Conception de BMS sans fil et options de chipset

Créé: Mai 28, 2021
Mise à jour: Juillet 1, 2024

Prêt à abandonner ces câbles et harnais de batterie ? Un système de gestion de batterie (BMS) sans fil peut vous aider à le faire.

Malgré une pénurie de puces automobiles, des fermetures d'usines et des délais prolongés sur des composants critiques qualifiés pour l'automobile, l'industrie continue d'avancer avec de nouvelles avancées. L'électrification de la flotte de véhicules aux États-Unis, qui se trouve être le deuxième plus grand producteur de gaz à effet de serre au monde, semble maintenant inévitable. L'État de Californie a prévu de interdire les véhicules à essence d'ici 2035, GM prévoit d'avoir une flotte mondiale sans émission d'ici 2040, et les autres constructeurs automobiles américains ont prévu de suivre cette voie. La Chine a également des plans pour une élimination complète des véhicules à essence d'ici 2035. Les perspectives sont prometteuses si vous êtes dans le secteur de l'énergie verte.

Un sous-système important dans les véhicules électriques est le système de gestion de batterie (BMS). Ce sous-système de gestion de l'énergie est responsable de plusieurs tâches importantes dans les véhicules électriques :

Surveillance des taux de charge et de décharge
Équilibrage de la distribution de charge entre plusieurs cellules
Prédiction de l'état de santé des cellules et réalisation de l'équilibrage de l'usure
Identification et alerte de tout danger de sécurité

Bien que beaucoup d'informations et de littérature autour des conceptions de BMS tendent à se concentrer sur les automobiles électriques, un BMS pourrait être utilisé dans tout type de système électrifié nécessitant un équilibrage de la charge et de la décharge de plusieurs cellules de batterie. L'objectif dans ces systèmes est de maximiser la durée de vie globale de la batterie, tant en termes de durée de vie opérationnelle totale pour un seul cycle de charge, qu'en termes de durée de vie des cellules de batterie en répartissant uniformément l'usure.

À la fin de 2020, certaines entreprises ont commencé à annoncer un nouveau type de BMS sans fil ciblant les véhicules électriques sur le marché des consommateurs. Maintenant, en avril 2021, le nouveau Hummer de GM inclura un BMS sans fil en partenariat avec Visteon, un fournisseur américain d'électronique automobile. Maintenant que certaines grandes entreprises de semi-conducteurs fournissent des chipsets pour BMS sans fil, les concepteurs ont l'opportunité de commencer à construire des conceptions de BMS sans fil pour de nouveaux véhicules. Ces systèmes continueront de prendre de l'importance à mesure que les OEM de batteries commercialisent davantage d'avancées dans la technologie des batteries dans les années à venir.

Dans cet article, nous examinerons certains des chipsets les plus récents qui soutiennent les conceptions de BMS sans fil. Bien que nous nous concentrerons principalement sur les véhicules électriques car c'est un domaine de haute demande, la gamme d'applications pour le BMS sans fil s'étend bien au-delà des automobiles de consommation et commerciales. Les véhicules robotiques, les avions et les drones utilisés dans des domaines tels que l'agriculture, la logistique, la sécurité et l'automatisation industrielle peuvent également bénéficier d'un BMS sans fil, et les concepteurs peuvent cibler ces domaines avec des produits BMS sans fil innovants.

Avantages du BMS sans fil

La réussite d'une électrification à long terme repose sur l'extension de la durée de vie des batteries, donc un BMS dans l'équipement électrifié est nécessaire. Il est donc légitime de se demander quels sont les avantages à ajouter des capacités sans fil au design ?

Moins de câbles et de faisceaux de câbles : Chaque fois que vous pouvez consolider les faisceaux de câbles dans un véhicule ou les supprimer complètement, vous économisez de l'espace précieux et réduisez le poids total. Les câbles utilisés dans ces systèmes ne sont pas non plus bon marché et font partie des composants les plus lourds d'un véhicule électrique, donc leur élimination répercute des économies sur l'acheteur final.
Modularité : Utiliser une connexion sans fil élimine le besoin d'un assemblage de câbles propriétaire. Tout autour d'un système de batterie peut être rendu plus modulaire, permettant aux fournisseurs tiers d'innover et de participer à cet espace.
Maintenance plus simple : Quand il y a moins de câbles impliqués dans la connexion du BMS aux cellules de la batterie, les cellules et autres électroniques sont plus faciles à accéder, à entretenir et à remplacer si nécessaire. Utiliser un BMS sans fil universel au lieu d'un BMS câblé propriétaire permet une approche plug-and-play pour la conception et la maintenance.
Délai de mise sur le marché plus rapide : Travailler avec un protocole sans fil universel est plus simple que d'utiliser une masse de câbles et de faisceaux de câblage, qui peuvent être redessinés pour chaque itération de chaque modèle. Passer au sans fil élimine cela et réduit le temps de mise sur le marché.

