Wireless BMS elimina fios, adiciona inteligência a cada célula da bateria

A mudança para a eletrificação, especialmente com veículos elétricos, significa que o monitoramento da bateria será crítico para a segurança e o desempenho ao longo da vida. Na esperança de interromper o mercado de sistema de gerenciamento de bateria (BMS), a Dukosi, sediada no Reino Unido, desenvolveu um BMS sem fio que coloca um chip e software integrado em cada célula da bateria para eliminar massas de chicotes de fiação e colocar inteligência na própria bateria.

Conversamos com Joel Sylvester, fundador e diretor de tecnologia da Dukosi, para explicar como a solução da empresa é diferente das soluções BMS sem fio já existentes no mercado e o que isso significa para a indústria de baterias.

Ele disse:“O que desenvolvemos é um dispositivo de monitoramento de células para uso em grandes baterias de íon-lítio de alta tensão, do tipo que você encontrará em veículos elétricos, ônibus elétricos, aplicações marítimas, aplicações de armazenamento de energia em rede. Basicamente, qualquer coisa que exija uma bateria grande hoje em dia está mudando ou foi para a química de íons de lítio e você precisa monitorar essas células de perto. Há muita energia neles. Você precisa prestar muita atenção em qual é a voltagem da célula, qual é a temperatura e assim por diante, a fim de manter a embalagem segura e fazer com que dure o máximo possível. ”

“O que desenvolvemos é um chip de silício e o software que o acompanha que permite monitorar a voltagem, as correntes, a temperatura e muitas outras características das células individuais de íons de lítio.”

Então, como Dukosi está sendo perturbador? Ele disse:“O que atrapalha é quando você coloca o chip na célula. Agora você tem uma célula inteligente que pode ser configurada em baterias de qualquer tamanho, formato e configuração. Você pode criar vários produtos de bateria usando as mesmas células nas mesmas células inteligentes. Isso é mais perturbador porque muda a forma como a indústria de baterias abordará a forma como monitoram e gerenciam suas baterias. ”

Ele disse que, ao falar com clientes em potencial, a coisa que sempre vem primeiro é livrar-se dos chicotes de fiação. “Os fabricantes de matilhas os odeiam. Tudo o que fazem é reduzir a confiabilidade, criar problemas de segurança, são caros para projetar, fabricar e instalar, portanto, livrar-se dos chicotes de fiação é sempre o primeiro; depois disso, é a qualidade das medições. Podemos fazer uma medição de temperatura em cada célula exatamente da mesma maneira, posição em cada célula. Isso permite que eles melhorem o desempenho de suas baterias. ”

A necessidade de gerenciamento de bateria

É aceito que o monitoramento da bateria é vital para a segurança e melhor desempenho ao longo da vida, particularmente em VEs, mas os métodos de monitoramento atuais são uma evolução das antigas técnicas complicadas, de acordo com Dukosi. A empresa disse que uma nova abordagem verdadeiramente sem fio também pode aproveitar as vantagens da computação de ponta rápida e flexível.

A principal função de um BMS é manter a carga e a descarga seguras, reduzindo o risco de degradação celular, danos e até incêndio. Os benefícios vão além disso, porém, conhecer com precisão o estado de carga (SoC) de uma bateria permite que a autonomia do veículo seja determinada, reduzindo a ‘ansiedade de alcance’ e os tempos de carga sejam reduzidos.

Além disso, o acúmulo de informações monitoradas como temperatura, voltagem e ciclos de carga / descarga ao longo do tempo pode indicar o estado de integridade da bateria (SoH). À medida que uma frota de EVs envelhece, o SoH da bateria pode se tornar um fator decisivo para o uso de "segunda vida", seja na revenda do carro ou no redirecionamento do pacote de bateria em outra aplicação menos onerosa, como armazenamento de energia da rede. Maximizar a longevidade da bateria reduz o custo de vida útil da bateria e minimiza a frequência e o custo da reciclagem, reduzindo o impacto ambiental do transporte em geral.

Os cabos são um problema

O monitoramento de baterias é reconhecido há décadas na indústria e nas telecomunicações, onde o backup de sistemas críticos é importante. Um conjunto de baterias de chumbo-ácido de 48 V alimentando um no-break em um farm de servidores pode permitir a conexão de chicotes de fiação conectando o hardware de monitoramento centralizado volumoso a cada célula, mas transportar os princípios para EVs com sequências de células de até 800 V em um ambiente altamente contido e hostil é não é uma solução ideal.

No entanto, é exatamente assim que um BMS é normalmente implementado atualmente, e por causa das altas tensões e do risco de abrasão do fio com vibração, as conexões dos cabos às células nas cordas devem ser superdimensionadas para os sinais que estão transportando, com o peso e espaço associados penalidades, sem falar nos custos de instalação.

