Progettazione di BMS Wireless e Opzioni di Chipset

Creato: maggio 28, 2021
Aggiornato: luglio 1, 2024

Pronto a dire addio a cavi e cablaggi della batteria? Un sistema di gestione batterie (BMS) wireless può aiutarti a farlo.

Nonostante una carestia di chip automobilistici, la chiusura di stabilimenti e i lunghi tempi di attesa per componenti critici qualificati per l'automotive, l'industria sta avanzando con nuovi progressi. L'elettrificazione della flotta di veicoli negli Stati Uniti, che si trova ad essere il secondo maggior produttore al mondo di gas serra, appare ora inevitabile. Lo Stato della California ha piani per bandire i veicoli a benzina entro il 2035, GM prevede di avere una flotta mondiale a zero emissioni entro il 2040, e gli altri produttori automobilistici statunitensi hanno piani simili. Anche la Cina ha piani per un completo abbandono dei veicoli a benzina entro il 2035. Le prospettive sono luminose se sei nel business dell'energia verde.

Un sottosistema importante nei veicoli elettrici è il sistema di gestione delle batterie (BMS). Questo sottosistema di gestione dell'energia è responsabile di diversi compiti importanti nei veicoli elettrici:

Monitoraggio delle velocità di carica e scarica
Bilanciamento della distribuzione della carica tra più celle
Previsione dello stato di salute delle celle e livellamento dell'usura
Identificazione e segnalazione di eventuali pericoli per la sicurezza

Sebbene molte delle notizie e della letteratura riguardanti i progetti BMS tendano a concentrarsi sulle automobili elettriche, un BMS potrebbe essere utilizzato in qualsiasi tipo di sistema elettrificato che richieda il bilanciamento della carica e della scarica da più celle di batteria. L'obiettivo in questi sistemi è massimizzare la durata complessiva della batteria, sia in termini di durata operativa totale per un singolo ciclo di carica, sia in termini di durata delle celle della batteria distribuendo uniformemente l'usura.

Alla fine del 2020, alcune aziende hanno iniziato ad annunciare un nuovo tipo di BMS wireless destinato ai veicoli elettrici nel mercato dei consumatori. Ora, a partire da aprile 2021, il nuovo GM Hummer includerà un BMS wireless in partnership con Visteon, un fornitore statunitense di elettronica per l'automotive. Ora che alcune importanti aziende di semiconduttori stanno fornendo chipset per BMS wireless, i progettisti hanno l'opportunità di iniziare a costruire progetti BMS wireless per nuovi veicoli. Questi sistemi continueranno a guadagnare importanza man mano che i produttori di batterie commercializzano ulteriori avanzamenti nella tecnologia delle batterie nei prossimi anni.

In questo articolo, esamineremo alcuni dei chipset più recenti che supportano i progetti BMS wireless. Sebbene ci concentreremo principalmente sui veicoli elettrici, dato che si tratta di un'area di grande domanda, l'ambito di applicazione dei BMS wireless va ben oltre le automobili consumer e commerciali. Veicoli robotici, aerei e droni per l'uso in settori come l'agricoltura, la logistica, la sicurezza e l'automazione industriale possono anche beneficiare di un BMS wireless, e i progettisti possono indirizzare queste aree con prodotti BMS wireless innovativi.

Vantaggi del BMS Wireless

Un'elettrificazione di successo e a lungo termine si basa sull'estensione della durata della batteria, quindi un BMS negli apparecchi elettrificati è necessario. Quindi, è lecito chiedersi, quali sono i vantaggi nell'aggiungere alcune capacità wireless al design?

Meno cavi e fascette: Ogni volta che si può consolidare le fascette dei cavi in un veicolo o rimuoverle completamente, si sta risparmiando spazio prezioso e riducendo il peso totale. I cavi utilizzati in questi sistemi non sono nemmeno economici e sono tra i componenti più pesanti in un EV, quindi eliminarli trasferisce risparmi all'acquirente finale.
Modularità: Utilizzare una connessione wireless elimina la necessità di un assemblaggio di cavi proprietario. Tutto ciò che riguarda un sistema di batterie può essere reso più modulare, consentendo ai fornitori di terze parti di innovare e partecipare in questo spazio.
Manutenzione più semplice: Quando ci sono meno cavi coinvolti nel collegare il BMS alle celle della batteria, le celle e altri componenti elettronici sono più facili da accedere, mantenere e sostituire quando necessario. Utilizzare un BMS wireless universale invece di un BMS cablato proprietario consente un approccio plug-and-play alla progettazione e alla manutenzione.
Tempo di immissione sul mercato più rapido: Lavorare con un protocollo wireless universale è più semplice che utilizzare una massa di cavi e fascette, che potrebbero essere ridisegnati per ogni iterazione di ogni modello. Passare al wireless elimina questo e riduce il tempo di immissione sul mercato.

