本文重點(diǎn)介紹傳統(tǒng)BMS和無線BMS之間的區(qū)別，比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)探討各種無線BMS架構(gòu)。

有線BMS

傳統(tǒng)有線設(shè)置的架構(gòu)由多個(gè)模擬前端 （AFE） 芯片組成。AFE 充當(dāng) BMS 和電池之間的中介，電池被分組為模塊。每個(gè)模塊通常有 6 到 24 個(gè)單元。

AFE 芯片監(jiān)控電池的溫度和電壓，并控制電池平衡。它們被放置在印刷電路板組件 （PCBA） 上，該組件與 BMS 通信以管理整個(gè)電池系統(tǒng)的功能。

接線、引線框架或柔性印刷電路 （FPC） 使模塊的單元端子連接到 PCBA。這種設(shè)計(jì)被復(fù)制了多次，創(chuàng)造了一個(gè)高壓電池組。

為了在中央BMS和多個(gè)PCBA之間進(jìn)行高效通信，使用線束通過隔離的通信總線將它們連接起來。這種方法可以實(shí)時(shí)控制整個(gè)電池組的性能。圖1為有線BMS架構(gòu)的特寫。

有線 BMS 是一項(xiàng)經(jīng)過商業(yè)驗(yàn)證的技術(shù)。有線連接使數(shù)據(jù)傳輸不易受到外部干擾，并提供穩(wěn)定的通信，而不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的威脅。盡管這種設(shè)置具有不可否認(rèn)的好處，但它也有一些限制，即：

• 這是一個(gè)耗時(shí)且昂貴的制造過程。用電線和組件組裝電池組需要精度。根據(jù)電池的大小，任務(wù)的復(fù)雜程度會(huì)有所不同。

• 有線 BMS 難以擴(kuò)展。更改配置可能需要更復(fù)雜的接線設(shè)置，從而增加成本并最大限度地降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體靈活性。

• 存在電氣擊穿和短路的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免這個(gè)問題，必須實(shí)現(xiàn)隔離電路，這也增加了電池組的總體成本。

切換到無線 BMS

創(chuàng)建了一種無線方法來解決有線 BMS 的缺點(diǎn)。無線BMS的設(shè)計(jì)與有線BMS相似。它還包含AFE芯片，用于控制、測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，并將其從模塊內(nèi)的每個(gè)電池發(fā)送到PCBA。

然而，模塊和 BMS 主機(jī)之間的連接不是有線通信總線，而是通過藍(lán)牙低功耗 （BLE）、近場(chǎng)通信 （NFC）、Zigbee、超寬帶 （UWB） 或?qū)Ｓ袩o線通信協(xié)議無線建立。此外，該網(wǎng)絡(luò)的無線芯片組與射頻天線相結(jié)合，旨在在電池組的封閉環(huán)境中提供有效的工作。

基于 BLE、Zigbee 和 UWB 的 wBMS

wBMS 開發(fā)中最常用的無線技術(shù)包括 BLE、Zigbee 和 UWB。藍(lán)牙和 Zigbee 都是低功耗通信協(xié)議，工作頻率為 2.4 GHz。然而，BLE 在個(gè)人局域網(wǎng) （PAN） 中運(yùn)行，這使其成為一種短距離技術(shù)，而 Zigbee 在局域網(wǎng) （LAN） 中運(yùn)行，覆蓋更大的區(qū)域。

UWB 與 BLE 和 Zigbee 的區(qū)別在于它使用高帶寬脈沖而不是調(diào)制載波頻率。這種方法提供了更好的抗信號(hào)干擾和衰落能力，確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸。UWB BMS 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣開發(fā)階段的解耦。

該解決方案可以減少項(xiàng)目時(shí)間和成本。它還消除了連接器，并確保電池之間的布線提供更好的能量密度，從而延長(zhǎng)車輛續(xù)航里程。UWB 是一種無線電技術(shù)，可以在極低的能量水平下用于大部分無線電頻譜上的短距離、高帶寬通信（圖 2）。

圖3詳細(xì)概述了基于BLE、Zigbee和UWB通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的wBMS架構(gòu)。

電池組中的射頻環(huán)境是獨(dú)特的，不同于露天通信。電池模塊位于金屬外殼中，這可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射。這些反射會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反彈和頻率選擇性衰落。此外，來自同一頻段內(nèi)其他系統(tǒng)的不可預(yù)測(cè)的干擾會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生負(fù)面影響。

