有線還是無線？電動汽車中電池管理系統(tǒng)該如何選擇？

（本文編譯自Electronic Design）

電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動汽車的核心組件之一。它對保障電池組的安全性、使用壽命以及管控其性能至關(guān)重要。該系統(tǒng)會監(jiān)測電池的健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)，通過電池單元均衡優(yōu)化電池穩(wěn)定性。它還會監(jiān)控電池的電壓、電流和溫度等核心參數(shù)，確保所有指標(biāo)均處于安全范圍內(nèi)。

目前，大多數(shù)汽車制造商都在努力降低產(chǎn)品設(shè)計的資源消耗。有線BMS雖經(jīng)實(shí)踐證明具備可靠性，但嚴(yán)重依賴銅線和電連接器，這些部件會隨時間推移出現(xiàn)損耗。定位并修復(fù)此類問題的成本通常極高。

有線BMS設(shè)計的這些系統(tǒng)缺陷催生了無線BMS的誕生。轉(zhuǎn)向無線BMS可顯著簡化高壓電池（800伏及以上）的設(shè)計，同時提升其整體可靠性和安全性。

那傳統(tǒng)BMS與無線BMS之間有何差異？兩者個具有怎樣的優(yōu)劣？無線BMS又有哪些架構(gòu)呢？

有線電池管理系統(tǒng)

傳統(tǒng)有線系統(tǒng)的架構(gòu)包含多個模擬前端（AFE）芯片。模擬前端芯片是電池管理系統(tǒng)與電池之間的中間介質(zhì)，這些電池會被分組為電池模塊。每個模塊通常包含6至24個電池單元。

模擬前端芯片負(fù)責(zé)監(jiān)測電池的溫度和電壓，并控制單個電池的均衡。它們被安裝在印刷電路板組件（PCBA）上，該組件與電池管理系統(tǒng)通信，以管控整個電池系統(tǒng)的運(yùn)行。

導(dǎo)線、引線框架或柔性印刷電路（FPC）將模塊的電池端子與印刷電路板組件相連。此類設(shè)計會經(jīng)過多次復(fù)制，最終構(gòu)成高壓電池組。

為實(shí)現(xiàn)中央電池管理系統(tǒng)與多個印刷電路板組件之間的高效通信，需通過線束將它們與隔離式通信總線連接。這種方式能夠?qū)崟r控制整個電池組的性能。圖1展示了有線電池管理系統(tǒng)架構(gòu)的特寫。

圖1：電動汽車傳統(tǒng)有線電池管理系統(tǒng)的核心組件及通信流程示意圖。

有線電池管理系統(tǒng)是一項經(jīng)商業(yè)驗證的成熟技術(shù)。有線連接使數(shù)據(jù)傳輸不易受外部干擾，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信，且無網(wǎng)絡(luò)攻擊風(fēng)險。盡管該系統(tǒng)的優(yōu)勢毋庸置疑，但也存在一些局限性，具體如下：

• 制造流程耗時且成本高昂。裝配帶導(dǎo)線和各類組件的電池組需要極高精度，任務(wù)復(fù)雜度會隨電池尺寸不同而變化。

• 有線電池管理系統(tǒng)難以擴(kuò)展。更改配置可能需要更復(fù)雜的布線方案，這會增加成本并降低系統(tǒng)設(shè)計的整體靈活性。

• 存在電氣故障和短路風(fēng)險。為避免此類問題，必須安裝隔離電路，這也會增加電池組的總體成本。

轉(zhuǎn)向無線電池管理系統(tǒng)

無線方案的誕生旨在解決有線電池管理系統(tǒng)的缺陷。無線電池管理系統(tǒng)（wBMS）的設(shè)計與有線電池管理系統(tǒng)相似，同樣包含模擬前端芯片，用于控制、測量每個電池模塊內(nèi)電池單元的關(guān)鍵參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至印刷電路板組件。