Architettura BMS Wireless

Il diagramma a blocchi qui sotto illustra il layout generale di un sistema BMS wireless. Possiamo vedere dove esiste il canale wireless tra le celle della batteria e il controller principale del sistema BMS. Ogni cella della batteria include un piccolo modulo che trasmette dati al e riceve dati dal controllo BMS.

Diagramma a blocchi e architettura BMS wireless.

In questa architettura, hai due parti principali del sistema: un'unità di monitoraggio per ogni pacco batteria e un'unità di controllo centrale che interfaccia con queste unità di monitoraggio. Essenzialmente, ogni batteria è un client sulla rete e riporta informazioni al controller principale. L'unità di controllo BMS può comunque ricevere dati (ad es., accelerazione del veicolo o altri segnali) che possono indicare che è richiesta più potenza dal pacco batteria, e il controller BMS può regolare di conseguenza la velocità di carica/scarica.

Contrasta questo con un tipico controller BMS cablato, che richiede di far passare i cavi a ogni cella nel pacco batteria, creando un groviglio di fili interni ed esterni all'alloggiamento della batteria. Questo dovrebbe illustrare uno dei principali vantaggi di un BMS wireless; hai effettivamente tagliato la quantità di cablaggio richiesta nel sistema di circa il 50%. Questo elimina anche la necessità di far passare i cavi attraverso la struttura complessa di un tipico veicolo elettrico, eliminando la necessità di connettori e raccordi tra l'unità di controllo e i moduli monitor BMS.

Sfide del BMS Wireless

Sebbene un'architettura BMS wireless possa semplificare alcuni sistemi e fornire numerosi vantaggi in termini di efficienza e costo, ci sono diverse sfide coinvolte nella progettazione e nell'implementazione del BMS wireless. Queste includono:

Formazione della rete durante l'avvio: Idealmente, la rete wireless utilizzata per collegare le unità BMS su singole celle e il controller BMS dovrebbe formarsi rapidamente e senza alcuna risoluzione dei problemi da parte dell'utente. Questo influenzerà il protocollo wireless scelto nel design; da notare che non tutti i componenti utilizzeranno lo stesso protocollo, sebbene generalmente si tratti di un protocollo a 2,4 GHz (ad esempio, Bluetooth).
Bassa latenza: Qualunque sia il protocollo wireless utilizzato, il tempo di risposta dovrebbe essere relativamente veloce. Questo è piuttosto importante in un veicolo elettrificato poiché la potenza della batteria può essere richiesta molto rapidamente durante l'accelerazione, causando una rapida scarica delle batterie. L'unità di controllo BMS deve sapere quando ciò si verifica e deve rispondere rapidamente configurando l'unità di monitoraggio BMS.
Errori multipercorso: Lo spazio in cui sono dispiegati i moduli BMS wireless è molto ristretto, portando a errori multipercorso e potenziale per errori di pacchetto durante il funzionamento. Inoltre, l'ambiente in un veicolo contiene molteplici fonti di rumore che possono interferire su una gamma di frequenze. L'ambiente di rumore dovrebbe essere considerato durante la progettazione e quando si selezionano componenti di supporto per l'isolamento.
Basso consumo energetico: Potrebbe sembrare sorprendente dato che i moduli BMS sono collegati a un grande pacco batterie, ma consumeranno comunque energia quando il veicolo non è in funzione. Questo consumo di energia dovrebbe essere minimizzato, idealmente eliminando il sovraccarico di rete.

Chipset BMS Wireless

Sul Controller

Allo stesso modo di altri componenti commercializzati dalle aziende di semiconduttori, i chip utilizzati per i prodotti BMS wireless non sono molto diversi dai loro tipici IC non qualificati per l'automotive. L'architettura del modulo controller che ospita la rete e cattura i dati di monitoraggio richiede solo pochi componenti. I controller MCUs BMS wireless qualificati per l'automotive sono commercializzati in questo modo in base alla domanda dell'industria, non perché svolgono qualche altra funzione speciale che non può essere implementata su un altro MCU. Tuttavia, questi MCU sono altamente integrati con l'appropriato front-end RF, e possibilmente con un trasmettitore CAN per interfacciarsi con l'ECU principale.

