Design de BMS Sem Fio e Opções de Chipset

Pronto para se livrar desses cabos e chicotes de bateria? Um sistema de gerenciamento de bateria sem fio (BMS) pode ajudá-lo a fazer isso.

 

Apesar de uma escassez de chips automotivos, paralisações de fábricas e longos prazos de entrega para componentes automotivos críticos qualificados, a indústria está avançando com novos desenvolvimentos. A eletrificação da frota de veículos nos EUA, que por acaso é o segundo maior produtor mundial de gases de efeito estufa, agora parece inevitável. O Estado da Califórnia tem planos para proibir veículos a gasolina até 2035, a GM planeja ter uma frota mundial de zero emissões até 2040, e outros fabricantes de automóveis dos EUA planejam seguir o mesmo caminho. A China também tem planos para uma eliminação completa de veículos a gasolina até 2035. As coisas estão parecendo promissoras se você está no negócio de energia verde.

 

Um subsistema importante em veículos elétricos é o sistema de gerenciamento de bateria (BMS). Este subsistema de gerenciamento de energia é responsável por várias tarefas importantes em veículos elétricos:

 

• Monitorar taxas de carregamento e descarregamento

• Equilibrar a distribuição de carga entre várias células

• Prever a saúde da célula e realizar nivelamento de desgaste

• Identificar e alertar sobre quaisquer riscos de segurança

 

Embora muitas das notícias e literatura em torno de designs de BMS tendam a se concentrar em automóveis elétricos, um BMS poderia ser usado em qualquer tipo de sistema eletrificado que requer equilíbrio no carregamento e descarregamento de múltiplas células de bateria. O objetivo nesses sistemas é maximizar a vida útil geral da bateria, tanto em termos de tempo operacional total para um único ciclo de carga, quanto a vida útil das células da bateria, distribuindo o desgaste de maneira uniforme.

 

No final de 2020, algumas empresas começaram a anunciar um novo tipo de BMS sem fio direcionado a veículos elétricos no mercado de consumo. Agora, a partir de abril de 2021, o novo GM Hummer incluirá um BMS sem fio em parceria com a Visteon, um fornecedor de eletrônicos automotivos dos EUA. Agora que algumas das principais empresas de semicondutores estão fornecendo chipsets de BMS sem fio, os designers têm a oportunidade de começar a construir designs de BMS sem fio para novos veículos. Esses sistemas continuarão ganhando destaque à medida que os OEMs de baterias comercializam mais avanços na tecnologia de baterias nos próximos anos.

 

Neste artigo, vamos olhar para alguns dos chipsets mais recentes que suportam designs de BMS sem fio. Embora nos concentremos principalmente em veículos elétricos, já que esta é uma área de alta demanda, a gama de aplicações para BMS sem fio vai muito além de automóveis de consumo e comerciais. Veículos robóticos, aeronaves e drones para uso em áreas como agricultura, logística, segurança e automação industrial também podem se beneficiar de um BMS sem fio, e os designers podem direcionar essas áreas com produtos inovadores de BMS sem fio.

Vantagens do BMS Sem Fio

TRANSLATE:

Uma eletrificação bem-sucedida e de longo prazo depende da extensão da vida útil da bateria, portanto, um BMS em equipamentos eletrificados é necessário. Assim, é uma pergunta justa a se fazer, qual é o benefício de adicionar algumas capacidades sem fio ao design?

 

• Menos cabos e chicotes de fios: Sempre que você pode consolidar chicotes de fios em um veículo ou removê-los completamente, você está economizando espaço valioso e reduzindo o peso total. Os cabos usados nesses sistemas também não são baratos e estão entre os componentes mais pesados em um VE, então eliminá-los passa economias para o comprador final. 

• Modularidade: Usar uma conexão sem fio elimina a necessidade de um conjunto de cabos proprietário. Tudo em torno de um sistema de bateria pode ser feito mais modular, permitindo que fornecedores terceirizados inovem e participem deste espaço. 

• Manutenção mais simples: Quando há menos cabos envolvidos na conexão do BMS às células da bateria, as células e outros eletrônicos são mais fáceis de acessar, manter e substituir quando necessário. Usar um BMS sem fio universal em vez de um BMS com fio proprietário possibilita uma abordagem plug-and-play para design e manutenção.