這些挑戰(zhàn)會(huì)影響窄帶系統(tǒng)，而窄帶系統(tǒng)更適合露天環(huán)境。在這里，UWB 成為一種實(shí)用的解決方案，因?yàn)樗苓@些問題的影響較小。

UWB 的功能允許在遠(yuǎn)低于微秒級(jí)別的電池組子系統(tǒng)中準(zhǔn)確同步測(cè)量值，例如電流和電壓讀數(shù)?；?UWB 的 BMS 的另一個(gè)好處是時(shí)隙調(diào)度方法。

這種方法是可能的，因?yàn)殪o態(tài)星形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)（圖4），其中所有UWB收發(fā)器都是同步的，知道何時(shí)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)可以切換作模式以節(jié)省能源并消除與跳頻或數(shù)據(jù)沖突相關(guān)的問題。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法也適用于BLE和Zigbee無線電技術(shù)。

基于 NFC 的 wBMS

用于 BMS 的另一種無線技術(shù)是近場(chǎng)通信。它提供用于集成在高壓鋰離子電池中的電池芯片技術(shù)?；旧希瑤в星度胧杰浖?CMOS 芯片將所有參數(shù)傳輸?shù)矫總€(gè)電池監(jiān)控器中，并通過 NFC 技術(shù)發(fā)送單個(gè)電池的數(shù)據(jù)。

電池組周圍的細(xì)低壓線環(huán)連接到傳感器，以確?？焖倏煽康臄?shù)據(jù)傳輸，同時(shí)保持較小的物理間隔。這樣做也是為了為高壓電池提供電氣隔離。每個(gè)芯片都有自己的標(biāo)識(shí)符，由無線電管理器通過 NFC 連接進(jìn)行輪詢，該管理器控制通信過程并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囕v電池管理單元。

基于 V 波段收發(fā)器的 wBMS

將未經(jīng)許可的 60 GHz 射頻毫米波 （mmWave） 或 V 波段集成到 BMS 中，可實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)千兆位數(shù)據(jù)速率，為短距離非接觸式連接提供重要機(jī)會(huì)。它提供了前所未有的穩(wěn)定性的無連接器數(shù)據(jù)鏈解決方案。

大多數(shù) 60 GHz 頻段的收發(fā)器都提供具有高數(shù)據(jù)速率（高達(dá) 10 Gb/s）的節(jié)能無線鏈路，無需依賴物理電纜和連接器即可實(shí)現(xiàn)短距離（幾厘米）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

這款緊湊、高性能的無線鏈路收發(fā)器具有高數(shù)據(jù)速率，是短距離、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)非接觸式通信的游戲規(guī)則改變者，提供：

• 消除工業(yè)電子系統(tǒng)中因彎曲和彎曲而承受機(jī)械應(yīng)力的電纜。

• 卓越的效率、緊湊的外形和創(chuàng)新的架構(gòu)，可優(yōu)化物料清單。

• 更換在水、灰塵、鹽分和振動(dòng)等惡劣條件下運(yùn)行的設(shè)備中昂貴的硬化連接器。

• 能夠確保物理或電氣絕緣，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無縫連接。

圖5顯示了wBMS使用的V波段無線電發(fā)射機(jī)的可能架構(gòu)。

有線和無線 BMS 之間的區(qū)別

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，BMS 中的無線通信具有多種優(yōu)勢(shì)。無線 BMS 消除了有線 BMS 所需的繁瑣手動(dòng)組裝和測(cè)試——通常只需要連接到電源端子。

此外，無線通信還可以最大限度地降低短路風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，物理連接會(huì)下降。這些連接器的最小化使系統(tǒng)更加可靠。

無線電池管理系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢(shì)是可擴(kuò)展性。它使制造商能夠在其他車型上使用相同的模塊設(shè)計(jì)。

在傳統(tǒng)方法中，電池單元通過線束連接到電池組。然而，這種接線設(shè)置限制了系統(tǒng)中可以合并的電池單元數(shù)量。對(duì)于 wBMS，情況恰恰相反，因?yàn)榭梢造`活地根據(jù)需要更改電池?cái)?shù)量。

盡管有許多吸引人的功能，但 wBMS 也有其缺陷：

• 信號(hào)干擾：電池組設(shè)計(jì)可能會(huì)中斷電池、模塊和 BMS 主機(jī)之間的無線信號(hào)。

• 安全風(fēng)險(xiǎn)：由于無線通信，系統(tǒng)容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全漏洞。

