Diseño de BMS inalámbrico y opciones de chipset

Listo para deshacerte de estos cables y arneses de batería? Un sistema de gestión de baterías (BMS) inalámbrico puede ayudarte a hacerlo.

 

A pesar de una escasez de chips automotrices, cierres de plantas y largos tiempos de espera en componentes críticos calificados para automoción, la industria sigue avanzando con nuevos desarrollos. La electrificación de la flota de vehículos en EE. UU., que resulta ser el segundo mayor productor de gases de efecto invernadero del mundo, ahora parece inevitable. El estado de California tiene planes de prohibir los vehículos de gasolina para 2035, GM planea tener una flota mundial sin emisiones para 2040, y otros fabricantes de automóviles de EE. UU. planean seguir su ejemplo. China también tiene planes para eliminar completamente los vehículos de gasolina para 2035. Las cosas se ven prometedoras si estás en el negocio de la energía verde.

 

Un subsistema importante en los vehículos eléctricos es el sistema de gestión de baterías (BMS). Este subsistema de gestión de energía es responsable de varias tareas importantes en vehículos eléctricos:

 

• Monitorear las tasas de carga y descarga

• Equilibrar la distribución de carga entre múltiples celdas

• Predicción de la salud de las celdas y realizar el nivelado de desgaste

• Identificar y alertar sobre cualquier peligro de seguridad

 

Aunque muchas de las noticias y literatura en torno a los diseños de BMS tienden a centrarse en automóviles eléctricos, un BMS podría usarse en cualquier tipo de sistema electrificado que requiera equilibrar la carga y descarga de múltiples celdas de batería. El objetivo en estos sistemas es maximizar la vida útil total de la batería, tanto en términos de la duración operativa total para un solo ciclo de carga, como la vida útil de las celdas de la batería distribuyendo el desgaste de manera uniforme.

 

A finales de 2020, algunas empresas comenzaron a anunciar un nuevo tipo de BMS inalámbrico dirigido a vehículos eléctricos en el mercado de consumo. Ahora, a partir de abril de 2021, el nuevo Hummer de GM incluirá un BMS inalámbrico en asociación con Visteon, un proveedor estadounidense de electrónica automotriz. Ahora que algunas de las principales compañías de semiconductores están proporcionando chipsets para BMS inalámbricos, los diseñadores tienen la oportunidad de comenzar a construir diseños de BMS inalámbricos para nuevos vehículos. Estos sistemas continuarán tomando prominencia a medida que los OEM de baterías comercialicen más avances en tecnología de baterías en los próximos años.

 

En este artículo, veremos algunos de los chipsets más nuevos que admiten diseños de BMS inalámbricos. Aunque nos centraremos principalmente en vehículos eléctricos ya que esta es un área de alta demanda, la gama de aplicaciones para BMS inalámbricos va mucho más allá de los automóviles de consumo y comerciales. Vehículos robóticos, aeronaves y drones para uso en áreas como agricultura, logística, seguridad y automatización industrial también pueden beneficiarse de un BMS inalámbrico, y los diseñadores pueden dirigirse a estas áreas con productos innovadores de BMS inalámbricos.

Ventajas del BMS Inalámbrico

El éxito a largo plazo de la electrificación depende de extender la vida útil de las baterías, por lo que un BMS en equipos electrificados es necesario. Entonces, es una pregunta válida preguntar, ¿cuál es el beneficio de agregar algunas capacidades inalámbricas al diseño?

 

• Menos cables y arneses de cableado: Cada vez que puedes consolidar arneses de cableado en un vehículo o eliminarlos completamente, estás ahorrando espacio valioso y reduciendo el peso total. Los cables utilizados en estos sistemas tampoco son baratos y están entre los componentes más pesados en un VE, por lo que eliminar estos pasa ahorros al comprador final. 

• Modularidad: Usar una conexión inalámbrica elimina la necesidad de un ensamblaje de cable propietario. Todo alrededor de un sistema de batería puede hacerse más modular, permitiendo que los proveedores de terceros innoven y participen en este espacio. 

• Mantenimiento más simple: Cuando hay menos cables involucrados en conectar el BMS a las celdas de la batería, las celdas y otros electrónicos son más fáciles de acceder, mantener y reemplazar cuando es necesario. Usar un BMS inalámbrico universal en lugar de un BMS cableado propietario permite un enfoque de plug-and-play para el diseño y mantenimiento.

