Thiết kế BMS không dây và các tùy chọn Chipset

Created: Tháng Năm 28, 2021
Updated: Tháng Bảy 1, 2024

Sẵn sàng từ bỏ các dây cáp và dây đeo pin? Hệ thống quản lý pin không dây (BMS) có thể giúp bạn làm điều đó.

Mặc dù đang có tình trạng thiếu hụt chip ô tô, việc đóng cửa nhà máy, và thời gian chờ dài đối với các linh kiện quan trọng đã được chứng nhận cho ô tô, ngành công nghiệp vẫn đang tiến lên với những tiến bộ mới. Việc điện khí hóa đội xe tại Mỹ, quốc gia sản xuất khí nhà kính lớn thứ hai thế giới, giờ đây dường như là không thể tránh khỏi. Bang California có kế hoạch cấm xe chạy bằng xăng vào năm 2035, GM dự định sẽ có một đội xe không phát thải trên toàn cầu vào năm 2040, và các nhà sản xuất ô tô khác của Mỹ cũng có kế hoạch tương tự. Trung Quốc cũng có kế hoạch loại bỏ hoàn toàn xe chạy bằng xăng vào năm 2035. Mọi thứ trông rất sáng sủa nếu bạn đang kinh doanh trong lĩnh vực năng lượng xanh.

Một hệ thống phụ quan trọng trong xe điện là hệ thống quản lý pin (BMS). Hệ thống quản lý năng lượng này chịu trách nhiệm cho một số nhiệm vụ quan trọng trong xe điện:

Giám sát tốc độ sạc và phóng
Cân bằng phân phối sạc giữa nhiều cell
Dự đoán tình trạng cell và thực hiện cân bằng mài mòn
Nhận diện và cảnh báo bất kỳ nguy cơ an toàn nào

Mặc dù nhiều tin tức và tài liệu về thiết kế BMS thường tập trung vào ô tô điện, một BMS có thể được sử dụng trong bất kỳ hệ thống điện nào yêu cầu cân bằng sạc và phóng từ nhiều cell pin. Mục tiêu trong các hệ thống này là tối đa hóa tuổi thọ tổng thể của pin, cả về tổng thời gian hoạt động cho một chu kỳ sạc duy nhất, cũng như tuổi thọ của các cell pin bằng cách phân phối đều sự mài mòn.

Vào cuối năm 2020, một số công ty bắt đầu công bố một loại BMS không dây mới nhắm vào xe điện trên thị trường tiêu dùng. Bây giờ, tính đến tháng 4 năm 2021, chiếc Hummer mới của GM sẽ bao gồm một BMS không dây trong quan hệ đối tác với Visteon, một nhà cung cấp điện tử ô tô của Mỹ. Giờ đây, khi một số công ty bán dẫn lớn đang cung cấp bộ chipset BMS không dây, các nhà thiết kế có cơ hội bắt đầu xây dựng các thiết kế BMS không dây cho các phương tiện mới. Những hệ thống này sẽ tiếp tục nổi bật khi các OEM pin thương mại hóa nhiều tiến bộ trong công nghệ pin trong những năm tới.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét một số bộ chipset mới nhất hỗ trợ thiết kế BMS không dây. Mặc dù chúng ta sẽ tập trung chủ yếu vào xe điện vì đây là một lĩnh vực có nhu cầu cao, phạm vi ứng dụng của BMS không dây vượt ra ngoài xe hơi tiêu dùng và thương mại. Các phương tiện robot, máy bay và máy bay không người lái được sử dụng trong các lĩnh vực như nông nghiệp, logistics, an ninh và tự động hóa công nghiệp cũng có thể được hưởng lợi từ BMS không dây, và các nhà thiết kế có thể nhắm mục tiêu vào những lĩnh vực này với các sản phẩm BMS không dây sáng tạo.

