BMS是电动汽车电池组的“大脑”,其性能显著影响电动汽车的行驶里程和电池寿命。他背负着许多任务,包括精确控制和估算电池相关的荷电状态(SOC)/功能状态(SOF)/健康状态(SOH)、精确测量电池单体并保障单体工作裕度、监控每个电池单体的状态等。
但随着“电动化”和“智能化”进一步发展,整车的重量、成本、尺寸优化成为OEM持续关注的关键。人们发现,把有线BMS改为无线电池管理系统(Wireless
Battery Management
Systems,wBMS)可减少所需的线缆、重量和空间,从而最大限度地提高电池组的能量密度,因此wBMS逐渐成为技术风口。
对于wBMS来说,采用什么无线通信技术最为关键,自从UWB(超宽带)爆火,有些厂商提出用UWB取代传统的专用2.4GHz技术。
那么,对wBMS来说,UWB和专用2.4GHz都有什么特点,又有哪些厂商在布局?
无线BMS好处有很多
首先,我们先搞清楚现在汽车BMS的方案就是是如何做运作的,如果改成无线会产生什么变化。
一个典型的高压电池组会分为多个模块。这种模块化架构便于轻松扩展。除了这些模块外,电池组还有一个中央电池管理单元(BMU),其中包含用于控制模块并保障整个系统安全的处理器。该电池管理单元能够与所有模块通信,收集每个模块的电压和温度测量数据,以确保系统安全、正常运行。
当前电动汽车BMS方案,采集板与控制板之间主要运用菊花链通信,其具体协议和各厂家的AFE相绑定,对外则均以差分通信形式呈现,并且需要网络变压器来实现隔离传输;若改用无线方案,采集板能够省去网络变压器、信号连接器及线束,但需新增无线MCU。
wBMS的好处有很多。能去除繁琐线束,减轻电池组重量,提升车辆效率并降低制造成本,简化PACK设计与布线,降低制造复杂度,减少高压模块物理连接点,降低故障风险,提高系统可靠性,增强电池组装和维护的灵活性,方便更换升级,便于追踪电池状态,助力梯次利用与回收,让维护更简便、故障检测更快,减少停机时间,显著提升系统整体性能。
无线BMS发展可追溯至2016年,当时业界已展示首款搭载该技术的概念车,通过整合电池组监视器与无线网格网络,替代了传统有线连接。2017年起,厂商陆续聚焦于从电芯直接采集、处理并向PACK层实时传数据,以简化PACK设计、提升测量精度。
虽然有线电池管理系统久经考验,真实可靠,不会很快淘汰;但是,无线BMS是未来发展趋势。据Strategy
Analytics预测,到2026年将有3600万辆电动汽车上路行驶,而无线BMS为提高汽车的效率和可靠性提供了很有前景的方法——这些优势吸引了原始设备制造商和消费者。
不过,虽然有市场前景,挑战也是存在的:一是通信可靠性,汽车环境复杂,尤其存在电磁干扰,确保无线通信的稳定可靠是一大挑战;二是技术标准与法规,无线BMS需符合汽车行业相关安全及通信标准,如ISO 26262和ISO 21434等。
随着更多玩家入局,行业竞争渐趋激烈。那么,对于现在的玩家来说,采用何种无线通信方式,是竞争的决定性因素之一。目前,行业主要分为专有2.4GHz、UWB两大派别。
专有2.4GHz多数基于蓝牙
专用2.4GHz中,多数基于蓝牙技术。因为Zigbee虽然功耗较低但传输能力有限最高250kbps,蓝牙则为1Mps~2Mps;NFC安全性高,但仅限厘米级通信,适用于近距离低功耗数据交换;Wi-Fi支持高吞吐量和覆盖广(数十至数百米),但消息开销较大,在
wBMS中应用较少。
使用蓝牙好处是多方面的:蓝牙具有高吞吐量特性,能在短时间内传输更多数据,可满足需大量数据传输至中央处理器且随电池模块数量扩展的
BMS需求,同时更高数据速率带来的低延迟对安全至关重要;蓝牙能实现同步低延迟和可靠连接,当前电池组一般含不到十个电池模块,未来可能增至几十个,每个模块需高效快速向中央单元报告数据,像损坏电芯需立即诊断以防过热等危险,而蓝牙在嘈杂环境中也能提供可靠数据传输;蓝牙通过加密和身份验证保障连接安全,防止未授权访问与数据泄露;低功耗蓝牙芯片出货量大,得益于规模经济和开发成本高度摊销,售价较低。
对比四个2.4GHz玩家的区别
在专用2.4GHz赛道中,以TI、ADI和NXP最具代表性,这些厂商的方案都已经拥有签约项目的验证。
