Hệ thống quản lý pin không dây—Kích hoạt giải pháp hệ sinh thái pin thông minh thông qua hiệu suất pin có giá trị tuổi thọ cao hơn và chi phí thấp 

Tác giả: Stephan Prüfling, Giám đốc Sản phẩm, Hệ thống Quản lý Pin tại AVL

Norbert Bieler, Giám đốc Phát triển Kinh doanh Điện tử tại Analog Devices, Inc.

Giới thiệu tổng quan

Điện khí hóa xe du lịch và xe thương mại đang bước vào giai đoạn thâm nhập thị trường mới. Việc chuyển từ trình diễn tính khả thi của công nghệ sang sản xuất hàng loạt các loại xe cao cấp là điều hiển nhiên. Việc thương mại hóa công nghệ dẫn đến các phương tiện được tối ưu hóa và giá cả phải chăng hơn.

Tuy nhiên, hầu hết các loại xe điện (EV) thế hệ hiện tại vẫn được coi là đắt tiền hoặc kém hấp dẫn hơn so với xe động cơ đốt trong thông thường. Do đó, giảm chi phí và cải thiện hiệu suất là chìa khóa để đảm bảo tăng trưởng thị trường thành công và bền vững. Việc giảm kích thước, trọng lượng và chi phí tác động đến lợi thế cạnh tranh của hệ thống pin trong toàn bộ vòng đời của xe. Mặt khác, việc mở rộng phạm vi lái xe cũng sẽ có tác động đáng kể đến sức hấp dẫn và khả năng cạnh tranh trên thị trường của họ. Hơn nữa, khi số lượng xe điện sắp hết tuổi thọ ngày càng tăng, các nhà sản xuất ô tô thậm chí sẽ cạnh tranh để giành được giá trị thu được từ pin đời thứ hai được thu hồi từ các phương tiện bị loại bỏ.

Ngoài nhu cầu này, tin tức về những đổi mới về pin có xu hướng làm nổi bật các khái niệm đóng gói pin mới và vật liệu mới mà một ngày nào đó có thể lưu trữ nhiều điện tích hơn công nghệ lithium ngày nay. Một phần khác của pin—hệ thống quản lý pin (BMS), theo dõi trạng thái sạc (SOC) và trạng thái hoạt động (SOH) của pin—có xu hướng nằm trong tầm ngắm nhưng cần tuân theo và hỗ trợ sự đổi mới của pin.

Tại đây, công nghệ BMS không dây (wBMS) mới do Analog Devices phát triển và được General Motors tiên phong trong nền tảng pin Ultium mô-đun của hãng, hiện đã được đưa vào sản xuất hàng loạt. Hệ thống wBMS mang lại cho các nhà sản xuất ô tô lợi thế cạnh tranh mới trong toàn bộ vòng đời của pin—bắt đầu từ khi các mô-đun pin được lắp ráp lần đầu tiên, cho đến khi hoạt động trong xe điện, ngoài việc thải bỏ và thậm chí, nếu cần, sang vòng đời thứ hai của pin.

Kết nối pin có dây — phương pháp tiếp cận tốn kém, nặng nề và rất phức tạp

Ý định phát triển công nghệ wBMS dựa trên phân tích về những nhược điểm của hệ thống dây liên lạc trong bộ pin EV thông thường ngày nay. Phân tích này dựa trên chuyên môn của ADI: nó cung cấp các IC BMS chính xác nhất cho thị trường trong lĩnh vực truyền thông không dây. ADI cũng đã phát triển công nghệ mạng lưới mạnh mẽ nhất thế giới cho môi trường công nghiệp.

Trong bộ pin EV thông thường, mỗi ô được đo bằng một IC quản lý pin. Dữ liệu từ IC quản lý pin sau đó được truyền trở lại gói ECU thông qua hệ thống dây điện. Yêu cầu này đối với thông tin liên lạc bên trong pin phản ánh kiến ​​trúc phức tạp của một bộ pin lớn: nó thường được tạo thành từ các mô-đun, mỗi mô-đun chứa nhiều ô. Các biến thể sản xuất tự nhiên có nghĩa là mỗi tế bào có các đặc điểm riêng thay đổi trong một phạm vi dung sai cụ thể. Để tối đa hóa dung lượng, tuổi thọ và hiệu suất của pin, các thông số chính về hoạt động của pin—điện áp, dòng sạc/xả và nhiệt độ—cần được theo dõi và ghi lại riêng cho từng mô-đun.

