Le BMS sans fil élimine les fils, ajoute de l'intelligence à chaque élément de batterie

Le passage à l'électrification, en particulier avec les véhicules électriques, signifie que la surveillance des batteries va être essentielle pour la sécurité et les performances à vie. Dans l'espoir de perturber le marché des systèmes de gestion de batterie (BMS), Dukosi, dont le siège social est au Royaume-Uni, a développé un BMS sans fil qui place une puce et un logiciel embarqué sur chaque cellule de batterie pour éliminer les masses de faisceaux de câbles et mettre l'intelligence dans la batterie elle-même.

Nous avons parlé à Joel Sylvester, fondateur et directeur de la technologie de Dukosi, pour expliquer en quoi la solution de l'entreprise est différente des solutions BMS sans fil déjà sur le marché, et ce que cela signifie pour l'industrie des batteries.

Il a déclaré :« Ce que nous avons développé est un dispositif de surveillance des cellules destiné à être utilisé dans de très grandes batteries lithium-ion haute tension, du type de ceux que vous trouverez dans les véhicules électriques, les bus électriques, les applications marines, les applications de stockage d'énergie en réseau. Fondamentalement, tout ce qui nécessite une grande batterie de nos jours se déplace ou a été déplacé vers les chimies lithium-ion et vous devez surveiller ces cellules de très près. Il y a beaucoup d'énergie en eux. Vous devez faire très attention à la tension de la cellule, à la température, etc. afin de protéger le pack et de le faire durer le plus longtemps possible. "

"Ce que nous avons développé, c'est une puce en silicium et le logiciel qui l'accompagne qui vous permet de surveiller la tension, les courants, la température et bien d'autres caractéristiques des cellules lithium-ion individuelles."

Alors, en quoi Dukosi perturbe-t-il? Il a déclaré : « Ce qui est perturbateur, c'est lorsque vous mettez la puce sur la cellule. Vous disposez maintenant d'une cellule intelligente que vous pouvez configurer en blocs-batteries de n'importe quelle taille, forme et configuration. Vous pouvez créer plusieurs produits de batterie en utilisant les mêmes cellules dans les mêmes cellules intelligentes. C'est plus perturbateur, car cela change la façon dont l'industrie des batteries va aborder la façon dont ils surveillent et gèrent leurs batteries. »

Il a dit que lorsqu'on parle à des clients potentiels, la chose qui revient toujours en premier est de se débarrasser des faisceaux de câbles. « Les fabricants de packs les détestent. Tout ce qu'ils font, c'est réduire la fiabilité, créer des problèmes de sécurité, ils sont coûteux à concevoir, à fabriquer et à installer, donc se débarrasser des faisceaux de câbles est toujours la première chose à faire ; après, c'est la qualité des mesures. Nous pouvons effectuer une mesure de température sur chaque cellule exactement de la même manière, position sur chaque cellule. Cela leur permet d'améliorer les performances de leurs batteries. »

Le besoin de gestion de la batterie

Il est admis que la surveillance de la batterie est vitale pour la sécurité et les meilleures performances à vie, en particulier dans les véhicules électriques, mais les méthodes de surveillance actuelles sont une évolution par rapport aux anciennes techniques lourdes, selon Dukosi. La société a déclaré qu'une nouvelle approche véritablement sans fil peut également tirer parti des avantages de l'informatique de pointe rapide et flexible.

La fonction principale d'un BMS est de maintenir une charge et une décharge sûres, réduisant ainsi le risque de dégradation des cellules, de dommages et même d'incendie. Les avantages vont au-delà de cela, la connaissance précise de l'état de charge (SoC) d'un bloc-batterie permet de déterminer l'autonomie du véhicule, ce qui réduit « l'anxiété d'autonomie » et les temps de charge.

De plus, l'accumulation d'informations surveillées telles que la température, la tension et les cycles de charge/décharge au fil du temps peut indiquer l'état de santé de la batterie (SoH). À mesure qu'une flotte de véhicules électriques vieillit, la SoH de la batterie peut devenir un facteur décisif pour une utilisation de « seconde vie », soit pour la revente de la voiture, soit pour la réutilisation de la batterie dans une autre application moins onéreuse telle que le stockage d'énergie sur le réseau. Maximiser la longévité de la batterie réduit le coût de la durée de vie de la batterie et minimise la fréquence et le coût du recyclage, réduisant ainsi l'impact environnemental du transport en général.

Les câbles sont un problème

La surveillance des batteries est reconnue depuis des décennies dans l'industrie et les télécommunications, où la sauvegarde des systèmes critiques est importante. Une batterie au plomb de 48 V alimentant un onduleur dans une ferme de serveurs peut se permettre des faisceaux de câbles connectant le matériel de surveillance centralisé encombrant à chaque cellule, mais transférer les principes aux véhicules électriques avec des chaînes de cellules jusqu'à 800 V dans un environnement hautement confiné et difficile est pas une solution idéale.

Cependant, c'est exactement comme cela qu'un BMS est actuellement généralement mis en œuvre, et en raison des tensions élevées et du risque d'abrasion des fils avec les vibrations, les connexions des câbles aux cellules des chaînes doivent être surdimensionnées pour les signaux qu'elles transportent, avec le poids et l'espace associés. pénalités, sans parler des frais d'installation.

