Le nuove soluzioni BMS wireless: Intervista a Greg Zimmer, Senior Product Marketing Engineer @ Linear Technology

Linear Technology ha sviluppato un sistema BMS (Battery Management System) wireless per ridurre i costi del cablaggio e offrire una minor complessità nella gestione della batteria nell'ambito dei veicoli elettrici e ibridi. L'automobile di test BMW i3 è stata equipaggiata con il sistema BMS di monitoragio in serie con i propri dispositivi di rete wireless SmartMesh. LTC6811 è un IC completo per il controllo delle tensioni di batteria dei veicoli elettrici, in grado di misurare fino a 12 tensioni delle celle con una precisione dello 0,04 %.

La combinazione dell'IC LTC6811 con le reti SmartMesh permettono di eliminare i problemi di affidabilità e spazio dei cablaggi e connettori vari presenti all'interno dei veicoli. Oltre a garantire un miglioramento in termini di efficienza, semplificano decisamente la progettazione dei sistemi a batteria. L'incremento del mercato dei veicoli elettrici ed ibridi ha portato a nuove soluzioni embedded al fine di migliorare l'affidabilità nella gestione della batteria. A queste si aggiungono sistemi di energy harvesting per la continua ricarica delle batterie con tecniche green attraverso celle solari e sensori piezo per la conversione dell'energia. Grig Zimmer ci introduce in queste nuove soluzioni che coinvolgono il mercato automotive, in particolare i veicoli elettrici ed ibridi.