ADI在2020年推出汽车行业首个电动汽车无线电池管理系统。ADI的无线BMS基于2.4GHz频段的SmartMesh,也就是我们通常说的DustNetwork。SmartMesh最大的特点是在2.4GHz
ISM频段上实现了达到99.999%的高可靠性Mesh网络,并且功耗极低(一节纽扣电池可以用10年)。同时,SmartMesh还是一个时间同步网络,可以做到各个节点的时间精确同步,便于很多需要同步的场合。
SmartMesh是ADI一个应用很广泛的一项通信技术。SmartMesh分为SmartMesh
IP和SmartMesh HART,网络均是由mote和manager两部分构成,二者均采用dust时间同步技术,功耗极低(平均路由节点功耗
50uA),可靠性极强(在无线BMS复杂射频环境下可靠度超99.99%)。SmartMesh的mesh技术相比传统树状路由,具备多条路径,可由manager自动判断最佳路径,每个器件都有冗余路径,能克服因干扰、物理遮挡或多径衰落导致的通信中断,且无需耗费功率和时间进行路径再发现。
ADI的wBMS由40个硬件组件组成。整个系统与全套软件、强大而安全的端到端网络以及完整的电池单元监控软件整合在一起,涵盖了应用与安全。具体组件包括ADBMS6815(能够准确测量电池单元和电池组的充电状态)、LT8618(一款用于电源管理的紧凑型高速、高效率同步单芯片降压型开关稳压器),以及ADRF8800(用于确保稳定可靠的无线连接)。
ADI模块化且可扩展的wBMS系统平台提供的优势是:OEM可以将电池包组装完全自动化。取消(信号)线束后,电池模组唯一需要的连接是电源端子,这可以由机器人在自动化过程中轻松完成。通过消除体力劳动,OEM还能消除装配线工人的安全风险。
典型的复杂、多组件有线BMS网络(左),以及由ADI公司wBMS技术实现的更简单的布置(右)
从实际效果来看,ADI的wBMS帮助路特斯将电池组布线减少了90%,电池组体积缩小了15%。无需线缆后,可以减轻车辆重量,降低材料成本,同时还能提高电池的安全性、可靠性和可维护性。

TI在2021年宣布进入无线电池管理市场,其解决方案经过TÜV SÜD评估,支持系统级功能安全通信层,达到ASIL D标准,确保了极高的安全性和可靠性。它提供了高可靠性的无线网络,数据传输稳定性和安全性得到了充分保障。
TI的wBMS基于2.4GHz频段中运行的低功耗Bluetooth技术编制的专有无线BMS协议,每个中央单元可支持多达32个节点的星型网络配置,有助于提高吞吐量,降低数据延迟,数据存储量可以做到1.2Mbps,每个节点的延迟会控制在两个毫秒以下。该协议也是TI专有的,在SimpleLink系列无线MCU中经常能看到它的身影。
以10个节点的网络为例,TI的无线BMS协议能实现10⁻甚至更低的数据包错误率。这意味着在52.222小时的运行中,单个节点的数据不可用时间仅100ms,设备正常运行时间超
99.999%;由于各无线设备独立工作,整个网络的可用性同样超 99.999%。此外,其专有
2.4GHz技术可与传统2.4GHz设备互操作,且为减少频带冲突,通信前会通过跳频寻找开放信道,保障了连接稳健性。虽不适用于远距离连接,但对无线BMS而言无需担忧这一局限。
TI的BMS使用时间分槽(TS)和频率跳变(FH)的无线通信协议,提供稳定的通信链路。同时,它支持IPv6基础的mesh协议,适用于家庭和建筑自动化。另外,TI的BMS方案包含一个软件定义的无线电,支持无线BMS和其他非无线BMS协议(如BLE),为电池回收再利用提供了灵活性。
恩智浦在早期也布局了基于蓝牙的专用2.4GHz的wBMS,2018年Q4就发布了相关产品。2020年推出基于BLE
5.0技术的wBMS
2.1,速率高达2Mbps,无线主节点支持最多16个从节点的连续连接;2021年又提出了“无线模组”的概念,即将无线BMS的子板与电池模组集成在一起。
不过,恩智浦的最新第二代产品使用了UWB技术,没有在最新的蓝牙技术上进行更新。
