Draadloos BMS elimineert draden, voegt intelligentie toe aan elke batterijcel

De verschuiving naar elektrificatie, vooral bij elektrische voertuigen, betekent dat batterijbewaking van cruciaal belang zal zijn voor de veiligheid en levenslange prestaties. In de hoop de markt voor batterijbeheersystemen (BMS) te verstoren, heeft het Britse hoofdkantoor Dukosi een draadloos BMS ontwikkeld dat een chip en embedded software op elke batterijcel plaatst om massa's kabelbomen te elimineren en intelligentie in de batterij zelf te brengen.

We spraken met Joel Sylvester, oprichter en chief technology officer van Dukosi, om uit te leggen hoe de oplossing van het bedrijf verschilt van draadloze BMS-oplossingen die al op de markt zijn, en wat dit betekent voor de batterij-industrie.

Hij zei:"Wat we hebben ontwikkeld, is een celbewakingsapparaat voor gebruik in zeer grote lithium-ionbatterijpakketten met hoog voltage, van het soort dat je zult vinden in elektrische voertuigen, elektrische bussen, maritieme toepassingen, toepassingen voor energieopslag in het elektriciteitsnet. Kortom, alles waarvoor tegenwoordig een groot batterijpakket nodig is, wordt verplaatst naar of is overgegaan op lithium-ion-chemie en u moet die cellen nauwlettend in de gaten houden. Er zit veel energie in hen. Je moet heel goed letten op wat de celspanning is, wat de temperatuur is, enzovoort om de verpakking veilig te houden en ze zo lang mogelijk mee te laten gaan."

"Wat we hebben ontwikkeld, is een siliciumchip en de bijbehorende software waarmee je de spanning, de stromen, de temperatuur en vele andere kenmerken van individuele lithium-ioncellen kunt volgen."

Dus hoe is Dukosi disruptief? Hij zei:"Wat storend is, is wanneer je de chip op de cel plaatst. Nu heb je een intelligente cel die je kunt configureren in batterijpakketten van elke grootte, vorm en configuratie. U kunt meerdere batterijproducten maken met dezelfde cellen in dezelfde intelligente cellen. Dat is meer ontwrichtend omdat het de manier verandert waarop de batterij-industrie de manier waarop ze hun batterijen controleren en beheren, gaat benaderen."

Hij zei dat wanneer je met potentiële klanten praat, het ding dat altijd als eerste naar voren komt, is het wegwerken van kabelbomen. “De verpakkingsfabrikanten haten ze. Het enige wat ze doen is de betrouwbaarheid verminderen, veiligheidsproblemen veroorzaken, ze zijn duur om te ontwerpen, te produceren en te installeren, dus het wegwerken van kabelbomen is altijd de eerste; daarna is het de kwaliteit van de metingen. We kunnen op elke cel op exact dezelfde manier een temperatuurmeting doen, positie op elke cel. Daardoor kunnen ze de prestaties van hun batterijpakketten verbeteren.”

De noodzaak van batterijbeheer

Het is algemeen aanvaard dat batterijbewaking van vitaal belang is voor de veiligheid en de beste levenslange prestaties, met name in EV's, maar de huidige monitoringmethoden zijn een evolutie van omslachtige oude technieken, aldus Dukosi. Het bedrijf zei dat een nieuwe, echt draadloze benadering ook de voordelen van snelle en flexibele edge computing kan benutten.

De belangrijkste functie van een GBS is het veilig laden en ontladen, waardoor het risico op celdegradatie, schade en zelfs brand wordt verminderd. De voordelen gaan echter verder. Door nauwkeurig de laadstatus (SoC) van een batterijpakket te kennen, kan het bereik van het voertuig worden bepaald, waardoor de 'angst voor het bereik' wordt verminderd en de oplaadtijden worden verkort.

Bovendien kan accumulatie van bewaakte informatie zoals temperatuur, spanning en laad-/ontlaadcycli in de loop van de tijd de gezondheidstoestand van de batterij (SoH) aangeven. Naarmate een vloot van EV's ouder wordt, kan SoH van de batterij een dealbreaker worden voor 'tweede leven'-gebruik, hetzij bij de wederverkoop van de auto, hetzij bij het opnieuw gebruiken van het batterijpakket in een andere, minder belastende toepassing, zoals energieopslag in het elektriciteitsnet. Het maximaliseren van de levensduur van de batterij vermindert de levensduurkosten van de batterij en minimaliseert de frequentie en kosten van recycling, waardoor de milieu-impact van transport in het algemeen wordt verminderd.

Kabels zijn een probleem

Batterijmonitoring wordt al tientallen jaren erkend in de industrie en telecom, waar back-up voor kritieke systemen belangrijk is. Een 48V-loodaccu-array die een UPS in een serverpark voedt, kan het zich veroorloven om kabelbomen aan te sluiten die de omvangrijke gecentraliseerde bewakingshardware met elke cel verbinden, maar het overbrengen van de principes naar EV's met tot 800V-reeksen cellen in een zeer gesloten en ruwe omgeving is geen ideale oplossing.

Dat is echter precies hoe een BMS momenteel typisch wordt geïmplementeerd, en vanwege de hoge spanningen en het risico van draadafslijting door trillingen, moeten de kabelverbindingen naar cellen in strings te groot zijn voor de signalen die ze dragen, met het bijbehorende gewicht en de bijbehorende ruimte boetes, om nog maar te zwijgen van de installatiekosten.