1. Qual è l’impatto dei sistemi di gestione wireless delle batterie nel settore automotive?

  • Eliminano cablaggi, cavi e connettori che richiedono spesso manutenzione. Normalmente, in caso di perdita di dati relativi a un set di batterie, un sistema automobilistico interviene in base alla condizione di caso peggiore e disinserisce il gruppo motopropulsore. La maggior parte dei produttori automobilistici considera la perdita di potenza durante il funzionamento pericolosa e inaccettabile e per questo motivo le case automobilistiche mirano a ottenere tassi di guasto estremamente bassi; le informazioni che forniscono a questo riguardo suggeriscono che connettori e cavi presentano un problema notevole nel conseguire un tale livello di affidabilità.
  • Consentono di aggiungere nuovi sensori per migliorare l’affidabilità. Oltre a misure di tensione, un sistema di gestione della batteria (BMS, Battery Management System) richiede anche misure di corrente e di temperatura delle celle. Per determinare la quantità di dati da integrare nel flusso di dati del BMS, la collocazione del circuito a ciò deputato e il metodo da impiegare presenta limitazioni pratiche. Ad esempio, i produttori cercano sempre di semplificare e integrare i dispositivi elettronici ovunque sia possibile. Pertanto, in genere integrano il circuito di misura di temperature delle celle della batteria nell’elettronica per le misure di tensione delle celle stesse anziché creare un circuito separato di acquisizione della temperatura. Inoltre, spesso limitano il numero di circuiti di monitoraggio della temperatura, per esempio un circuito ogni due o tre celle. Ciò generalmente dà risultati soddisfacenti a meno che non vi siano gradienti termici o punti ad alta temperatura imprevisti. Si potrebbe utilizzare un sistema basato su una rete SmartMesh per integrare ulteriori sensori nel flusso di dati secondo le necessità. Inoltre, la collocazione dei sensori non è limitata dalla necessità di collegare i cavi o i termistori dal punto di misura all’elettronica di monitoraggio delle celle della batteria. La possibilità di aggiungere sensori attraverso una rete SmartMesh evita: 1) di aggiungere sensori a ciascuna scheda dell’elettronica del modulo, quando ciò potrebbe non essere necessario per ogni modulo; oppure, 2) di progettare più versioni dell’elettronica del modulo con vari ingressi di monitoraggio della temperatura. Queste soluzioni non sono allettanti poiché annullano il vantaggio, in fase di produzione, dell’uso della stessa elettronica per ciascun modulo.
  • Semplificano l’assemblaggio del veicolo e la manutenzione della batteria. A seconda delle specifiche esistenti per ciascun produttore, vi è un certo numero di possibili aree di semplificazione:
    • Eliminazione dell’assemblaggio di cavi e connettori; la creazione di un cablaggio potrebbe anche richiedere di unire cavi nel punto di connessione del modulo, un’operazione alquanto complessa (oltre al fatto che si tratta di un punto più sensibile a problemi di affidabilità e che si aumenta la voluminosità del cablaggio).
    • Eliminazione della posa dei cavi e del collegamento dei connettori nel telaio dell’autoveicolo. Occorre poi verificare tutte le connessioni.
    • Possibilità di monitoraggio continuo del modulo durante il processo di assemblaggio dei set di batterie tramite un sistema wireless. Nel caso di un sistema cablato, il produttore deve accedere ai set di batterie attraverso il cablaggio e verificare le connessioni e il funzionamento prima di procedere alla fase successiva del processo di assemblaggio.
    • Ulteriore flessibilità di progettazione dei sistemi meccanici, a seconda delle specifiche caratteristiche di un cablaggio come il tipo di interconnessione (bus CAN, serie isoSPI, isoSPI indirizzabile, ecc.), il numero e tipo di conduttori presenti nel cablaggio (che può dipendere dal fatto che siano inclusi o no conduttori ridondanti), e il tipo di connessioni e giunzione dei cavi.
    • Anche nel caso di un cablaggio semplice, sottile, il progettista deve far sì che il cablaggio possa essere assemblato correttamente e sia accessibile per la manutenzione una volta posizionato nell’autoveicolo. Ciò richiede fori di accesso e spazio per le fascette necessarie per fissare il cablaggio lungo il percorso di posa. L’impiego di una interconnessione wireless elimina le limitazioni sugli spazi liberi per il cablaggio a cui deve far fronte il progettista. Ad esempio, questa soluzione potrebbe rendere possibile un sistema di raffreddamento della batteria più efficiente utilizzando il percorso già determinato per il cablaggio. Potrebbe anche consentire la collocazione di ulteriori moduli in punti in cui le precedenti limitazioni sugli spazi liberi per il cablaggio lo impedivano.
  • Possibilità di una raccolta precisa di dati identificati da un contrassegno temporale, per migliorare la qualità delle informazioni ricevute sulle condizioni della batteria. Gli algoritmi più avanzati per la determinazione dello stato di carica e di funzionalità delle celle della batteria si avvalgono di misure sincronizzate dei parametri delle celle – tensione, corrente e temperatura. Alcuni algoritmi di un BMS possono estrapolare i valori misurati in funzione del tempo purché i dati siano identificati da contrassegni temporali molto precisi. In ciascun nodo di una rete SmartMesh è incorporato un clock con alto livello di sincronismo, che consente di eseguire misure con contrassegno temporale di elevata precisione. Inoltre, la funzionalità futura di una rete SmartMesh la metterà anche in grado di sincronizzare con grande precisione gli istanti di esecuzione delle misure.

Prevediamo che a lungo andare l’elettronica presente in un BMS trarrà vantaggio dalle riduzioni dei costi che in genere si ottengono nel corso del tempo, mentre il costo di cablaggi e connettori rimane più o meno costante nel tempo e anzi, ci si può aspettare che aumenti. I contenimenti indiretti dei costi, risultanti da fattori quali operazioni più semplici di assemblaggio e manutenzione, potrebbero pure contribuire a una riduzione notevole del costo complessivo.

2. In che misura Linear Technology è impegnata nello sviluppo di soluzioni BMS? 

Linear è il leader del settore dei circuiti integrati di BMS per set di batterie ad alta tensione. Sin dal 2008 produce dispositivi per BMS comprovati in condizioni d’uso effettive e impiegati in veicoli di tutto il mondo. I dispositivi per le reti di sensori wireless (WSN) SmartMesh di Linear vengono utilizzati anche in ambienti industriali difficili in un’ampia gamma di applicazioni. In un certo senso, questa nuova combinazione di BMS wireless è stata già comprovata sul campo, in prototipi di autovetture. Attualmente stiamo valutando e verificando interconnessioni modulari wireless. Abbiamo molta fiducia nella nostra capacità e in quella dei nostri partner di raggiungere la produzione a piena scala in un periodo di tempo ragionevole.

