无线BMS：电动汽车的危险和可能性

本文重点介绍传统BMS和无线BMS之间的区别，比较它们的优缺点，同时探讨各种无线BMS架构。

有线BMS

传统有线设置的架构由多个模拟前端 （AFE） 芯片组成。AFE 充当 BMS 和电池之间的中介，电池被分组为模块。每个模块通常有 6 到 24 个单元。

AFE 芯片监控电池的温度和电压，并控制电池平衡。它们被放置在印刷电路板组件 （PCBA） 上，该组件与 BMS 通信以管理整个电池系统的功能。

接线、引线框架或柔性印刷电路 （FPC） 使模块的单元端子连接到 PCBA。这种设计被复制了多次，创造了一个高压电池组。

为了在中央BMS和多个PCBA之间进行高效通信，使用线束通过隔离的通信总线将它们连接起来。这种方法可以实时控制整个电池组的性能。图1为有线BMS架构的特写。

有线 BMS 是一项经过商业验证的技术。有线连接使数据传输不易受到外部干扰，并提供稳定的通信，而不会受到网络攻击的威胁。尽管这种设置具有不可否认的好处，但它也有一些限制，即：

• 这是一个耗时且昂贵的制造过程。用电线和组件组装电池组需要精度。根据电池的大小，任务的复杂程度会有所不同。

• 有线 BMS 难以扩展。更改配置可能需要更复杂的接线设置，从而增加成本并最大限度地降低系统设计的总体灵活性。

• 存在电气击穿和短路的风险。为了避免这个问题，必须实现隔离电路，这也增加了电池组的总体成本。

切换到无线 BMS

创建了一种无线方法来解决有线 BMS 的缺点。无线BMS的设计与有线BMS相似。它还包含AFE芯片，用于控制、测量关键参数，并将其从模块内的每个电池发送到PCBA。

然而，模块和 BMS 主机之间的连接不是有线通信总线，而是通过蓝牙低功耗 （BLE）、近场通信 （NFC）、Zigbee、超宽带 （UWB） 或专有无线通信协议无线建立。此外，该网络的无线芯片组与射频天线相结合，旨在在电池组的封闭环境中提供有效的工作。

基于 BLE、Zigbee 和 UWB 的 wBMS

wBMS 开发中最常用的无线技术包括 BLE、Zigbee 和 UWB。蓝牙和 Zigbee 都是低功耗通信协议，工作频率为 2.4 GHz。然而，BLE 在个人局域网 （PAN） 中运行，这使其成为一种短距离技术，而 Zigbee 在局域网 （LAN） 中运行，覆盖更大的区域。

UWB 与 BLE 和 Zigbee 的区别在于它使用高带宽脉冲而不是调制载波频率。这种方法提供了更好的抗信号干扰和衰落能力，确保可靠的数据传输。UWB BMS 技术可实现机械和电气开发阶段的解耦。

该解决方案可以减少项目时间和成本。它还消除了连接器，并确保电池之间的布线提供更好的能量密度，从而延长车辆续航里程。UWB 是一种无线电技术，可以在极低的能量水平下用于大部分无线电频谱上的短距离、高带宽通信（图 2）。

图3详细概述了基于BLE、Zigbee和UWB通信技术实现的wBMS架构。

电池组中的射频环境是独特的，不同于露天通信。电池模块位于金属外壳中，这可能会导致信号反射。这些反射会导致信号反弹和频率选择性衰落。此外，来自同一频段内其他系统的不可预测的干扰会对数据传输产生负面影响。

这些挑战会影响窄带系统，而窄带系统更适合露天环境。在这里，UWB 成为一种实用的解决方案，因为它受这些问题的影响较小。

UWB 的功能允许在远低于微秒级别的电池组子系统中准确同步测量值，例如电流和电压读数。基于 UWB 的 BMS 的另一个好处是时隙调度方法。

这种方法是可能的，因为静态星形网络设计（图4），其中所有UWB收发器都是同步的，知道何时发送或接收数据。因此，系统可以切换作模式以节省能源并消除与跳频或数据冲突相关的问题。网络设计方法也适用于BLE和Zigbee无线电技术。

基于 NFC 的 wBMS

用于 BMS 的另一种无线技术是近场通信。它提供用于集成在高压锂离子电池中的电池芯片技术。基本上，带有嵌入式软件的 CMOS 芯片将所有参数传输到每个电池监控器中，并通过 NFC 技术发送单个电池的数据。

电池组周围的细低压线环连接到传感器，以确保快速可靠的数据传输，同时保持较小的物理间隔。这样做也是为了为高压电池提供电气隔离。每个芯片都有自己的标识符，由无线电管理器通过 NFC 连接进行轮询，该管理器控制通信过程并将数据传输到车辆电池管理单元。

