I veicoli elettrici possono vantare interni confortevoli e una tecnologia elegante, ma il telaio sottostante è pieno zeppo di batterie, ossia tutte quelle che il produttore riesce a installare. Più batterie si traducono in una maggiore capacità di ricarica, il che significa una maggiore autonomia prima di doverle ricaricare: un aspetto fondamentale fra le richieste dei consumatori. Ogni cella delle batterie, tuttavia, deve essere collegata a un dispositivo di monitoraggio (Battery Management System), che fornisce informazioni fondamentali a un controller in modo da massimizzare la salute e le prestazioni della batteria. Poiché un veicolo elettrico tipico contiene quasi 100 celle collegate in serie, finisce per avere diversi metri e chilogrammi di filo di rame, che generano un ingombrante intrico di cavi per la gestione delle batterie, consumando quindi spazio prezioso. Il peso di tutti questi cavi rappresenta un limite per l’autonomia, per l’affidabilità e per il costo.
Un sistema di gestione della batteria wireless di nuova concezione, che comprende un protocollo di connettività wireless proprietario, un set di chip elettronici ed è il primo a dimostrare il supporto di conformità alla sicurezza funzionale a livello di sistema, va ad eliminare la necessità di questi cablaggi pesanti, costosi e soggetti a manutenzione, creando quindi nuove opportunità nella progettazione di veicoli elettrici.
«È come disegnare partendo da un tela bianca», afferma Daniel Torres, ingegnere di marketing per prodotti automotive di Texas Instruments. «Quando non ci si deve preoccupare dei cablaggi, è possibile trovare nuovi modi per sfruttare gli spazi e persino unire e abbinare varie dimensioni e tipologie di batterie».
Il BMS: un componente fondamentale dietro le quinte
Probabilmente ai proprietari di veicoli elettrici non interessa molto il sistema di gestione della batteria delle loro auto, ma in realtà è un componente fondamentale che controlla la tensione e la temperatura in tutte le celle.
«Più di ogni altra cosa, è il BMS (Battery Management System) che massimizza le prestazioni, l’affidabilità e la longevità dei veicoli elettrici», spiega Ankush Gupta, responsabile della linea di prodotti per prodotti automotive a batteria. «Una gestione attenta della carica e delle altre caratteristiche di funzionamento delle batterie spreme più energia da ogni singola cella quando necessario, garantendo al tempo stesso che le celle non si scarichino prematuramente o subiscano danni. Inoltre, eliminando i cablaggi di comunicazione, il veicolo risulta più leggero e più spazioso, ottenendo più libertà e flessibilità per progettare veicoli elettrici con capacità avanzate per la batteria».
Questo risultato ingegneristico può contribuire direttamente a ridurre «l’ansia da autonomia» o la paura di rimanere senza energia, che ha frenato molti consumatori dal passare ai veicoli elettrici a basso consumo energetico e senza emissioni.
I vantaggi del Battery Management System wireless
Il passaggio al wireless risolve anche una vulnerabilità tipica dei veicoli elettrici: i potenziali guasti in cablaggi densi e nelle strutture che li tengono in posizione.
«Il cablaggio e i connettori sono componenti meccanici esposti a vibrazioni, umidità e altri problemi», afferma Mark Ng, ingegnere di sistemi powertrain. «È molto più probabile che siano loro a richiedere manutenzione rispetto alle batterie stesse».
Con un BMS wireless, questa vulnerabilità non esiste, liberando il settore dei veicoli elettrici da uno dei maggiori costi di riparazione e rendendo più facile e meno costoso l’accesso alle batterie stesse per la manutenzione.
Ma i vantaggi del wireless vanno oltre il tempo trascorso da una batteria all’interno di un’auto. Le batterie dei veicoli elettrici, una volta che invecchiano ed esauriscono la loro vita utile su un veicolo, possono anche essere riciclate e ridistribuite in unità di backup a batteria utilizzate in data center o in accumulatori di energia collegati a impianti di generazione di energia solare o eolica, dove le funzionalità wireless facilitano il monitoraggio.