不同之處在于，模塊與電池管理系統(tǒng)主機(jī)之間并非通過有線通信總線連接，而是借助低功耗藍(lán)牙（BLE）、近場通信（NFC）、Zigbee、超寬帶（UWB）或?qū)Ｓ袩o線通信協(xié)議建立無線連接。同時，網(wǎng)絡(luò)的無線芯片組會與射頻天線配合，以確保在電池組的封閉環(huán)境中高效工作。

基于BLE、Zigbee和UWB的無線電池管理系統(tǒng)

無線電池管理系統(tǒng)開發(fā)中最常用的無線技術(shù)包括低功耗藍(lán)牙、Zigbee和UWB。低功耗藍(lán)牙和Zigbee均為低功耗通信協(xié)議，工作頻率為2.4GHz。但低功耗藍(lán)牙運(yùn)行于個人局域網(wǎng)（PAN），屬于短距離通信技術(shù)，而Zigbee運(yùn)行于局域網(wǎng)（LAN），覆蓋范圍更廣。

UWB與低功耗藍(lán)牙、Zigbee的核心區(qū)別在于，它采用高帶寬脈沖而非調(diào)制載波頻率。這種方式抗信號干擾和信號衰減能力更強(qiáng)，能保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴WB電池管理系統(tǒng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械開發(fā)階段與電氣開發(fā)階段的解耦。

該方案有助于縮短項目周期、降低成本，還能省去連接器，且電池單元間無需布線，可提升能量密度，延長車輛續(xù)航里程。UWB是一種無線電技術(shù)，能以極低的能量水平，在無線電頻譜的大部分頻段上實(shí)現(xiàn)短距離、高帶寬通信（見圖2）。

圖2：GPS、藍(lán)牙、Wi-Fi與UWB的功率譜密度及頻率范圍對比。

圖3詳細(xì)展示了基于低功耗藍(lán)牙、Zigbee和UWB通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無線電池管理系統(tǒng)架構(gòu)。

圖3：采用低功耗藍(lán)牙、Zigbee及UWB通信協(xié)議的電動汽車無線電池管理系統(tǒng)架構(gòu)。

電池組內(nèi)的射頻（RF）環(huán)境具有獨(dú)特性，與開放空間通信環(huán)境不同。電池模塊置于金屬外殼中，可能引發(fā)信號反射。這些反射會導(dǎo)致信號反彈和頻率選擇性衰落。此外，同一頻段內(nèi)其他系統(tǒng)產(chǎn)生的不可預(yù)測干擾，也會對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生負(fù)面影響。

此類挑戰(zhàn)會對窄帶系統(tǒng)造成影響，而窄帶系統(tǒng)更適用于開放空間環(huán)境。在此背景下，UWB成為切實(shí)可行的解決方案，因其受上述問題的影響更小。

UWB的性能可實(shí)現(xiàn)電池組各子系統(tǒng)間電流、電壓等測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)同步，同步精度遠(yuǎn)低于微秒級。基于UWB的電池管理系統(tǒng)另一優(yōu)勢在于時隙調(diào)度機(jī)制。

這種調(diào)度機(jī)制得益于靜態(tài)星形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（見圖4），所有UWB收發(fā)器均保持同步，明確數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的時間節(jié)點(diǎn)。因此，系統(tǒng)可切換工作模式以節(jié)省能耗，并避免跳頻或數(shù)據(jù)沖突相關(guān)問題。該網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案同樣適用于低功耗藍(lán)牙和Zigbee無線電技術(shù)。

圖4：無線電池管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖，含調(diào)度驅(qū)動傳輸方案、星形網(wǎng)絡(luò)配置及針對低功耗藍(lán)牙、Zigbee和UWB無線電技術(shù)的功耗優(yōu)化模式。

基于NFC的無線電池管理系統(tǒng)

NFC是另一種應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)的無線技術(shù)。它提供了芯片集成電池（chip-on-cell）技術(shù)，適用于高壓鋰離子電池。具體而言，一款內(nèi)置軟件的CMOS芯片會將所有參數(shù)傳輸至每個電池監(jiān)測器，并通過NFC技術(shù)發(fā)送單個電池的數(shù)據(jù)。