Hình 1. Một mạng BMS có dây đa thành phần điển hình (trái) và sự sắp xếp đơn giản hơn nhờ công nghệ wBMS (phải).

Đây là lý do tại sao pin của EV yêu cầu một phương tiện để truyền dữ liệu từ mỗi mô-đun hoặc ô, nơi đo điện áp và nhiệt độ, đến bộ xử lý ECU (xem Hình 1). Theo truyền thống, các kết nối này được thực hiện bằng dây: kết nối có dây có lợi thế là quen thuộc và được hiểu rõ hơn.

Nhược điểm của BMS có dây

Tuy nhiên, cũng có một danh sách các nhược điểm liên quan đến dây dẫn: dây dẫn bằng đồng tăng thêm trọng lượng và chiếm không gian, nếu được lấp đầy bởi một tế bào pin, sẽ cung cấp thêm dung lượng năng lượng. Ngoài ra, hệ thống dây điện cần phải được buộc chặt vào cấu trúc vỏ pin và các đầu nối có khả năng bị hỏng cơ học, đặc biệt là trong điều kiện rung và sốc.

Nói cách khác, dây dẫn làm tăng nỗ lực phát triển, chi phí sản xuất và trọng lượng đồng thời làm giảm độ tin cậy cơ học và không gian sử dụng. Điều này dẫn đến giảm phạm vi lái xe. Bằng cách loại bỏ bó dây, nhà sản xuất ô tô có được sự linh hoạt mới để đáp ứng các yêu cầu thiết kế của xe đối với yếu tố hình thức của bộ pin.

Sự phức tạp của hệ thống dây điện của pin cũng khiến việc lắp ráp bộ pin trở nên khó khăn và tốn kém: các bộ pin có dây phải được lắp ráp và các kết nối phải được kết thúc bằng tay. Đây là một quy trình tốn kém và nguy hiểm vì các mô-đun pin EV điện áp cao được cung cấp điện tích. Để duy trì sự an toàn của quy trình lắp ráp và bảo vệ công nhân trong dây chuyền sản xuất, các quy trình an toàn nghiêm ngặt được áp dụng.

Trong số những lý do đó, sau đó, có những lý do mạnh mẽ để các OEM giới thiệu công nghệ không dây mạnh mẽ trong các nền tảng hệ thống pin EV mới.

wBMS — cách tiếp cận thông minh mới

wBMS là một giải pháp hoàn chỉnh giúp nhà sản xuất ô tô dễ dàng tích hợp vào thiết kế bộ pin. Nó bao gồm một bộ điều khiển giám sát tế bào không dây (wCMC) cho mỗi mô-đun pin và một bộ quản lý không dây để điều khiển mạng truyền thông, kết nối không dây nhiều mô-đun pin với ECU. Bên cạnh phần không dây, mỗi thiết bị wCMC bao gồm một BMS thực hiện các phép đo có độ chính xác cao về các thông số pin khác nhau để bộ xử lý ứng dụng có thể phân tích SOC và SOH của pin.

Mặc dù công nghệ wBMS đã tận dụng tối đa lợi thế của việc loại bỏ vấn đề thiết kế và lắp ráp dây dẫn, nhưng vẫn có những khu vực khác trong vòng đời pin nơi giá trị bổ sung sẽ được tạo ra:

► Lắp ráp pin—các kết nối duy nhất mà mô-đun pin yêu cầu là các đầu nối nguồn, có thể dễ dàng thực hiện trong một quy trình tự động hóa cao. Bằng cách loại bỏ lao động thủ công để lắp ráp và thử nghiệm, điều này cũng tránh được rủi ro về an toàn cho công nhân dây chuyền lắp ráp (xem Hình 2). Hơn nữa, các mô-đun cũng có thể được kiểm tra và khớp với nhau trước khi lắp vào bên trong pin.

Hình 2. wBMS loại bỏ bó dây tín hiệu BMS để cho phép sản xuất bộ pin tự động, bằng rô-bốt.

