Les avancées scientifiques et technologiques en matière de stockage d'énergie ont permis le développement d'appareils mobiles énergétiquement autonomes, tels que les smartphones et les véhicules électriques (EVs). Dans ces dispositifs, l'énergie est habituellement stockée sous forme électrochimique, souvent dans des batteries au lithium.Par rapport aux batteries au plomb classiques, les piles au lithium ont une densité d'énergie élevée, un faible taux d'auto-décharge et sont plus respectueuses de l'environnement. Cependant, ces batteries doivent être couplées avec des systèmes électroniques de gestion des batteries (SGBs), chargés d'en assurer la performance etla sécurité. En effet, la performance du « pack » batterie peut être affectée par de multiples mécanismes liés, par exemple, au vieillissement, aux défauts ou aux conditions de fonctionnement et ayant pour impact une réduction importante de l'autonomie du système. Grâce à un contrôle approprié de la structure de la batterie, un SGB est capable de compenser certains de ces mécanismes. De même, d'un point de vue sécurité, un SGB peut aider à prévenir les incendies et d'autres risques en isolant les éléments défectueux du reste du pack.Le sujet de cette thèse porte sur le développement d'un SGB innovant et adaptatif capable de prendre en compte des attentes des utilisateurs en matière de performance et de sécurité. Le SGB proposé s'appuie sur un mécanisme décisionnel distribué basé sur le paradigme des systèmes multi-agents (SMA), dans lequel chaque cellule est considérée comme un agent. Le mécanisme décisionnel proposé repose sur une topologie de câblage dédiée associée à des stratégies de communication et de contrôle adaptées. L'approche proposée améliore l'adaptabilité, la résilience et les performances du système et permet la reconfiguration de la topologie du paquet pour isoler des cellules défectueuses et, le cas échéant, utiliser des cellules de rechange pour recréer une structure de paquets complète ou équilibrer l'énergie entre les cellules. Le SGB permet ainsi une meilleure tolérance aux pannes de l'ensemble, ainsi que l'augmentation de son endurance démontrant ainsi une performance plus élevée que celle obtenu par des SGB classiques.Afin d'évaluer la validité des travaux proposés, une plate-forme de co-simulation est développée afin de valider expérimentalement la solution proposée. Trois catégories des tests ont été réalisées pour valider la fonction d'équilibrage des cellules, la fonction de tolérance aux pannes, et l'intégration de ces deux fonctions dans un système unique. Les tests ont également été exécutés avec un pack batterie de grande taille afin d'évaluer l'évolutivité de l'approche. Les résultats des simulations montrent que la méthode proposée est opérationnelle et fonctionne comme prévu. Bien que les coûts attendus soient plus élevés que pour les méthodes traditionnelles, l'approche proposée pourrait être utilisée pour des applications spécifiques où une fiabilité et une performance élevées sont nécessaires, comme pour les applications militaires par exemple. / Progress in energy storage science and technology enables the development of mobile devices, such as smart-phones and electric vehicles (EVs). In these devices, energy is usually stored in electrochemical form, often in lithium-based batteries.Compared to classical lead-acid batteries, lithium batteries have a high-energy density, a low self-discharge rate and are environmental friendly. However, such batteries must be coupled with electronic Battery Management Systems (BMSs), aimed at ensuring the performance and the safety of the battery pack. The performance of the pack may be affected by multiple mechanisms, for example related to aging, faults, or operation conditions. Through appropriate control of the battery pack structure, a BMS is capable of compensating some of these mechanisms. Similarly, a BMS can help prevent fires and other risk hazards by isolating problematic portions of the pack.This thesis is concerned with the development of a novel and smart BMS, taking into account the concerns of users about performance and safety. The proposed BMS is made of distributed decision-making based on a multi-agent system, in which each cell is considered as an agent. A dedicated pack wiring topology is presented, together with the corresponding communication and control strategies. This approach improves the adaptability, resilience and performance of system, and enables the reconfiguration of the pack topology to either isolate cells and use spare cells to recreate a complete pack structure, or balance energy among cells. The BMS thus enables a better fault-tolerant operation of the pack, as well as increasing its endurance through a higher performance, compared to classical BMSs.In order to evaluate the validity of the proposed work, a co-simulation platform is developed to run multiple tests. Three categories of tests are used to validate the cell balancing function, the fault-tolerant control function, and the integration of both balancing and fault-tolerant functions in a single system. Tests are also run on a larger pack to evaluate the scalability of the approach. Simulation results show that the proposed method is operational and performs as expected. Although the expected costs are higher than those of traditional methods, the results of this work could benefit specific applications where high reliability and performance are required, such as military applications for instance.

The electric vehicle industry is experiencing a boom infunding and public interest, and the formula student movementis following suit; an electric race car is currently being developedby the KTH Formula Student organisation (KTHFS) which is thecause of this work.Consumers desire increased speed and range, and are unwillingto compromise one quality for the other. This necessitates the useof lithium ion cells, which may explode and exhume toxic gasesif over-strained with respect to current, charge or temperature.A robust, reliable and provably safe battery management systemshould therefore be developed. There are numerous methods tofurther increase the mileage to get an edge on competitors, suchas cell balancing and live estimation of the State of Charge(SOC). It is also vital that old and/or deteriorated cells should beidentified and disposed off in due time, and State of health (SOH)estimation provides a means to do this. In this paper a completebattery management system software solution is developed andpresented, utilising methods like simulation and code generationto create a program that runs on a real time operating system(RTOS). Some real world test were conducted and some resultsare simulated. The finished BMS performed well in tests, meets allgoals and meets all timing constraints. The project can thereforebe considered as successful. / Intresset för elbilsindustrin har på sistone‌ vuxit något markant, och formula student-rörelsen har anpassat sig efter dessa trender; en elektriskt bil tillverkas just nu av KTH Formula Student organisationen (KTHFS) vilket ger upphov till detta arbete. Marknaden vill ha snabbare bilar som dessutom har förbättrad räckvidd, men vägrar offra den ena egenskapen för det andra. Lösningen är att använda litiumjonceller. Dessa har dock en säkerhetsrelaterad nackdel; om cellerna utsätts för alldeles för höga eller låga temperaturer, strömmar eller laddningsnivåer kan de explodera och utsöndra giftig gas i luften. Därför är det lämpligt att skapa ett batterimonitoreringssystem vars funktion och säkerhet kvalitativt kan utvärderas och bevisas. Det finns flera metoder för att få förbättrad prestanda ur sin ackumulator (batteriensemble); cellnivåbalansering och laddningsnivåestimering (SOC) implementeras i detta projekt. Föråldrade/utslitna celler bör identifieras och avskrivas i god tid. Celldeklineringsestimering (SOH) är ett sätt att lösa detta problem. I denna rapport presenteras en fullständig implementation av mjukvaran för ett batterimonitoreringssystem, där metoder som kodgenerering och simulering utnyttjas för att skapa ett program som kan köras på ett realtidsoperativsystem (RTOS). Vissa test gjordes i verkligheten och vissa resultat simulerades. Det färdiga batterimonitoreringssystemet presterade väl i test, alla mål samt mötte alla tidskrav. Projektet kan därför anses som lyckat. / Kandidatexjobb i elektroteknik 2022, KTH, Stockholm