen for its performance and to leverage the V-shaped architecture. The vertical cylinder head has been removed and replaced by the electric motor, directly connected to the crankshaft via the original timing chain, resulting in a very compact system. This power unit installed on the single-seater has been designed, tested, and participated in the trials of the Formula Student event in the United Kingdom.

In questa tesi si è cercato di sviluppare una metodologia di progettazione di un veicolo a quattro ruote di piccole dimensioni ad alte prestazioni movimentato da una power unit ibrida. Lo scopo di tale metodologia è quello di trovare il miglior compromesso tra l’esiguo spazio disponibile in tali veicoli, ed i numerosi componenti che costituiscono una power unit. Tali esigenze si ritrovano in una monoposto del campionato Formula Student, che quindi è stata usata come caso di definizione e validazione della metodologia. La realizzazione di una power unit ibrida mira ad ottimizzare l’utilizzo dell’energia accumulata nel veicolo per la sua propulsione. Da analisi bibliografiche si sono ricercati vari modelli matematici che descrivono il funzionamento di questi sistemi. In particolar modo ci si è concentrati sul metodo numerico del Dynamic Programming basato sui principi di Bellman. Questo metodo è utilizzato per risolvere problemi dove è necessario prendere decisioni a più livelli. Esso è in grado di fornire la soluzione ottimale a problemi di qualsiasi complessità. Tuttavia, il metodo è non causale ed è implementabile solo in un ambiente di simulazione, perché richiede informazioni a priori sull'intero campo di ottimizzazione. Però facendo l’ipotesi di utilizzare il veicolo ibrido in un ciclo omologativo, o in un giro di pista nel quale si vuole ottimizzate la velocità media limitando il consumo di energia, il metodo restituisce numerose informazioni sia sulla definizione del layout della power unit, sia su come utilizzare al meglio l’unità propulsiva, che può essere limitata da vincoli normativi o costruttivi. Inoltre, tale metodo può essere sfruttato per anticipare e validare le logiche di un eventuale software di controllo delle due macchine, quella elettrica e quella a combustione interna, che devono cooperare per generare potenza. Tali strumenti sono stati sfruttati, ed a sua volta affinati ed evoluti, nelle fasi di progettazione e realizzazione di una monoposto di Formula Student con power unit ibrida. I vincoli di progetto per una monoposto di questo campionato sono dettati da un regolamento che dà la possibilità di sviluppare motori motociclistici, che devono essere installati all’interno di un telaio che a sua volta deve rispettare determinati vincoli regolamentari riguardanti prevalentemente la sicurezza dei piloti. Quindi tramite le conoscenze già acquisite in dipartimento per la costruzione di vetture con motore a combustione interna, l’idea di base è stata quella di sostituire il motore a combustione interna 4 cilindri in linea di 708cc e circa 73,6kW con una pover unit ibrida che rispettasse tutti i limiti regolamentari, desse le stesse prestazioni, e soprattutto che avesse gli stessi ingombri cercando di limitare il peso totale del veicolo. Con lo sviluppo di codici numerici che seguono le teorie descritte in precedenza, si sono raccolti una serie di dati, che analizzati in modo critico hanno portato alla definizione del layout della power unit. Questa è costituita da un motore monocilindrico di 480 cc di cilindrata sviluppato sulla base del bicilindrico a V di 90 gradi della Ducati "959 Superquadro". Il motore termico è assistito da un motore elettrico realizzato per questa specifica applicazione (30 kW), alimentato da un pacco batterie agli ioni di litio. Il motore Ducati è stato scelto per le sue prestazioni e per sfruttare il layout dell’architettura a V. Infatti, la testata verticale è stata sostituita dal motore elettrico, direttamente collegato all'albero motore tramite la catena di distribuzione originale, ottenendo così un sistema molto compatto. La power unit installata sulla monoposto è stata realizzata e verificata sperimentalmente, ed ha partecipato alle prove dell’evento inglese di Formula Student.