BANC DE VALIDATION BMS/AMS VIRTUEL FORMULA STUDENT

SIMULATION, ANALYSE ET VALIDATION DES SYSTEMES BATTERIE EN FORMULA STUDENT ELECTRIQUE

En FORMULA STUDENT électrique, le règlement impose une surveillance continue de l’accumulateur, notamment de la tension des cellules, de leur température et du courant. Lorsqu’une valeur critique est détectée et persiste au-delà du délai autorisé, le système de gestion de l’accumulateur (AMS) doit provoquer l’ouverture du circuit de coupure (SDC) afin d’isoler le système de traction. La perte d’une mesure critique doit également conduire à une mise en sécurité.

Pour étudier et valider virtuellement ces réactions dans des conditions reproductibles, J3DMODDING a développé un banc de validation BMS/AMS virtuel intégré à une FORMULA STUDENT électrique. Il permet de simuler le comportement de la batterie, d’injecter des défauts de sous-tension, sur-température, perte de refroidissement, défaut de mesure, etc.… puis d’analyser la réponse du système : avertissement, réduction de puissance, coupure, ouverture des relais d’isolement et enregistrement complet de l’essai.

MENTION D’INDÉPENDANCE

J3DMODDING est une structure indépendante, sans affiliation ni partenariat avec FORMULA STUDENT GERMANY, FORMULA SAE ou tout autre organisme officiel lié à la FORMULA STUDENT. Les véhicules, circuits automobiles, essais, outils, méthodes d’analyse et développements présentés dans cet article relèvent exclusivement de projets de simulation conçus et réalisés en interne par J3DMODDING. Les références aux règlements FORMULA STUDENT 2026 sont utilisées uniquement comme base technique pour définir les scénarios de surveillance, de défauts et de sécurité de notre système virtuel.

CIRCUIT ET VÉHICULES UTILISÉS POUR LES ESSAIS

LE CIRCUIT

Le FORMULA STUDENT CENTER est un site d’essais virtuel fictif conçu pour regrouper les principales épreuves dynamiques utilisées en compétition FORMULA STUDENT. Le tracé ENDURANCE a été adapté aux besoins de la simulation afin de disposer d’un support cohérent pour la comparaison des véhicules, des réglages et des sessions.

LE VÉHICULE « A »

La FORMULA STUDENT FS26-DVP est une monoplace électrique fictive équipée d’un kit aérodynamique. Configuration principale : propulsion électrique, transmission intégrale, 4 unités motrices, puissance système de 80 kW et batterie de référence de 20 kWh.

LE VÉHICULE « B »

La FORMULA STUDENT FS27-DVP est une monoplace électrique fictive non équipée d’un kit aérodynamique. Configuration principale : propulsion électrique, transmission intégrale, 4 unités motrices, puissance système de 80 kW et batterie de référence de 20 kWh.

MÉTHODOLOGIE DES ESSAIS ET FONCTIONNEMENT DU BANC

ESSAIS EN SIMULATION

Nos essais sont réalisés sous ASSETTO CORSA, avec des véhicules et un circuit entièrement modélisés par J3DMODDING. Ils reproduisent des conditions proches du réel : accélérations, freinages, récupération d’énergie et sollicitations de la batterie, afin d’analyser le système électrique et l’AMS, en fonctionnement normal ou en cas de défaut.

Le pilote virtuel permet de répéter les essais dans des conditions identiques et de comparer véhicules, configurations ou stratégies énergétiques avec des résultats reproductibles.

ZOOM UNIQUEMENT SUR LA HAUTE TENSION

Notre simulation se concentre uniquement sur le TRACTIVE SYSTEM (TS), c’est-à-dire le réseau haute tension qui relie l’accumulateur au système de traction. Nous y modélisons principalement l’accumulateur 96S4P, les tensions cellules, le courant pack, les températures, le SoC, la régénération, le BMS/AMS, les AIR et les réactions de sécurité associées. L’objectif n’est donc pas de reproduire l’intégralité du réseau électrique du véhicule, mais d’analyser précisément le comportement de la chaîne haute tension et sa réaction face aux défauts pouvant affecter l’accumulateur ou son système de protection.

PHOTO : schéma de principe du système de puissance haute tension

FONCTIONNEMENT DE NOTRE BANC VIRTUEL

Le véhicule roule dans ASSETTO CORSA et fournit en temps réel les informations de conduite : vitesse, accélération, freinage et récupération d’énergie. À partir de ces données, nous avons développé en complément plusieurs modules qui calculent le comportement de la batterie, son état de charge, sa température et les éventuels défauts. Nous avons complété cela avec un module capable de créer des défauts électriques divers afin de les étudier et les reproduire à l’infini si nécessaire.