3. Cosa vede nel prossimo futuro per quanto riguarda i veicoli elettrici/ibridi? 

Sebbene la percentuale di EV/HEV nel settore automotive sia ancora molto bassa, si tratta del segmento a crescita più rapida e continuerà a esserlo per almeno il prossimo decennio. In merito ai dispositivi di misura front-end analogici, come LTC6811, i nostri clienti richiedono il massimo livello di prestazioni per ottimizzare i risultati ottenibili dai loro set di batterie. L’obiettivo principale dei produttori di apparecchiature originali (OEM) è aumentare la sicurezza, la portata e l’affidabilità dei set di batterie.

4. Quali sono le sue previsioni per quanto riguarda la gestione delle batterie e l’accumulazione dell’energia? 

Ci aspettiamo che gli sviluppi dei BMS e delle tecniche di accumulazione dell’energia saranno in linea con gli attuali obiettivi degli OEM a cui ho appena accennato, ossia, i set di batterie e la gestione delle batterie continueranno a migliorare in termini di sicurezza, portata e affidabilità.

5. Come l’energy harvesting e altre tecnologie potrebbero contribuire allo sviluppo dei veicoli elettrici? 

Pressoché tutti i veicoli elettrici o ibridi utilizzano freni rigenerativi (harvesting) per caricare la batteria in fase di decelerazione. È possibile utilizzare celle solari per ripristinare la massima carica della batteria o per compensare la corrente di quiescenza nell’auto, ma è improbabile che possano sostituirsi alla ricarica eseguita con la corrente della rete di utenza.  Le fonti di energia disponibili a cui si può pensare sono:

  • Termica: alcune parti di un veicolo raggiungono temperature elevate ed è possibile utilizzare il differenziale termico esistente tra queste e la temperatura ambiente per accumulare energia.
  • Solare: esiste un enorme potenziale non ancora sfruttato per l’utilizzo dell’energia solare in tutti veicoli. Un giorno, l’esterno del veicolo potrebbe essere ricoperto da pannelli solari. Occorre avviare l’auto ma la batteria è scarica? Nessun problema; basta lasciare l’auto sotto il sole e attendere che la batteria si ricarichi.
  • Effetto piezoelettrico: varie parti del veicolo oscillano quando l’auto è in moto, sebbene il modo più efficace per accumulare energia a partire dal moto di un’auto sia probabilmente, come abbiamo menzionato, la frenata rigenerativa (poiché in questa circostanza viene dissipata molta energia).

Occorre notare che l’energia termica e cinetica sono di natura rigenerativa, mentre l’energia solare è energia aggiuntiva proveniente dall’ambiente.  Per quanto riguarda come utilizzare questa energia, vedo due possibili soluzioni:

  1. Reintrodurla nel sistema di alimentazione principale (la batteria) dell’auto.
  2. Impiegarla per alimentare una rete di sensori wireless (la cui alimentazione di riserva è assicurata dalla batteria dell’auto).

La scorsa settimana i nostri Field Applications Engineer hanno discusso l’uso dei prodotti Dust per applicazioni WSN nei veicoli. L’energy harvesting e i sistemi WSN sono un binomio naturale. Senz’altro si vuole avere il sistema di alimentazione principale come generatore di riserva, ma ai fini della ridondanza, forse è desiderabile anche disporre di una fonte di energy harvesting che sia in grado di alimentare una WSN.  Vedo l’energy harvesting soprattutto come un elemento che contribuisce a prolungare la durata della batteria nel veicolo. È difficile utilizzarla in altro modo poiché non è una fonte di energia affidabile, così che non potrebbe essere il solo sistema di alimentazione di qualunque impianto cruciale del veicolo.

 

Figura 1: Greg Zimmer

Figura 1: Greg Zimmer

 

 

Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 19 gennaio 2017

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