El BMS inalámbrico elimina los cables, agrega inteligencia a cada celda de la batería

El cambio hacia la electrificación, especialmente con los vehículos eléctricos, significa que el monitoreo de la batería será fundamental para la seguridad y el rendimiento de por vida. Con la esperanza de interrumpir el mercado de sistemas de gestión de baterías (BMS), Dukosi, con sede en el Reino Unido, ha desarrollado un BMS inalámbrico que coloca un chip y software integrado en cada celda de la batería para eliminar masas de arneses de cableado y poner inteligencia en la batería misma.

Hablamos con Joel Sylvester, fundador y director de tecnología de Dukosi, para explicarle en qué se diferencia la solución de la empresa de las soluciones BMS inalámbricas que ya están en el mercado y qué significa para la industria de las baterías.

Dijo:“Lo que hemos desarrollado es un dispositivo de monitoreo de celdas para usar en paquetes de baterías de iones de litio de alto voltaje muy grandes, del tipo que encontrará en vehículos eléctricos, autobuses eléctricos, aplicaciones marinas, aplicaciones de almacenamiento de energía de la red. Básicamente, cualquier cosa que requiera un paquete de baterías grande en estos días se está moviendo o se ha movido a la química de iones de litio y necesita monitorear esas celdas muy de cerca. Hay mucha energía en ellos. Debe prestar mucha atención a cuál es el voltaje de la celda, cuál es la temperatura, etc. para mantener el paquete seguro y hacer que duren tanto como sea posible ”.

"Lo que hemos desarrollado es un chip de silicio y el software que lo acompaña que le permite monitorear el voltaje, las corrientes, la temperatura y muchas otras características de las celdas de iones de litio individuales".

Entonces, ¿cómo es que Dukosi está siendo disruptivo? Dijo:"Lo que es perturbador es cuando pones el chip en la celda. Ahora tiene una celda inteligente que puede configurar en paquetes de baterías de cualquier tamaño, forma y configuración. Puede crear varios productos de batería utilizando las mismas celdas en las mismas celdas inteligentes. Eso es más perturbador porque cambia la forma en que la industria de las baterías se acercará a la forma en que monitorean y administran sus baterías ".

Dijo que cuando se habla con posibles clientes, lo que siempre surge primero es deshacerse de los arneses de cableado. “Los fabricantes de envases los odian. Todo lo que hacen es reducir la confiabilidad, crear problemas de seguridad, son costosos de diseñar, fabricar e instalar, por lo que deshacerse de los arneses de cableado es siempre el primero; después de eso, es la calidad de las mediciones. Podemos realizar una medición de temperatura en cada celda exactamente de la misma manera, posición en cada celda. Eso les permite mejorar el rendimiento de sus paquetes de baterías ”.

La necesidad de administrar la batería

Se acepta que el monitoreo de la batería es vital para la seguridad y el mejor rendimiento de por vida, particularmente en los vehículos eléctricos, pero los métodos de monitoreo actuales son una evolución de las viejas técnicas engorrosas, según Dukosi. La compañía dijo que un nuevo enfoque verdaderamente inalámbrico también puede aprovechar las ventajas de la informática de borde rápida y flexible.

La función principal de un BMS es mantener la carga y descarga seguras, reduciendo el riesgo de degradación celular, daño e incluso incendio. Sin embargo, los beneficios van más allá de eso, conocer con precisión el estado de carga (SoC) de un paquete de baterías permite determinar la autonomía del vehículo, lo que reduce la "ansiedad de autonomía" y los tiempos de carga.

Además, la acumulación de información monitoreada, como la temperatura, el voltaje y los ciclos de carga / descarga a lo largo del tiempo, puede indicar el estado de salud (SoH) de la batería. A medida que envejece una flota de vehículos eléctricos, el SoH de la batería puede convertirse en un factor decisivo para el uso de "segunda vida", ya sea en la reventa del automóvil o en la reutilización del paquete de baterías en otra aplicación menos onerosa, como el almacenamiento de energía en la red. Maximizar la longevidad de la batería reduce el costo de vida útil de la batería y minimiza la frecuencia y el costo del reciclaje, lo que reduce el impacto ambiental del transporte en general.

Los cables son un problema

El monitoreo de baterías ha sido reconocido durante décadas en la industria y las telecomunicaciones, donde el respaldo para sistemas críticos es importante. Un conjunto de baterías de plomo-ácido de 48 V que alimenta un SAI en una granja de servidores puede permitirse arneses de cableado que conectan el voluminoso hardware de monitoreo centralizado a cada celda, pero llevar los principios a los vehículos eléctricos con cadenas de celdas de hasta 800 V en un entorno hostil y altamente contenido es no es una solución ideal.

Sin embargo, así es exactamente como se implementa actualmente un BMS, y debido a los altos voltajes y al riesgo de abrasión del cable con vibración, las conexiones de los cables a las celdas en las cadenas deben ser de gran tamaño para las señales que transportan, con el peso y el espacio asociados. sanciones, sin mencionar los costos de instalación.