Notre système BMS/AMS virtuel analyse les données récoltées et applique les protections prévues : avertissement, réduction de puissance ou arrêt de sécurité. De plus, toutes les données sont enregistrées puis exploitées dans notre lecteur externe BATTERY MONITOR pour comparer les essais et vérifier la réaction du système. Le programme peut aussi émettre des rapports détaillés en PDF de chaque session pour les étudier ultérieurement.

PHOTO : notre lecteur externe BATTERY MONITOR pour la relecture des données

UNE CONFIGURATION PROPRE À CHAQUE FORMULA STUDENT

UN FICHIER UNIQUE

Chaque véhicule conserve son propre fichier MOTOR_CONFIG.JSON, qui regroupe ses principales caractéristiques électriques :

NOMBRE ET PUISSANCE DES MOTEURS
RENDEMENT
CAPACITÉ DE BATTERIE
RÉGÉNÉRATION
NOMBRE DE CELLULES ET SEUILS DE SÉCURITÉ

Le logiciel reste commun à toutes nos FORMULA STUDENT électriques, tandis que chaque voiture conserve sa propre configuration.

EXTRAIT DU FICHIER MOTOR_CONFIG.JSON,

electric": { "motors_count": 4, "motor_power_kw_each": 20.0, "motor_efficiency": 0.95, "regen_efficiency": 0.3, "battery_capacity_kwh": 20.0, "vmax_power_kmh": 140.0 },

"LF": { "power_kw": 20.0, "torque_nm": 22.0 }, "RF": { "power_kw": 20.0, "torque_nm": 22.0 }, "LR": { "power_kw": 20.0, "torque_nm": 22.0 }, "RR": { "power_kw": 20.0, "torque_nm": 22.0 }

ZOOM SUR LA BATTERIE

ACCUMULATEUR 96S4P

Notre banc virtuel simule un accumulateur 96S4P, composé de 96 groupes montés en série, chacun regroupant 4 cellules en parallèle, soit 384 cellules au total. La mise en série des 96 groupes permet d’obtenir la tension élevée nécessaire au système de traction, avec environ 355 V nominalement et jusqu’à 403,2 V lorsque chaque groupe atteint 4,20 V. Le montage en parallèle augmente quant à lui la capacité énergétique et la capacité à fournir du courant. Dans notre simulation, le BMS/AMS VIRTUEL surveille notamment la tension minimale et maximale des groupes, leur écart de tension Delta V, la température, le courant pack et l’état de charge afin de détecter un déséquilibre, une sous-tension, une surtension ou toute condition pouvant nécessiter une réduction de puissance ou une mise en sécurité.

PHOTO : notre module de suivi du système batterie et cellules dans ASSETTO CORSA

LE MODÈLE BATTERIE

Le modèle batterie reproduit en temps réel le comportement électrique de notre accumulateur 96S4P. À partir de la puissance demandée ou récupérée par le véhicule, il calcule le SoC – State of Charge (état de charge), l’énergie restante, le courant et la tension du pack. Il estime également la tension minimale et maximale des groupes de cellules ainsi que leur écart, le Delta V, afin d’identifier un éventuel déséquilibre. Un seul groupe plus faible peut en effet devenir la première limite de l’accumulateur alors que sa tension globale reste encore correcte.

Le modèle prend également en compte la résistance interne de la batterie. Lorsque le courant augmente, la chute de tension sous charge devient plus importante, tout comme les pertes électriques et l’échauffement. Un groupe de cellules peut ainsi présenter une tension normale au repos, puis atteindre une limite critique lors d’une forte accélération. Ces valeurs calculées sont ensuite transmises au BMS/AMS virtuel, qui applique les seuils de surveillance et décide, si nécessaire, d’un avertissement, d’une réduction de puissance ou d’un arrêt de sécurité.

MODÉLISER LA DEMANDE ÉNERGÉTIQUE

La conduite du véhicule est transformée en demande électrique. L’accélérateur détermine la puissance nécessaire à la traction, tandis que les phases de freinage permettent de récupérer une partie de l’énergie et de la renvoyer vers la batterie. Le système suit ainsi en permanence l’énergie consommée et l’énergie récupérée, deux paramètres essentiels en Endurance pour déterminer si le véhicule peut terminer l’épreuve avec la réserve d’énergie prévue.

