Drahtloses BMS-Design und Chipsatzoptionen

Bereit, diese Batteriekabel und -geschirre hinter sich zu lassen? Ein drahtloses Batteriemanagementsystem (BMS) kann Ihnen dabei helfen.

 

Trotz eines Automobilchipmangels, Werksstilllegungen und langen Lieferzeiten für kritische, automobilqualifizierte Komponenten treibt die Branche neue Fortschritte voran. Die Elektrifizierung der Fahrzeugflotte in den USA, die zufällig der zweitgrößte Produzent von Treibhausgasen weltweit ist, scheint nun unvermeidlich. Der Bundesstaat Kalifornien plant, den Verkauf von Benzin-Fahrzeugen bis 2035 zu verbieten, GM plant bis 2040 eine weltweite Flotte ohne Emissionen zu haben, und die anderen US-Automobilhersteller planen, diesem Beispiel zu folgen. Auch China plant eine vollständige Ausmusterung von Benzin-Fahrzeugen bis 2035. Die Aussichten sind hell, wenn Sie im Geschäft mit grüner Energie tätig sind.

 

Ein wichtiges Teilsystem in Elektrofahrzeugen ist das Batteriemanagementsystem (BMS). Dieses Energiemanagementsubsystem ist verantwortlich für mehrere wichtige Aufgaben in Elektrofahrzeugen:

 

• Überwachung der Lade- und Entladeraten

• Ausgleich der Ladungsverteilung zwischen mehreren Zellen

• Vorhersage der Zellengesundheit und Durchführung von Wear Leveling

• Identifizierung und Warnung vor Sicherheitsrisiken

 

Obwohl viele Nachrichten und Literatur rund um BMS-Designs sich auf Elektroautos konzentrieren, könnte ein BMS in jedem Typ von elektrifiziertem System verwendet werden, das ein Ausgleichen des Ladens und Entladens von mehreren Batteriezellen erfordert. Das Ziel in diesen Systemen ist es, die gesamte Batterielebensdauer zu maximieren, sowohl in Bezug auf die gesamte Betriebsdauer für einen einzelnen Ladezyklus als auch die Lebensdauer der Batteriezellen durch gleichmäßige Verteilung der Abnutzung.

 

Ende 2020 begannen einige Unternehmen, einen neuen Typ von drahtlosem BMS anzukündigen, der auf Elektrofahrzeuge im Verbrauchermarkt abzielt. Jetzt, im April 2021, wird der neue GM Hummer ein drahtloses BMS in Partnerschaft mit Visteon, einem US-amerikanischen Automobil-Elektronikzulieferer, beinhalten. Da nun einige große Halbleiterunternehmen drahtlose BMS-Chipsätze bereitstellen, haben Designer die Möglichkeit, mit dem Bau von drahtlosen BMS-Designs für neue Fahrzeuge zu beginnen. Diese Systeme werden weiterhin an Bedeutung gewinnen, da Batterie-OEMs in den kommenden Jahren mehr Fortschritte in der Batterietechnologie kommerzialisieren.

 

In diesem Artikel werden wir uns einige der neuesten Chipsätze ansehen, die drahtlose BMS-Designs unterstützen. Obwohl wir uns hauptsächlich auf Elektrofahrzeuge konzentrieren werden, da dies ein Bereich mit hoher Nachfrage ist, reicht das Anwendungsspektrum für drahtlose BMS weit über Verbraucher- und kommerzielle Automobile hinaus. Roboterfahrzeuge, Flugzeuge und Drohnen für den Einsatz in Bereichen wie Landwirtschaft, Logistik, Sicherheit und industrielle Automatisierung können ebenfalls von einem drahtlosen BMS profitieren, und Designer können diese Bereiche mit innovativen drahtlosen BMS-Produkten ins Visier nehmen.

Vorteile des drahtlosen BMS

Eine erfolgreiche, langfristige Elektrifizierung hängt von der Verlängerung der Batterielebensdauer ab, daher ist ein BMS in elektrifizierten Geräten notwendig. Es ist also eine berechtigte Frage, welchen Nutzen die Hinzufügung von drahtlosen Fähigkeiten zum Design bringt?

