ワイヤレスBMSは配線を排除し、各バッテリーセルにインテリジェンスを追加します

特に電気自動車の場合、電動化への移行は、バッテリーの監視が安全性と寿命のパフォーマンスにとって重要になることを意味します。バッテリー管理システム（BMS）市場を混乱させることを望んで、英国に本社を置くDukosiは、すべてのバッテリーセルにチップと組み込みソフトウェアを搭載して、大量の配線ハーネスを排除し、バッテリー自体にインテリジェンスを組み込むワイヤレスBMSを開発しました。

Dukosiの創設者兼最高技術責任者であるJoelSylvesterに、同社のソリューションがすでに市場に出ているワイヤレスBMSソリューションとどのように異なるか、そしてそれがバッテリー業界にとって何を意味するかについて説明しました。

彼は次のように述べています。「私たちが開発したのは、電気自動車、電気バス、船舶用アプリケーション、グリッドエネルギー貯蔵アプリケーションに見られるような、非常に大きな高電圧リチウムイオンバッテリーパックで使用するセル監視デバイスです。基本的に、最近大きなバッテリーパックを必要とするものはすべてリチウムイオン化学に移行しているか、移行しており、これらのセルを非常に注意深く監視する必要があります。それらにはたくさんのエネルギーがあります。パックを安全に保ち、可能な限り長持ちさせるには、セルの電圧や温度などに細心の注意を払う必要があります。」

「私たちが開発したのは、シリコンチップとそれに付随するソフトウェアで、個々のリチウムイオン電池の電圧、電流、温度、その他多くの特性を監視できます。」

では、Dukosiはどのように破壊的ですか？彼は言い​​ました。「破壊的なのは、チップをセルに置いたときです。これで、任意のサイズ、形状、構成のバッテリーパックに構成できるインテリジェントセルができました。同じインテリジェントセル内の同じセルを使用して、複数のバッテリー製品を作成できます。これは、電池業界が電池を監視および管理する方法に近づく方法を変えるため、より破壊的です。」

彼は、見込み客と話すとき、常に最初に出てくるのはワイヤーハーネスを取り除くことだと言った。 「パックメーカーはそれらを嫌っています。彼らがしているのは、信頼性を低下させ、安全性の問題を引き起こし、設計、製造、設置に費用がかかるため、ワイヤーハーネスを取り除くことが常に最初のものです。その後、それは測定の品質です。すべてのセルの温度をまったく同じ方法で、すべてのセルの位置で測定できます。これにより、バッテリーパックのパフォーマンスを向上させることができます。」

バッテリー管理の必要性

特にEVにおいて、バッテリーの監視は安全性と最高の寿命性能のために不可欠であると認められていますが、Dukosiによると、現在の監視方法は面倒な古い技術からの進化です。同社によれば、真にワイヤレスな新しいアプローチは、高速で柔軟なエッジコンピューティングの利点も活用できるとのことです。

BMSの主な機能は、安全な充電と放電を維持し、セルの劣化、損傷、さらには火災のリスクを軽減することです。メリットはそれだけではありません。バッテリーパックの充電状態（SoC）を正確に知ることで、車両の航続距離を決定し、「航続距離の不安」を減らし、充電時間を短縮できます。

さらに、温度、電圧、充電/放電サイクルなどの監視情報が時間の経過とともに蓄積されると、バッテリーの状態（SoH）を示すことができます。 EVのフリートが古くなるにつれ、バッテリーのSoHは、車の転売、またはグリッドエネルギー貯蔵などのもう1つの負担の少ないアプリケーションでのバッテリーパックの転用のいずれかで、「セカンドライフ」の使用の取引を妨げる可能性があります。バッテリーの寿命を最大化すると、バッテリーの寿命コストが削減され、リサイクルの頻度とコストが最小限に抑えられ、輸送による環境への影響が一般的に減少します。

ケーブルが問題です

バッテリ監視は、重要なシステムのバックアップが重要である業界や電気通信で数十年にわたって認識されてきました。サーバーファームのUPSに給電する48V鉛蓄電池アレイは、かさばる集中監視ハードウェアを各セルに接続する配線ハーネスを提供できますが、高度に封じ込められた過酷な環境で最大800Vのセルストリングを備えたEVに原理を引き継ぐことができます。理想的なソリューションではありません。

ただし、これが現在BMSが通常実装されている方法であり、高電圧と振動によるワイヤの摩耗のリスクがあるため、ストリング内のセルへのケーブル接続は、関連する重量とスペースとともに、伝送する信号に対して特大にする必要があります。設置費用は言うまでもなく、罰則もあります。

