Wireless Battery Management System con SmartMesh di Linear Technology

Per poter funzionare in modo affidabile e per un lungo periodo, le batterie agli ioni di litio vanno utilizzate con particolare cura, in modo particolare non vanno mai scaricate completamente e lo stato di carica (SOC) va costantemente monitorato. La capacità delle singole celle diminuisce nel tempo in maniera differente tra cella e cella e pertanto ogni singola cella deve essere gestita singolarmente per evitare che possa scaricarsi completamente.

Per fornire energia sufficiente per azionare un veicolo, vengono utilizzate decine o centinaia di celle collegate in serie ed in grado di generate una tensione complessiva molto alta, anche oltre 1000 volt. L’elettronica della batteria deve essere in grado di operare con tensioni così elevate ed annullare gli effetti della tensione in modo comune, e nel contempo controllare ogni cella di queste stringhe. L’elettronica deve anche essere in grado di comunicare le informazioni relative a ciascuna cella ad un sistema centrale di monitoraggio.

Oltre all’elevata tensione, l’elettronica di bordo deve affrontare anche altre problematiche legate alle alte potenze ed ai disturbi elettrici relativi, nonché all’ampia gamma di temperature operative. Insomma, ambienti difficili. L’elettronica di gestione della batteria deve garantire la massima energia possibile, durata, sicurezza e affidabilità, riducendo nel contempo costi, dimensioni e peso.

I costanti progressi dei circuiti integrati di monitoraggio delle celle di batterie gli ioni di litio di Linear Technology hanno permesso di ottenere pacchi batterie per auto ad elevate prestazioni, di maggiore durata e affidabilità. Il sistema Wireless BMS (Battery Management System) promette di migliorare ulteriormente la sicurezza e l’affidabilità dei pacchi di batterie agli ioni di litio.

Battery Monitoring

Nel 2008, Linear Technology ha annunciato il primo monitor per batteria multicella ad elevate prestazioni, l’LTC6802. Tra le sue caratteristiche, la gestione fino a 12 celle, errore di misurazione totale massimo dello 0,25% entro 13ms, e la possibilità di connettere numerosi circuiti in serie per consentire il monitoraggio simultaneo di tutte le celle, anche nel caso di stringhe molto lunghe. Linear Technology ha migliorato le caratteristiche dell’LTC6802 molte volte negli ultimi anni. Tutti i dispositivi della ​​famiglia LTC68XX di Linear sono destinati alla gestione dei pacchi di batterie montati sulle vetture ibride, elettriche o nei sistemi di ricarica ad alta tensione.

L’LTC6811 è l’ultimo modello di monitor per batterie multicella di Linear Technology: questo IC incorpora un riferimento di tensione ultrastabile, multiplexer ad alta tensione e un doppio ADC a 16 bit di tipo delta-sigma. Un LTC6811 è in grado di misurare con una precisione migliore dello 0,04 per cento la tensione di batterie a 12 celle. Nella modalità ADC più veloce, le tensioni di tutte le celle possono essere misurate entro 290 μsec. Grazie agli otto filtri passa basso di terzo ordine programmabili, l’LTC6811 è anche in grado di ridurre in maniera significativa il rumore. Il risultato è una eccezionale precisione di misura delle celle, che consente di ottenere la massima capacità dal pacco batterie, una lunga durata e grande sicurezza di funzionamento.

Ogni LTC6811 integra 2 interfacce seriali da 1MHz, un’interfaccia SPI per il collegamento ad un microprocessore, e l’interfaccia proprietaria 2-wire isoSPI. L’interfaccia isoSPI offre 2 differenti topologie nei confronti del BMS.