Architecture BMS sans fil

Le schéma de bloc ci-dessous illustre la disposition générale d'un système BMS sans fil. Nous pouvons voir où le canal sans fil existe entre les cellules de la batterie et le contrôleur principal du système BMS. Chaque cellule de batterie comprend un petit module qui transmet des données au contrôleur BMS et en reçoit.

Schéma de bloc et architecture BMS sans fil.

Dans cette architecture, vous avez deux parties principales du système : une unité de surveillance pour chaque pack de batteries, et une unité de contrôle centrale qui interagit avec ces unités de surveillance. Essentiellement, chaque batterie est un client sur le réseau et rapporte des informations au contrôleur principal. L'unité de contrôle BMS peut toujours recevoir des données (par exemple, l'accélération du véhicule ou d'autres signaux) qui peuvent indiquer qu'une puissance supplémentaire est requise du pack de batteries, et le contrôleur BMS peut ajuster le taux de charge/décharge en conséquence.

Contrastez cela avec un contrôleur BMS câblé typique, qui nécessite de faire passer des câbles à chaque cellule dans le pack de batteries, créant un enchevêtrement de fils à l'intérieur et à l'extérieur du logement de la batterie. Cela devrait illustrer l'un des principaux avantages d'un BMS sans fil ; vous avez effectivement réduit de moitié la quantité de câblage nécessaire dans le système. Cela élimine également le besoin de faire passer des câbles à travers la structure complexe d'un véhicule électrique typique, éliminant le besoin de connecteurs et de raccords entre l'unité de contrôle et les modules de surveillance BMS.

Défis du BMS sans fil

Bien qu'une architecture BMS sans fil puisse simplifier certains systèmes et offrir un certain nombre d'avantages en termes d'efficacité et de coût, il existe plusieurs défis liés à la conception et à la mise en œuvre du BMS sans fil. Ceux-ci incluent :

Formation du réseau lors du démarrage : Idéalement, le réseau sans fil utilisé pour connecter les unités BMS sur les cellules individuelles et le contrôleur BMS devrait se former rapidement et sans aucun dépannage par l'utilisateur. Cela influencera le protocole sans fil choisi dans la conception ; notez que tous les composants n'utiliseront pas le même protocole, bien que ce soit généralement un protocole de 2,4 GHz (par exemple, Bluetooth).
Faible latence : Quel que soit le protocole sans fil utilisé, le temps de réponse devrait être relativement rapide. C'est assez important dans un véhicule électrifié car la puissance de la batterie peut être demandée très rapidement lors de l'accélération, provoquant une décharge rapide des batteries. L'unité de contrôle BMS doit savoir quand cela se produit et doit répondre rapidement en configurant l'unité de surveillance BMS.
Erreurs de multipath : L'espace où les modules BMS sans fil sont déployés est très restreint, conduisant à des erreurs de multipath et à un potentiel d'erreurs de paquets pendant l'opération. De plus, l'environnement dans un véhicule contient de multiples sources de bruit qui peuvent interférer sur une gamme de fréquences. L'environnement de bruit doit être considéré lors de la conception et lors de la sélection des composants de support pour l'isolation.
Faible consommation d'énergie : Cela peut sembler surprenant étant donné que les modules BMS sont connectés à un grand pack de batteries, mais ils consommeront toujours de l'énergie lorsque le véhicule ne fonctionne pas. Cette consommation d'énergie devrait être minimisée, idéalement en éliminant le surcoût réseau.

Chipsets BMS sans fil

Sur le contrôleur

Tout comme d'autres composants commercialisés par les entreprises de semi-conducteurs, les puces utilisées pour les produits BMS sans fil ne sont pas très différentes de leurs CI non qualifiés pour l'automobile typiques. L'architecture du module contrôleur qui héberge le réseau et capture les données de surveillance ne nécessite que quelques composants. Les MCU de contrôleur BMS sans fil qualifiés pour l'automobile sont commercialisés de cette manière en fonction de la demande de l'industrie, non parce qu'ils effectuent une fonction spéciale qui ne peut pas être mise en œuvre sur un autre MCU. Cependant, ces MCU sont hautement intégrés avec l'interface RF appropriée, et possiblement avec un transceiver CAN pour interfacer avec l'ECU principal.