'Draadloze' batterijmonitoring voor EV's lijkt dan een voor de hand liggende oplossing om deze uitdaging aan te gaan. Er bestaan ​​oplossingen die voortkomen uit oudere modulaire architecturen, waarbij de spanningen van een aantal cellen in een string worden bewaakt. De resulterende analoge waarden worden gemultiplext in een van een aantal modules die in het batterijpakket zijn ingebouwd, 'gedigitaliseerd' en vervolgens via een RF-link doorgegeven aan een centrale processor.

Het aantal bewaakte cellen is doorgaans 12 of 14, beperkt door de nominale spanning van de multiplexer, waarbij elke cel ongeveer 3,7 V toevoegt. Het aantal bewaakte cellen zal toenemen tot 16 of meer, om het aantal benodigde multiplexers te verminderen, maar dit vergroot alleen de noodzaak om een ​​hoogspanningstechnologie te gebruiken in het IC-fabricageproces. Dit sluit de gemakkelijke integratie van lokale gegevensaggregatie en -verwerking uit, wat daarom centraal moet gebeuren, waardoor een knelpunt in de RF-verbinding ontstaat.

Meer significante nadelen zijn echter dat de meetnauwkeurigheid van elke gemultiplexte celspanning de string verslechtert en dat er langere fysieke draadverbindingen met elke cel nodig zijn. Geluidsopname is een extra zorg. Er moet veel aandacht worden besteed aan de locatie van RF-antennes, om ervoor te zorgen dat elke module 'zichtlijn' heeft naar de centrale ontvanger, of er moeten complexe en onvoorspelbare mesh-netwerken worden gebouwd, waardoor datasnelheden en latentie onvoorspelbaar zijn.

Voer 'edge' computing in voor batterijen

Dukosi heeft daarom het idee van 'edge' computing overgenomen:het monitoren van cellen afzonderlijk met lokale verwerking om metingen te interpreteren en draadloos onmiddellijke en geaggregeerde gegevens in de loop van de tijd te verzenden in de vorm van histogrammen die zijn gemaakt door gepatenteerde embedded software.

Het bedrijf zei dat zijn ultra-low power hardware een kleine CMOS-chip is die wordt aangedreven door de bewaakte batterijcel, dus de IC-technologie is compatibel met gewone processorkernen en geheugen. Er is geen analoge signaalmultiplexing nodig, dus de precisie is geoptimaliseerd en de chip is direct op de cel gemonteerd voor maximale meetnauwkeurigheid van zowel de spanning als de lokale temperatuur.

Het probleem van verbinding met een antenne wordt opgelost door het gebruik van gepatenteerde NFC-technologie. Net als de inductielussen voor 'contactloos' betalen, wordt een dunne, laagspanningslus met enkele draad rond het batterijpakket geleid, dicht bij elke Dukosi-monitor, losjes gekoppeld aan een lus op de sensor met een fysieke scheiding van enkele millimeters. Dit zorgt voor een snelle en robuuste dataverbinding, maar is voldoende om eenvoudig de galvanische isolatie te bieden die nodig is voor de hoogste accuspanning. Elke IC heeft een unieke identificatie en wordt via de NFC-verbinding opgevraagd door een radiomanager die het communicatieproces regelt en gegevens doorgeeft aan de elektronica van het voertuigbeheer. Het hele systeem is ontworpen om veilig te zijn, als een ASIL C-component van een ASIL D-rated batterijpakket.

Intelligentie die 'altijd aan' is bij het batterijpakket, zelfs wanneer de EV niet in gebruik is, opent mogelijkheden voor langdurige logging van gebruiks- en prestatiegegevens die kunnen worden geïnterpreteerd als gezondheidstoestand en zelfs worden onderhouden als herkomst van de batterij op elk moment in zijn levensduur. Met lagere hardware-, bekabeling- en installatiekosten kan het levenslange voordeel van een dergelijk systeem nuttig zijn voor alle typen elektrische voertuigen, maar ook voor bredere toepassingen voor energieopslag.

Sylvester legde uit hoe Dukosi het draadloze BMS anders doet. Hij zei:"Je moet metingen doen aan lithium-ioncellen. Maar de apparaten die momenteel op de markt zijn van enkele van de grote halfgeleiderbedrijven zien er bijna precies hetzelfde uit als de apparaten die eind jaren negentig beschikbaar waren. Het is niet echt veel geëvolueerd in die tijd. De manier waarop de technologie elders is gegaan, is proberen steeds meer cellen tegelijkertijd aan te pakken, dus 12 cellen, 14 cellen, 16 cellen en dat brengt hen op een bepaalde route om naar steeds hogere spanningen te gaan. ”

“Ons product doet maar één cel tegelijk, dus je hebt er veel meer van nodig. Maar het maakt de metingen op die cel echt goed:we hebben toonaangevende nauwkeurigheid van de metingen. We kunnen de temperatuur op elke cel meten. We kunnen algoritmen op de cellen uitvoeren om u te vertellen wat de laadstatus is of de gezondheidstoestand, of vele andere kenmerken van de lithium-ioncellen, we kunnen dat heel, heel goed doen op één cel en dan kunt u ze aansluiten allemaal samen heel gemakkelijk in een batterijnetwerk. Geen extra aansluitingen. Geen kabelbomen of alle andere dingen daar. Dat is allemaal weg."

“Dat batterijnetwerk vertelt je dan alles wat je moet weten over het batterijsysteem. Je haalt kabels weg, je haalt connectoren weg, je haalt alle mechanische structuren weg die je nodig hebt om ze te ondersteunen en ervoor te zorgen dat ze niet gaan vlechten, je verplaatst de metingen, de sensor, helemaal naar het punt waar u de metingen moet doen.”

Je kunt het volledige interview met Joel Sylvester beluisteren op de embedded edge met Nitin-podcast .