Modular Battery Pack

Per accogliere al meglio la grande quantità di celle impiegate nei sistemi di accumulo delle vetture, le batterie vengono spesso suddivise in pacchi o moduli che vengono poi distribuiti negli spazi disponibili all’interno del veicolo. Solitamente questi moduli sono composti da un numero di celle compreso tra 10 e 24 e garantiscono una buona flessibilità, in grado di soddisfare piattaforme differenti. Una soluzione modulare semplifica i problemi di manutenzione e di garanzia, e può essere utilizzata per realizzare batterie di grande capacità; la soluzione modulare consente anche di sfruttare al meglio gli spazi della vettura.

Per supportare una topologia distribuita e modulare all’interno di un ambiente molto rumoroso dal punto di vista elettromagnetico, è necessario un sistema di comunicazione particolarmente robusto. Sia il CAN Bus che l’isoSPI di Linear – entrambi isolati – offrono soluzioni robuste e testate per l’interconnessione dei moduli in questo ambiente.

Il CAN Bus rappresenta ormai in campo automobilistico uno standard consolidato per l’interconnessione di vari dispositivi pur richiedendo un numero di componenti aggiuntivi. Ad esempio, l’implementazione di una connessione tramite CAN Bus del dispositivo LTC6811 tramite la sua interfaccia SPI richiede l’aggiunta di un ricetrasmettitore CAN, un microprocessore, ed un isolatore. Lo svantaggio principale di un CAN Bus sono i costi e lo spazio che i componenti supplementari richiedono.

                       Sistema modulare BMS con CAN Bus.

Un’alternativa all’interfaccia CAN Bus è l’innovativa interfaccia a 2 fili isoSPI di Linear Technology. Integrata in ogni LTC6811, l’interfaccia isoSPI utilizza un semplice trasformatore ed un unico doppino, invece dei 4 fili richieste dal bus CAN. L’interfaccia isoSPI fornisce un’elevata immunità ai rumori RF e consente la realizzazione di una topologia daisy-chain anche con l’utilizzo di cavi lunghi ed una velocità massima di 1Mbps.

                      Sistema modulare BMS con isoSPI.

Wireless BMS

In un sistema BMS wireless, ogni modulo è interconnesso tramite una connessione radio invece che mediante un cavo CAN Bus o un doppino isoSPI. Linear Technology ha realizzato la prima demo del settore di un sistema senza fili di gestione della batteria (BMS) per impiego automobilistico. Questa demo BMS wireless – realizzata con una vettura elettrica BMW i3 – combina il monitor per batterie LTC6811 con i prodotti wireless mesh SmartMesh di Linear Tecnology sostituendo le tradizionali connessioni cablate tra le batterie e il sistema di gestione delle stesse. Questa demo di un sistema di gestione completamente wireless rappresenta un significativo passo avanti in termini di maggiore affidabilità, costi inferiori e minore complessità di cablaggio per tutti i sistemi di accumulo con batterie multicella utilizzati nei veicoli elettrici e ibridi.

I fabbricanti d’automobili debbono garantire che i loro veicoli elettrici offrano il massimo livello di sicurezza e affidabilità. Con la sua soluzione, Linear Technology va oltre questi requisiti facendosi carico anche di possibili guasti meccanici ai connettori, cavi e cablaggi necessari al monitoraggio della batteria, sempre possibili in un ambiente soggetto a forti e continue vibrazioni qual è quello automobilistico.  Fino ad oggi, i forti disturbi elettromagnetici  presenti all’interno di una vettura nonché la grande quantità di parti metalliche, hanno sconsigliato l’impiego di un sistema wireless per qualsiasi tipo di collegamento.  Tuttavia, SmartMesh offre un sistema di interconnessione ridondante grazie all’utilizzo della tecnologia Diversity che consente di aggirare gli ostacoli e ridurre le interferenze. Testate sul campo in applicazioni IoT, le reti wireless SmartMesh hanno offerto un grado di affidabilità superiore al 99,999% anche negli ambienti industriali più ostili, quali i sistemi di monitoraggio delle reti ferroviarie, nelle miniere e nei grandi impianti produttivi.

