Progettazione e sviluppo degli algoritmi di un sistema di gestione del pacco batterie per un veicolo elettrico di Formula Student

Managing a high-voltage accumulator for a Formula Student electric racing car requires balancing peak power availability, state estimation accuracy, and stringent cell-protection requirements. This thesis presents the design, modelling, and embedded implementation of the Battery Management System (BMS) developed for the Polimarche Racing Team of the Università Politecnica delle Marche. The target accumulator consists of 138 Melasta pouch cells in a 138S1P configuration, arranged into six series-connected modules of 23 cells each. The development workflow follows a structured engineering approach based on the Formula Student 2026 technical regulations. An electro-thermal second-order Thevenin equivalent circuit, parameterized through state-of-charge and temperature-dependent lookup tables, provides the foundation for the MATLAB/Simulink and Simscape Battery digital twin. State of Charge (SoC) estimation is performed using a four-state Unscented Kalman Filter (UKF) on an average cell model, coupled with a Bar-Delta reconstruction algorithm to track individual cell deviations with low computational overhead on the target microcontroller. The algorithmic framework also includes online resistance tracking via Recursive Least Squares (RLS) for State of Health (SoH), dynamic State of Power (SoP) calculation with peak duration tracking, hysteresis-based passive balancing, and closed-loop thermal control of cooling fans via a PID regulator. The embedded firmware, implemented on an STM32F446RE microcontroller (Arm Cortex-M4) running the FreeRTOS real-time operating system, employs a multi-rate schedule with fixed task priorities and an atomic snapshot pattern for thread-safe resource access. The system manages the isolated isoSPI measurement chain with LTC6811 and LTC6820 devices, CAN bus communication with a LEM CAB 500-C/SP5 current sensor and an EVO11KA charger, and high-speed DMA-assisted serial telemetry streamed to a dedicated Python desktop interface. Experimental bench tests, communication-protocol checks, fan-modulation tests, and thermographic characterization of the cell tabs demonstrate subsystem operation under the examined bench conditions; quantitative validation of the estimators and of full-pack thermal behaviour remains future work.

La gestione dell'accumulatore ad alta tensione per una monoposto da competizione Formula Student richiede di conciliare disponibilità di potenza, accuratezza nelle stime di stato e rigorosa protezione delle celle. La presente tesi descrive la progettazione, la modellazione e l'implementazione del Battery Management System (BMS) sviluppato per il Polimarche Racing Team dell'Università Politecnica delle Marche, con riferimento a un pacco batterie composto da 138 celle pouch Melasta in configurazione 138S1P, suddivise in sei moduli da 23 celle in serie. Il lavoro affronta l'intero ciclo di sviluppo del sistema, partendo dall'analisi dei requisiti e dei vincoli imposti dal regolamento Formula Student 2026. Il comportamento elettro-termico dell'accumulatore è descritto mediante un circuito equivalente di Thévenin a due rami RC, parametrizzato con mappe bidimensionali dipendenti da stato di carica e temperatura e integrato nell'ambiente MATLAB/Simulink e Simscape Battery. La stima dello Stato di Carica (SoC) è affidata a un filtro di Kalman unscented (UKF) a quattro stati formulato sulla cella media del pacco, integrato dall'algoritmo algebrico Bar-Delta per ricostruire lo scostamento delle singole celle con un costo computazionale compatibile con l'hardware embedded. L'architettura algoritmica comprende inoltre la stima ricorsiva della resistenza interna mediante minimi quadrati (RLS) per lo Stato di Salute (SoH), il calcolo dinamico dello State of Power (SoP) con memoria temporale dei picchi, la logica a isteresi per il bilanciamento passivo e il controllo termico della ventilazione tramite regolatore PID. L'architettura firmware, sviluppata su microcontrollore STM32F446RE (Arm Cortex-M4) con il sistema operativo real-time FreeRTOS, adotta una pianificazione multi-rate a priorità fisse e un meccanismo di copia atomica protetta per la condivisione thread-safe delle risorse. Il sistema gestisce la catena di misura isolata isoSPI con dispositivi LTC6811 e LTC6820, la comunicazione CAN con il sensore di corrente LEM CAB 500-C/SP5 e il caricatore esterno EVO11KA, e la telemetria seriale ad alta velocità verso un'interfaccia grafica desktop in Python. I risultati delle prove a banco, i test sui protocolli di comunicazione, le verifiche di modulazione termica e la mappatura termografica dei terminali delle celle documentano il funzionamento dei sottosistemi nelle condizioni di banco esaminate; la validazione quantitativa degli stimatori e del comportamento termico dell'intero pacco resta uno sviluppo successivo.