Дизайн беспроводной системы управления батареями и варианты чипсетов

Создано: 28 Мая, 2021
Обновлено: 1 Июля, 2024

Готовы избавиться от этих кабелей и жгутов аккумуляторов? Беспроводная система управления батареями (BMS) может помочь вам в этом.

Несмотря на дефицит автомобильных чипов, остановки производства и длительные сроки поставки критически важных компонентов для автомобилей, индустрия продолжает двигаться вперед с новыми достижениями. Электрификация автопарка в США, которая является вторым по величине производителем парниковых газов в мире, теперь кажется неизбежной. Штат Калифорния планирует запретить бензиновые автомобили к 2035 году, GM планирует иметь мировой автопарк без выбросов к 2040 году, а другие американские автопроизводители также планируют последовать этому примеру. Китай также планирует полный отказ от бензиновых автомобилей к 2035 году. Все выглядит многообещающе, если вы занимаетесь бизнесом в области зеленой энергетики.

Одной из важных подсистем в электромобилях является система управления батареями (BMS). Эта подсистема управления энергией отвечает за несколько важных задач в электромобилях:

Мониторинг скоростей зарядки и разрядки
Балансировка распределения заряда между несколькими элементами
Прогнозирование состояния элементов и выполнение выравнивания износа
Идентификация и оповещение о любых опасностях безопасности

Хотя большая часть новостей и литературы о дизайне BMS сосредотачивается на электромобилях, BMS может использоваться в любой электрифицированной системе, требующей балансировки зарядки и разрядки от нескольких аккумуляторных элементов. Цель в этих системах - максимизировать общий срок службы батареи, как с точки зрения общего операционного времени жизни за один цикл зарядки, так и срока службы аккумуляторных элементов за счет равномерного распределения износа.

В конце 2020 года некоторые компании начали объявлять о новом типе беспроводной BMS, ориентированной на потребительский рынок электромобилей. Теперь, по состоянию на апрель 2021 года, новый GM Hummer будет включать беспроводную BMS в партнерстве с Visteon, американским поставщиком автомобильной электроники. Теперь, когда крупные полупроводниковые компании предоставляют наборы микросхем для беспроводной BMS, у дизайнеров появилась возможность начать создание беспроводных дизайнов BMS для новых автомобилей. Эти системы будут продолжать набирать популярность, поскольку производители аккумуляторов коммерциализуют все больше достижений в технологии аккумуляторов в ближайшие годы.

В этой статье мы рассмотрим некоторые из новейших наборов микросхем, поддерживающих дизайн беспроводной BMS. Хотя мы в основном сосредоточимся на электромобилях, поскольку это область с высоким спросом, область применения беспроводной BMS выходит далеко за пределы потребительских и коммерческих автомобилей. Роботизированные транспортные средства, самолеты и дроны для использования в таких областях, как сельское хозяйство, логистика, безопасность и промышленная автоматизация, также могут извлечь выгоду из беспроводной BMS, и дизайнеры могут нацелиться на эти области с инновационными продуктами беспроводной BMS.

Преимущества беспроводной BMS

Успешная долгосрочная электрификация зависит от увеличения срока службы батарей, поэтому в электрифицированном оборудовании необходима система управления батареями (BMS). Поэтому вполне уместно задать вопрос, какие преимущества дает добавление беспроводных возможностей в дизайн?

Меньше кабелей и проводных жгутов: Всякий раз, когда вы можете объединить проводные жгуты в транспортном средстве или полностью их убрать, вы экономите ценное пространство и снижаете общий вес. Кабели, используемые в этих системах, также не дешевы и являются одними из самых тяжелых компонентов в электромобиле, поэтому их устранение позволяет снизить стоимость для конечного покупателя.
Модульность: Использование беспроводного соединения исключает необходимость в специальном кабельном сборе. Все, что связано с системой батарей, может быть сделано более модульным, позволяя сторонним поставщикам инновационно участвовать в этой области.
Проще в обслуживании: Когда в соединении BMS с батарейными ячейками участвует меньше кабелей, ячейки и другая электроника легче доступны для обслуживания и замены при необходимости. Использование универсальной беспроводной BMS вместо проводной BMS собственной разработки позволяет применять подход plug-and-play к дизайну и обслуживанию.
Быстрее на рынок: Работа с универсальным беспроводным протоколом проще, чем использование массы кабелей и проводных жгутов, которые могут быть переработаны для каждой итерации каждой модели. Переход на беспроводную связь устраняет это и сокращает время выхода на рынок.