El monitoreo "inalámbrico" de la batería para vehículos eléctricos parecería entonces una solución obvia para abordar este desafío. Existen soluciones que han evolucionado a partir de arquitecturas modulares más antiguas, donde se monitorean los voltajes de varias celdas en una cadena. Los valores analógicos resultantes se multiplexan en uno de varios módulos integrados en el paquete de baterías, se "digitalizan" y luego se pasan por un enlace de RF a un procesador central.

La cantidad de celdas monitoreadas es típicamente 12 o 14, limitada por la clasificación de voltaje del multiplexor, y cada celda agrega alrededor de 3.7V. La cantidad de celdas monitoreadas aumentará a 16 o más, para reducir la cantidad de multiplexores necesarios, pero esto solo amplifica la necesidad de utilizar una tecnología de alto voltaje en el proceso de fabricación de circuitos integrados. Esto impide la fácil incorporación de la agregación y el procesamiento de datos locales que, por lo tanto, deben realizarse de forma centralizada, creando un cuello de botella en la conexión de RF.

Sin embargo, las desventajas más importantes son que la precisión de la medición de cada voltaje de celda multiplexada degrada la cadena y se necesitan conexiones de cables físicos más largas para cada celda. La captación de ruido es una preocupación adicional. Se debe prestar mucha atención a la ubicación de las antenas de RF, para garantizar que cada módulo tenga una 'línea de visión' con el receptor central, o se deben construir redes de malla complejas e impredecibles, lo que hace que las velocidades de datos y la latencia sean impredecibles.

Ingrese a la informática "de vanguardia" para baterías

Por lo tanto, Dukosi ha adoptado la idea de la computación de "borde":las células de monitoreo individualmente con procesamiento local para interpretar las lecturas y transmitir de forma inalámbrica datos instantáneos y agregados a lo largo del tiempo en forma de histogramas creados por software integrado patentado.

La compañía dijo que su hardware de energía ultrabaja es un pequeño chip CMOS alimentado por la celda de la batería monitoreada, por lo que la tecnología IC es compatible con núcleos de procesador y memoria comunes. No es necesaria la multiplexación de señales analógicas, por lo que se optimiza la precisión y el chip se instala directamente en la celda para obtener la máxima precisión de medición tanto de voltaje como de temperatura local.

El problema de la conexión a una antena se resuelve mediante el uso de tecnología NFC patentada. De manera similar a los lazos inductivos para el pago "sin contacto", un lazo delgado, de bajo voltaje, de un solo cable se enruta alrededor del paquete de baterías, cerca de cada monitor Dukosi, acoplándose libremente en un lazo en el sensor con unos pocos milímetros de separación física. Esto asegura una conexión de datos rápida y robusta, pero es suficiente para proporcionar fácilmente el aislamiento eléctrico necesario para el voltaje más alto de la batería. Cada IC tiene un identificador único y es sondeado a través de la conexión NFC por un administrador de radio que controla el proceso de comunicación y pasa los datos a la electrónica de gestión del vehículo. Todo el sistema está diseñado para ser seguro, como un componente ASIL C de un paquete de baterías con clasificación ASIL D.

Poner inteligencia que está 'siempre encendida' en el paquete de baterías, incluso cuando el vehículo eléctrico no está en uso, abre oportunidades para el registro a largo plazo de datos de uso y rendimiento que pueden interpretarse como estado de salud e incluso mantenerse como procedencia de la batería en cualquier momento de su vida. Con costos reducidos de hardware, cableado e instalación, el beneficio de por vida de un sistema de este tipo puede ser útil en todos los tipos de vehículos eléctricos, así como en aplicaciones más amplias de almacenamiento de energía.

Sylvester explicó cómo Dukosi está haciendo el BMS inalámbrico de manera diferente. Dijo:“Es necesario realizar mediciones en celdas de iones de litio. Pero los dispositivos actualmente en el mercado de algunas de las compañías de semiconductores de renombre se ven casi exactamente iguales a los que estaban disponibles a fines de la década de 1990. Realmente no ha evolucionado mucho en ese momento. La forma en que la tecnología se ha ido a otros lugares es tratar de abordar más y más celdas al mismo tiempo, por lo que 12 celdas, 14 celdas, 16 celdas y eso las lleva por una ruta particular de tratar de ir a voltajes cada vez más altos ".

“Nuestro producto solo hace una celda a la vez, por lo que necesita muchas más. Pero hace las mediciones en esa celda realmente bien:tenemos una precisión líder en la industria en las mediciones. Podemos medir la temperatura en cada celda. Podemos ejecutar algoritmos en las celdas para decirle cuál es el estado de carga o el estado de salud, o muchas otras características de las celdas de iones de litio, podemos hacerlo realmente, muy bien en una celda y luego puede conectarlas. todos juntos muy fácilmente en una red de baterías. Sin conectores adicionales. No hay mazos de cables ni todas las demás cosas allí. Todo se ha ido ".

“Esa red de baterías le dice todo lo que necesita saber sobre el sistema de baterías. Estás quitando cables, estás quitando conectores, estás quitando todas las estructuras mecánicas que necesitas para sostenerlos y asegurándote de que no se trenzan, moviendo las medidas, el sensor, directo al grano donde necesita tomar las medidas ".

Podrás escuchar la entrevista completa con Joel Sylvester en el edge integrado con el podcast de Nitin .