 

• Weniger Kabel und Kabelbäume: Jedes Mal, wenn Sie Kabelbäume in einem Fahrzeug konsolidieren oder vollständig entfernen können, sparen Sie wertvollen Platz und reduzieren das Gesamtgewicht. Die in diesen Systemen verwendeten Kabel sind auch nicht billig und gehören zu den schwersten Komponenten in einem EV, sodass deren Eliminierung Einsparungen an den Endkäufer weitergibt. 

• Modularität: Die Verwendung einer drahtlosen Verbindung eliminiert die Notwendigkeit für eine proprietäre Kabelkonstruktion. Alles rund um ein Batteriesystem kann modularer gestaltet werden, was Drittanbietern erlaubt, zu innovieren und in diesem Bereich mitzuwirken. 

• Einfachere Wartung: Wenn weniger Kabel beim Verbinden des BMS mit den Batteriezellen beteiligt sind, sind die Zellen und andere Elektronik leichter zugänglich, zu warten und bei Bedarf zu ersetzen. Die Verwendung eines universellen drahtlosen BMS anstelle eines proprietären verkabelten BMS ermöglicht einen Plug-and-Play-Ansatz für Design und Wartung.

• Schnellere Markteinführung: Die Arbeit mit einem universellen drahtlosen Protokoll ist einfacher als die Verwendung einer Masse von Kabeln und Kabelbäumen, die für jede Iteration jedes Modells neu gestaltet werden könnten. Drahtlos zu gehen eliminiert dies und reduziert die Zeit bis zur Markteinführung.

 

Drahtlose BMS-Architektur

Das untenstehende Blockdiagramm veranschaulicht das allgemeine Layout eines drahtlosen BMS-Systems. Wir können sehen, wo der drahtlose Kanal zwischen den Batteriezellen und dem Haupt-BMS-Systemcontroller existiert. Jede Batteriezelle enthält ein kleines Modul, das Daten an die BMS-Steuerungseinheit sendet und von dieser empfängt.

 

Drahtloses BMS-Blockdiagramm und Architektur.

In dieser Architektur haben Sie zwei Hauptteile des Systems: eine Überwachungseinheit für jedes Batteriepaket und eine zentrale Steuereinheit, die mit diesen Überwachungseinheiten interagiert. Im Wesentlichen ist jede Batterie ein Client im Netzwerk und meldet Informationen zurück an den Hauptcontroller. Die BMS-Steuerungseinheit kann immer noch Daten empfangen (z.B. Fahrzeugbeschleunigung oder andere Signale), die darauf hinweisen können, dass mehr Leistung vom Batteriepaket benötigt wird, und der BMS-Controller kann die Lade-/Entladerate entsprechend anpassen.

 

Im Gegensatz dazu erfordert ein typischer verkabelter BMS-Controller, dass Kabel zu jeder Zelle im Batteriepaket geführt werden, was ein Durcheinander von Kabeln innerhalb und außerhalb des Batteriegehäuses schafft. Dies sollte einen der Hauptvorteile eines drahtlosen BMS verdeutlichen; Sie haben effektiv die Menge der im System erforderlichen Verkabelung um etwa 50% reduziert. Dies eliminiert auch die Notwendigkeit, Verkabelung durch die komplexe Struktur eines typischen Elektrofahrzeugs zu führen, und eliminiert die Notwendigkeit von Anschlüssen und Fittings zwischen der Steuereinheit und den BMS-Monitor-Modulen.

Herausforderungen bei drahtlosen BMS

Obwohl eine drahtlose BMS-Architektur einige Systeme vereinfachen und eine Reihe von Vorteilen in Bezug auf Effizienz und Kosten bieten kann, gibt es mehrere Herausforderungen bei der Gestaltung und Implementierung von drahtlosen BMS. Dazu gehören:

 

• Netzwerkbildung beim Start: Idealerweise sollte sich das drahtlose Netzwerk, das die BMS-Einheiten auf einzelnen Zellen und den BMS-Controller verbindet, schnell und ohne jegliche Fehlersuche durch den Benutzer bilden. Dies wird das im Design gewählte drahtlose Protokoll beeinflussen; beachten Sie, dass nicht alle Komponenten dasselbe Protokoll verwenden werden, obwohl es sich in der Regel um ein 2,4-GHz-Protokoll handelt (z.B. Bluetooth).

