Balancing algorithm for MotoStudent prototype Lithium-Ion battery pack

This thesis presents the development of a balancing algorithm for a lithium-ion battery pack designed for an electric prototype motorcycle participating in the MotoStudent competition. The results of this project led to the official balancing algorithm of the motorbike that successfully raced in the MotoStudent competition in Aragon Land in October 2023.% The primary goal was to improve the performance, safety, and longevity of the battery pack, which consists of 900 Sony 18650 VTC6 cells arranged in a 30S-30P configuration. The project focuses on the need for a new balancing algorithm to address the inefficiencies of passive balancing methods used in previous prototypes, such as the increased charging time and cell imbalance. A second-order equivalent circuit model (ECM) is used for simulations to capture the dynamic behavior of lithium-ion cells, while a zero-order ECM is implemented in the balancing algorithm for real-time application. The proposed passive, external balancing method allows for higher discharging currents and improved heat dissipation, leading to more efficient balancing compared to traditional methods. The balancing algorithm, implemented in a finite state machine (FSM), effectively minimizes voltage imbalances between cells during the charging process. The thesis also covers the implementation of the balancing system, including hardware integration and Simulink-based simulations. This work significantly improves the charging time, reliability, and overall performance of the battery pack, ensuring compliance with MotoStudent regulations and enhancing the team's competitiveness.

Questa tesi presenta lo sviluppo di un algoritmo di bilanciamento per un pacco batterie agli ioni di litio. Questo è stato progettato per un prototipo elettrico su due ruote che ha partecipato alla competizione internazionale MotoStudent. I risultati descritti in questo elaborato hanno portato all'implementazione dell'algoritmo di bilanciamento per la moto che ha gareggiato con grande successo nella competizione MotoStudent ad Aragon nell'Ottobre 2023. L'obiettivo principale è migliorare le prestazioni, la sicurezza e la longevità del pacco batterie, composto da 900 celle Sony 18650 VTC6 disposte in una configurazione 30S-30P. Il progetto si concentra sulla necessità di un nuovo algoritmo di bilanciamento per affrontare le inefficienze dei metodi di bilanciamento passivo utilizzati nei prototipi precedenti, come l'aumento del tempo di ricarica e lo sbilanciamento delle celle. Un modello a circuito equivalente di secondo ordine (ECM) viene utilizzato per le simulazioni con lo scopo di descrivere il comportamento dinamico delle celle, un ECM di ordine zero viene invece implementato nell'algoritmo di bilanciamento per applicazione in tempo reale. Il metodo di bilanciamento esterno passivo proposto consente correnti di scarica più elevate e una migliore dissipazione del calore, portando a un bilanciamento più efficiente rispetto ai metodi tradizionali. L'algoritmo di bilanciamento, implementato in una macchina a stati finiti (FSM), riduce in modo efficace lo sbilanciamento di tensione tra le celle durante il processo di ricarica. La tesi tratta anche l'implementazione del sistema di bilanciamento, compresa l'integrazione hardware e le simulazioni basate su Simulink. Questo lavoro migliora significativamente il tempo di ricarica, l'affidabilità e le prestazioni complessive del pacco batterie, garantendo la conformità al regolamento MotoStudent e migliorando la competitività del team.