Fornendo un livello di affidabilità pari a quello dei cavi ma eliminando la possibilità di guasti meccanici a connettori e cavi, la demo wireless BMC mette in evidenza i vantaggi della tecnologia senza fili per migliorare significativamente l’affidabilità complessiva del sistema e semplificare la progettazione dei dispositivi di gestione delle batterie per autoveicoli.

                    Sistema modulare BMS con SmartMesh.

Ulteriori benefici

Un sistema BMS basato su una rete SmartMesh è anche in grado di offrire nuove funzionalità, non disponibili in un sistema cablato. La rete wireless mesh consente un posizionamento più flessibile dei moduli batteria e rende possibile l’installazione di sensori in punti precedentemente non idonei per un cablaggio. Per migliorare la precisione della misura, possono anche essere raccolti dati aggiuntivi relativi alla batteria, come la corrente e la temperatura, col semplice impiego di sensori supplementari SmartMesh. La rete SmartMesh sincronizza automaticamente i vari nodi nel giro di pochi microsecondi, assegnando a ciascun nodo un preciso timestamp.

La possibilità di avere un riferimento temporale relativo a differenti punti di un veicolo offre la possibilità di calcolare con maggiore precisione lo stato di carica (SOC) e lo stato di salute (SOH) della batteria. Un nodo SmartMesh con l’elaborazione locale di ogni modulo batteria semplifica il funzionamento del sistema BMS, con la diagnostica e la comunicazione disponibili per migliorare il montaggio e il servizio.

Le reti SmartMesh

I prodotti SmartMesh comprendono chip e moduli PCB pre-certificati completi di software di rete mesh con i quali è possibile realizzare reti IoT industriali, adatte anche agli ambienti più ostili.

I prodotti SmartMesh hanno dimostrato sul campo il loro valore con oltre 50.000 reti in funzione in 120 paesi. Garantendo un’affidabilità dei dati superiore al 99,999% anche in ambienti difficili, le reti di sensori wireless SmartMesh sono utilizzate in ambito industriale dove possono funzionare in maniera affidabile per molti anni senza alcuna manutenzione.

                         SmartMesh IP Wireless Sensor Network.

Caratteristiche delle reti SmartMesh:

• Comprovata affidabilità superiore al 99,999% in applicazioni Industry 4.0
• Ottima robustezza dovuta alla sincronizzazione temporale e al channel hopping che garantisce il corretto funzionamento in caso di disturbi e offre anche funzioni di auto-diagnostica
• Massima sicurezza grazie alla crittografia NIST certificata AES128

Comparazioni tra le differenti topologie

I seguenti diagrammi illustrano le possibili connessioni con CAN Bus, isoSPI e SmartMesh:

                                     Connessione effettuata tramite CAN Bus.

                                        Connessione effettuata mediante isoSPI.

                                         Connessione effettuate mediante tecnologia SmartMesh.

                    Connessione con tecnologia SmartMesh con sensori supplementari.

Conclusione

Leader nella tecnologia di monitoraggio delle batterie e nelle reti wireless mesh per applicazioni industriali, Linear Technology è in grado di valutare dove, come e quando una rete wireless BMS può essere implementata.

La soluzione wireless BMS SmartMesh consente di eliminare la manutenzione relativa a connettori, cavi e cablaggi; wireless BMS consente anche l’implementazione di funzioni supplementari e offre grande scalabilità.

Questi in sintesi i vantaggi della soluzione wireless BMS:

• Elimina la manutenzione relativa ai connettori, cavi e cablaggio.
• Permette l’aggiunta di nuovi sensori per migliorare ulteriormente l’affidabilità.
• Semplifica la manutenzione della batteria, e fornisce ai progettisti una maggiore flessibilità di progettazione meccanica.
• Consente una precisa raccolta di dati relativa a data e ora che può  migliorare ulteriormente il calcolo SOC/SOH.