«È necessario monitorare la cella per tutto il suo ciclo di vita, dalla fabbrica, passando per il magazzino, il veicolo e fino allo stoccaggio dopo la rimozione», afferma Daniel Torres. «Invece di doverla ricablare in ogni nuova situazione, è sufficiente leggere i dati in modalità wireless mentre si trova su uno scaffale».
La sfida ingegneristica
La progettazione di una soluzione Battery Management System wireless efficace è un progetto di forte collaborazione che riunisce ingegneri con competenze nella gestione delle batterie, nella connettività e nei sistemi automotive. Dai requisiti può sembrare un compito improbo: «Molte delle esigenze andavano in conflitto fra loro», osserva Ram Vedantham, responsabile linea business per la connettività a 2,4 GHz. Ad esempio, la soluzione deve avere un throughput elevato per acquisire dati da quasi 100 celle in pochi millisecondi, con una precisione di 2 millivolt e un tasso di errore di uno su 10 milioni di pacchetti, in un ambiente difficile e rumoroso. Inoltre, i chip devono funzionare a una potenza inferiore per evitare di scaricare le batterie durante il monitoraggio della gestione termica in un’auto parcheggiata.
Video: Il BMS wireless – Texas Instruments
Per affrontare queste sfide di progettazione, la soluzione è un protocollo wireless proprietario affidabile per facilitare la comunicazione in un ambiente in cui la disponibilità in tempo reale della rete wireless a 2,4 GHz è fondamentale. La rete deve essere prontamente disponibile in modo che il sistema riesca a monitorare e gestire la batteria e comunicare in tempo reale non appena il conducente avvia il veicolo elettrico.
«L’idea è che la rete metta in collegamento tutti i componenti necessari premendo un pulsante ogni volta che l’auto si avvia», afferma Vedantham.
Battery Management System wireless: la sicurezza funzionale
Questa soluzione è stata valutata dal TÜV-SÜD, un importante ente di valutazione della sicurezza funzionale, ed è diventata il primo concetto di BMS wireless del settore a dimostrare il supporto per la conformità di sicurezza funzionale a livello di sistema fino ad ASIL D, ossia il massimo livello di requisiti di integrità per la sicurezza stradale e aspetto chiave da considerare da parte dei produttori di veicoli elettrici. Inoltre, il concetto è stato valutato per dimostrarne la conformità a SIL 3 nelle applicazioni industriali.
Facilità di implementazione
I sistemi di gestione della batteria wireless sono anche più facili da implementare, in quanto non richiedono cablaggi o riconfigurazioni notevoli.
«È possibile aggiungere molto velocemente un BMS wireless nei nuovi modelli di auto e in quelli già esistenti: si ottiene quindi subito un risparmio in termini di spazio», afferma Vedantham.
Di conseguenza, le case automobilistiche stanno progettando di includere soluzioni BMS wireless nelle auto che entreranno in produzione nei prossimi anni, muovendosi con rapidità verso l’adozione di questa nuova tecnologia nei veicoli di prossima generazione.
Per i consumatori, potenzialmente il Battery Management System wireless potrebbe significare costi inferiori per i veicoli elettrici, oltre a maggiore autonomia e migliore affidabilità per un veicolo ecologico.
«Utilizzando un nuovo protocollo di connettività wireless sviluppato appositamente per questo caso d’uso, la soluzione BMS wireless è al top nel settore dei veicoli elettrici in termini di prestazioni e sicurezza», spiega Vedantham. «Le case automobilistiche possono portare questa tecnologia al consumatore più velocemente. In questo momento, molte persone possono considerare proibitivo il costo di acquisto di un veicolo elettrico oppure temono problemi di energia. Il BMS wireless può farci compiere un passo avanti verso una più ampia adozione dei veicoli elettrici».