TEMPÉRATURE ET REFROIDISSEMENT

Les fortes intensités génèrent également des pertes thermiques. Notre modèle prend en compte la température ambiante, l’inertie thermique de la batterie, le refroidissement et le courant traversant le pack afin d’estimer l’évolution de la température.

Il devient ainsi possible de reproduire progressivement une perte de refroidissement ou l’apparition d’un point chaud, plutôt que de provoquer artificiellement une surchauffe instantanée.

PHOTO : notre module pour le suivi de la Tension, de la charge et des Températures dans ASSETTO CORSA

NOTRE MODULE D’INJECTION DE DÉFAUTS

PROVOQUER VOLONTAIREMENT UNE PANNE

Notre module FS EV INGENIERIE permet d’introduire volontairement une anomalie pendant l’essai. Il peut par exemple augmenter la résistance interne d’un groupe de cellules, réduire le refroidissement ou provoquer un déséquilibre. Le système ne commande pas directement l’arrêt du véhicule : il modifie d’abord une caractéristique du modèle, puis laisse le BMS/AMS VIRTUEL détecter les conséquences et décider de la réaction appropriée. Cette méthode permet de conserver une véritable chaîne de cause à effet.

DES SCÉNARIOS REPRODUCTIBLES

Les scénarios d’injection de défauts ont été définis à partir des exigences FORMULA STUDENT 2026 relatives à l’AMS, à l’accumulateur et au Shutdown Circuit. L’objectif est de reproduire les principales défaillances susceptibles d’affecter la tension des cellules, le courant du système de traction, la température, les chaînes de mesure ou l’ouverture des AIR, puis de vérifier à la fois la réaction du système et la trace laissée dans les données enregistrées

LISTE DES SCÉNARIOS DE PANNE POSSIBLES

SOUS-TENSION SOUS CHARGE

DÉFAUT THERMIQUE CRITIQUE

SURTENSION CELLULE

SURINTENSITÉ PACK

POINT CHAUD CELLULE

DÉSÉQUILIBRE CELLULES

DÉFAUT CAPTEUR TENSION

DÉFAUT CAPTEUR TEMPÉRATURE

DÉFAUT CAPTEUR COURANT

PERTE COMMUNICATION

AIR BLOQUÉ FERMÉ

SURTENSION RÉGÉNÉRATION

PHOTO : Notre module pour créer des scénarios de pannes

DÉTAILS DES PANNES RÉALISABLES ET NOS ATTENDUS

SOUS-TENSION SOUS CHARGE

Réaction attendue : Baisse de Vcell min, puis WARNING ou SHUTDOWN si le seuil est dépassé. Critère de validation : Observer Vcell min pendant une forte accélération et le temps de réaction AMS.

DÉFAUT THERMIQUE CRITIQUE

Réaction attendue : montée en température, WARNING, DERATING puis SHUTDOWN. Critère de validation : Vérifier le franchissement des seuils thermiques et la réaction associée.

SURTENSION CELLULE

Réaction attendue : Hausse de Vcell max, puis SHUTDOWN si la limite persiste. Critère de validation : Vérifier Vcell max et le délai avant déclenchement.

SURINTENSITÉ PACK

Réaction attendue : Détection d’un courant critique puis SHUTDOWN. Critère de validation : Comparer Ipack au seuil et mesurer la temporisation AMS.

POINT CHAUD CELLULE

Réaction attendue : Élévation thermique locale. Critère de validation : Comparer Tmax au reste du pack et suivre l’apparition du défaut.

DÉSÉQUILIBRE CELLULES

Réaction attendue : Augmentation du Delta V. Critère de validation : Contrôler Vcell min, Vcell max et Delta V jusqu’à l’apparition éventuelle d’une limite.

DÉFAUT CAPTEUR TENSION

Réaction attendue : Perte de mesure critique puis ouverture SDC. Critère de validation : Vérifier l’invalidation de la mesure et la réaction de l’AMS.

DÉFAUT CAPTEUR TEMPÉRATURE

Réaction attendue : Perte de surveillance thermique puis ouverture SDC. Critère de validation : Vérifier l’état du capteur et le basculement en sécurité.

DÉFAUT CAPTEUR COURANT

Réaction attendue : Perte de mesure du courant puis ouverture SDC. Critère de validation : Vérifier l’indisponibilité Ipack et la réaction AMS.