電池組周圍環(huán)繞著一圈纖細(xì)的低壓導(dǎo)線回路，與傳感器相連，以確保快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸，同時保持較小的物理間距。這一設(shè)計還可為高壓電池提供電氣隔離。每個芯片都有專屬標(biāo)識符，無線電管理器會通過NFC連接對其進(jìn)行查詢，進(jìn)而控制通信過程并將數(shù)據(jù)傳輸至車輛電池管理單元。

基于V波段收發(fā)器的無線電池管理系統(tǒng)

將免授權(quán)60GHz射頻毫米波（mmWave）或V波段技術(shù)集成到電池管理系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)超高多吉比特數(shù)據(jù)速率，為短距離非接觸式連接帶來巨大機(jī)遇。該技術(shù)提供無連接器數(shù)據(jù)鏈路解決方案，具備前所未有的穩(wěn)定性。

大多數(shù)60GHz頻段收發(fā)器能提供高能效無線鏈路，數(shù)據(jù)速率高達(dá)10Gb/s，無需依賴物理線纜和連接器，即可實(shí)現(xiàn)短距離（數(shù)厘米）點(diǎn)對點(diǎn)通信。

這款緊湊、高性能且高速率的無線鏈路收發(fā)器，徹底改變了短距離點(diǎn)對點(diǎn)非接觸式通信格局，核心優(yōu)勢包括：

• 省去工業(yè)電子系統(tǒng)中因彎曲變形承受機(jī)械應(yīng)力的線纜。

• 具備超高能效、緊湊外形和創(chuàng)新架構(gòu)，優(yōu)化物料清單成本。

• 替代惡劣環(huán)境（如涉水、多塵、含鹽霧、強(qiáng)振動場景）下設(shè)備中昂貴的加固型連接器。

• 可在實(shí)現(xiàn)物理或電氣隔離的同時，保障無縫連接。

圖5展示了采用V波段無線電發(fā)射器的無線電池管理系統(tǒng)的可能架構(gòu)。

圖5：采用V波段無線電發(fā)射器實(shí)現(xiàn)通信的無線電池管理系統(tǒng)架構(gòu)。

有線與無線電池管理系統(tǒng)的差異

相較于傳統(tǒng)設(shè)計，電池管理系統(tǒng)中的無線通信具備多項優(yōu)勢。無線電池管理系統(tǒng)省去了有線電池管理系統(tǒng)所需的繁瑣人工裝配與測試流程，通常僅需連接電源端子即可。

同時，無線通信最大限度降低了短路風(fēng)險，因為易隨時間老化的物理連接數(shù)量極少。這類連接器的精簡讓系統(tǒng)可靠性更高。

無線電池管理系統(tǒng)的另一大優(yōu)勢是可擴(kuò)展性。它能讓制造商在其他車型上復(fù)用相同的模塊設(shè)計。

傳統(tǒng)方案中，電池單元通過線束與電池組相連。但這種布線設(shè)計限制了系統(tǒng)中可集成的電池單元數(shù)量。而無線電池管理系統(tǒng)則完全相反，其靈活性體現(xiàn)在可根據(jù)需求調(diào)整電池單元數(shù)量。

盡管具備諸多特性，無線電池管理系統(tǒng)也存在缺陷：

• 信號干擾：電池組的設(shè)計可能干擾電池單元、模塊與電池管理系統(tǒng)主機(jī)之間的無線信號。

• 安全風(fēng)險：由于采用無線通信，系統(tǒng)易遭遇網(wǎng)絡(luò)安全漏洞攻擊。

• 初始設(shè)置復(fù)雜：電池管理系統(tǒng)專用集成電路（ASIC）需先與系統(tǒng)進(jìn)行綁定。

下表對比了有線與無線電池管理系統(tǒng)兩種設(shè)計的差異。

無線電池管理系統(tǒng)對電動汽車生產(chǎn)及維護(hù)成本的影響

關(guān)于電池管理系統(tǒng)的成本，特定場景下哪種方案更具成本效益尚無明確答案。就生產(chǎn)層面而言，無線電池管理系統(tǒng)無需大量布線，因此所需資源更少，有望降低成本。

