Communication sans fil robuste pour les systèmes de gestion de batterie dans les véhicules électriques

Enabling robust wireless communication for battery management systems in electric vehicles

• Auteur / Autrice : Fabian Rincon Vija
• Direction : Nicolas Montavont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Objets communicants pour l'Internet du futur - Département Systèmes Réseaux, Cybersécurité et Droit du numérique - Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Renault
• Jury : Président / Présidente : Katia Jaffrès-Runser
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Montavont, Thomas Watteyne, Carlo Alberto Boano, Georgios Papadopoulos, Mikael Gidlund, Samuel Cregut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Watteyne, Carlo Alberto Boano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de communication sans fil

Batteries

Équipement électrique

Véhicules

Mots clés libres

Véhicule électrique

Système de gestion de la batterie sans fil

Gack

Tsch

Ble

Electric vehicle

Wireless battery management system

Gack

Tsch

Ble

Résumé

Le système de gestion de la batterie (BMS) est chargé de surveiller et garantir le bon fonctionnement de la batterie dans un Véhicule Électrique (VE). Le BMS utilise une architecture maître-esclave avec une liaison filaire entre les capteurs et l’unité de calcul. Dernièrement, l’industrie a vu l’intérêt de remplacer ce bus filaire par une liaison sans fil. Le BMS sans fil (WBMS) peut apporter de nombreux avantages, mais aussi plusieurs défis. Dans cette thèse, nous présentons une solution complète qui rend possible la communication sans fil robuste dans le BMS. Nous proposons une amélioration du protocole d’accès au milieu « Time Slotted Channel Hopping » (TSCH) en conjonction avec la couche physique de Bluetooth Low Energy (BLE). Ce réseau est géré par une fonction d’ordonnancement fiable et prévisible basée sur la méthode d’accusé de réception de groupe (GACK). Nous proposons aussi un mode endormi pour le WBMS qui reconfigure l’architecture du réseau permettant au nœud central de s’éteindre à fin d’éviter la décharge de la petite batterie 12V du VE. Nous discutons également des nouvelles opportunités que l’inclusion d’une capacité de calcul dans les esclaves apporte au développement logiciel du BMS. Les résultats des tests en laboratoire et sur véhicule montrent que notre système offre une haute fiabilité, une latence spécifique et une faible consommation d’énergie.

The Battery Management System (BMS) is in charge of monitoring and ensuring the correct operation of the Electric Vehicle (EV) battery. The BMS uses a master slave architecture with a wired daisy chain link. Lately, the industry has seen interest in replacing the wired bus with a wireless network. Wireless BMS (WBMS) brings multiple advantages but at the same time several challenges. In this thesis, we present a complete solution to enable robust wireless communications inside the battery pack of EVs. We propose an enhanced version of the IEEE Std 802.15.4 Time Slotted Channel Hopping (TSCH) Medium Access Control (MAC) mode running over the physical layer of Bluetooth Low Energy (BLE). The network is managed by a reliable and predictable scheduling function based on the Group Acknowledgement (GACK) method. For the parking state of the vehicle, we propose a WBMS sleep mode that reconfigures the network architecture allowing the central node to switch off, preventing the discharge of the small 12 V battery of the EV. We also discuss the new opportunities that the inclusion of a computing capacity in the slaves brings to BMS software development. The laboratory and vehicle test results show that our system provides high reliability, bounded latency, and low power consumption.