Grazie al wBMS è possibile un monitoraggio continuo della batteria.
I sistemi wireless di gestione delle batterie realizzano soluzioni intelligenti per ecosistemi di batterie, assicurando prestazioni più elevate, maggiore durata e un ottimo rapporto costo-prestazioni. La collaborazione tra di Analog Devices e AVL.
di Stephan Prüfling e Norbert Bieler, Director, Business Development E-Mobility at Analog Devices Inc.
L’elettrificazione delle autovetture e dei veicoli commerciali sta entrando in una nuova fase di penetrazione del mercato. Il passaggio dalla dimostrazione di fattibilità tecnologica alla produzione di massa di veicoli premium è evidente. La commercializzazione della tecnologia porta a veicoli più ottimizzati e accessibili.
Tuttavia, la maggior parte dei veicoli elettrici (EV) di generazione attuale è ancora considerata costosa o meno allettante rispetto alle auto convenzionali con motore a combustione. Di conseguenza, per garantire una crescita di successo e sostenibile del mercato, la riduzione dei costi e il miglioramento delle prestazioni sono fondamentali.
INNOVAZIONI NEL CAMPO DELLE BATTERIE
La riduzione delle dimensioni, del peso e dei costi influisce sul vantaggio competitivo dei sistemi a batteria nell’intero ciclo di vita del veicolo. D’altra parte, anche l’estensione dell’autonomia di guida avrà un impatto significativo sulla sua attrattiva e competitività di mercato.
Inoltre, con l’aumento del numero di veicoli elettrici che giungono a fine vita, i produttori di automobili si troveranno a competere anche per il valore ricavabile dalle batterie di seconda vita recuperate dai veicoli rottamati.
A fronte di questa domanda, le notizie sulle innovazioni nel campo delle batterie tendono a mettere in evidenza i nuovi concetti di package e i nuovi materiali che un giorno potrebbero essere in grado di immagazzinare una maggior quantità di carica rispetto all’attuale tecnologia al litio.
Un’altra parte della batteria - il sistema di gestione della batteria (BMS), che monitora lo stato di carica (SOC) e lo stato di salute (SOH) della medesima - tende a passare inosservato, ma deve comunque seguire e supportare il processo innovativo della batteria stessa.
NUOVA TECNOLOGIA WIRELESS
In questo caso, la nuova tecnologia wireless BMS (wBMS), sviluppata da Analog Devices (ADI) e sperimentata da General Motors nella sua piattaforma modulare di batterie Ultium, è stata rilasciata per la produzione di massa.
Il wBMS offre ai produttori di automobili un nuovo vantaggio competitivo per l’intero ciclo di utilizzo di una batteria, a partire dal primo assemblaggio dei moduli, al funzionamento in un veicolo elettrico, fino allo smaltimento e perfino, se necessario, alla sua seconda vita.
CONNESSIONI CABLATE DELLA BATTERIA
L’intenzione di sviluppare la tecnologia wBMS si è basata su un’analisi degli inconvenienti del cablaggio di comunicazione degli attuali pacchi batteria convenzionali per veicoli elettrici.
Questa analisi si è basata sull’esperienza di ADI, che fornisce gli IC BMS più precisi del mercato nel campo delle comunicazioni wireless. ADI ha anche sviluppato la tecnologia di rete mesh più robusta al mondo per gli ambienti industriali.
Nel pacco batterie di un EV convenzionale, ogni cella viene misurata da un IC di battery-management.
I dati provenienti da questo IC vengono poi comunicati via cavo all’ECU del pacco batteria. Questa necessità di comunicazione all’interno della batteria riflette la complessità dell’architettura di un pacco batterie di grandi dimensioni: in genere è composto da moduli, ognuno dei quali contiene più celle.
Le naturali variazioni di produzione fanno sì che ogni cella abbia caratteristiche uniche che variano entro un determinato intervallo di tolleranza. Per massimizzare la capacità, la durata e le prestazioni della batteria, i parametri chiave del suo funzionamento - tensione, corrente di carica/scarica e temperatura - devono essere monitorati e registrati singolarmente per ogni modulo.
Questo è il motivo per cui la batteria di un veicolo elettrico richiede un mezzo per trasferire i dati da ciascun modulo o cella, dove vengono misurate tensione e temperatura, al processore della centralina. Finora queste connessioni sono state realizzate con i cavi: le connessioni cablate hanno il vantaggio di risultare familiari e ben comprensibili.
Una tipica rete BMS cablata multicomponente (a sinistra) e la soluzione più semplice resa possibile dalla tecnologia wBMS (a destra).