但無線通信模塊在初始開發(fā)階段可能成本較高，因為需要專業(yè)技術(shù)人員參與系統(tǒng)設(shè)計，尤其是射頻設(shè)計師。而就維護(hù)層面而言，無線電池管理系統(tǒng)優(yōu)勢顯著，如布線問題減少、診斷工作量降低，可能降低長期維護(hù)成本。

不過，無線模塊及潛在的信號干擾也帶來了新的維護(hù)挑戰(zhàn)。無線組件故障或通信問題可能需要高昂的專業(yè)維修費(fèi)用，且需持續(xù)校準(zhǔn)。總體而言，盡管無線電池管理系統(tǒng)的初始投入較高，但從長遠(yuǎn)來看，其靈活性和可擴(kuò)展性有助于降低生產(chǎn)與維護(hù)環(huán)節(jié)的整體成本。

如何將無線電池管理系統(tǒng)集成至電池架構(gòu)

將無線電池管理系統(tǒng)集成到電池架構(gòu)時，需遵循以下核心建議。例如，無論有線還是無線電池管理系統(tǒng)，其設(shè)計均需符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。最高安全等級——ASIL D要求系統(tǒng)具備保障措施，以應(yīng)對關(guān)鍵故障，包括意外故障和通信問題。

電動汽車電池內(nèi)部的射頻環(huán)境包含金屬部件，可能造成干擾或信號阻塞。由于系統(tǒng)每秒僅傳輸少量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)丟失不會顯著影響系統(tǒng)性能。但如果問題未得到及時解決，可能危及電池安全，引發(fā)熱失控等危險后果。

為規(guī)避這一風(fēng)險，射頻設(shè)計師必須精心優(yōu)化發(fā)射器與接收器之間的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。分組錯誤率（PER）可為設(shè)計師提供參考。理想情況下，數(shù)據(jù)成功傳輸概率應(yīng)達(dá)到99.999%，對應(yīng)的分組錯誤率為10??。這意味著每發(fā)送1000萬個數(shù)據(jù)包，最多只能有1個數(shù)據(jù)包傳輸失敗。

要確保無線電池管理系統(tǒng)的最高安全級別，需重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備層面和無線網(wǎng)絡(luò)層面的安全防護(hù)。例如，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須通過高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）或其他加密方式保護(hù)；只有可信設(shè)備才能通過雙向認(rèn)證接入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行通信。此外，車輛部署后必須鎖定調(diào)試端口，防止篡改。

電動汽車會全面轉(zhuǎn)向無線電池管理系統(tǒng)嗎？

由于無線電池管理系統(tǒng)近期才在汽車行業(yè)得到應(yīng)用，車企仍在對其進(jìn)行研發(fā)和測試。

例如，通用汽車已在其Ultium電池系統(tǒng)中集成了無線電池管理系統(tǒng)。該公司放棄有線通信的原因是，傳統(tǒng)設(shè)計中連接電池組件的銅線成本高昂且可靠性不足。取而代之的是，每個Ultium電池單元都連接了一個無線發(fā)射器。通用汽車稱，通過采用無線電池管理系統(tǒng)，電池組的布線用量減少了高達(dá)90%，體積縮小了15%。

盡管如此，無線電池管理系統(tǒng)不會迅速取代傳統(tǒng)方案。傳統(tǒng)有線電池管理系統(tǒng)仍是車企的主流選擇。盡管無線電池管理系統(tǒng)優(yōu)勢突出，但目前僅有少數(shù)企業(yè)在積極將其集成到車輛中。不過，市場很快將提供更豐富的選擇，有線和無線電池管理系統(tǒng)將針對不同使用場景和車型分別應(yīng)用。