Lợi ích của BMS Không Dây

Việc điện khí hóa thành công và lâu dài phụ thuộc vào việc kéo dài tuổi thọ của pin, do đó một hệ thống quản lý pin (BMS) trong thiết bị điện khí là cần thiết. Vậy, đặt câu hỏi liệu việc thêm khả năng không dây vào thiết kế có lợi ích gì là hoàn toàn hợp lý.

Ít dây cáp và dây đai hơn: Bất cứ khi nào bạn có thể gộp các dây đai trong một phương tiện hoặc loại bỏ chúng hoàn toàn, bạn đang tiết kiệm không gian quý giá và giảm tổng trọng lượng. Các dây cáp được sử dụng trong các hệ thống này cũng không hề rẻ và là một trong những thành phần nặng nhất trong một xe điện, vì vậy việc loại bỏ chúng sẽ chuyển lợi ích tiết kiệm cho người mua cuối.
Tính mô-đun: Sử dụng kết nối không dây loại bỏ nhu cầu về một bộ lắp ráp cáp độc quyền. Mọi thứ xung quanh hệ thống pin có thể trở nên linh hoạt hơn, cho phép các nhà cung cấp bên thứ ba đổi mới và tham gia vào lĩnh vực này.
Bảo trì đơn giản hơn: Khi có ít dây cáp tham gia vào việc kết nối BMS với các tế bào pin, việc truy cập, bảo dưỡng và thay thế các tế bào và các linh kiện điện tử khác khi cần thiết trở nên dễ dàng hơn. Sử dụng BMS không dây phổ quát thay vì BMS có dây độc quyền cho phép tiếp cận thiết kế và bảo trì theo cách cắm và chơi.
Thời gian ra thị trường nhanh hơn: Làm việc với một giao thức không dây phổ quát đơn giản hơn so với việc sử dụng một mớ dây cáp và dây đai, có thể được thiết kế lại cho mỗi lần lặp lại của mỗi mẫu. Chuyển sang không dây loại bỏ điều này và giảm thời gian ra thị trường.

Kiến trúc BMS Không Dây

Sơ đồ khối dưới đây minh họa bố cục tổng quát của một hệ thống BMS không dây. Chúng ta có thể thấy kênh không dây tồn tại giữa các tế bào pin và bộ điều khiển hệ thống BMS chính. Mỗi tế bào pin bao gồm một mô-đun nhỏ gửi và nhận dữ liệu từ bộ điều khiển BMS.

Sơ đồ khối và kiến trúc BMS không dây.

Trong kiến trúc này, bạn có hai phần chính của hệ thống: một đơn vị giám sát cho mỗi gói pin, và một đơn vị điều khiển trung tâm giao tiếp với các đơn vị giám sát này. Cơ bản, mỗi pin là một khách hàng trên mạng và báo cáo thông tin trở lại cho bộ điều khiển chính. Bộ điều khiển BMS vẫn có thể nhận dữ liệu (ví dụ, gia tốc xe hoặc các tín hiệu khác) có thể chỉ ra rằng cần nhiều năng lượng hơn từ gói pin, và bộ điều khiển BMS có thể điều chỉnh tốc độ sạc/xả cho phù hợp.

So sánh điều này với một bộ điều khiển BMS có dây điển hình, yêu cầu phải chạy cáp đến mỗi tế bào trong gói pin, tạo ra một mớ dây bên trong và bên ngoài vỏ pin. Điều này nên minh họa một trong những lợi ích chính của BMS không dây; bạn đã hiệu quả cắt giảm khoảng 50% lượng dây cần thiết trong hệ thống. Điều này cũng loại bỏ nhu cầu phải đi dây qua cấu trúc phức tạp của một phương tiện điện điển hình, loại bỏ nhu cầu về các kết nối và phụ kiện giữa đơn vị điều khiển và các mô-đun giám sát BMS.