GLI SVANTAGGI DI UN BMS CABLATO
Tuttavia, i cavi comportano anche un insieme di svantaggi: un cablaggio in rame aggiunge ulteriore peso e occupa uno spazio che, se fosse occupato da una cella della batteria, fornirebbe ulteriore capacità energetica. Inoltre, il cablaggio deve essere fissato alle strutture dell’alloggiamento della batteria e i connettori potrebbero essere suscettibili a guasti meccanici, soprattutto in caso di vibrazioni e urti.
In altre parole, i cavi aumentano lo sforzo di sviluppo, i costi di produzione e il peso, riducendo al contempo l’affidabilità meccanica e lo spazio utilizzabile.
Ciò si traduce in una riduzione dell’autonomia di guida. Eliminando il cablaggio, il produttore di automobili ottiene ulteriore flessibilità per soddisfare i requisiti di progettazione del veicolo per quanto riguarda il fattore di forma del proprio pacco batteria.
La complessità del cablaggio di un pacco batteria rende inoltre difficile e costoso il suo montaggio: i pacchi cablati devono essere assemblati e i collegamenti elettrici devono essere terminati manualmente.
Si tratta di un procedimento costoso e pericoloso, perché i moduli delle batterie EV ad alta tensione vengono forniti carichi. Per mantenere la sicurezza del processo di assemblaggio e per proteggere i lavoratori della linea di produzione, vengono applicati dei protocolli di sicurezza rigorosi.
Per questi motivi, quindi, gli OEM hanno ottime ragioni per introdurre una robusta tecnologia wireless nelle nuove piattaforme di sistema per batterie EV.
wBMS, UN NUOVO APPROCCIO INTELLIGENTE
Il wBMS è una soluzione completa che può essere facilmente integrata dal produttore Automotive nel progetto di un pacco batterie.
Comprende un’unità di monitoraggio wireless delle celle (wCMC) per ogni modulo della batteria e un’unità di gestione wireless per controllare la rete di comunicazione, che collega all’ECU più moduli in modalità wireless.
Oltre alla sezione wireless, ogni unità wCMC include un BMS che esegue misurazioni altamente accurate di vari parametri della batteria, in modo che l’unità di elaborazione delle applicazioni possa analizzare SOC e SOH delle batterie.
BENEFICI DELLA TECNOLOGIA wBMS
Sebbene la tecnologia wBMS abbia eliminato il problema della progettazione e del montaggio dei cablaggi, vi sono altre aree del ciclo di vita della batteria in cui sarà generato ulteriore valore. Eccole.
- Assemblaggio della batteria: le uniche connessioni richieste da un modulo batteria sono i terminali di alimentazione, che possono essere facilmente realizzati in un processo altamente automatizzato. Eliminando il lavoro manuale per l’assemblaggio e il collaudo, si evitano anche i rischi per la sicurezza degli addetti alla catena di montaggio. Inoltre, i moduli possono essere testati e abbinati prima di essere installati all’interno della batteria.
Il wBMS elimina il cablaggio del segnale BMS, consentendo la produzione automatizzata e robotizzata dei pacchi batteria.
- Manutenzione: “funzionalità wireless sicura” significa che le condizioni del pacco batteria possono essere analizzate comodamente da apparecchiature diagnostiche in un’officina autorizzata, senza metterci mano. Se viene rilevato un malfunzionamento, il modulo difettoso può essere facilmente rimosso e sostituito. La configurazione wireless semplifica l’installazione di un nuovo modulo nel sistema di batterie.
- Seconda vita: con l’aumento del numero di veicoli sta emergendo un mercato per le batterie di seconda vita, recuperate da EV dismessi e riutilizzate per applicazioni quali sistemi di accumulo di energia rinnovabile e utensili elettrici.
Questo crea inoltre una nuova fonte di valore per i produttori di veicoli elettrici, che sono responsabili del riciclaggio o dello smaltimento delle batterie dei veicoli fuori uso, poiché per le applicazioni di seconda vita il wBMS consente una più semplice integrazione dei moduli.
- Smaltimento: il metallo riciclabile e i materiali potenzialmente pericolosi all’interno di un pacco batterie richiedono modalità di smaltimento approvate e regolamentate. I collegamenti semplici e l’assenza di un cablaggio di comunicazione rendono la rimozione dei moduli batteria più facile e veloce rispetto al caso di una batteria cablata.