Архитектура беспроводной BMS

На блок-схеме ниже показана общая структура системы беспроводной BMS. Мы видим, где существует беспроводной канал между батарейными ячейками и основным контроллером системы BMS. Каждая батарейная ячейка включает в себя небольшой модуль, который передает данные контрольному блоку BMS и получает данные от него.

Блок-схема и архитектура беспроводной BMS.

В этой архитектуре у вас есть две основные части системы: блок мониторинга для каждого аккумуляторного блока и центральный контрольный блок, который взаимодействует с этими блоками мониторинга. По сути, каждая батарея является клиентом в сети и передает информацию обратно главному контроллеру. Контрольный блок BMS все еще может получать данные (например, ускорение транспортного средства или другие сигналы), которые могут указывать на необходимость большей мощности от аккумуляторного блока, и контроллер BMS может соответственно регулировать скорость зарядки/разрядки.

Сравните это с типичным проводным контроллером BMS, который требует прокладки кабеля к каждой ячейке в аккумуляторном блоке, создавая путаницу из проводов внутри и снаружи корпуса батареи. Это должно иллюстрировать одно из основных преимуществ беспроводной BMS; вы фактически сократили количество необходимой в системе проводки примерно на 50%. Это также исключает необходимость прокладывать проводку через сложную структуру типичного электромобиля, устраняя необходимость в соединителях и фитингах между контрольным блоком и модулями мониторинга BMS.

Проблемы беспроводной BMS

Хотя архитектура беспроводной BMS может упростить некоторые системы и предоставить ряд преимуществ с точки зрения эффективности и стоимости, существует несколько проблем, связанных с дизайном и внедрением беспроводной BMS. К ним относятся:

Формирование сети при запуске: Идеально, если беспроводная сеть, используемая для соединения модулей BMS отдельных ячеек и контроллера BMS, формируется быстро и без необходимости вмешательства пользователя. Это повлияет на выбор беспроводного протокола в дизайне; отметим, что не все компоненты будут использовать один и тот же протокол, хотя обычно это протокол 2.4 ГГц (например, Bluetooth).
Низкая задержка: Независимо от используемого беспроводного протокола, время отклика должно быть относительно быстрым. Это очень важно в электрифицированном транспортном средстве, поскольку мощность батареи может быть востребована очень быстро во время ускорения, что приводит к быстрой разрядке батарей. Контрольный блок BMS должен знать, когда это происходит, и быстро реагировать, настраивая блок мониторинга BMS.
Ошибки мультипуть: Пространство, где размещаются беспроводные модули BMS, очень ограничено, что приводит к ошибкам мультипуть и потенциальным ошибкам пакетов во время работы. Кроме того, среда в транспортном средстве содержит множество источников шума, которые могут мешать на различных частотах. Среду шума следует учитывать при проектировании и при выборе вспомогательных компонентов для изоляции.
Низкое энергопотребление: Это может показаться удивительным, учитывая, что модули BMS подключены к большому аккумуляторному блоку, но они все равно потребляют энергию, когда транспортное средство не работает. Это энергопотребление следует минимизировать, идеально - путем устранения сетевых накладных расходов.

Беспроводные чипсеты BMS

На контроллере

Как и другие компоненты, предлагаемые полупроводниковыми компаниями, чипы, используемые для беспроводных продуктов BMS, не сильно отличаются от их типичных неавтомобильных квалифицированных ИС. Архитектура модуля контроллера, которая хостит сеть и собирает данные мониторинга, требует всего нескольких компонентов. Автомобильные квалифицированные беспроводные контроллеры MCU BMS рекламируются таким образом на основе спроса в индустрии, а не потому, что они выполняют какую-то другую специальную функцию, которую нельзя реализовать на другом MCU. Однако эти MCU тесно интегрированы с соответствующим RF фронтендом и, возможно, с CAN-приемопередатчиком для взаимодействия с основным ECU.