PERTE COMMUNICATION

Réaction attendue : AMS Perte de surveillance puis SHUTDOWN. Critère de validation : vérifier la perte de communication, la temporisation associée et le déclenchement du SHUTDOWN.

AIR BLOQUÉ FERMÉ

Réaction attendue : SHUTDOWN demandé mais AIR restant fermé. Critère de validation : Vérifier l’écart entre la commande de coupure et l’état réel de l’AIR.

SURTENSION RÉGÉNÉRATION

Réaction attendue : Vcell max augmente pendant le freinage régénératif. Critère de validation : Vérifier la corrélation entre courant négatif, récupération d’énergie et montée de Vcell max.

COMMENT RÉAGIT NOTRE BMS/AMS VIRTUEL ?

Notre BMS/AMS VIRTUEL surveille en permanence les données fournies par les modèles batterie, thermique et défauts. Selon les seuils atteints, le système évolue entre quatre états : NORMAL pour le fonctionnement nominal, WARNING lorsqu’une valeur anormale apparaît, DERATING lorsque la puissance doit être réduite pour protéger l’accumulateur, et SHUTDOWN lorsqu’une limite critique impose une mise en sécurité.

Une HYSTÉRÉSIS évite les changements d’état trop rapides lorsqu’une valeur oscille autour d’un seuil. Lorsqu’un SHUTDOWN est déclenché, l’état reste mémorisé jusqu’à une réinitialisation volontaire, afin d’éviter qu’un défaut critique disparaisse simplement parce que la mesure revient momentanément dans une zone acceptable.

PHOTO : schéma de principe de notre BMS/AMS VIRTUEL

OÙ SONT DÉFINIS LES SEUILS ET COMMENT SONT-ILS GÉRÉS ?

Les seuils de fonctionnement et de sécurité sont définis dans le fichier MOTOR_CONFIG.JSON propre à chaque véhicule. Ce fichier contient par exemple les tensions cellule minimales et maximales, les températures limites, les courants admissibles et les temporisations de sécurité.

Exemple :

Tension cellule normale : ~3,7 à 4,1 V

WARNING sous-tension : 3,30 V

SHUTDOWN sous-tension : 3,10 V

WARNING température : 50 °C

DERATING : 55 °C

SHUTDOWN : 60 °C

Pendant le roulage, le modèle batterie calcule en permanence les valeurs réelles : SoC, tension pack, courant, Vcell min/max, Delta V, etc. Le modèle thermique calcule les températures. Notre BMS/AMS VIRTUEL compare ensuite ces valeurs aux seuils du MOTOR_CONFIG.JSON.

Exemple :

Température mesurée : 47 °C
→ NORMAL

Température mesurée : 52 °C
→ WARNING

Température mesurée : 56 °C
→ DERATING

Température mesurée : 61 °C pendant plus de 1 s
→ SHUTDOWN

Même logique pour une cellule :

Vcell min = 3,45 V
→ NORMAL

Vcell min = 3,25 V
→ WARNING

Vcell min = 3,05 V pendant plus de 0,5 s
→ SHUTDOWN

L’HYSTÉRÉSIS évite qu’un état change en permanence autour d’un seuil. Par exemple, après un WARNING à 50 °C, le système peut attendre que la température redescende sous environ 48 °C avant de revenir à NORMAL. Enfin, un SHUTDOWN reste mémorisé : même si la valeur redevient normale, le système ne repart pas tout seul. Une réinitialisation volontaire est nécessaire.

ENREGISTRER ET ANALYSER CHAQUE ESSAI

ACQUISITION ET JOURNAL D’ÉVÉNEMENTS

Pendant chaque run, le système enregistre les principales données de fonctionnement : vitesse, accélérateur, frein, SoC, tension pack, courant, tensions cellules min/max, Delta V, températures, puissance, récupération d’énergie et état du BMS/AMS.

Les données continues sont stockées dans plusieurs fichiers afin notamment de conserver les événements significatifs : apparition d’un défaut, passage en WARNING, DERATING ou SHUTDOWN, déclenchement de l’AMS ou changement d’état des AIR (ACCUMULATOR ISOLATION RELAYS), c’est-à-dire les relais de puissance qui connectent ou isolent l’accumulateur du système de traction.