Sul Monitor

In alcuni sistemi di gestione della batteria, come per una bici elettrica, il chip di monitoraggio e bilanciamento delle celle sarebbe normalmente montato sulla stessa scheda degli altri componenti di controllo. Nei veicoli, i pacchi batteria sono abbastanza grandi da rendere più sensato, solo da un punto di vista del cablaggio, posizionare questi direttamente sulla batteria nell'architettura mostrata sopra.

I tipici chip di monitoraggio/bilanciamento della batteria sono disponibili in versioni che possono supportare più celle implementando un algoritmo standard in esecuzione sul controller principale. Tuttavia, a metà del 2021, non abbiamo ancora visto lo stesso livello di integrazione trovato in altri microcontrollori. Tuttavia, per continuare a ridurre dimensioni e peso di questi moduli, mi aspetterei che le aziende attive in questo settore producano un IC bilanciatore di batterie automotive che integri un processore leggero e un front-end RF per connettersi di nuovo all'unità controller.

Diamo un'occhiata ad alcuni dei componenti più recenti in ciascuna area come mostrato di seguito:

Texas Instruments, BQ79616-Q1

Texas Instruments è già ben nota per la sua famiglia di chip BMSb, sia per il bilanciamento attivo che passivo delle celle. Il BQ79616-Q1 di Texas Instruments è un chip per la gestione delle batterie che si rivolge specificamente a batterie di dimensioni maggiori che richiedono una corrente di bilanciamento superiore rispetto ad altre soluzioni. Questo chip consente una corrente di bilanciamento fino a 240 mA con 16 celle in serie, anche se può essere scalato a un numero maggiore di celle utilizzando più chip. Da notare che è necessario un MCU esterno e una sezione RF se il BQ79616-Q1 deve essere utilizzato come parte di un BMS wireless. Molto importante per i sistemi automobilistici, questo componente facilita la conformità ASIL-D e la conformità ISO 26262 per i sistemi di alimentazione automobilistici.

Diagramma a blocchi con il chip di monitoraggio/bilanciamento BMS BQ79616-Q1 e BQ79616-Q1 utilizzato come controller di risveglio. Fonte: Scheda tecnica BQ79616-Q1.

Infineon, CYW89820

Il CYW89820 di Infineon è un SoC MCU abilitato Bluetooth a basso costo specificamente progettato per sistemi automobilistici. Questo componente supporta la specifica core Bluetooth 5.0 con supporto per BR, EDR @ 2 Mbps e 3 Mbps, e per eSCO, BLE e LE @ 2 Mbps. Questo componente offre un regolatore di potenza integrato (convertitore buck + LDO), un ADC integrato e un'unità di gestione della potenza. Infine, questo componente offre aggiornamenti firmware over-the-air, potenza di trasmissione programmabile fino a 11.5 dBm e sensibilità del ricevitore fino a –94 dBm (BLE @ 1 Mbps).

Diagramma a blocchi del SoC Bluetooth 5.0 CYW89820. Fonte: Scheda tecnica CYW89820.

Texas Instruments, MCU SimpleLink (CC26xx)

I MCU CC26xx di Texas Instruments includono una gamma di MCU abilitati a 2.4 GHz che possono essere qualificati per applicazioni automobilistiche. Il prodotto più recente di questa linea, il CC2662R-Q1, è ancora in anteprima, ma sarà un componente qualificato per l'automotive e è ideale per un BMS wireless operante a 2.4 GHz. Un prodotto precedente, il CC2652R, può essere utilizzato anche nei progetti di BMS wireless poiché offre supporto multiprotocollo con un PA integrato.

Altri Componenti Necessari per la Gestione dell'Alimentazione dei Veicoli

La gestione dell'alimentazione nei veicoli e nelle aree correlate richiede una gamma di componenti oltre al monitoraggio delle batterie. Questi sistemi necessitano del loro insieme di componenti per la regolazione della potenza e l'interfaccia per integrarsi con altri sistemi in un veicolo. Ecco alcuni altri componenti che potresti necessitare per un prodotto BMS wireless:

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