Sur le moniteur

Dans certains systèmes de gestion de batterie, comme pour un vélo électrique, la puce de surveillance et d'équilibrage des cellules serait normalement montée sur la même carte que le reste des composants de contrôle. Dans les véhicules, les packs de batteries sont suffisamment grands pour qu'il soit plus logique, juste d'un point de vue câblage, de placer ceux-ci directement sur la batterie dans l'architecture montrée ci-dessus.

Les puces typiques de surveillance/équilibrage de batterie sont disponibles dans des versions qui peuvent supporter plusieurs cellules tout en mettant en œuvre un algorithme standard fonctionnant sur le contrôleur principal. Cependant, à la mi-2021, nous n'avons pas encore vu le même niveau d'intégration trouvé dans d'autres microcontrôleurs. Cependant, pour continuer à réduire la taille et le poids de ces modules, je m'attendrais à ce que les entreprises actives dans ce domaine produisent un CI d'équilibreur de batterie automobile qui intègre un traitement léger et une interface RF pour se connecter de nouveau à l'unité de contrôle.

Examinons certains des composants les plus récents dans chaque domaine comme indiqué ci-dessous :

Texas Instruments, BQ79616-Q1

Texas Instruments est déjà bien connu pour sa famille de puces BMS, tant pour l'équilibrage actif que passif des cellules. Le BQ79616-Q1 de Texas Instruments est une puce de gestion de batterie qui cible spécifiquement les grands réseaux de batteries nécessitant un courant d'équilibrage supérieur à d'autres solutions. Cette puce permet un courant d'équilibrage jusqu'à 240 mA avec 16 cellules en série, bien qu'elle puisse être mise à l'échelle pour des nombres de cellules plus élevés avec plusieurs puces. Notez qu'un MCU externe et une section RF sont nécessaires si le BQ79616-Q1 doit être utilisé dans le cadre d'un BMS sans fil. Plus important encore pour les systèmes automobiles, ce composant aide à la conformité ASIL-D et à la conformité ISO 26262 pour les systèmes d'alimentation automobile.

Schéma de bloc avec la puce de surveillance/équilibrage BMS BQ79616-Q1 et BQ79616-Q1 utilisé comme contrôleur de réveil. Source : Fiche technique BQ79616-Q1.

Infineon, CYW89820

Le CYW89820 d'Infineon est un SoC MCU activé Bluetooth à faible coût spécifiquement conçu pour les systèmes automobiles. Ce composant prend en charge la spécification de base Bluetooth 5.0 avec support pour BR, EDR @ 2 Mbps et 3 Mbps, et pour eSCO, BLE, et LE @ 2 Mbps. Ce composant offre un régulateur de puissance intégré (convertisseur abaisseur + LDO), un ADC intégré, et une unité de gestion de l'alimentation. Enfin, ce composant offre des mises à jour du firmware par voie aérienne, une puissance d'émission programmable jusqu'à 11.5 dBm, et une sensibilité du récepteur jusqu'à –94 dBm (BLE @ 1 Mbps).

Schéma de bloc du SoC Bluetooth 5.0 CYW89820. Source : Fiche technique CYW89820.

Texas Instruments, MCU SimpleLink (CC26xx)

Les MCU CC26xx de Texas Instruments incluent une gamme de MCU activés à 2,4 GHz qui peuvent être qualifiés dans des applications automobiles. Le produit le plus récent de cette ligne, le CC2662R-Q1, est encore en prévisualisation, mais il sera un composant qualifié pour l'automobile et est idéal pour un BMS sans fil fonctionnant à 2,4 GHz. Un produit antérieur, le CC2652R, peut également être utilisé dans les conceptions de BMS sans fil car il offre un support multi-protocole avec un PA intégré.

Autres composants nécessaires pour la gestion de l'alimentation des véhicules

La gestion de l'alimentation dans les véhicules et les domaines connexes nécessite une gamme de composants au-delà de la surveillance des batteries. Ces systèmes ont besoin de leur propre ensemble de composants de régulation de puissance et d'interface pour s'intégrer avec d'autres systèmes dans un véhicule. Examinez certains autres composants dont vous pourriez avoir besoin pour un produit BMS sans fil :

Que vous conceviez un BMS sans fil pour l'automobile ou la robotique, vous pouvez trouver les puces de surveillance et de contrôle dont votre système a besoin grâce aux fonctionnalités de recherche avancée et de filtrage sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche électronique d'Octopart, vous aurez accès aux données de prix des distributeurs à jour, à l'inventaire des pièces, et aux spécifications des pièces, et tout est librement accessible dans une interface conviviale. Jetez un œil à notre page de circuits intégrés pour trouver les composants dont vous avez besoin.

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