Thách thức của BMS Không Dây

Trong khi kiến trúc BMS không dây có thể đơn giản hóa một số hệ thống và cung cấp một số lợi ích về hiệu quả và chi phí, có một số thách thức liên quan đến thiết kế và triển khai BMS không dây. Những thách thức này bao gồm:

Hình thành mạng lưới khi khởi động: Lý tưởng nhất, mạng lưới không dây được sử dụng để kết nối các đơn vị BMS trên từng cell và bộ điều khiển BMS nên được hình thành nhanh chóng và không cần bất kỳ sự khắc phục sự cố nào từ phía người dùng. Điều này sẽ ảnh hưởng đến giao thức không dây được chọn trong thiết kế; lưu ý rằng không phải tất cả các thành phần sẽ sử dụng cùng một giao thức, mặc dù đây thường là giao thức 2.4 GHz (ví dụ, Bluetooth).
Độ trễ thấp: Bất kể giao thức không dây nào được sử dụng, thời gian phản hồi nên tương đối nhanh. Điều này khá quan trọng trong một phương tiện điện hóa vì năng lượng pin có thể được yêu cầu rất nhanh trong quá trình tăng tốc, khiến cho các pin phải xả nhanh. Bộ điều khiển BMS cần biết khi điều này xảy ra và cần phản hồi nhanh chóng bằng cách cấu hình đơn vị giám sát BMS.
Lỗi đa đường: Không gian triển khai các mô-đun BMS không dây rất chật hẹp, dẫn đến lỗi đa đường và khả năng xảy ra lỗi gói tin trong quá trình hoạt động. Ngoài ra, môi trường trong một phương tiện chứa nhiều nguồn nhiễu có thể can thiệp trên một loạt tần số. Môi trường nhiễu nên được xem xét trong thiết kế và khi chọn các thành phần hỗ trợ cho việc cô lập.
Tiêu thụ điện năng thấp: Điều này có thể nghe ngạc nhiên vì các mô-đun BMS được kết nối với một bộ pin lớn, nhưng chúng vẫn sẽ tiêu thụ điện năng khi phương tiện không hoạt động. Mức tiêu thụ điện năng này nên được giảm thiểu, lý tưởng nhất là bằng cách loại bỏ gánh nặng mạng lưới.

Chipset BMS Không Dây

Trên Bộ Điều Khiển

Giống như các thành phần khác được tiếp thị bởi các công ty bán dẫn, các chip được sử dụng cho sản phẩm BMS không dây không khác biệt nhiều so với các IC thông thường không được chứng nhận cho ngành ô tô. Kiến trúc mô-đun điều khiển lưu trữ mạng và thu thập dữ liệu giám sát chỉ yêu cầu một số ít thành phần. Các MCU điều khiển BMS không dây được chứng nhận cho ngành ô tô được tiếp thị theo cách này dựa trên nhu cầu của ngành, không phải vì chúng thực hiện một số chức năng đặc biệt nào không thể được triển khai trên MCU khác. Tuy nhiên, các MCU này được tích hợp cao với phần đầu RF phù hợp, và có thể với một bộ thu phát CAN để giao tiếp với ECU chính.

Trên Mô-đun Giám Sát

Trong một số hệ thống quản lý pin, như cho một chiếc xe đạp điện, chip giám sát và cân bằng cell thường được gắn trên cùng một bảng mạch với các thành phần điều khiển còn lại. Trong các phương tiện, các bộ pin đủ lớn đến mức có ý nghĩa, chỉ từ góc độ cáp, để đặt chúng trực tiếp trên pin theo kiến trúc được hiển thị ở trên.

Các chip giám sát/cân bằng pin thông thường có sẵn trong các phiên bản có thể hỗ trợ nhiều cell trong khi thực hiện một thuật toán tiêu chuẩn chạy trên bộ điều khiển chính. Tuy nhiên, tính đến giữa năm 2021, chúng tôi vẫn chưa thấy mức độ tích hợp tương tự như trong các vi điều khiển khác. Tuy nhiên, để tiếp tục giảm kích thước và trọng lượng của các mô-đun này, tôi mong đợi các công ty hoạt động trong lĩnh vực này sẽ sản xuất một IC cân bằng pin ô tô tích hợp xử lý nhẹ và phần đầu RF để kết nối trở lại với đơn vị điều khiển.