• Tempo de mercado mais rápido: Trabalhar com um protocolo sem fio universal é mais simples do que usar uma massa de cabos e chicotes de fios, que podem ser redesenhados para cada iteração de cada modelo. Optar pelo sem fio elimina isso e reduz o tempo de mercado.

 

Arquitetura do BMS Sem Fio

O diagrama de blocos abaixo ilustra o layout geral de um sistema BMS sem fio. Podemos ver onde o canal sem fio existe entre as células da bateria e o controlador do sistema principal do BMS. Cada célula da bateria inclui um pequeno módulo que transmite dados para e recebe dados do controlador do BMS.

 

Diagrama de blocos e arquitetura do BMS sem fio.

Nesta arquitetura, você tem duas partes principais do sistema: uma unidade de monitoramento para cada pacote de bateria e uma unidade de controle central que interage com essas unidades de monitoramento. Essencialmente, cada bateria é um cliente na rede e reporta informações de volta ao controlador principal. A unidade de controle do BMS ainda pode receber dados (por exemplo, aceleração do veículo ou outros sinais) que podem indicar que mais energia é necessária do pacote de bateria, e o controlador do BMS pode ajustar a taxa de carregamento/descarregamento de acordo.

 

Contraste isso com um controlador BMS com fio típico, que requer a passagem de cabos para cada célula no pacote de bateria, criando uma confusão de fios interna e externa ao alojamento da bateria. Isso deve ilustrar uma das principais vantagens de um BMS sem fio; você efetivamente cortou a quantidade de fiação necessária no sistema em cerca de 50%. Isso também elimina a necessidade de rotear a fiação através da estrutura complexa de um veículo elétrico típico, eliminando a necessidade de conectores e encaixes entre a unidade de controle e os módulos de monitoramento do BMS.

Desafios do BMS Sem Fio

Embora uma arquitetura BMS sem fio possa simplificar alguns sistemas e oferecer uma série de benefícios em termos de eficiência e custo, há vários desafios envolvidos no design e implementação do BMS sem fio. Estes incluem:

 

• Formação de rede durante a inicialização: Idealmente, a rede sem fio usada para conectar as unidades BMS em células individuais e o controlador BMS deve se formar rapidamente e sem qualquer solução de problemas pelo usuário. Isso influenciará o protocolo sem fio escolhido no design; note que nem todos os componentes usarão o mesmo protocolo, embora geralmente seja um protocolo de 2,4 GHz (por exemplo, Bluetooth).

• Baixa latência: Independentemente do protocolo sem fio utilizado, o tempo de resposta deve ser relativamente rápido. Isso é bastante importante em um veículo eletrificado, pois a energia da bateria pode ser exigida muito rapidamente durante a aceleração, fazendo com que as baterias se descarreguem rapidamente. A unidade de controle BMS precisa saber quando isso ocorre e precisa responder rapidamente configurando a unidade de monitoramento BMS.

• Erros de multipercurso: O espaço onde os módulos BMS sem fio são implantados é muito apertado, levando a erros de multipercurso e potencial para erros de pacote durante a operação. Além disso, o ambiente em um veículo contém múltiplas fontes de ruído que podem interferir em uma gama de frequências. O ambiente de ruído deve ser considerado durante o design e ao selecionar componentes de suporte para isolamento.

• Baixo consumo de energia: Isso pode parecer surpreendente, dado que os módulos BMS estão conectados a um grande pacote de baterias, mas eles ainda consomem energia quando o veículo não está em funcionamento. Esse consumo de energia deve ser minimizado, idealmente eliminando o overhead de rede.

 

Chipsets BMS Sem Fio

No Controlador

Assim como outros componentes comercializados por empresas de semicondutores, os chips usados para produtos BMS sem fio não são muito diferentes dos seus ICs típicos não qualificados para automóveis. A arquitetura do módulo controlador que hospeda a rede e captura dados de monitoramento só requer alguns componentes. MCUs de controlador BMS sem fio qualificados para automóveis são comercializados dessa forma com base na demanda da indústria, não porque eles desempenham alguma outra função especial que não pode ser implementada em outro MCU. No entanto, esses MCUs são altamente integrados com a frente de RF apropriada, e possivelmente com um transceptor CAN para interface com o ECU principal.