除了TI、ADI、NXP,英国Dukosi也开发了自己的专有通信协议C-SynO,并应用到无线BMS上。其C-SynO协议采用了NFC技术,基于2.4GHz的无线电波,传输速率可达2Mbps,但受NFC技术限制,其传输距离很小,一般应在2cm以内。其无线BMS单电芯方案包括cell
monitor板(采用DK8102)、system
hub控制板(采用DK8202),这两块板背面靠近同一条线即可建立通信,而这条线与单板之间是非电气式接触的形式。
对比来说,这四个专用2.4GHz方案的区别在于:
电池测量单元(CMU)配置:TI、ADI、NXP将现有
CMU 与专用无线通信 IC 连接,每个CMU监控多个电池模块,通过从节点无线中继数据至主节点,再转发给BMS控制器(通信 IC
负责配置网络和管理协议);Dukosi则将射频通信直接集成到CMU 中,每个 CMU 仅监控一个电池,集成度更高,但可扩展性受限。
通信协议:TI、ADI、NXP:采用专有协议,从节点位于电池组内,主节点可远程部署,需持续投入安全措施以防未授权访问。Dukosi采用“近场”通信,通过主节点的总线天线与电池组内的CMU实现紧密非接触式数据交换,能缓解汽车电磁环境干扰,且因通信范围极短,天然抗远程黑客攻击;协议可精确控制射频信道,延迟一致,无需倍数配置。
网络拓扑:TI和Dukosi采用星形网络,所有从节点直接连接主节点,管理简单、可靠性高(单个从节点故障不影响其他节点),但主节点存在单点故障和性能瓶颈风险。ADI采用网状网络,节点互连形成网格,数据可通过多条路径传输,可靠性和灵活性更强(部分路径/
节点故障不影响数据传输),但配置和管理更复杂。NXP则支持星形与网状网络切换。
2.4GHz在工业领域经久不衰,无疑具备许多优势,但它的缺点也很明显——非常拥挤。2.4GHz频段易受干扰,需要通过屏蔽、先进信号处理算法优化。
UWB技术的好处都有啥
超宽带(UWB)技术在汽车行业中的创新屡见不鲜,从汽车钥匙到活体检测,都可以采用这种全新的传输方式。NXP选择使用UWB作为其wBMS的第二代技术,并预告了用于无线电池管理系统应用的芯片组BMA6060和BMA6061。
恩智浦在白皮书中认为:“与其他无线技术(如通常工作在2.4GHz ISM频段的窄带无线系统,例如蓝牙低功耗(BLE)、Zigbee相比,超宽带(UWB)是更卓越的射频技术。”
第一,宽频谱的优势。与窄带无线技术2.4Ghz不同,UWB解决方案在6.0
GHz至8.5
GHz之间的宽频谱上运行。由于宽带特性,无需使用复杂(高阶)调制即可实现高数据带宽,从而实现冗余,从而提高数据包出错率,降低接收机复杂度。此外,由于其工作远离拥挤的2.4GHz频段,可以与其他无线协议和谐共存。
第二,脉冲信号的优势。UWB的独特之处在于其信号是一种脉冲无线电,信号带宽为500MHz,脉冲宽度约为2纳秒,非常适合在频率选择性衰落条件下工作的系统,例如电池组环境。这些脉冲随后被直接上变频到载波频率,例如,对于超宽带信道
9(如 IEEE 802.15.4
标准所定义),载波频率约为8GHz。由于脉冲的特性,相比采用调制正弦波传输信息的蓝牙或Wi-Fi,UWB的脉冲波形更容易被识别,能有效抵抗信号反射引起的多径效应。
第三,抗干扰的优势。汽车模块化电池组由多个装在金属外壳中的电池模块组成。金属外壳会产生许多反射,信号会在其中反弹一段时间,形成复杂的多径环境。这会导致高度的频率选择性衰落,其严重程度在很大程度上取决于天线的位置以及模块之间的开口/通道。此外,在同一频段工作的其他系统产生的不可预测干扰也可能影响电池组内的传输。这两个因素对窄带系统影响极大,意味着需要复杂的自适应信道选择算法。在窄带系统中,为了实现最佳通信,每个天线可能需要不同的频率,这也限制了广播式通信。更重要的是,现在很多汽车的电池包也开始使用了塑料,也就是说信号因为暴露更容易受到干扰。
对于UWB的脉冲信号,频段中的窄频率缺口几乎不会影响信号质量,因为能量是在较宽的带宽上获取的。这确保了电池组内所有发射器-
接收器链路都能实现稳健的数据通信性能,从而支持广播式消息。由于超宽带在电池组环境中具有稳健性,能支持高达7.8Mbps
