Jste zde

Správa baterií v automobilovém průmyslu – jde to i bezdrátově

Libor Michalec, 25. Únor 2021 - 8:02

Prodej elektromobilů se každoročně zvyšuje a dokonalý přehled o stavu baterie má nemalý vliv na výkon, účinnost a životnost vozidla. Kabelové propojení každého článku baterie s nadřazeným systémem zvyšuje hmotnost celého automobilu a má to i své bezpečnostní rizika v případě havárie. Proto i v této oblasti dochází k přesunu k bezdrátové formě komunikace.

V roce 2019 bylo prodáno více než 2 miliony vozidel na elektricky pohon. V roce 2020 byl tento prodej významně překonán a odhaduje se, že v příštích několika letech může prodej dosáhnout až 8 milionů ročně, přičemž v čele bude Čína.

Správa baterie (Battery Management System - BMS ) je důležitou součástí elektromobilu, jelikož má nemalý vliv na účinnost, životnost a výkon vozidla. Proto je nutné každý článek v bateriovém bloku monitorovat. Měřit jeho teplotu, napětí a proud v čase a vyhodnocovat jeho vybíjecí a nabíjecí křivky. Díky tomu získáme dokonalý přehled o stavu baterie.

Ke každému bateriovému článku je připojen modul s integrovaným obvodem, který má integrovány funkce pro správu baterie. Jelikož v elektromobilu je několik desítek bateriových článků, je nutné nasbíraná data přenést do hlavního systému, který vše vyhodnocuje a posílá důležité analýzy do nadřazeného systému přes sběrnici CAN. Přenos dat z jednotlivých modulů lze provést klasicky pomocí kabelové komunikační sběrnice nebo pomocí bezdrátového přenosu.

Na obrázku 1 je znázorněn typický BMS, který obsahuje mikrokontroler (MCU), podpůrné obvody, izolaci mezi nízkonapěťovou a vysokonapěťovou stranou, baterii a moduly pro monitorování baterie včetně snímače proudu. Informace o stavu jednotlivých bateriových článcích (teplota, napětí a proud) jsou posílány do nadřazeného systému pomocí kabelového rozhraní, které je na obrázku zobrazeno červeně

Obrázek 1: Typická kabelová BMS

Kabelové řešení má své nevýhody. Zvyšují hmotnost vozidla a v případě nehody může dojít k přerušení kabelu a jeho oprava není jednoduchá. Proto výrobci automobilů a poskytovatelé systému pro správu baterií začali hledat bezdrátové řešení, které by mělo mít srovnatelné parametry s kabelovým řešením.

Patentovaný bezdrátový protokol od Texas Instruments pracuje na frekvenci 2,4 GHz a byl vyvinut přímo pro automobilový průmysl. Nejdůležitějším parametrem bezdrátového spojení je spolehlivost a chybovost komunikace. Spolehlivost lze kvantifikovat pomocí chybovosti paketů a pravděpodobnosti úspěšného odeslání zprávy mezi vysílačem a přijímačem. Tato pravděpodobnost dosahuje 99 999% a chybovost paketů je 10^-7.

Bezdrátová komunikace uvnitř vozidla vzbuzuje obavy z její bezpečnosti. Proto Texas Instruments nabízí celou řadu bezpečnostních prvků, které znemožňují cizím subjektům manipulovat s interními daty.

Obrázek 2: Bezdrátový systém BMS spojující osm bezdrátových modulů

Bezdrátová síť se skládá z jednoho hlavního řídícího prvku a osmi bezdrátových modulů, které jsou přímo připojeny k baterii. Bezdrátový modul je vybaven čipem CC2662R-Q1 pro bezdrátovou komunikaci a čipem pro správu baterie BQ79616-Q1, který měří napětí a teplotu jednotlivých bateriových buněk a plně vyhovuje standardu ASIL-D.

Obrázek 3: TI wireless BMS architektura

BQ79612-Q1, BQ79614-Q1 a BQ79616-Q1 poskytují přesné měření napětí jednotlivých článků za méně než 200 μs. Přesné měření je dosaženo díky integrovaným filtrům a vnitřní teplotní kompenzaci, která je u automobilových aplikacích obzvlášť důležitá.

Vlastnosti BQ796xx-Q1:

Splňuje standard AEC-Q100
Teplotní stupeň 1: –40 ° C až + 125 ° C
HBM ESD úroveň 2
CDM ESD úroveň C4B
Vyhovuje funkční bezpečnosti ISO 26262
Vyhovuje ASIL D
Přesnost ADC +/- 1,5 mV
16S (BQ79616-Q1), 14S (BQ79614-Q1) a 12S (BQ79612-Q1)
Samostatný monitorovací systém 48 V (BQ75614-Q1)
Teplotní kompenzace
Konfigurovatelný digitální low-pass filtr
UART / SPI rozhraní

Obrázek 4: Základní zapojení BQ796xx-Q1 (kabelové propojení)

Texas instruments nabízí vývojovou sadu CC2662RQ1-EVM-WBMS, která slouží k urychlení vývoje s bezdrátovým mikrokontrolerem SimpleLink CC2662R-Q1. Obsahuje 9 modulů pro bezdrátové monitorování baterií pomocí čipu BQ79616-Q1. K dispozici je také softwarová podpora ve formě SDK knihovny SimpleLink Wireless BMS.

Obrázek 5: Vývojový kit CC2662RQ1-EVM-WBMS

Vlastnosti vývojové sady:

Možnost zhodnocení vlastností bezdrátového MCU CC2662R-Q1 a správy baterií BQ79616-Q1
Vývojová sada obsahuje 9 desek, 1 předprogramovaná řídicí jednotka a 8 předprogramovaných snímacích modulů
Bezdrátový BMS EVM lze konfigurovat jako řídicí jednotku baterie (primární uzel) nebo jednotku snímače (sekundární uzly)
Podporuje samostatnou ladicí sondu XDS110 pro programování a ladění bezdrátových BMS EVM
Konektor pro přímé připojení baterie
Rozhraní I2C, SPI, UART a GPIO