No Monitor

Em alguns sistemas de gerenciamento de bateria, como para uma bicicleta elétrica, o chip de monitoramento e balanceamento de célula normalmente seria montado na mesma placa que o resto dos componentes de controle. Em veículos, os pacotes de baterias são grandes o suficiente para que faça mais sentido, apenas do ponto de vista de cabeamento, colocar esses diretamente na bateria na arquitetura mostrada acima.

 

Chips típicos de monitoramento/balanceamento de bateria estão disponíveis em versões que podem suportar múltiplas células enquanto implementam um algoritmo padrão executado no controlador principal. No entanto, até meados de 2021, ainda não vimos o mesmo nível de integração encontrado em outros microcontroladores. No entanto, para continuar reduzindo o tamanho e o peso desses módulos, eu esperaria que as empresas ativas nesta área produzissem um IC balanceador de bateria automotivo que integre processamento leve e uma frente de RF para conectar de volta à unidade controladora.

 

Vamos dar uma olhada em alguns dos componentes mais novos em cada área, conforme mostrado abaixo:

Texas Instruments, BQ79616-Q1

A Texas Instruments já é bem conhecida por sua família de chips BMSb, tanto para balanceamento de células ativo quanto passivo. O BQ79616-Q1 da Texas Instruments é um chip de gerenciamento de bateria que visa especificamente arrays de baterias maiores que requerem uma corrente de balanceamento maior do que outras soluções. Este chip permite até 240 mA de corrente de balanceamento com 16 células em série, embora possa ser escalado para um número maior de células com múltiplos chips. Note que um MCU externo e uma seção de RF são necessários se o BQ79616-Q1 for usado como parte de um BMS sem fio. Mais importante para sistemas automotivos, este componente auxilia na conformidade com ASIL-D e conformidade com ISO 26262 para sistemas de energia automotivos.

 

Diagrama de blocos com o chip de monitoramento/balanceamento BMS BQ79616-Q1 e BQ79616-Q1 usado como controlador de despertar. Fonte: Datasheet do BQ79616-Q1.

 

Infineon, CYW89820

O CYW89820 da Infineon é um SoC MCU habilitado para Bluetooth de baixo custo projetado especificamente para sistemas automotivos. Este componente suporta a especificação central do Bluetooth 5.0 com suporte para BR, EDR @ 2 Mbps e 3 Mbps, e para eSCO, BLE e LE @ 2 Mbps. Este componente oferece um regulador de energia integrado (conversor buck + LDO), ADC integrado e unidade de gerenciamento de energia. Por fim, este componente oferece atualizações de firmware via ar, potência de transmissão programável até 11.5 dBm e sensibilidade do receptor até –94 dBm (BLE @ 1 Mbps).

 

Diagrama de blocos do SoC Bluetooth 5.0 CYW89820. Fonte: Datasheet do CYW89820.

 

Texas Instruments, MCUs SimpleLink (CC26xx)

Os MCUs CC26xx da Texas Instruments incluem uma gama de MCUs habilitados para 2.4 GHz que podem ser qualificados em aplicações automotivas. O produto mais novo desta linha, o CC2662R-Q1, ainda está em pré-visualização, mas será um componente qualificado para automotivos e é ideal para um BMS sem fio operando a 2.4 GHz. Um produto anterior, o CC2652R, também pode ser usado em designs de BMS sem fio, pois oferece suporte a múltiplos protocolos com um PA integrado.

Outros Componentes Necessários para o Gerenciamento de Energia Veicular

O gerenciamento de energia em veículos e áreas relacionadas requer uma gama de componentes além do monitoramento de bateria. Esses sistemas precisam de seu próprio conjunto de componentes de regulação de energia e interface para integrar com outros sistemas em um veículo. Veja alguns outros componentes que você pode precisar para um produto BMS sem fio:

 

• Vários conectores, incluindo jacks RJ-45

• ADCs e amplificadores

• Regulação de potência qualificada para automóveis

 

Seja projetando um BMS sem fio para automóveis ou robótica, você pode encontrar os chips de monitoramento e controle que seu sistema precisa com as funcionalidades avançadas de busca e filtragem no Octopart. Ao usar o motor de busca de eletrônicos do Octopart, você terá acesso a dados atualizados de preços de distribuidores, inventário de peças e especificações de peças, e tudo isso é livremente acessível em uma interface amigável ao usuário. Confira nossa página de circuitos integrados para encontrar os componentes de que precisa.

 

Mantenha-se atualizado com nossos últimos artigos inscrevendo-se em nossa newsletter.