Notre lecteur externe BATTERY MONITOR permet de mesurer le temps entre le dépassement d’un seuil critique et la réaction de notre BMS/AMS VIRTUEL. Par exemple, lorsqu’une tension cellule franchit sa limite minimale, l’outil permet d’identifier précisément l’instant du dépassement puis le passage du système en WARNING, DERATING ou SHUTDOWN. Il devient ainsi possible de vérifier que la logique de sécurité réagit dans le délai attendu et d’analyser l’enchaînement complet du défaut jusqu’à la mise en sécurité.

PHOTO : notre lecteur externe BATTERY MONITOR pour la relecture des données

BATTERY MONITOR

ANALYSER ET COMPARER LES ESSAIS

BATTERY MONITOR est notre outil d’analyse dédié à la batterie des FORMULA STUDENT électriques. Le programme est développé en HTML / JavaScript / CSS. Il permet de relire plusieurs sessions enregistrées et de suivre précisément l’évolution du SoC, des tensions cellules, du courant pack, des températures, de la puissance disponible, de la régénération et des états de sécurité.

La lecture est synchronisée avec le numéro de tour, la distance cumulée et la position dans la session, tandis que les graphiques permettent d’identifier rapidement l’apparition d’un défaut et ses conséquences. L’outil intègre également la comparaison A/B de deux essais, les critères du scénario, la chronologie détaillée des événements, les temps de réaction de l’AMS et une conclusion automatique.

Enfin, chaque analyse peut être éditée sous la forme d’un rapport PDF détaillé, regroupant les principaux indicateurs, les courbes, les événements, les défauts détectés et la conclusion de l’essai. Cela permet de conserver une trace exploitable de chaque validation et de comparer facilement plusieurs configurations ou stratégies.

ACTION DU BMS/AMS SUR LA PHYSIQUE DU VÉHICULE

Le système ne se limite pas à observer les défauts. Les décisions du BMS/AMS peuvent également être transmises à la physique du véhicule afin de réduire réellement la puissance, limiter la récupération ou couper la propulsion.

La chaîne devient alors complète :

défaut simulé → détection BMS/AMS → décision de sécurité → action sur le véhicule → acquisition → analyse.

UNE ARCHITECTURE MODULAIRE ET ÉVOLUTIVE

Cette architecture permet de faire évoluer indépendamment les modèles d’énergie, de batterie, de thermique, de défauts, de sécurité et d’analyse. L’objectif n’est pas de reproduire un BMS commercial particulier, mais de disposer d’un environnement cohérent pour comprendre, tester et comparer le comportement d’une FORMULA STUDENT électrique en conditions normales ou dégradées.

La simulation devient ainsi non seulement un outil de performance, mais également un outil de développement et de validation fonctionnelle des systèmes électriques.

PHOTO : extrait d’un rapport de session issu du logiciel BATTERY MONITOR

ESSAI DE LA SOUS-TENSION SOUS CHARGE

DESCRIPTIF DE L’ESSAI

Nous réalisons un essai de SOUS-TENSION SOUS CHARGE afin d’observer le comportement de la batterie lors d’une forte sollicitation et de vérifier la réaction de l’AMS. Nous surveillons principalement la tension minimale cellule, l’état de l’AMS et les différents niveaux de protection. Lors de la forte accélération, la tension cellule diminue sous l’effet de la charge. La valeur Vcell min atteint le seuil de surveillance et l’AMS déclenche un WARNING. La sollicitation se poursuit et la tension descend jusqu’au seuil critique. L’AMS déclenche alors un SHUTDOWN du système haute tension afin de protéger la batterie. Nous validons ainsi la séquence attendue : baisse de Vcell min, détection du seuil, WARNING puis SHUTDOWN, ainsi que le temps de réaction du système.

EXTRAIT DU RAPPORT DE L’ESSAI

VIDÉO DE L’ESSAI

ESSAI DU DÉFAUT THERMIQUE CRITIQUE

DESCRIPTIF DE L’ESSAI

Nous réalisons un essai de DÉFAUT THERMIQUE CRITIQUE afin d’observer l’évolution de la température batterie sur plusieurs tours et de vérifier la réaction de l’AMS. Nous surveillons principalement la température maximale du pack, l’état de l’AMS et les différents niveaux de protection. Au fil des tours, la température augmente progressivement. La température atteint le seuil de limitation et l’AMS déclenche un DERATING, avec une réduction de la puissance disponible afin de protéger la batterie. La température continue ensuite d’augmenter jusqu’au seuil critique. L’AMS déclenche alors un SHUTDOWN du système haute tension. Nous validons ainsi la séquence attendue : montée en température, WARNING, DERATING puis SHUTDOWN, ainsi que le temps de réaction du système.