无线BMS：电动汽车的危险与可能性

电池管理系统（BMS）是电动汽车的关键组成部分之一。这对于确保电池组的安全性、耐用性和管理性能至关重要。BMS控制电池单元的健康状态和充电状态，通过电池平衡优化其稳定性。它监控电池电压、电流和温度等核心参数，确保一切在安全范围内。

如今，大多数汽车制造商都在努力降低设计的资源强度。虽然有线BMS长期以来被证明可靠，但它严重依赖铜线和电气连接器，这些可能随着时间磨损。寻找并修复这些问题通常非常昂贵。

有线BMS设计的这些系统缺陷促使无线BMS的出现。转向无线BMS大大简化了高压电池（800伏及以上）的设计，并提升了其整体可靠性和安全性。

本文重点介绍传统BMS与无线BMS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

传统有线架构由多个模拟前端（AFE）芯片组成。AFE作为BMS与电池单元之间的中介，电池单元被分组成模块。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，并控制电池的平衡。它们安装在印刷电路板组件（PCBA）上，PCBA与BMS通信，管理整个电池系统的功能。

线路、引线框架或柔性印刷电路（FPC）使模块的单元端子连接到PCBA。这种设计会被多次复制，形成高压电池组。

为了中央BMS与多个PCBA之间的高效通信，使用线束通过隔离的通信总线将它们连接。这种方法使得实时控制整个电池组的性能成为可能。图1展示了有线BMS架构的特写。

1. 传统电动汽车（EV）有线电池管理系统（BMS）中的关键组件和通信流程的示意。

有线BMS是经过商业验证的技术。有线连接使数据传输更不易受到外部干扰，提供稳定的通信，避免网络攻击威胁。尽管这种设置有不可否认的好处，但它也存在一些限制，具体是：

• 这是一个耗时且成本高昂的制造过程。用电线和组件组装电池组需要精确度。根据电池的大小，任务的复杂程度也会有所不同。

• 有线BMS很难扩展。更换配置可能需要更复杂的布线设置，提高成本并降低系统设计的灵活性。

• 存在电气击穿和短路的风险。为避免此问题，必须实现隔离电路，这也增加了电池组的整体成本。

转向无线BMS

为了解决有线BMS的缺点，开发了一种无线方法。无线BMS的设计与有线BMS类似。它还包含AFE芯片，用于控制、测量并发送模块内每个电池单元的关键参数到PCBA。

然而，模块与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，网络的无线芯片组与射频天线结合，设计用于在电池组封闭环境中高效工作。

BLE、Zigbee 和基于 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运行在个人局域网（PAN）中，因此属于短距离技术，而Zigbee则在局域网（LAN）中运行，覆盖更广的区域。

UWB与BLE和Zigbee的区别在于它使用高带宽脉冲而非调制载波频率。这种方法能更好地抵抗信号干扰和衰落，确保数据传输的可靠性。UWB BMS技术实现机械和电气开发阶段的脱钩。

该方案可缩短项目进度和成本。它还消除了连接器，确保电池单元之间的布线能提供更好的能量密度，延长车辆续航里程。UWB是一种无线电技术，可以在极低能级下用于短距离、高带宽通信，覆盖广阔的无线电频谱（见图2）。

2. 比较GPS、蓝牙（IEEE 802.11b）、Wi-Fi（IEEE 802.11a）和超宽频频谱（3.1-10.6 GHz）的功率谱密度和频率范围。

UWB的功能允许电池组子系统之间的电流和电压读数进行精确同步，精度远低于微秒级。基于UWB的BMS的另一个优点是采用时隙调度方法。

这种方法得益于静态星网络设计（见图3），所有超宽频收发器同步，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，并消除跳频或数据碰撞等问题。网络设计方法同样适用于BLE和Zigbee无线电技术。

3. wBMS架构示意图，采用计划驱动的传输方案、星型网络配置以及针对BLE、Zigbee和UWB无线技术的功率优化模式。

基于NFC的wBMS

另一种用于BMS的无线技术是近场通信。它提供芯片对电池技术，用于高压锂离子电池的集成。基本上，一颗带有嵌入式软件的CMOS芯片将所有参数传输到每个小区监控器，并通过NFC技术发送单个小区的数据。

