Modellistica e controllo dello stato di carica in veicoli elettrici ad alte prestazioni: strategie di ottimizzazione e gestione della potenza.

Abstract

La presente tesi analizza la modellizzazione e il controllo dello Stato di Carica (State of Charge, SOC) dell'Energy Storage System in veicoli ibridi ad alte prestazioni, in particolare nelle Power Unit di Formula 1 nel contesto del regolamento tecnico 2026. A seguito dell'abolizione dell'MGU-H e del conseguente aumento della potenza erogabile dall'MGU-K, la gestione dell'energia elettrica diventa essenziale per la continuità della prestazione e per la prevenzione dell'Hard Clipping. In modo da mantenere una struttura computazionale semplice e adeguata per un'implementazione in ambiente MATLAB e Simulink, il modello distingue le due fasi di deployment e harvesting, che sono caratterizzate da rendimenti asimmetrici di scarica e carica. Questa scelta permette di concentrarsi sugli aspetti energetici principali, senza introdurre una descrizione troppo dettagliata dei singoli componenti della Power Unit. L'impossibilità fisica di una richiesta di potenza non controllata viene evidenziata in una prima simulazione in anello aperto, e porta allo sviluppo di due diversi approcci alla gestione energetica: un'ottimizzazione offline mediante il solver fmincon e una logica di controllo attivo basata sul derating progressivo. Quest'ultimo consente di monitorare costantemente la potenza effettiva erogata in base allo stato energetico attuale, riducendo gradualmente l'assistenza elettrica al diminuire del SOC ed evitando brusche interruzioni o discontinuità dell'erogazione. Infine, un caso studio numerico sul circuito di Monza su più giri viene utilizzato per testare il modello di controllo. Il confronto tra le strategie consente inoltre di evidenziare il compromesso tra massimizzazione della prestazione nel breve periodo e conservazione dell’energia disponibile nei giri successivi. L'analisi dimostra che, su orizzonti multi-giro, una strategia di tipo charge-depleting può risultare critica. Al contrario, una logica charge-sustaining può preservare la disponibilità energetica.

This thesis analyses the modelling and control of the State of Charge (SOC) of the Energy Storage System in high-performance hybrid vehicles, in particular in Formula 1 Power Units in the context of the 2026 technical regulations. Following the abolition of the MGU-H and the consequent increase in the power deliverable by the MGU-K, electric energy management becomes essential for performance continuity and for the prevention of Hard Clipping. In order to maintain a computational structure that is simple and suitable for implementation in MATLAB and Simulink, the model distinguishes the two phases of deployment and harvesting, which are characterized by asymmetric discharge and charge efficiencies. This choice makes it possible to focus on the main energy aspects, without introducing an excessively detailed description of the individual components of the Power Unit. The physical impossibility of an uncontrolled power demand is highlighted in a first open-loop simulation, and leads to the development of two different approaches to energy management: an offline optimization using the fmincon solver and an active control logic based on progressive derating. The latter makes it possible to constantly monitor the actual power delivered according to the current energy state, gradually reducing electric assistance as the SOC decreases and avoiding sudden interruptions or discontinuities in power delivery. Finally, a numerical case study on the Monza circuit over several laps is used to test the control model. The comparison between the strategies also makes it possible to highlight the trade-off between maximizing performance in the short term and preserving the energy available in the following laps. The analysis shows that, over multi-lap horizons, an aggressive charge-depleting strategy may become critical. On the contrary, a charge-sustaining logic can preserve energy availability.