► Bảo dưỡng—khả năng không dây an toàn có nghĩa là tình trạng của bộ pin có thể được phân tích thuận tiện bằng thiết bị chẩn đoán trong nhà để xe được ủy quyền mà không cần chạm vào bộ pin. Nếu phát hiện thấy sự cố, một mô-đun bị lỗi có thể dễ dàng được gỡ bỏ và thay thế. Cấu hình không dây đơn giản hóa việc cài đặt một mô-đun mới trong hệ thống pin.

► Đời thứ hai—do số lượng phương tiện ngày càng tăng, một thị trường đang nổi lên cho pin đời thứ hai được phục hồi từ xe điện bị loại bỏ và được tái sử dụng cho các ứng dụng như hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo và dụng cụ điện. Điều này cũng tạo ra một nguồn giá trị mới cho các nhà sản xuất xe điện chịu trách nhiệm tái chế hoặc xử lý pin trong các xe điện bị loại bỏ vì wBMS cho phép tích hợp các mô-đun đơn giản hơn cho các ứng dụng đời thứ hai.

► Thải bỏ—kim loại có thể tái chế và các vật liệu có khả năng gây nguy hiểm bên trong bộ pin yêu cầu các cơ chế thải bỏ được phê duyệt và quản lý. Các kết nối đơn giản và không có bó dây liên lạc giúp việc tháo các mô-đun pin dễ dàng và nhanh hơn so với pin có dây.

► Quản lý dữ liệu—công nghệ wBMS giúp dễ dàng đọc dữ liệu quan trọng về pin từ mỗi mô-đun thông minh: điều này có nghĩa là tình trạng của pin có thể được xác định riêng lẻ. Ví dụ, những dữ liệu này có thể cung cấp thông tin về SOC và SOH của một mô-đun. Kết hợp với dữ liệu từ khi mô-đun được sản xuất ban đầu, điều này cho phép sử dụng tối ưu trong ứng dụng đời thứ hai của nó và cung cấp bộ thông số kỹ thuật chi tiết cho từng mô-đun được bán. Tính khả dụng của những dữ liệu này làm tăng giá trị bán lại của các mô-đun.

Giải pháp hoàn chỉnh cho wBMS của ADI

Giao thức mạng không dây do ADI triển khai trong hệ thống wBMS đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp ô tô về độ tin cậy, an toàn và bảo mật trong mọi điều kiện hoạt động dựa trên công nghệ đồng bộ hóa thời gian trên toàn mạng. Việc sử dụng wBMS trong xe điện sản xuất hàng loạt của General Motors là một bằng chứng về độ tin cậy của nó trong những môi trường khắc nghiệt nhất: pin dựa trên wBMS đã chạy hàng trăm nghìn km trên hơn 100 phương tiện thử nghiệm, trên đường trường và địa hình. – road, và trong các môi trường khác nhau, từ sa mạc đến phía bắc băng giá và trong cả những điều kiện khắc nghiệt nhất.

Với wBMS, ADI cũng hỗ trợ các chương trình của nhà sản xuất ô tô tuân thủ tiêu chuẩn an toàn chức năng ISO 26262. Công nghệ vô tuyến và giao thức mạng đã được phát triển theo cách mà hệ thống có khả năng phục hồi trong môi trường ồn ào và cung cấp liên lạc an toàn giữa các đơn vị giám sát và người quản lý bằng công nghệ mã hóa tinh vi. Các biện pháp bảo mật tránh giả mạo dữ liệu được truyền trên mạng không dây bởi một người nhận ngoài ý muốn, chẳng hạn như tội phạm hoặc tin tặc. Hơn nữa, dữ liệu được truyền được nhận mà không có bất kỳ sửa đổi nào về nội dung và người nhận dự định biết chính xác nguồn nào đã gửi tin nhắn.

Quản lý trọn đời giá trị của pin

Trong toàn bộ thời gian sử dụng của bộ pin, từ lúc lắp ráp ban đầu cho đến khi thải bỏ đến tuổi thọ thứ hai, khả năng wBMS được tích hợp trong bộ pin đảm bảo rằng nhà sản xuất và chủ sở hữu phương tiện có thể dễ dàng theo dõi tình trạng của pin, duy trì giá trị hiệu suất và độ an toàn cũng như tối đa hóa thời gian sử dụng. Toàn bộ hệ thống, bao gồm các tương tác giữa các đơn vị giám sát tế bào của mô-đun pin và ECU, được xử lý bởi công nghệ của ADI, với các cài đặt cấu hình do nhà sản xuất xác định.