EVの「ワイヤレス」バッテリー監視は、この課題に対処するための明白な解決策のように思われます。ストリング内の多数のセルの電圧が監視される古いモジュラーアーキテクチャから進化したソリューションが存在します。結果として得られるアナログ値は、バッテリーパックに組み込まれている多数のモジュールの1つで多重化され、「デジタル化」されてから、RFリンクを介して中央処理装置に渡されます。

監視されるセルの数は通常12または14で、マルチプレクサの電圧定格によって制限され、各セルは約3.7Vを追加します。監視されるセルの数は、必要なマルチプレクサの数を減らすために16以上に増加するように設定されていますが、これはIC製造プロセスで高電圧技術を使用する必要性を増幅するだけです。これにより、ローカルデータの集約と処理を簡単に組み込むことができなくなります。そのため、一元的に実行する必要があり、RF接続にボトルネックが生じます。

ただし、より重大な欠点は、多重化された各セル電圧の測定精度がストリングを劣化させ、各セルへのより長い物理的なワイヤ接続が必要になることです。ノイズピックアップは追加の懸念事項です。すべてのモジュールが中央受信機への「見通し内」にあることを確認するために、RFアンテナの位置に細心の注意を払う必要があります。または、複雑で予測不可能なメッシュネットワークを構築して、データレートと遅延を予測不可能にする必要があります。

バッテリーの「エッジ」コンピューティングに入る

そのため、Dukosiは「エッジ」コンピューティングのアイデアを採用しました。ローカル処理でセルを個別に監視して、読み取り値を解釈し、独自の組み込みソフトウェアによって作成されたヒストグラムの形式で、瞬時に集約されたデータをワイヤレスで送信します。

同社によれば、超低電力ハードウェアは監視対象のバッテリセルから電力を供給される小さなCMOSチップであるため、ICテクノロジは一般的なプロセッサコアおよびメモリと互換性があります。アナログ信号の多重化は必要ないため、精度が最適化され、チップがセルに直接取り付けられ、電圧と局所温度の両方の測定精度が最大になります。

アンテナへの接続の問題は、特許取得済みのNFCテクノロジーを使用することで解決されます。 「非接触」支払いの誘導ループと同様に、細い低電圧の単線ループがバッテリーパックの周りに配線され、各Dukosiモニターの近くにあり、数ミリメートルの物理的間隔でセンサーのループに緩く結合します。これにより、高速で堅牢なデータ接続が保証されますが、バッテリーパックの最高電圧に必要な電気的絶縁を簡単に提供できます。各ICには一意の識別子があり、通信プロセスを制御し、車両管理電子機器にデータを渡す無線マネージャーによってNFC接続を介してポーリングされます。システム全体は、ASILD定格のバッテリーパックのASILCコンポーネントとして、安全になるように設計されています。

EVが使用されていない場合でも、バッテリーパックに「常時オン」のインテリジェンスを配置することで、使用状況とパフォーマンスデータの長期的なログ記録の機会が開かれます。これは、状態として解釈でき、来歴としても維持できます。その寿命の任意の時点でのバッテリーの。ハードウェア、ケーブル配線、設置のコストが削減されるため、このようなシステムの寿命のメリットは、すべての電気自動車タイプだけでなく、より幅広いエネルギー貯蔵アプリケーションでも役立ちます。

シルベスターは、DukosiがワイヤレスBMSをどのように異なって行っているかを説明しました。彼は次のように述べています。「リチウムイオン電池の測定を行う必要があります。しかし、いくつかの有名な半導体企業から現在市場に出ているデバイスは、1990年代後半に入手可能だったものとほとんど同じように見えます。当時はあまり進化していませんでした。テクノロジーが他の場所に進んだ方法は、同時にますます多くのセルに対処しようとしているため、12セル、14セル、16セルであり、それは、ますます高い電圧に到達しようとする特定のルートをたどっています。」

「当社の製品は一度に1つのセルしか実行しないため、さらに多くのセルが必要になります。しかし、それはそのセルの測定を非常にうまく行います。測定には業界をリードする精度があります。すべてのセルの温度を測定できます。セルでアルゴリズムを実行して、充電状態や健康状態、またはリチウムイオンセルの他の多くの特性を通知できます。これは、1つのセルで非常にうまく実行でき、接続できます。すべて一緒に非常に簡単にバッテリーネットワークに。追加のコネクタはありません。そこにはワイヤーハーネスや他のすべてのものはありません。それはすべてなくなった。」

「そのバッテリーネットワークは、バッテリーシステムについて知っておく必要のあるすべてのことを教えてくれます。ケーブルを取り除いたり、コネクタを取り除いたり、ケーブルをサポートするために必要なすべての機械的構造を取り除いたり、ケーブルが編組にならないようにしたり、測定値やセンサーを適切な位置に移動したりします。測定を行う必要がある場所。」

Nitinポッドキャストの埋め込みエッジでJoelSylvesterの完全なインタビューを聞くことができます。 。