Projektowanie bezprzewodowego BMS i opcje chipsetów

Utworzono: maj 28, 2021
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Gotowy, aby pozbyć się tych kabli i wiązek akumulatorowych? Bezprzewodowy system zarządzania baterią (BMS) może Ci w tym pomóc.

Pomimo braku chipów w przemyśle motoryzacyjnym, zamykania fabryk i długich czasów oczekiwania na kluczowe komponenty z certyfikatem motoryzacyjnym, branża nadal posuwa się naprzód z nowymi postępami. Elektryfikacja floty pojazdów w USA, która jest drugim co do wielkości producentem gazów cieplarnianych na świecie, wydaje się teraz nieunikniona. Stan Kalifornia planuje zakazać pojazdów benzynowych do 2035 roku, GM planuje mieć flotę pojazdów bez emisji na całym świecie do 2040 roku, a inni amerykańscy producenci samochodów mają plany, aby podążyć tym samym kierunkiem. Chiny również mają plany na całkowite wycofanie pojazdów benzynowych do 2035 roku. Wygląda na to, że jeśli jesteś w branży zielonej energii, czekają Cię jasne perspektywy.

Jednym z ważnych podsystemów w pojazdach elektrycznych jest system zarządzania baterią (BMS). Ten podsystem zarządzania energią odpowiada za kilka ważnych zadań w pojazdach elektrycznych:

Monitorowanie szybkości ładowania i rozładowywania
Wyrównywanie rozkładu ładunku między wieloma ogniwami
Przewidywanie stanu ogniw i wykonywanie wyrównywania zużycia
Identyfikacja i alarmowanie o wszelkich zagrożeniach bezpieczeństwa

Chociaż wiele wiadomości i literatury na temat projektów BMS skupia się na samochodach elektrycznych, BMS może być używany w dowolnym zelektryfikowanym systemie, który wymaga wyrównywania ładowania i rozładowywania z wielu ogniw baterii. Celem w tych systemach jest maksymalizacja ogólnej żywotności baterii, zarówno pod względem całkowitego czasu operacyjnego dla pojedynczego cyklu ładowania, jak i żywotności ogniw baterii poprzez równomierne rozłożenie zużycia.

Pod koniec 2020 roku niektóre firmy zaczęły ogłaszać nowy typ bezprzewodowego BMS przeznaczonego dla pojazdów elektrycznych na rynku konsumenckim. Teraz, od kwietnia 2021 roku, nowy GM Hummer będzie zawierał bezprzewodowy BMS we współpracy z Visteon, amerykańskim dostawcą elektroniki samochodowej. Teraz, gdy niektóre główne firmy półprzewodnikowe dostarczają chipsety do bezprzewodowego BMS, projektanci mają możliwość rozpoczęcia budowania projektów bezprzewodowego BMS dla nowych pojazdów. Te systemy będą nadal zyskiwać na znaczeniu, ponieważ producenci baterii OEM komercjalizują więcej postępów w technologii baterii w nadchodzących latach.

W tym artykule przyjrzymy się niektórym z najnowszych chipsetów, które wspierają projektowanie bezprzewodowego BMS. Chociaż skupimy się głównie na pojazdach elektrycznych, jako że jest to obszar o wysokim zapotrzebowaniu, zastosowania bezprzewodowego BMS wykraczają daleko poza pojazdy konsumenckie i komercyjne. Pojazdy robotyczne, statki powietrzne i drony do użytku w takich dziedzinach jak rolnictwo, logistyka, bezpieczeństwo i automatyzacja przemysłowa również mogą skorzystać z bezprzewodowego BMS, a projektanci mogą kierować te obszary innowacyjnymi produktami bezprzewodowego BMS.

Zalety bezprzewodowego BMS

Udane, długoterminowe elektryfikowanie opiera się na przedłużaniu żywotności baterii, więc BMS (Battery Management System - System Zarządzania Baterią) w elektryfikowanym sprzęcie jest konieczny. Dlatego, to uczciwe pytanie, jakie korzyści niesie ze sobą dodanie do projektu możliwości bezprzewodowych?

Mniej kabli i wiązek przewodów: Kiedykolwiek można skonsolidować wiązki przewodów w pojeździe lub całkowicie je usunąć, oszczędza się cenne miejsce i redukuje całkowitą wagę. Kable używane w tych systemach również nie są tanie i należą do najcięższych komponentów w EV (Electric Vehicle - Pojeździe Elektrycznym), więc ich eliminacja przekłada się na oszczędności dla końcowego nabywcy.
Modułowość: Użycie połączenia bezprzewodowego eliminuje potrzebę stosowania własnych zestawów kabli. Wszystko wokół systemu baterii może być bardziej modułowe, co pozwala dostawcom zewnętrznym na innowacje i uczestnictwo w tej przestrzeni.
Prostsza konserwacja: Gdy w połączeniu BMS z ogniwami baterii uczestniczy mniej kabli, ogniwom i innym elementom elektronicznym łatwiej jest uzyskać dostęp, je konserwować i wymieniać w razie potrzeby. Użycie uniwersalnego bezprzewodowego BMS zamiast własnego przewodowego BMS umożliwia podejście plug-and-play do projektowania i konserwacji.
Szybszy czas wprowadzenia na rynek: Praca z uniwersalnym protokołem bezprzewodowym jest prostsza niż używanie masy kabli i wiązek przewodów, które mogą być projektowane od nowa dla każdej iteracji każdego modelu. Przejście na bezprzewodowość eliminuje to i skraca czas wprowadzenia na rynek.