• Tiempo de comercialización más rápido: Trabajar con un protocolo inalámbrico universal es más simple que usar una masa de cables y arneses de cableado, que pueden ser rediseñados para cada iteración de cada modelo. Pasar a inalámbrico elimina esto y reduce el tiempo de comercialización.

 

Arquitectura del BMS Inalámbrico

El diagrama de bloques a continuación ilustra el diseño general de un sistema BMS inalámbrico. Podemos ver dónde existe el canal inalámbrico entre las celdas de la batería y el controlador del sistema BMS principal. Cada celda de batería incluye un pequeño módulo que transmite datos y recibe datos del controlador del BMS.

 

Diagrama de bloques y arquitectura del BMS inalámbrico.

En esta arquitectura, tienes dos partes principales del sistema: una unidad de monitoreo para cada paquete de baterías y una unidad de control central que se interfaza con estas unidades de monitoreo. Esencialmente, cada batería es un cliente en la red e informa información de vuelta al controlador principal. La unidad de control del BMS todavía puede recibir datos (por ejemplo, aceleración del vehículo u otras señales) que pueden indicar que se requiere más potencia del paquete de baterías, y el controlador del BMS puede ajustar la tasa de carga/descarga en consecuencia.

 

Contrasta esto con un controlador BMS cableado típico, que requiere pasar cableado a cada celda en el paquete de baterías, creando un enredo de cables internos y externos al alojamiento de la batería. Esto debería ilustrar una de las principales ventajas de un BMS inalámbrico; efectivamente has cortado la cantidad de cableado requerido en el sistema en aproximadamente un 50%. Esto también elimina la necesidad de pasar cableado a través de la estructura compleja de un vehículo eléctrico típico, eliminando la necesidad de conectores y accesorios entre la unidad de control y los módulos de monitoreo del BMS.

Desafíos del BMS Inalámbrico

Mientras que una arquitectura BMS inalámbrica puede simplificar algunos sistemas y proporcionar una serie de beneficios en términos de eficiencia y costo, hay varios desafíos involucrados en el diseño e implementación del BMS inalámbrico. Estos incluyen:

 

• Formación de la red durante el inicio: Idealmente, la red inalámbrica utilizada para conectar las unidades BMS en células individuales y el controlador BMS debería formarse rápidamente y sin necesidad de solución de problemas por parte del usuario. Esto influirá en el protocolo inalámbrico elegido en el diseño; note que no todos los componentes utilizarán el mismo protocolo, aunque generalmente es un protocolo de 2.4 GHz (por ejemplo, Bluetooth).

• Baja latencia: Cualquiera que sea el protocolo inalámbrico utilizado, el tiempo de respuesta debería ser relativamente rápido. Esto es bastante importante en un vehículo electrificado ya que la potencia de la batería puede ser demandada muy rápidamente durante la aceleración, causando que las baterías se descarguen rápidamente. La unidad de control BMS necesita saber cuándo ocurre esto y necesita responder rápidamente configurando la unidad de monitoreo BMS.

• Errores de multipath: El espacio donde se despliegan los módulos inalámbricos BMS es muy ajustado, lo que lleva a errores de multipath y potencial para errores de paquetes durante la operación. Además, el ambiente en un vehículo contiene múltiples fuentes de ruido que pueden interferir en un rango de frecuencias. El ambiente de ruido debería ser considerado durante el diseño y al seleccionar componentes de soporte para aislamiento.

• Bajo consumo de energía: Esto podría sonar sorprendente dado que los módulos BMS están conectados a un paquete de baterías grande, pero aún así consumirán energía cuando el vehículo no esté en funcionamiento. Este consumo de energía debería ser minimizado, idealmente eliminando el sobrecabeza de la red.

 

Chipsets para BMS Inalámbricos

En el Controlador

Al igual que otros componentes comercializados por compañías de semiconductores, los chips utilizados para productos BMS inalámbricos no son muy diferentes de sus ICs típicos no calificados para automoción. La arquitectura del módulo controlador que aloja la red y captura datos de monitoreo solo requiere unos pocos componentes. Los MCUs controladores BMS inalámbricos calificados para automoción se comercializan de esta manera basados en la demanda de la industria, no porque realicen alguna otra función especial que no pueda implementarse en otro MCU. Sin embargo, estos MCUs están altamente integrados con el frente de RF apropiado, y posiblemente con un transceptor CAN para interfaz con la ECU principal.