• 復(fù)雜的初始設(shè)置：BMS ASIC 最初應(yīng)綁定到系統(tǒng)。

該表比較了有線和無線設(shè)計(jì)之間的差異。

無線BMS對(duì)電動(dòng)汽車制造和維護(hù)成本的影響

關(guān)于 BMS 的成本，對(duì)于具體情況，什么更具成本效益，沒有明顯的答案。在制造方面，無線電池管理系統(tǒng)可以降低成本，因?yàn)樗皇褂锰嗖季€，因此需要更少的資源。

然而，無線通信模塊在初始開發(fā)階段可能很昂貴，因?yàn)樗鼈冃枰獙I(yè)專家，尤其是射頻設(shè)計(jì)人員，他們可以從事系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從維護(hù)的角度來看，無線 BMS 具有更少的接線問題和減少診斷勞動(dòng)力等優(yōu)勢(shì)，從而有可能降低長(zhǎng)期維護(hù)成本。

盡管如此，無線模塊和潛在的信號(hào)干擾仍帶來了新的維護(hù)挑戰(zhàn)，因?yàn)闊o線組件故障或通信問題可能需要昂貴的專業(yè)維修和持續(xù)校準(zhǔn)?？傮w而言，雖然無線BMS的初始投資較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性可以降低生產(chǎn)和維護(hù)成本。

如何將無線BMS集成到電池架構(gòu)中

將無線 BMS 集成到電池架構(gòu)中時(shí)，遵循關(guān)鍵建議非常重要。例如，無論是有線還是無線BMS，其設(shè)計(jì)都必須符合道路車輛的ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。最高安全級(jí)別是汽車安全完整性 D 級(jí) （ASIL D），要求系統(tǒng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施來管理關(guān)鍵故障，包括意外故障和通信問題。

電動(dòng)汽車電池內(nèi)部的射頻環(huán)境由金屬部件組成，這可能會(huì)導(dǎo)致干擾或信號(hào)阻塞。由于系統(tǒng)每秒只傳輸少量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)丟失不會(huì)顯著降低系統(tǒng)性能。然而，如果不加以解決，此類問題可能會(huì)危及電池安全，導(dǎo)致熱失控等危險(xiǎn)后果。

為了避免這種風(fēng)險(xiǎn)，射頻設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)優(yōu)化發(fā)射器和接收器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。?shù)據(jù)包錯(cuò)誤率 （PER） 可以為設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)。理想情況下，成功傳輸?shù)母怕蕬?yīng)為 99.999%，其中數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率為 10-7。這意味著每發(fā)送 1000 萬個(gè)數(shù)據(jù)包，只有一個(gè)數(shù)據(jù)包會(huì)失敗。

為了確保最高級(jí)別的 wBMS 安全性，必須關(guān)注設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)級(jí)別。例如，通過網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)必須受到 AES 或其他加密方法的保護(hù);只有受信任的設(shè)備才能訪問網(wǎng)絡(luò)并通過相互身份驗(yàn)證進(jìn)行通信。此外，一旦部署車輛，必須鎖定調(diào)試端口，以避免篡改。

電動(dòng)汽車會(huì)完全轉(zhuǎn)向無線BMS嗎？

由于無線BMS最近才在汽車行業(yè)得到采用，因此汽車制造商仍在研究和測(cè)試wBMS。

例如，通用汽車已經(jīng)集成了無線 Ultium BMS。從有線通信轉(zhuǎn)向有線通信的原因是昂貴且不可靠的設(shè)計(jì)，電池組件上連接著銅線。相反，該公司集成了一個(gè)連接到每個(gè) Ultium 電池的無線發(fā)射器。隨著wBMS的實(shí)施，通用汽車聲稱節(jié)省了高達(dá)90%的布線和15%的電池組體積。

盡管如此，wBMS 不會(huì)迅速取代傳統(tǒng)方法，因?yàn)樗匀皇瞧囍圃焐痰臒衢T選擇。盡管 wBMS 提供了優(yōu)勢(shì)，但只有少數(shù)公司正在積極將 wBMS 集成到他們的車輛中。然而，市場(chǎng)很快就會(huì)提供更廣泛的選擇，有線和無線 BMS 用于不同的用例和車輛類型。