Architektura bezprzewodowego BMS

Poniższy schemat blokowy ilustruje ogólny układ systemu bezprzewodowego BMS. Możemy zobaczyć, gdzie istnieje kanał bezprzewodowy między ogniwami baterii a głównym kontrolerem systemu BMS. Każde ogniwo baterii zawiera mały moduł, który przesyła dane do i odbiera dane z jednostki kontrolnej BMS.

Schemat blokowy i architektura bezprzewodowego BMS.

W tej architekturze masz dwie główne części systemu: jednostkę monitorującą dla każdego pakietu baterii oraz centralną jednostkę kontrolną, która łączy się z tymi jednostkami monitorującymi. Zasadniczo każda bateria jest klientem w sieci i przekazuje informacje z powrotem do głównego kontrolera. Jednostka kontrolna BMS nadal może odbierać dane (np. przyspieszenie pojazdu lub inne sygnały), które mogą wskazywać, że potrzebna jest większa moc z pakietu baterii, i kontroler BMS może odpowiednio dostosować szybkość ładowania/rozładowywania.

Porównaj to z typowym przewodowym kontrolerem BMS, który wymaga prowadzenia kabli do każdej komórki w pakiecie baterii, tworząc plątaninę przewodów wewnętrznych i zewnętrznych do obudowy baterii. To powinno zilustrować jedną z głównych zalet bezprzewodowego BMS; skutecznie zmniejszyłeś ilość wymaganego okablowania w systemie o około 50%. Eliminuje to również potrzebę prowadzenia okablowania przez skomplikowaną strukturę typowego pojazdu elektrycznego, eliminując potrzebę złącz i armatur między jednostką kontrolną a modułami monitorującymi BMS.

Wyzwania związane z bezprzewodowym BMS

Chociaż architektura bezprzewodowego BMS może upraszczać niektóre systemy i zapewniać szereg korzyści pod względem efektywności i kosztów, istnieje kilka wyzwań związanych z projektowaniem i wdrażaniem bezprzewodowego BMS. Obejmują one:

Tworzenie sieci podczas uruchamiania: Idealnie, sieć bezprzewodowa używana do łączenia jednostek BMS na poszczególnych ogniwach oraz kontrolera BMS powinna formować się szybko i bez potrzeby rozwiązywania problemów przez użytkownika. Będzie to miało wpływ na wybór protokołu bezprzewodowego w projekcie; należy zauważyć, że nie wszystkie komponenty będą używać tego samego protokołu, chociaż zazwyczaj jest to protokół 2,4 GHz (np. Bluetooth).
Niska latencja: Niezależnie od używanego protokołu bezprzewodowego, czas odpowiedzi powinien być stosunkowo szybki. Jest to dość ważne w pojazdach elektrycznych, ponieważ moc z baterii może być szybko wymagana podczas przyspieszania, co powoduje szybkie rozładowanie baterii. Jednostka kontrolna BMS musi wiedzieć, kiedy to następuje i musi szybko reagować, konfigurując jednostkę monitorującą BMS.
Błędy wielodrożne: Przestrzeń, w której wdrażane są moduły bezprzewodowego BMS, jest bardzo ciasna, co prowadzi do błędów wielodrożnych i potencjalnych błędów pakietów podczas działania. Ponadto, środowisko w pojeździe zawiera wiele źródeł zakłóceń, które mogą interferować w różnych zakresach częstotliwości. Środowisko zakłóceń powinno być brane pod uwagę podczas projektowania i przy wyborze komponentów wspierających izolację.
Niskie zużycie energii: Może to brzmieć zaskakująco, biorąc pod uwagę, że moduły BMS są podłączone do dużego pakietu baterii, ale nadal zużywają energię, gdy pojazd nie jest używany. To zużycie energii powinno być zminimalizowane, idealnie przez eliminację nadmiaru sieciowego.

Układy scalone BMS bezprzewodowego

W kontrolerze

Tak jak inne komponenty oferowane przez firmy półprzewodnikowe, układy scalone używane w produktach bezprzewodowego BMS nie różnią się wiele od ich typowych niekwalifikowanych do zastosowań motoryzacyjnych układów scalonych. Architektura modułu kontrolera, który obsługuje sieć i zbiera dane monitorujące, wymaga tylko kilku komponentów. Układy scalone kontrolera BMS kwalifikowane do zastosowań motoryzacyjnych są oferowane w ten sposób na podstawie zapotrzebowania rynkowego, a nie dlatego, że wykonują jakąś inną specjalną funkcję, której nie można zaimplementować na innym MCU. Jednak te MCU są wysoko zintegrowane z odpowiednim front-endem RF, a możliwe także z transceiverem CAN do interfejsu z główną jednostką ECU.