• Niedrige Latenz: Unabhängig vom verwendeten drahtlosen Protokoll sollte die Reaktionszeit relativ schnell sein. Dies ist in einem elektrifizierten Fahrzeug sehr wichtig, da die Batterieleistung während der Beschleunigung sehr schnell angefordert werden kann, was dazu führt, dass die Batterien schnell entladen werden. Die BMS-Steuerungseinheit muss wissen, wann dies auftritt, und muss schnell reagieren, indem sie die BMS-Überwachungseinheit konfiguriert.

• Multipath-Fehler: Der Raum, in dem drahtlose BMS-Module eingesetzt werden, ist sehr eng, was zu Multipath-Fehlern und der Möglichkeit von Paketfehlern während des Betriebs führt. Darüber hinaus enthält die Umgebung in einem Fahrzeug mehrere Geräuschquellen, die über einen Bereich von Frequenzen stören können. Die Geräuschumgebung sollte beim Design und bei der Auswahl unterstützender Komponenten für die Isolation berücksichtigt werden.

• Niedriger Energieverbrauch: Dies mag überraschend klingen, da BMS-Module an ein großes Batteriepaket angeschlossen sind, aber sie verbrauchen immer noch Energie, wenn das Fahrzeug nicht läuft. Dieser Energieverbrauch sollte minimiert werden, idealerweise durch Eliminierung des Netzwerk-Overheads.

 

Drahtlose BMS-Chipsätze

Im Controller

Wie auch andere von Halbleiterunternehmen vermarktete Komponenten unterscheiden sich die Chips, die für drahtlose BMS-Produkte verwendet werden, nicht wesentlich von ihren typischen nicht für den Automobilbereich qualifizierten ICs. Die Controllermodularchitektur, die das Netzwerk hostet und Überwachungsdaten erfasst, erfordert nur wenige Komponenten. Automotive-qualifizierte drahtlose BMS-Controller-MCUs werden aufgrund der Branchennachfrage so vermarktet, nicht weil sie eine andere spezielle Funktion ausführen, die nicht auf einem anderen MCU implementiert werden kann. Diese MCUs sind jedoch hochintegriert mit dem entsprechenden RF-Frontend und möglicherweise mit einem CAN-Transceiver, um mit dem Haupt-ECU zu interagieren.

Im Monitor

In einigen Batteriemanagementsystemen, wie z.B. bei einem Elektrofahrrad, würde der Zellüberwachungs- und Balancierchip normalerweise auf derselben Platine wie die restlichen Steuerkomponenten montiert. In Fahrzeugen sind die Batteriepakete groß genug, dass es allein aus Kabelsicht sinnvoller ist, diese direkt an der Batterie in der oben gezeigten Architektur zu platzieren.

 

Typische Batterieüberwachungs-/Balancierchips sind in Versionen verfügbar, die mehrere Zellen unterstützen können, während sie einen Standardalgorithmus ausführen, der auf dem Hauptcontroller läuft. Bis Mitte 2021 haben wir jedoch noch nicht denselben Integrationsgrad wie bei anderen Mikrocontrollern gesehen. Um jedoch die Größe und das Gewicht dieser Module weiter zu reduzieren, würde ich erwarten, dass die aktiven Unternehmen in diesem Bereich einen Automotive-Batteriebalancer-IC produzieren, der eine leichte Verarbeitung und ein RF-Frontend für die Verbindung zurück zur Steuereinheit integriert.