O monitoramento de bateria ‘sem fio’ para EVs pareceria então uma solução óbvia para enfrentar este desafio. Existem soluções que evoluíram de arquiteturas modulares mais antigas, onde as tensões de várias células em uma string são monitoradas. Os valores analógicos resultantes são multiplexados em um de uma série de módulos embutidos no pacote de bateria, 'digitalizados' e, em seguida, passados ​​por um link de RF para um processador central.

O número de células monitoradas é normalmente 12 ou 14, limitado pela classificação de voltagem do multiplexador, com cada célula adicionando cerca de 3,7V. O número de células monitoradas é definido para aumentar para 16 ou mais, para reduzir o número de multiplexadores necessários, mas isso apenas amplia a necessidade de usar uma tecnologia de alta tensão no processo de fabricação de IC. Isso impede a fácil incorporação de agregação e processamento de dados locais que, portanto, devem ser feitos centralmente, criando um gargalo na conexão RF.

As desvantagens mais significativas, porém, são que a precisão da medição de cada voltagem de célula multiplexada degrada a string e são necessárias conexões físicas mais longas para cada célula. A captação de ruído é uma preocupação adicional. Deve-se prestar muita atenção à localização das antenas de RF, para garantir que cada módulo tenha "linha de visão" para o receptor central, ou redes mesh complexas e imprevisíveis devem ser construídas, tornando as taxas de dados e latência imprevisíveis.

Entre na computação de ponta para baterias

Dukosi, portanto, adotou a ideia de computação "de ponta" - células de monitoramento individualmente com processamento local para interpretar leituras e transmitir dados instantâneos e agregados sem fio ao longo do tempo na forma de histogramas criados por software embarcado proprietário.

A empresa disse que seu hardware de ultra-baixa energia é um minúsculo chip CMOS alimentado pela célula de bateria monitorada, então a tecnologia IC é compatível com núcleos de processador e memória comuns. Nenhuma multiplexação de sinal analógico é necessária, então a precisão é otimizada e o chip é encaixado diretamente na célula para máxima precisão de medição de tensão e temperatura local.

O problema de conexão a uma antena é resolvido pelo uso de tecnologia NFC patenteada. Semelhante aos loops indutivos para pagamento "sem contato", um loop fino e de baixa tensão com um único fio é roteado ao redor do pacote de bateria, próximo a cada monitor Dukosi, acoplando-se frouxamente em um loop no sensor com alguns milímetros de separação física. Isso garante uma conexão de dados rápida e robusta, mas é o suficiente para fornecer facilmente o isolamento elétrico necessário para a tensão mais alta da bateria. Cada IC possui um identificador único e é pesquisado por meio da conexão NFC por um gerenciador de rádio que controla o processo de comunicação e passa os dados para o sistema eletrônico de gerenciamento do veículo. Todo o sistema é projetado para ser seguro, como um componente ASIL C de um pacote de bateria ASIL D.

Colocar inteligência que está "sempre ligada" na bateria, mesmo quando o EV não está em uso, abre oportunidades para registro de longo prazo de dados de uso e desempenho que podem ser interpretados como estado de saúde e até mesmo mantidos como proveniência da bateria em qualquer momento de sua vida. Com custos reduzidos de hardware, cabeamento e instalação, o benefício vitalício de tal sistema pode ser útil em todos os tipos de veículos elétricos, bem como em aplicações mais amplas de armazenamento de energia.

Sylvester explicou como Dukosi está fazendo o BMS sem fio de forma diferente. Ele disse:“Você precisa fazer medições em células de íons de lítio. Mas os dispositivos atualmente no mercado de algumas das grandes empresas de semicondutores parecem quase exatamente iguais aos que estavam disponíveis no final dos anos 1990. Na verdade, não evoluiu muito nessa época. A forma como a tecnologia avançou em outro lugar está tentando abordar mais e mais células ao mesmo tempo, então 12 células, 14 células, 16 células e isso os está levando a uma rota particular de tentar ir para tensões cada vez mais altas. ”

“Nosso produto faz apenas uma célula por vez, então você precisa de muito mais delas. Mas faz as medições nessa célula muito bem:temos a precisão líder da indústria nas medições. Podemos medir a temperatura em cada célula. Podemos executar algoritmos nas células para dizer qual é o estado de carga ou o estado de saúde, ou muitas outras características das células de íon-lítio, podemos fazer isso muito, muito bem em uma célula e então você pode conectá-las todos juntos muito facilmente em uma rede de bateria. Sem conectores adicionais. Nenhum chicote de fios ou todas as outras coisas lá. Isso tudo se foi. "

“Essa rede de bateria então diz a você tudo o que você precisa saber sobre o sistema de bateria. Você está tirando cabos, está tirando conectores, está tirando todas as estruturas mecânicas de que precisa para suportá-los e garantir que não se trancem, movendo as medidas, o sensor, direto ao ponto onde você precisa fazer as medições. ”

Você poderá ouvir a entrevista completa com Joel Sylvester no podcast embarcado com Nitin .