的原始数据速率的可靠通信。这显著高于许多窄带技术,并能满足那些要求更快测量周期或更高数据速率的新用例和应用。
第四,定时和同步的优势。尽管电池管理系统应用目前主要基于数据通信能力,但UWB异常精确的定时功能能够实现极其精确的测量同步,例如将(通常在电池组的不同子系统中测量的)电流和电压测量同步到远低于1微秒的对齐精度,而如今大多数窄带技术的同步精度仍停留在几微秒的水平。凭借更高的通信稳健性、更高的数据速率以及极其精确的同步能力,超宽带为新兴且要求更高的电池管理系统应用,如电化学阻抗谱(EIS)铺平了道路。
具体到BMA6060/ BMA6061的设计方面,恩智浦取代了电池单体控制器与中央微控制器(MCU)之间的有线通信,同时保持协议层面的兼容性。SBC采用MC3377x、UWB采用MBMA606xSA、MCU采用S32K3xx/FS26。
恩智浦还为这套方案增设了几个特定增强功能:一是采用优化的超宽带数据包结构,最大限度地提高在电池组环境下的性能;二是采用时隙调度方法,每个节点都有固定的时隙用于接收或传输,消除了通用系统中所需的复杂信道接入和分配方案;三是采用静态星型网络配置和时隙调度设计,增强UWB收发器的同步,通过预测接收或传输数据包的时间切换操作模式以降低能耗;四是增强了安全性,采用短期会话密钥,每条消息都使用
AES - 128(或可选的 AES - 256,一种被广泛接受的解决方案)进行加密,以实现加密消息的整合和识别。
由于这些进步,恩智浦表示UWB WBM数据包错误率低于10-6,带宽增加四倍(7.8 Mbps),同步速度比传统系统快20倍,数据包速率比传统选项快5倍,节能40%。这些功能有助于优化BMS的功耗并延长电动汽车的续航里程和车辆正常运行时间。
2.4GHz也在迭代:采用蓝牙5.4
虽然UWB的好处有很多,但事实上2.4GHz的wBMS也仍然在迭代。就比如说,英飞凌在前阵子推出了基于BLE
5.4的wBMS方案。在蓝牙5.4的版本规范中,新增了PAwR(Periodic Advertisement with
Response)技术,这对wBMS来说无疑是福音。
与传统通信不同,PAwR主节点无需事先与所有子节点建立连接,可直接通过广播传输命令和接收数据,从而大幅节省传输时间、提升通信效率。同时,在系统要求的数据刷新周期内,PAwR能实现数据多次重传,以此降低误码率、增强通信可靠性。
以2M传输速率、50000传输数据容量为例,无重传机制与一次重传的误码率(PER)对比显示:误码率峰值从1.3974%降至0.036%;若采用3次或4次重传,误码率将大幅降低。
英飞凌的方案主板采用了高性能MCU
AURIX TC397及PMIC
TLE35584,子节点为TLE9018DQK,以低功耗蓝牙芯片为数据传输媒介,选用了业界首科量产的汽车级符合BLE
5.4协议的低功耗蓝牙芯片CYW89829。可以有效解决面临的技术挑战。
英飞凌的方案组网方式采用Connected Mesh,允许将子节点按组网通信数据传输方式分成两级,一级子节点可与主节点直接通信,二级子节点可通道一级子节点与主节点建立连接,可通过相邻节点实现数据回传,提高了系统的灵活性和可靠性。
AFH是英飞凌的另一种处理机制,能实时监测各信道通信质量,对信道进行动态禁用与重启:若某信道在一段时间或特定工况下通信质量下降,会被暂时禁用,数据传输将避开该信道;待其通信恢复后,可重新启用。这一机制能显著提升系统通信的可靠性。
不同路线有不同的好
总之,就目前来看,采用2.4GHz窄带技术的无线电池管理系统(wBMS)经过了更多市场验证,不仅应用历史更为悠久,2.4GHz 这一频段本身的应用也已十分成熟,因此在车载领域的应用更为稳健可靠。
而超宽带(UWB)作为下一代技术,不仅数据参数更为出色,其自身也具备诸多优势,不过整体仍处于起步阶段。与此同时,蓝牙技术也在持续迭代升级。未来,UWB是否会成为其他厂商的技术路线选择,目前还未可知。
最后需要强调的是,未来汽车并非会完全淘汰有线BMS,而是通过组合有线和无线BMS,来减少整车重量和电池包体积。
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