基于 V 波段收发器的 wBMS

将未经许可的 60 GHz 射频毫米波 （mmWave） 或 V 波段集成到 BMS 中，可实现极高的数千兆位数据速率，为短距离非接触式连接提供重要机会。它提供了前所未有的稳定性的无连接器数据链解决方案。

大多数 60 GHz 频段的收发器都提供具有高数据速率（高达 10 Gb/s）的节能无线链路，无需依赖物理电缆和连接器即可实现短距离（几厘米）点对点通信。

这款紧凑、高性能的无线链路收发器具有高数据速率，是短距离、点对点非接触式通信的游戏规则改变者，提供：

• 消除工业电子系统中因弯曲和弯曲而承受机械应力的电缆。

• 卓越的效率、紧凑的外形和创新的架构，可优化物料清单。

• 更换在水、灰尘、盐分和振动等恶劣条件下运行的设备中昂贵的硬化连接器。

• 能够确保物理或电气绝缘，同时实现无缝连接。

图5显示了wBMS使用的V波段无线电发射机的可能架构。

有线和无线 BMS 之间的区别

与传统设计相比，BMS 中的无线通信具有多种优势。无线 BMS 消除了有线 BMS 所需的繁琐手动组装和测试——通常只需要连接到电源端子。

此外，无线通信还可以最大限度地降低短路风险，因为随着时间的推移，物理连接会下降。这些连接器的最小化使系统更加可靠。

无线电池管理系统的另一大优势是可扩展性。它使制造商能够在其他车型上使用相同的模块设计。

在传统方法中，电池单元通过线束连接到电池组。然而，这种接线设置限制了系统中可以合并的电池单元数量。对于 wBMS，情况恰恰相反，因为可以灵活地根据需要更改电池数量。

尽管有许多吸引人的功能，但 wBMS 也有其缺陷：

• 信号干扰：电池组设计可能会中断电池、模块和 BMS 主机之间的无线信号。

• 安全风险：由于无线通信，系统容易出现网络安全漏洞。

• 复杂的初始设置：BMS ASIC 最初应绑定到系统。

该表比较了有线和无线设计之间的差异。

无线BMS对电动汽车制造和维护成本的影响

关于 BMS 的成本，对于具体情况，什么更具成本效益，没有明显的答案。在制造方面，无线电池管理系统可以降低成本，因为它不使用太多布线，因此需要更少的资源。

然而，无线通信模块在初始开发阶段可能很昂贵，因为它们需要专业专家，尤其是射频设计人员，他们可以从事系统设计。从维护的角度来看，无线 BMS 具有更少的接线问题和减少诊断劳动力等优势，从而有可能降低长期维护成本。

尽管如此，无线模块和潜在的信号干扰仍带来了新的维护挑战，因为无线组件故障或通信问题可能需要昂贵的专业维修和持续校准。总体而言，虽然无线BMS的初始投资较高，但从长远来看，系统的灵活性和可扩展性可以降低生产和维护成本。

如何将无线BMS集成到电池架构中

将无线 BMS 集成到电池架构中时，遵循关键建议非常重要。例如，无论是有线还是无线BMS，其设计都必须符合道路车辆的ISO 26262标准。最高安全级别是汽车安全完整性 D 级 （ASIL D），要求系统采取适当的保护措施来管理关键故障，包括意外故障和通信问题。

电动汽车电池内部的射频环境由金属部件组成，这可能会导致干扰或信号阻塞。由于系统每秒只传输少量数据，数据丢失不会显着降低系统性能。然而，如果不加以解决，此类问题可能会危及电池安全，导致热失控等危险后果。

为了避免这种风险，射频设计人员必须仔细优化发射器和接收器之间数据传输的可靠性。数据包错误率 （PER） 可以为设计人员提供指导。理想情况下，成功传输的概率应为 99.999%，其中数据包错误率为 10-7。这意味着每发送 1000 万个数据包，只有一个数据包会失败。

为了确保最高级别的 wBMS 安全性，必须关注设备和无线网络级别。例如，通过网络交换的数据必须受到 AES 或其他加密方法的保护;只有受信任的设备才能访问网络并通过相互身份验证进行通信。此外，一旦部署车辆，必须锁定调试端口，以避免篡改。

电动汽车会完全转向无线BMS吗？

由于无线BMS最近才在汽车行业得到采用，因此汽车制造商仍在研究和测试wBMS。

例如，通用汽车已经集成了无线 Ultium BMS。从有线通信转向有线通信的原因是昂贵且不可靠的设计，电池组件上连接着铜线。相反，该公司集成了一个连接到每个 Ultium 电池的无线发射器。随着wBMS的实施，通用汽车声称节省了高达90%的布线和15%的电池组体积。

尽管如此，wBMS 不会迅速取代传统方法，因为它仍然是汽车制造商的热门选择。尽管 wBMS 提供了优势，但只有少数公司正在积极将 wBMS 集成到他们的车辆中。然而，市场很快就会提供更广泛的选择，有线和无线 BMS 用于不同的用例和车辆类型。