W monitorze

W niektórych systemach zarządzania bateriami, takich jak na przykład w rowerze elektrycznym, układ monitorowania i balansowania ogniw zwykle byłby zamontowany na tej samej płytce co reszta komponentów kontrolnych. W pojazdach, gdzie pakiety baterii są na tyle duże, że z perspektywy okablowania ma to większy sens, aby umieścić te bezpośrednio na baterii w architekturze pokazanej powyżej.

Typowe układy monitorowania/balansowania baterii są dostępne w wersjach, które mogą obsługiwać wiele ogniw, jednocześnie implementując standardowy algorytm działający na głównym kontrolerze. Jednakże, do połowy 2021 roku, jeszcze nie widzieliśmy tego samego poziomu integracji, jaki znajduje się w innych mikrokontrolerach. Jednakże, aby kontynuować redukcję rozmiaru i wagi tych modułów, spodziewałbym się, że aktywne firmy w tej dziedzinie wyprodukują układ scalony balansera baterii motoryzacyjnych, który integruje lekkie przetwarzanie i front-end RF do łączenia z powrotem z jednostką kontrolną.

Spójrzmy na niektóre z najnowszych komponentów w każdym obszarze, jak pokazano poniżej:

Texas Instruments, BQ79616-Q1

Texas Instruments jest już dobrze znane z rodziny chipów BMS, zarówno do aktywnego, jak i pasywnego balansowania ogniw. BQ79616-Q1 od Texas Instruments to chip do zarządzania baterią, który specjalnie kierowany jest do większych układów baterii wymagających wyższego prądu balansowania niż inne rozwiązania. Ten chip umożliwia balansowanie prądem do 240 mA z 16 ogniwami szeregowymi, chociaż może być skalowany do wyższej liczby ogniw przy użyciu wielu chipów. Należy zauważyć, że zewnętrzny MCU i sekcja RF są potrzebne, jeśli BQ79616-Q1 ma być używany jako część bezprzewodowego BMS. Co najważniejsze dla systemów motoryzacyjnych, ten komponent wspomaga zgodność z ASIL-D i zgodność z ISO 26262 dla systemów zasilania w pojazdach.

Schemat blokowy z chipem BQ79616-Q1 do monitorowania/balansowania BMS i BQ79616-Q1 używanym jako kontroler budzenia. Źródło: Karta katalogowa BQ79616-Q1.

Infineon, CYW89820

CYW89820 od Infineon to niskokosztowy MCU SoC z Bluetooth, specjalnie zaprojektowany dla systemów motoryzacyjnych. Ten komponent wspiera specyfikację Bluetooth 5.0 z wsparciem dla BR, EDR @ 2 Mbps i 3 Mbps, oraz dla eSCO, BLE i LE @ 2 Mbps. Ten komponent oferuje zintegrowany regulator mocy (przetwornica obniżająca + LDO), zintegrowany ADC i jednostkę zarządzania mocą. Wreszcie, ten komponent oferuje aktualizacje firmware przez powietrze, programowalną moc nadawania do 11.5 dBm i czułość odbiornika do –94 dBm (BLE @ 1 Mbps).

Schemat blokowy CYW89820 Bluetooth 5.0 SoC. Źródło: Karta katalogowa CYW89820.

Texas Instruments, SimpleLink MCUs (CC26xx)

MCU z serii CC26xx od Texas Instruments to gama MCU z obsługą 2.4 GHz, które mogą być stosowane w aplikacjach motoryzacyjnych. Najnowszy produkt z tej linii, CC2662R-Q1, jest jeszcze w fazie podglądu, ale będzie komponentem kwalifikowanym do zastosowań motoryzacyjnych i jest idealny do bezprzewodowego BMS działającego na 2.4 GHz. Wcześniejszy produkt, CC2652R, może również być używany w projektach bezprzewodowego BMS, ponieważ oferuje wsparcie dla wielu protokołów z zintegrowanym PA.

Inne komponenty potrzebne do zarządzania mocą w pojazdach

Zarządzanie mocą w pojazdach i pokrewnych obszarach wymaga szeregu komponentów poza monitorowaniem baterii. Te systemy potrzebują własnego zestawu komponentów do regulacji mocy i interfejsów, aby integrować się z innymi systemami w pojeździe. Spójrzmy na inne komponenty, które mogą być potrzebne do produktu bezprzewodowego BMS:

Niezależnie od tego, czy projektujesz bezprzewodowy BMS dla motoryzacji czy robotyki, możesz znaleźć potrzebne układy monitorujące i kontrolujące dzięki zaawansowanym funkcjom wyszukiwania i filtrowania w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, uzyskasz dostęp do aktualnych danych o cenach dystrybutorów, zapasach części i specyfikacjach części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się na nasz newsletter.