- Gestione dei dati: la tecnologia wBMS consente di leggere facilmente i dati critici della batteria da ciascun modulo intelligente; ciò significa che le condizioni delle batterie possono essere determinate individualmente.
Questi dati possono, ad esempio, fornire informazioni sul SOC e sul SOH di un modulo. In combinazione con i dati relativi al momento in cui il modulo è stato originariamente prodotto, ciò consente l’utilizzo ottimale nella sua seconda vita e la fornitura di un insieme dettagliato di specifiche per ogni modulo in vendita. La pronta disponibilità di questi dati aumenta il valore di rivendita dei moduli.
SOLUZIONI COMPLETE
Grazie alla tecnologia di sincronizzazione temporale a livello di rete, il protocollo di rete wireless implementato da ADI nel sistema wBMS soddisfa i requisiti di affidabilità, sicurezza e protezione dell’industria Automotive in tutte le condizioni operative.
L’uso del wBMS in un EV della General Motors prodotto in grande serie è una prova della sua affidabilità negli ambienti più difficili: la batteria basata su wBMS è stata utilizzata per centinaia di migliaia di chilometri in più di 100 veicoli di prova, su strada e fuori strada, in ambienti che vanno dal deserto ai ghiacci del nord e nelle condizioni più dure.
Con il wBMS, ADI supporta anche i programmi dei produttori Automotive in conformità allo standard di sicurezza funzionale ISO 26262. La tecnologia radio e il protocollo di rete sono stati sviluppati in modo tale che il sistema resista agli ambienti rumorosi e fornisca una comunicazione sicura tra le unità di monitoraggio e il gestore, utilizzando una sofisticata tecnologia di crittografia.
Le misure di sicurezza evitano lo spoofing dei dati trasmessi sulla rete wireless da parte di destinatari indesiderati, come criminali o hacker. Inoltre, i dati trasmessi vengono ricevuti senza alcuna modifica del contenuto e il destinatario conosce esattamente quale fonte ha inviato il messaggio.
GESTIONE DEL VALORE DELLA BATTERIA
Durante l’intero ciclo di vita del pacco batteria, dall’assemblaggio iniziale allo smaltimento, o fino alla seconda vita, la funzionalità wBMS incorporata assicura che il produttore del veicolo e il rispettivo proprietario possano facilmente monitorare le condizioni della batteria, mantenerne prestazioni e sicurezza e massimizzarne il valore.
L’intero sistema, comprese le interazioni tra le unità di monitoraggio delle celle dei moduli della batteria e l’ECU, è gestito dalla tecnologia di ADI, con impostazioni di configurazione definite dal produttore.
Inoltre, alla tecnologia wBMS viene associato il supporto del BLIS (Battery Lifecycle Insight Service, servizio di analisi del ciclo di vita della batteria) di ADI. Quest’ultima tecnologia fornisce un software di dati basato su edge e cloud per supportare la tracciabilità, l’ottimizzazione della produzione, il monitoraggio durante lo stoccaggio e il trasporto, il rilevamento precoce dei guasti e l’estensione della durata di vita.
Insieme, le tecnologie wBMS e BLIS consentono ai produttori Automotive di ottenere un maggiore ritorno sugli investimenti effettuati nello sviluppo e nella produzione di pacchi batteria, di migliorare l’economia delle proprie strategie commerciali per gli EV e di contribuire ad accelerare il passaggio del mercato verso un futuro sostenibile e a basse emissioni di CO2 per la mobilità personale.
La chiave per progettare e abilitare tali soluzioni di batterie con il wBMS risiede nella comprensione del sistema, nonché nei metodi e negli strumenti che supportano la progettazione e le tecnologie descritte in precedenza.
AVL offre l’insieme completo delle capacità di simulazione, collaudo, ingegnerizzazione necessarie, con tutta l’esperienza per guidare con successo queste innovazioni con i propri clienti, portandole sul mercato e rendendole pronte per la produzione in serie.
Attualmente AVL sta lavorando alacremente a soluzioni per l’ecosistema delle batterie, sviluppando metodologie di analisi dei dati, funzionalità predittive supportate dall’utilizzo di sviluppo virtuale e dati relativi a veicoli e batterie, al fine di aumentarne durata e prestazioni.
Assieme ad ADI, AVL sta lavorando per fornire soluzioni BMS più intelligenti ai propri clienti in tutto il mondo, unendo i punti di forza di entrambe le aziende. ©TECNeLaB
La nuova tecnologia di wireless BMS consente un’alternativa sostenibile grazie allo smaltimento più semplice e veloce e alla possibilità di offrire una seconda vita alle batterie.