电池组周围有一圈细低压线环连接到传感器，确保数据传输快速可靠，保持小的物理隔离。此举也用于为高压电池提供电气隔离。每个芯片都有自己的标识符，通过NFC连接由无线电管理器轮询，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

将未授权的60 GHz射频毫米波（mmWave）或V波段集成到BMS中，通过实现极高的多千兆数据速率，为短距离无接触连接带来了重大机会。它提供无需连接器的数据链解决方案，具有前所未有的稳定性。

大多数60 GHz频段的收发器提供高数据率（最高可达10 Gb/s）的节能无线链路，使得短距离（几厘米）的点对点通信成为可能，无需依赖物理电缆和连接器。

这款紧凑、高性能的无线链路收发器具有高数据率，是短距离点对点无接触通信的颠覆者，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、紧凑的外形设计和创新架构，优化了材料清单。

• 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且硬化的连接器。

• 确保物理或电气绝缘的能力，同时实现无缝连接。

图4展示了wBMS所用V波段无线电发射机的可能架构。

4. 该wBMS架构采用V波段无线电发射机进行通信。

有线与无线BMS的区别

BMS中的无线通信相比传统设计有多个优势。无线BMS省去了有线BMS繁琐的手工组装和测试——通常只需连接到电源端子即可。

此外，无线通信最大限度地减少了短路的风险，因为物理连接极少，且可能随时间劣化。减少这些连接器使系统更可靠。

无线电池管理系统的另一个重要优势是可扩展性。它使制造商能够在其他车型中使用相同的模块设计。

传统方式中，电池单元通过电缆线束连接到电池组。然而，这种布线方式限制了系统中可集成的电池单元数量。而wBMS则完全相反，因为根据需求灵活调整电池单元数量。

尽管wBMS有许多吸引人的功能，但也存在缺陷：

• 信号干扰：电池组设计可能会干扰电池单元、模块和BMS主机之间的无线信号。

• 安全风险：由于无线通信，系统容易遭受网络安全漏洞。

• 复杂的初始设置：BMS ASIC应最初绑定到系统上。

表格比较了有线和无线设计的差异。

比较有线和无线BMS的主要区别。

无线BMS对电动汽车制造和维护成本的影响

关于BMS的费用，目前尚无明确答案，具体情况下哪种更经济。在制造业方面，无线电池管理系统可能降低成本，因为它不使用太多布线，因此所需的资源更少。

然而，无线通信模块在初期开发阶段可能成本较高，因为它们需要专业专家，尤其是射频设计师，来参与系统设计。从维护角度看，无线BMS带来诸如减少布线问题和减少诊断劳动力等优势，可能降低长期维护成本。

不过，无线模块和潜在的信号干扰带来了新的维护挑战，因为无线元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的初始投资更高，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

在将无线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，都必须设计符合ISO 26262道路车辆标准。最高安全级别——汽车安全完整性D级（ASIL D），要求系统具备安全防护措施，以应对关键故障，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，可能导致干扰或信号阻断。由于系统每秒传输的数据量很少，数据丢失不会显著降低系统性能。然而，如果不加以解决，这些问题可能危及电池安全，导致热失控等危险后果。

为避免此风险，射频设计者必须精心优化发送端与接收端之间数据传输的可靠性。数据包错误率（PER）可以为设计者提供指导。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，只有一个数据包可能失败。

为了确保wBMS的最高安全水平，必须关注设备和无线网络层面。例如，网络上交换的数据必须通过AES或其他加密方法进行保护;只有受信任的设备才能访问网络并通过互认证通信。此外，飞行器部署后必须锁定调试端口以避免篡改。

电动车会完全转向无线BMS吗？

由于无线BMS在汽车行业的应用直到最近才被采用，车辆制造商仍在研究和测试wBMS。

例如，通用汽车引入了无线Ultium BMS。从有线通信切换到有线通信的原因是其昂贵且不可靠的设计，电池部件上连接着铜线。相反，公司集成了一个无线发射器，连接到每个Ultium电池单元。随着wBMS的实施，通用汽车声称节省了高达90%的布线和15%的电池容量。

不过，wBMS不会迅速取代传统方法，因为它仍是汽车制造商的热门选择。尽管wBMS带来了诸多优势，但只有少数公司积极将wBMS集成到其车辆中。然而，市场很快将提供更广泛的选择，有线和无线BMS将应用于不同的用例和车辆类型。