Hãy xem một số thành phần mới nhất trong mỗi lĩnh vực như được hiển thị dưới đây:

Texas Instruments, BQ79616-Q1

Texas Instruments đã được biết đến rộng rãi với dòng chip BMS của họ, cả cho việc cân bằng cell hoạt động và thụ động. BQ79616-Q1 từ Texas Instruments là một chip quản lý pin được thiết kế đặc biệt cho các mảng pin lớn hơn cần dòng cân bằng cao hơn so với các giải pháp khác. Chip này cho phép dòng cân bằng lên đến 240 mA với 16 cell nối tiếp, mặc dù nó có thể được mở rộng để hỗ trợ số lượng cell cao hơn với nhiều chip. Lưu ý rằng một MCU bên ngoài và bộ phận RF là cần thiết nếu BQ79616-Q1 được sử dụng như một phần của BMS không dây. Quan trọng nhất đối với hệ thống ô tô, thành phần này hỗ trợ tuân thủ ASIL-D và tuân thủ ISO 26262 cho hệ thống điện ô tô.

Sơ đồ khối với chip giám sát/cân bằng BMS BQ79616-Q1 và BQ79616-Q1 được sử dụng như một bộ điều khiển đánh thức. Nguồn: Tài liệu dữ liệu BQ79616-Q1.

Infineon, CYW89820

CYW89820 từ Infineon là một MCU SoC có khả năng Bluetooth giá rẻ được thiết kế đặc biệt cho hệ thống ô tô. Thành phần này hỗ trợ thông số kỹ thuật cốt lõi Bluetooth 5.0 với hỗ trợ cho BR, EDR @ 2 Mbps và 3 Mbps, và cho eSCO, BLE, và LE @ 2 Mbps. Thành phần này cung cấp một bộ điều chỉnh nguồn tích hợp (bộ chuyển đổi buck + LDO), ADC tích hợp, và đơn vị kiểm soát quản lý nguồn. Cuối cùng, thành phần này cung cấp cập nhật firmware qua không khí, công suất phát có thể lập trình lên đến 11.5 dBm, và độ nhạy thu đến –94 dBm (BLE @ 1 Mbps).

Sơ đồ khối CYW89820 Bluetooth 5.0 SoC. Nguồn: Tài liệu dữ liệu CYW89820.

Texas Instruments, MCU SimpleLink (CC26xx)

MCU CC26xx từ Texas Instruments bao gồm một loạt MCU có khả năng 2.4 GHz được chứng nhận cho ứng dụng ô tô. Sản phẩm mới nhất trong dòng này, CC2662R-Q1, vẫn đang trong giai đoạn xem trước, nhưng nó sẽ là một thành phần được chứng nhận cho ô tô và là lý tưởng cho một BMS không dây hoạt động ở 2.4 GHz. Một sản phẩm trước đó, CC2652R, cũng có thể được sử dụng trong thiết kế BMS không dây vì nó cung cấp hỗ trợ đa giao thức với PA tích hợp.

Các Thành phần Khác Bạn Cần cho Quản lý Nguồn Điện Xe

Quản lý nguồn điện trong xe và các lĩnh vực liên quan cần một loạt các thành phần ngoài giám sát pin. Những hệ thống này cần bộ phận điều chỉnh nguồn và giao diện riêng của mình để tích hợp với các hệ thống khác trong xe. Hãy xem một số thành phần khác bạn có thể cần cho một sản phẩm BMS không dây:

Nếu bạn đang thiết kế một hệ thống BMS không dây cho xe hơi hoặc robot, bạn có thể tìm thấy chip giám sát và điều khiển mà hệ thống của bạn cần với các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu giá của nhà phân phối được cập nhật, hàng tồn kho, và thông số kỹ thuật của linh kiện, và tất cả đều dễ dàng truy cập qua giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Luôn cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.