lunedì, Febbraio 26, 2024
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Risparmia spazio, tempo e componenti con un BMS (Battery Management System) intelligente per sistemi a 48 V

Immagine: Texas Instruments

In questo articolo vengono illustrati i vantaggi offerti dall’utilizzo del dispositivo BMS BQ79614-Q1 di Texas Instruments per la gestione intelligente della batteria nei veicoli mild-hybrid.

Sulla strada del trasporto a emissioni zero, i veicoli elettrici ibridi (HEV) rappresentano un momento di transizione naturale dai motori a combustione interna (ICE) ai veicoli completamente elettrici a batteria (BEV). Sicuramente questo periodo di transizione richiederà anni, durante i quali avremo a che fare con diversi tipi di veicoli ibridi, a seconda del livello di elettrificazione. Da un lato, abbiamo veicoli mild hybrid con una batteria tipicamente a 48 V che supporta una propulsione elettrica limitata. Abbiamo poi veicoli ibridi plug-in con propulsione solo elettrica per lunghi periodi e caricatore di bordo (OBC).

Le ultime previsioni mostrano che i veicoli mild-hybrid da 48 V domineranno il mercato HEV/BEV, come mostrato in Figura 1. Le preferenze dei consumatori stanno guidando questa domanda e le case automobilistiche devono utilizzare architetture flessibili per essere in grado di modificare la configurazione dei veicoli esistenti in modo da soddisfare le normative sulle emissioni senza i costi e i tempi necessari richiesti da una completa riprogettazione.

Figura 1: Tendenza del mercato globale xEV; fonte: Strategy Analytics

Di fronte a una concorrenza agguerrita, i produttori di HEV cercano le migliori soluzioni bilanciando costi e prestazioni. In questo articolo, discuteremo di come la scelta di un monitor batteria intelligente con funzionalità integrate può aiutare a ottenere vantaggi di progettazione come il monitoraggio della batteria ad alta precisione, alti livelli di sicurezza funzionale e risparmi sulla distinta base, per citarne alcuni. 

Sistema di gestione della batteria HEV da 48 V

I moderni veicoli mild hybrid hanno in genere un motore endotermico (ICE) ridimensionato, insieme a una batteria da 48 V che fornisce una propulsione elettrica limitata e supporta carichi ad alta potenza come l’assistenza elettronica alla coppia. La batteria a 48 V richiede un sistema di gestione della batteria (BMS) per il monitoraggio, la protezione, la distribuzione dell’alimentazione e altre funzioni ausiliarie. Per motivi di sicurezza è ancora presente la tradizionale batteria a 12 V.

Il BMS a 48 V è costituito da un’unità di controllo batteria (BCU) sul lato 12 V e un’unità di supervisione cella (CSU) combinata con un’unità di distribuzione batteria (BDU) sul lato 48 V, come mostrato in Figura 2. La centralina motore (ECU) è separata e controlla il BMS tramite interfaccia CAN. Per una maggiore sicurezza, BCU e CSU sono generalmente isolate.

Figura 2: BMS tipico per HEV da 48 V

Le funzioni BMS comuni sono:

  • Monitoraggio della tensione e bilanciamento delle singole celle della batteria
  • Misurazione della tensione e della corrente dell’intero pacco batteria
  • Monitoraggio della temperatura della batteria
  • Commutazione e distribuzione dell’alimentazione
  • Monitoraggio dell’isolamento

La parte centrale del BMS è l’IC di monitoraggio e bilanciamento della batteria. Tuttavia, alcune funzioni BMS possono essere affidate a circuiti esterni. Ad esempio, se la misurazione della corrente non è implementata nel monitor della batteria, è necessario un monitor di corrente aggiuntivo, insieme a un ADC e un isolatore digitale come ISO6721-Q1. Al fine di ridurre il costo del sistema, in ogni caso, è preferibile avere questa funzione integrata nel monitor della batteria stesso.

Come ridurre le dimensioni della soluzione, risparmiare tempo e componenti necessari

Se tutte le funzioni BMS possono essere eseguite nel monitor della batteria, è possibile ottenere risparmi significativi nei tempi di sviluppo, nelle dimensioni della soluzione e nei costi della distinta base. La Figura 3 mostra un sistema BMS da 48 V costruito attorno al circuito integrato BQ75614-Q1, un monitor di precisione 14-S per batterie per autoveicoli con sistema di bilanciamento e sensore di corrente protetto ed integrato conforme ASIL-D.

Figura 3: BMS basato su BQ75614-Q1 per HEV a 48 V

Rispetto alla Figura 2, possiamo vedere una significativa riduzione del numero di componenti. Il rilevamento di corrente integrato, il bilanciamento delle celle, l’LDO e il monitoraggio di fusibili/commutatori consentono di risparmiare il costo di componenti esterni aggiuntivi. Sono disponibili pin di ingresso/uscita per uso generico (GPIO) in grado di estendere la funzionalità fornendo un’interfaccia I2C o espandendo il numero di ingressi ADC, ad esempio per misurare la temperatura della batteria utilizzando termistori NTC.

La precisione della misura della tensione è fondamentale per la compatibilità con le batterie al litio ferro fosfato (LFP), sempre più diffuse. Quando si tratta di precisione, il BQ75614-Q1 raggiunge una precisione nelle misure di alte tensioni di 2 mV. L’elevata precisione della corrente pari allo 0,3%, con sincronizzazione della tensione intrinseca, consente una stima più accurata dello stato di carica (SoC) e dello stato di salute (SoH), estendendo l’autonomia della batteria.

Il BQ79614-Q1 prevede una ridondanza integrata per la diagnostica di tensione, temperatura e corrente, che porta alla conformità della sicurezza funzionale. È disponibile una completa documentazione  per aiutare la progettazione di sistemi ISO 26262 e raggiungere i requisiti di sicurezza funzionale di sistema fino al livello ASIL D su tensione della cella, misurazioni di temperatura e corrente e comunicazione; il livello ASIL B viene raggiunto su protezione da sovra/sottotensione e da sovra/sotto temperatura. Il dispositivo consente anche di completare l’intervallo di tempo di rilevamento dei guasti (FDTI) entro 100 ms, utilizzando diversi sistemi di diagnostica incorporati, liberando l’MCU che può così essere utilizzata per completare altre attività.

Il BQ75614-Q1 condivide diverse funzionalità con la famiglia BQ7961x-Q1 per BMS ad alta tensione, inclusi package, pin-out, controllo funzionale e mappa di registro. Pertanto, l’hardware e il software sviluppati per il BQ75614-Q1 possono essere facilmente trasferiti su altri dispositivi della famiglia, risparmiando sui tempi di sviluppo.

È evidente che il mercato HEV in rapida crescita richiede soluzioni BMS più competitive in termini di costi e prestazioni. Solo fornendo soluzioni innovative con prestazioni migliorate, funzionalità aggiuntive e un maggiore livello di integrazione, che porta a BMS più intelligenti, è possibile affrontare e risolvere questa sfida.

Risorse addizionali

Texas Instruments offre ai progettisti numerose risorse relative a questo settore. Gli ultimi progetti riguardanti i sistemi BMS di TI sono disponibili al link: https://www.ti.com/solution/battery-management-system-bms mentre le soluzioni per il monitoraggio della batteria sono disponibili alla seguente sezione del sito web di TI: https://www.ti.com/power-management/battery-management/overview.html.

Informazioni complete sul prodotto BQ75614-Q1 sono disponibili alla seguente pagina: https://www.ti.com/product/BQ75614-Q1.

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