En el Monitor

En algunos sistemas de gestión de baterías, como para una bicicleta eléctrica, el chip de monitoreo y balanceo de células normalmente estaría montado en la misma placa que el resto de los componentes de control. En vehículos, los paquetes de baterías son lo suficientemente grandes como para que tenga más sentido, solo desde una perspectiva de cableado, colocar estos directamente en la batería en la arquitectura mostrada arriba.

 

Los chips típicos de monitoreo/balanceo de baterías están disponibles en versiones que pueden soportar múltiples células mientras implementan un algoritmo estándar que se ejecuta en el controlador principal. Sin embargo, a mediados de 2021, aún no hemos visto el mismo nivel de integración encontrado en otros microcontroladores. Sin embargo, para continuar reduciendo el tamaño y peso de estos módulos, esperaría que las empresas activas en esta área produzcan un IC balanceador de baterías automotriz que integre procesamiento ligero y un frente de RF para conectar de nuevo con la unidad controladora.

 

Vamos a ver algunos de los componentes más nuevos en cada área como se muestra a continuación:

Texas Instruments, BQ79616-Q1

Texas Instruments ya es bien conocido por su familia de chips BMS, tanto para el balanceo de celdas activo como pasivo. El BQ79616-Q1 de Texas Instruments es un chip de gestión de baterías que se enfoca específicamente en arreglos de baterías más grandes que requieren una corriente de balanceo más alta que otras soluciones. Este chip permite una corriente de balanceo de hasta 240 mA con 16 celdas en serie, aunque puede escalarse a un mayor número de celdas con múltiples chips. Note que se necesita un MCU externo y una sección de RF si el BQ79616-Q1 va a ser utilizado como parte de un BMS inalámbrico. Lo más importante para sistemas automotrices, este componente ayuda a cumplir con ASIL-D y con la norma ISO 26262 para sistemas de potencia automotrices.

 

Diagrama de bloques con el chip de monitoreo/balanceo BMS BQ79616-Q1 y BQ79616-Q1 utilizado como controlador de despertar. Fuente: Hoja de datos de BQ79616-Q1.

 

Infineon, CYW89820

El CYW89820 de Infineon es un SoC MCU habilitado para Bluetooth de bajo costo diseñado específicamente para sistemas automotrices. Este componente soporta la especificación central de Bluetooth 5.0 con soporte para BR, EDR @ 2 Mbps y 3 Mbps, y para eSCO, BLE y LE @ 2 Mbps. Este componente ofrece un regulador de potencia integrado (convertidor reductor + LDO), ADC integrado y unidad de control de gestión de potencia. Finalmente, este componente ofrece actualizaciones de firmware por aire, potencia de transmisión programable hasta 11.5 dBm y sensibilidad de recepción hasta –94 dBm (BLE @ 1 Mbps).

 

Diagrama de bloques del SoC Bluetooth 5.0 CYW89820. Fuente: Hoja de datos de CYW89820.

 

Texas Instruments, MCUs SimpleLink (CC26xx)

Los MCUs CC26xx de Texas Instruments incluyen una gama de MCUs habilitados para 2.4 GHz que pueden ser calificados en aplicaciones automotrices. El producto más nuevo en esta línea, el CC2662R-Q1, aún está en vista previa, pero será un componente calificado para automoción y es ideal para un BMS inalámbrico que opera a 2.4 GHz. Un producto anterior, el CC2652R, también puede ser utilizado en diseños de BMS inalámbricos ya que ofrece soporte multiprotocolo con un PA integrado.

Otros Componentes que Necesita para la Gestión de Potencia del Vehículo

La gestión de potencia en vehículos y áreas relacionadas requiere una gama de componentes más allá del monitoreo de baterías. Estos sistemas necesitan su propio conjunto de componentes de regulación de potencia e interfaz para integrarse con otros sistemas en un vehículo. Eche un vistazo a algunos otros componentes que podría necesitar para un producto de BMS inalámbrico:

 

• Varios conectores, incluidos los enchufes RJ-45

• ADCs y amplificadores

• Regulación de potencia calificada para automoción

 

Ya sea que estés diseñando un BMS inalámbrico para automoción o robótica, puedes encontrar los chips de monitoreo y control que tu sistema necesita con las características avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart. Cuando usas el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a datos de precios de distribuidores actualizados, inventario de partes y especificaciones de partes, y todo es libremente accesible en una interfaz amigable. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados para encontrar los componentes que necesitas.

 

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