На мониторе

В некоторых системах управления батареями, например, для электрического велосипеда, чип мониторинга и балансировки ячеек обычно монтируется на той же плате, что и остальные управляющие компоненты. В транспортных средствах, где аккумуляторные блоки достаточно большие, имеет смысл, с точки зрения кабельного подключения, размещать их непосредственно на аккумуляторе в показанной выше архитектуре.

Типичные чипы мониторинга/балансировки батарей доступны в версиях, которые могут поддерживать несколько ячеек, выполняя стандартный алгоритм, работающий на основном контроллере. Однако, по состоянию на середину 2021 года, мы еще не видели такого же уровня интеграции, который найден в других микроконтроллерах. Тем не менее, для дальнейшего уменьшения размера и веса этих модулей, я ожидаю, что активные компании в этой области произведут автомобильный балансировочный ИС аккумулятора, который интегрирует легковесную обработку и RF фронтенд для подключения обратно к контрольному блоку.

Давайте рассмотрим некоторые из новейших компонентов в каждой области, как показано ниже:

Texas Instruments, BQ79616-Q1

Texas Instruments уже хорошо известна своей семейством чипов BMSb, как для активного, так и для пассивного балансирования ячеек. BQ79616-Q1 от Texas Instruments - это чип управления батареей, который специально предназначен для больших батарейных массивов, требующих более высокого тока балансировки, чем другие решения. Этот чип позволяет балансировать ток до 240 мА с 16 последовательными ячейками, хотя его можно масштабировать до большего количества ячеек с использованием нескольких чипов. Обратите внимание, что если BQ79616-Q1 будет использоваться в составе беспроводной BMS, потребуется внешний MCU и RF секция. Что наиболее важно для автомобильных систем, этот компонент способствует соответствию ASIL-D и соответствию ISO 26262 для автомобильных энергосистем.

Блок-схема с чипом мониторинга/балансировки BMS BQ79616-Q1 и BQ79616-Q1, используемым как контроллер пробуждения. Источник: Техническое описание BQ79616-Q1.

Infineon, CYW89820

CYW89820 от Infineon - это недорогой MCU SoC с поддержкой Bluetooth, специально разработанный для автомобильных систем. Этот компонент поддерживает основные спецификации Bluetooth 5.0 с поддержкой BR, EDR @ 2 Мбит/с и 3 Мбит/с, а также eSCO, BLE и LE @ 2 Мбит/с. Этот компонент предлагает интегрированный регулятор напряжения (понижающий преобразователь + LDO), интегрированный АЦП и блок управления питанием. Наконец, этот компонент предлагает обновления прошивки по воздуху, программируемую мощность передатчика до 11,5 дБм и чувствительность приемника до –94 дБм (BLE @ 1 Мбит/с).

Блок-схема Bluetooth 5.0 SoC CYW89820. Источник: Техническое описание CYW89820.

Texas Instruments, SimpleLink MCUs (CC26xx)

MCU CC26xx от Texas Instruments включают в себя ряд MCU с поддержкой 2,4 ГГц, которые могут быть сертифицированы для использования в автомобильных приложениях. Новейший продукт в этой линейке, CC2662R-Q1, пока находится на стадии предварительного просмотра, но он будет сертифицирован для автомобильных компонентов и идеален для беспроводной BMS, работающей на частоте 2,4 ГГц. Более ранний продукт, CC2652R, также может быть использован в конструкциях беспроводной BMS, поскольку он предлагает поддержку многопротокольной связи с интегрированным PA.

Другие компоненты, необходимые для управления энергопитанием в транспортных средствах

Управление энергопитанием в транспортных средствах и смежных областях требует ряда компонентов помимо мониторинга батарей. Эти системы нуждаются в своем наборе компонентов регулирования мощности и интерфейсов для интеграции с другими системами в транспортном средстве. Рассмотрим некоторые другие компоненты, которые могут понадобиться для продукта беспроводной BMS:

Независимо от того, разрабатываете ли вы беспроводную систему управления батареями (BMS) для автомобилей или робототехники, вы можете найти микросхемы мониторинга и управления, необходимые вашей системе, используя расширенный поиск и функции фильтрации на Octopart. При использовании поисковой системы электронных компонентов Octopart вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, наличии на складе и спецификациях компонентов, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.