La surveillance des batteries « sans fil » pour les véhicules électriques semble alors une solution évidente pour relever ce défi. Il existe des solutions qui ont évolué à partir d'architectures modulaires plus anciennes, où les tensions d'un certain nombre de cellules d'une chaîne sont surveillées. Les valeurs analogiques résultantes sont multiplexées dans l'un des nombreux modules intégrés à la batterie, « numérisées », puis transmises via une liaison RF à un processeur central.

Le nombre de cellules surveillées est généralement de 12 ou 14, limité par la tension nominale du multiplexeur, chaque cellule ajoutant environ 3,7 V. Le nombre de cellules surveillées est réglé pour augmenter à 16 ou plus, afin de réduire le nombre de multiplexeurs nécessaires, mais cela ne fait qu'amplifier le besoin d'utiliser une technologie haute tension dans le processus de fabrication des circuits intégrés. Cela empêche l'incorporation facile de l'agrégation et du traitement des données locales qui doivent donc être effectuées de manière centralisée, créant un goulot d'étranglement dans la connexion RF.

Cependant, les inconvénients les plus importants sont que la précision de mesure de chaque tension de cellule multiplexée dégrade la chaîne et que des connexions de fil physiques plus longues à chaque cellule sont nécessaires. La prise de bruit est une préoccupation supplémentaire. Une attention particulière doit être portée à l'emplacement des antennes RF, pour s'assurer que chaque module a une « ligne de mire » vers le récepteur central, ou des réseaux maillés complexes et imprévisibles doivent être construits, ce qui rend les débits de données et la latence imprévisibles.

Entrez dans l'informatique de pointe pour les batteries

Dukosi a donc adopté l'idée de l'informatique « de périphérie » :surveiller les cellules individuellement avec un traitement local pour interpréter les lectures et transmettre sans fil des données instantanées et agrégées au fil du temps sous la forme d'histogrammes créés par un logiciel embarqué propriétaire.

La société a déclaré que son matériel ultra basse consommation est une minuscule puce CMOS alimentée par la cellule de batterie surveillée, de sorte que la technologie IC est compatible avec les cœurs de processeur et la mémoire communs. Aucun multiplexage de signal analogique n'est nécessaire, la précision est donc optimisée et la puce est montée directement sur la cellule pour une précision de mesure maximale de la tension et de la température locale.

Le problème de connexion à une antenne est résolu par l'utilisation de la technologie NFC brevetée. Semblable aux boucles inductives pour le paiement « sans contact », une fine boucle à un seul fil basse tension est acheminée autour du bloc-batterie, à proximité de chaque moniteur Dukosi, se raccordant de manière lâche dans une boucle sur le capteur avec quelques millimètres de séparation physique. Cela garantit une connexion de données rapide et robuste, mais est suffisant pour fournir facilement l'isolation électrique nécessaire pour la tension de batterie la plus élevée. Chaque CI a un identifiant unique et est interrogé via la connexion NFC par un gestionnaire radio qui contrôle le processus de communication et transmet les données à l'électronique de gestion du véhicule. L'ensemble du système est conçu pour être sûr, en tant que composant ASIL C d'un bloc-batterie ASIL D.

La mise en place d'une intelligence « toujours active » sur la batterie, même lorsque le véhicule électrique n'est pas utilisé, ouvre des opportunités pour la journalisation à long terme des données d'utilisation et de performance qui peuvent être interprétées comme l'état de santé et même maintenues comme la provenance de la batterie à tout moment de sa vie. Avec des coûts de matériel, de câblage et d'installation réduits, l'avantage à vie d'un tel système peut être utile dans tous les types de véhicules électriques, ainsi que dans des applications de stockage d'énergie plus larges.

Sylvester a expliqué comment Dukosi fait le BMS sans fil différemment. Il a dit :« Vous devez faire des mesures sur les cellules lithium-ion. Mais les appareils actuellement sur le marché de certaines des plus grandes sociétés de semi-conducteurs ressemblent presque exactement à ceux qui étaient disponibles à la fin des années 90. Il n'a pas vraiment beaucoup évolué à cette époque. La façon dont la technologie est allée ailleurs essaie d'adresser de plus en plus de cellules en même temps, donc 12 cellules, 14 cellules, 16 cellules et cela les entraîne dans une voie particulière consistant à essayer d'atteindre des tensions de plus en plus élevées. /P>

« Notre produit ne fait qu'une cellule à la fois, vous en avez donc besoin de beaucoup plus. Mais il effectue très bien les mesures sur cette cellule :nous avons une précision de pointe sur les mesures. Nous pouvons mesurer la température sur chaque cellule. Nous pouvons exécuter des algorithmes sur les cellules pour vous dire quel est l'état de charge ou l'état de santé, ou de nombreuses autres caractéristiques des cellules lithium-ion, nous pouvons le faire vraiment, très bien sur une cellule, puis vous pouvez les connecter tous ensemble très facilement dans un réseau de batterie. Pas de connecteurs supplémentaires. Il n'y a pas de faisceaux de câbles ou tout le reste. C'est parti."

« Ce réseau de batteries vous dit ensuite tout ce que vous devez savoir sur le système de batteries. Vous enlevez des câbles, vous enlevez des connecteurs, vous enlevez toutes les structures mécaniques dont vous avez besoin pour les supporter et assurez-vous qu'ils ne tressent pas en quelque sorte, déplaçant les mesures, le capteur, jusqu'au point où vous devez faire les mesures."

Vous pourrez entendre l'intégralité de l'interview de Joel Sylvester sur le bord intégré avec le podcast Nitin .