Công nghệ wBMS cũng được hỗ trợ bởi công nghệ dịch vụ chuyên sâu về vòng đời pin (BLIS) của ADI. Điều này cung cấp phần mềm dữ liệu dựa trên cạnh và dựa trên đám mây để hỗ trợ truy xuất nguồn gốc, tối ưu hóa sản xuất, giám sát quá trình lưu trữ và vận chuyển, phát hiện lỗi sớm và kéo dài thời gian sử dụng. Cùng với nhau, các công nghệ wBMS và BLIS cho phép các nhà sản xuất ô tô thu được lợi nhuận cao hơn từ các khoản đầu tư vào phát triển và sản xuất bộ pin, cải thiện tính kinh tế của các chiến lược kinh doanh xe điện và giúp đẩy nhanh quá trình chuyển đổi của thị trường sang một tương lai ít carbon, bền vững cho phương tiện di chuyển cá nhân.

Chìa khóa để thiết kế và kích hoạt các giải pháp pin như vậy với wBMS là sự hiểu biết về hệ thống cũng như các phương pháp và công cụ hỗ trợ thiết kế và công nghệ như đã mô tả trước đây. AVL cung cấp đầy đủ các khả năng mô phỏng, thử nghiệm, kỹ thuật và kinh nghiệm để thúc đẩy thành công những đổi mới này cùng với khách hàng của họ và đưa chúng ra thị trường bằng cách làm cho chúng sẵn sàng để sản xuất hàng loạt. AVL hiện đang nghiên cứu mạnh mẽ về các giải pháp hệ sinh thái pin thông qua phát triển các phương pháp phân tích dữ liệu, các chức năng dự đoán được hỗ trợ bằng cách sử dụng phát triển ảo cũng như dữ liệu về xe và pin để tăng tuổi thọ và hiệu suất của pin.

Cùng với ADI, AVL đang nỗ lực cung cấp các giải pháp BMS thông minh hơn cho khách hàng của họ trên toàn thế giới bằng cách kết hợp sức mạnh của cả hai công ty.

Giới thiệu về các tác giả

Stephan Prüfling, M.Sc., là chuyên gia nghiên cứu kỹ thuật công nghiệp và kỹ thuật điện, tập trung vào mạng lưới năng lượng và di động điện tử. Anh gia nhập AVL vào năm 2016 và là giám đốc sản phẩm cho các giải pháp thành phần truyền động điện tử như động cơ điện tử và điện tử công suất. Hiện tại, trọng tâm chính của anh là quản lý sản phẩm cho các giải pháp quản lý pin và các dự án đổi mới hàng đầu trong lĩnh vực này.

Norbert Bieler là một kỹ sư điện chuyên về vi điện tử và có 25 năm kinh nghiệm kết hợp trong quản lý ô tô tại Siemens VDO, Continental Automotive và Analog Devices. Chuyên môn của Norbert làm về hệ thống xe, kiến ​​trúc và chức năng cũng như thiết bị điện tử cho nội thất bên trong xe, khung gầm và hệ thống truyền động. Trọng tâm của ông trong 15 năm qua là lai tạo và điện khí hóa toàn bộ hệ thống truyền động của xe. Ông là nhà lãnh đạo chiến lược và phát triển kinh doanh, cùng với việc phát triển các dự án di động điện tử nhằm xác định các công nghệ và cải tiến mới cho các nhà sản xuất ô tô, Cấp 1 và mạng lưới đối tác chiến lược.

Tại Việt Nam hãy liên hệ:

1. Hanoi – Electronic Components, Arrow Office – 9h Floor – Diamond Flower Tower, Hoang Dao Thuy Street, Thanh Xuan District, Hanoi, 100000, Vietnam

P + 84 24 7303 3886

F + 84 4 3943 7208

E sale.vietnam@arrowasia.com

www.Analog.com

2. Ho Chi Minh – Arrow Electronics Asia (S) Pte.Ltd, 3rd Floor, GTL Building, 17A Dang Chan Con Street, Ben Thanh Ward, District 1, HCMC, Vietnam, 700000

P +84 28 3823 4407

F +84 8 3528 5407

E sale.vietnam@arrowasia.com

www.Arrow.com