L’evoluzione dei BMS, Battery Management Systems secondo Texas Instruments

In una vettura elettrica le batterie rappresentano il 50% del valore dell’automobile e dalla loro capacità e da come vengono gestite dipendono le prestazioni e l’autonomia del veicolo. Molto è già stato fatto in questo campo ma qualcosa resta ancora da fare. Ne parliamo con Ivo Marocco di Texas Instruments.  

Avevamo incontrato Ivo Marocco, ingegnere italiano che lavora presso Texas Instruments, l’anno scorso in occasione del lancio del nuovissimo circuito di BMS di TI, il modello cod. BQ79606A-Q1, di cui ci siamo occupati sul n. 4 di ElettronicaIn PRO.

Questo circuito fa parte di una famiglia di circuiti integrati che hanno il compito di monitorare lo “stato si salute” dei pacchi batteria utilizzati come fonte di energia nelle vetture elettriche e ibride. Data la natura non particolarmente stabile delle batterie al litio utilizzate in questi pacchi, è necessario controllare istante per istante – e con la massima precisione – la tensione presente ai capi di ciascun elemento della batteria per evitare l’eccessiva carica o scarica, nonché per controllare la temperatura di funzionamento. Non tutte le batterie sono uguali tra loro, e questa differenza si fa sentire sempre di più al crescere dei cicli di ricarica. Il controller deve avere anche la capacità, sulla base dei valori misurati, di escludere gli elementi non più idonei allo scopo, sia in fase di carica che di scarica. Il sistema deve anche riferire alla centralina di controllo della vettura tutte le informazioni relative allo stato della batteria per poter informare il conducente, ad esempio, dell’autonomia residua della vettura.

Sulla base di questi principi funzionano i vari BMS disponibili in commercio prodotti, oltre che da Texas Instruments, anche da NXP, Maxim, Analog Devices e, più recentemente, anche da Renesas e Infineon.

 

 

 

 

 

Ivo Marocco, Director of Business Development and Functional Safety for Battery Automotive Products in HEV/EV in Texas Instruments.

D: Molte di queste aziende pongono l’accento sulla precisione e sull’accuratezza dei loro circuiti di misura con valori di 5, 3 o anche meno millivolt. Lei cosa ne pensa?

R: Dal punto di vista pratico scendere sotto i 5 millivolt non offre alcun vantaggio, anzi spingere troppo la sensibilità potrebbe essere controproducente.

D: In che senso?

R: Sistemi troppo sensibili possono essere soggetti ad eccessivo rumore. Non dimentichiamo che le vetture elettriche sono una “fabbrica” di disturbi elettromagnetici ed il segnale di rumore eventualmente captato da questi dispositivi di misura potrebbe essere male interpretato dagli algoritmi che hanno il compito di calcolare la capacità residua, con conseguenti errate segnalazioni.

D: A proposito di rumore e di disturbi elettromagnetici, come si comportano i vostri dispositivi?

R: Tutti i nostri circuiti, quelli presenti e quelli in fase di sviluppo, utilizzano dei filtri digitali controllati via software che possono essere spostati in frequenza in modo da eliminare con precisione la frequenza fondamentale del disturbo. Una soluzione facile e comoda da usare, che evita di dover ritoccare il cablaggio hardware quando insorgono problemi di questo tipo.

D: Su quali aspetti circuitali state dunque lavorando per i dispositivi BMS in fase di sviluppo?

R: Più che su aspetti circuitali specifici, stiamo cercando di dare una risposta alle esigenze degli OEM Tier1 e 2 di un approccio su piattaforma che offra la massima scalabilità e flessibilità. Un approccio del genere è sicuramente vincente. C’è una richiesta sempre più forte di accorciare i tempi e di ridurre i costi. Ormai questa combinazione è una costante e come Texas Instruments abbiamo deciso che la soluzione migliore è quella di avere un approccio verso una famiglia di prodotti anziché verso un singolo prodotto.

D: Cosa significa, in pratica, tutto ciò?

R: Che avremo lo stesso hardware e lo stesso software di gestione ma che potremo scegliere il componente più adatto alle nostre esigenze. I componenti della famiglia alla quale stiamo lavorando (ma non è escluso che qualcosa cambi) utilizzeranno lo stesso package, saranno pin-to-pin compatibili, utilizzeranno lo stesso software ma ogni versione potrà pilotare un differente numero di celle (16, 14 o 12) oppure lavorare a 48 volt.

D: Tutto ciò cosa comporta per il Cliente?

R: Utilizzando gli stessi componenti e gli stessi strumenti di sviluppo, il cliente può passare rapidamente da una soluzione all’altra risparmiando tempo e denaro. La soluzione a 16 celle, ad esempio, è immediatamente scalabile a quella per 12.

D: Su quali altre caratteristiche state lavorando?

R: Per quanto riguarda le caratteristiche intrinseche dei dispositivi in fase di sviluppo, il punto di partenza è sicuramente l’attuale BQ79606A-Q1 al quale probabilmente verrà aggiunto un chip in funzione di bridge per la comunicazione col mondo esterno mentre resterà inalterato il protocollo (proprietario) di comunicazione all’interno del sistema.

Schema applicativo dell’integrato BQ79606A-Q1.

D: E per quanto riguarda la sicurezza?

R: Texas Instruments guarda da sempre alla sicurezza delle soluzioni proposte con la massima attenzione. Attualmente ci stiamo concentrando sulla verifica dello stato delle batterie quando la vettura è parcheggiata. Rispetto alle attuali soluzioni di polling vorremmo, anche in questo caso, monitorare continuamente lo stato delle celle per poter intervenire tempestivamente in caso di necessità. Questa soluzione comporta un aumento dei consumi irrisoria (10 microampere) oltre alla necessità di un altro cablaggio. Tuttavia una soluzione del genere offre la massima garanzia di sicurezza, a livello di ASIL-D.

Un altro aspetto sul quale ci focalizzeremo è il software di gestione che cercheremo di migliorare ulteriormente. Non è raro il caso che (non con i nostri dispositivi) il sistema di controllo si blocchi senza che nessuna opzione di reset abbia successo, salvo staccare fisicamente il sistema di misura dalle batterie. Un evento che non deve assolutamente succedere.

D: Quali altre richieste vi fanno i vostri clienti?

R: La richiesta fondamentale è sempre quella di velocizzare il time to market e ridurre i costi. Come dicevo prima a queste richieste noi rispondiamo cercando di aumentare la flessibilità, la scalabilità e la riusabilità di prodotti e sistemi di sviluppo. Offrendo nel contempo prodotti al top per prestazioni e funzionalità.

D: quando vedranno la luce i nuovi BMS in sviluppo?

R: Contiamo di entrare in produzione entro la primavera/estate; i prototipi per gli OEM Tier1 e 2 saranno ovviamente disponibili con qualche mese di anticipo.

 

 

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