 

Lassen Sie uns einige der neuesten Komponenten in jedem Bereich unten ansehen:

Texas Instruments, BQ79616-Q1

Texas Instruments ist bereits bekannt für ihre BMSb-Chipfamilie, sowohl für aktives als auch passives Zellbalancing. Der BQ79616-Q1 von Texas Instruments ist ein Batteriemanagement-Chip, der speziell auf größere Batteriearrays abzielt, die einen höheren Balancierstrom als andere Lösungen benötigen. Dieser Chip ermöglicht einen Balancierstrom von bis zu 240 mA mit 16 in Serie geschalteten Zellen, obwohl er mit mehreren Chips auf eine höhere Zellenanzahl skaliert werden kann. Beachten Sie, dass ein externer MCU und RF-Abschnitt benötigt werden, wenn der BQ79616-Q1 als Teil eines drahtlosen BMS verwendet werden soll. Besonders wichtig für Automobilanwendungen ist, dass diese Komponente die Einhaltung von ASIL-D und ISO 26262 für Automobil-Stromsysteme unterstützt.

 

Blockdiagramm mit dem BQ79616-Q1 BMS-Überwachungs-/Balancierchip und BQ79616-Q1 als Weckcontroller verwendet. Quelle: BQ79616-Q1 Datenblatt.

 

Infineon, CYW89820

Der CYW89820 von Infineon ist ein kostengünstiger, Bluetooth-fähiger MCU SoC, der speziell für Automobilanwendungen entwickelt wurde. Diese Komponente unterstützt die Bluetooth 5.0-Kernspezifikation mit Unterstützung für BR, EDR @ 2 Mbps und 3 Mbps sowie für eSCO, BLE und LE @ 2 Mbps. Diese Komponente bietet einen integrierten Spannungsregler (Buck-Konverter + LDO), integrierten ADC und eine Energiemanagement-Steuerungseinheit. Schließlich bietet diese Komponente Firmware-Updates über die Luft, programmierbare Sendeleistung bis zu 11,5 dBm und Empfängerempfindlichkeit bis zu –94 dBm (BLE @ 1 Mbps).

 

Blockdiagramm des CYW89820 Bluetooth 5.0 SoC. Quelle: CYW89820 Datenblatt.

 

Texas Instruments, SimpleLink MCUs (CC26xx)

Die CC26xx MCUs von Texas Instruments umfassen eine Reihe von 2,4 GHz-fähigen MCUs, die in Automobilanwendungen qualifiziert werden können. Das neueste Produkt in dieser Reihe, der CC2662R-Q1, befindet sich noch in der Vorschau, wird aber eine für den Automobilbereich qualifizierte Komponente sein und ist ideal für ein drahtloses BMS, das bei 2,4 GHz arbeitet. Ein früheres Produkt, der CC2652R, kann ebenfalls in drahtlosen BMS-Designs verwendet werden, da er Multi-Protokoll-Unterstützung mit einem integrierten PA bietet.

Weitere Komponenten, die Sie für das Energiemanagement in Fahrzeugen benötigen

Das Energiemanagement in Fahrzeugen und verwandten Bereichen erfordert eine Reihe von Komponenten über die Batterieüberwachung hinaus. Diese Systeme benötigen ihre eigene Reihe von Spannungsregelungs- und Schnittstellenkomponenten, um sich mit anderen Systemen in einem Fahrzeug zu integrieren. Schauen Sie sich einige andere Komponenten an, die Sie für ein drahtloses BMS-Produkt benötigen könnten:

 

• Verschiedene Steckverbinder, einschließlich RJ-45-Buchsen

• ADCs und Verstärker

• Für den Automobilbereich qualifizierte Leistungsregelung

 

Ob Sie ein drahtloses BMS für den Automobilbereich oder die Robotik entwerfen, Sie können die Überwachungs- und Steuerchips, die Ihr System benötigt, mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen auf Octopart finden. Wenn Sie die Elektronik-Suchmaschine von Octopart nutzen, haben Sie Zugriff auf aktuelle Distributorenpreisdaten, Teilebestände und Teilespezifikationen, und das alles ist frei zugänglich in einer benutzerfreundlichen Schnittstelle. Werfen Sie einen Blick auf unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen, um die Komponenten zu finden, die Sie benötigen.

 

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