本文重點介紹傳統BMS和無線BMS之間的區別，比較它們的優缺點，同時探討各種無線BMS架構。

有線BMS

傳統有線設置的架構由多個模擬前端 （AFE） 芯片組成。AFE 充當 BMS 和電池之間的中介，電池被分組為模塊。每個模塊通常有 6 到 24 個單元。

AFE 芯片監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 通信以管理整個電池系統的功能。

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。這種設計被復制了多次，創造了一個高壓電池組。

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

有線 BMS 是一項經過商業驗證的技術。有線連接使數據傳輸不易受到外部干擾，并提供穩定的通信，而不會受到網絡攻擊的威脅。盡管這種設置具有不可否認的好處，但它也有一些限制，即：

• 這是一個耗時且昂貴的制造過程。用電線和組件組裝電池組需要精度。根據電池的大小，任務的復雜程度會有所不同。

• 有線 BMS 難以擴展。更改配置可能需要更復雜的接線設置，從而增加成本并最大限度地降低系統設計的總體靈活性。

• 存在電氣擊穿和短路的風險。為了避免這個問題，必須實現隔離電路，這也增加了電池組的總體成本。

切換到無線 BMS

創建了一種無線方法來解決有線 BMS 的缺點。無線BMS的設計與有線BMS相似。它還包含AFE芯片，用于控制、測量關鍵參數，并將其從模塊內的每個電池發送到PCBA。

然而，模塊和 BMS 主機之間的連接不是有線通信總線，而是通過藍牙低功耗 （BLE）、近場通信 （NFC）、Zigbee、超寬帶 （UWB） 或專有無線通信協議無線建立。此外，該網絡的無線芯片組與射頻天線相結合，旨在在電池組的封閉環境中提供有效的工作。

基于 BLE、Zigbee 和 UWB 的 wBMS

wBMS 開發中最常用的無線技術包括 BLE、Zigbee 和 UWB。藍牙和 Zigbee 都是低功耗通信協議，工作頻率為 2.4 GHz。然而，BLE 在個人局域網 （PAN） 中運行，這使其成為一種短距離技術，而 Zigbee 在局域網 （LAN） 中運行，覆蓋更大的區域。

UWB 與 BLE 和 Zigbee 的區別在于它使用高帶寬脈沖而不是調制載波頻率。這種方法提供了更好的抗信號干擾和衰落能力，確保可靠的數據傳輸。UWB BMS 技術可實現機械和電氣開發階段的解耦。

該解決方案可以減少項目時間和成本。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，從而延長車輛續航里程。UWB 是一種無線電技術，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詳細概述了基于BLE、Zigbee和UWB通信技術實現的wBMS架構。

電池組中的射頻環境是獨特的，不同于露天通信。電池模塊位于金屬外殼中，這可能會導致信號反射。這些反射會導致信號反彈和頻率選擇性衰落。此外，來自同一頻段內其他系統的不可預測的干擾會對數據傳輸產生負面影響。

這些挑戰會影響窄帶系統，而窄帶系統更適合露天環境。在這里，UWB 成為一種實用的解決方案，因為它受這些問題的影響較小。

UWB 的功能允許在遠低于微秒級別的電池組子系統中準確同步測量值，例如電流和電壓讀數。基于 UWB 的 BMS 的另一個好處是時隙調度方法。

這種方法是可能的，因為靜態星形網絡設計（圖4），其中所有UWB收發器都是同步的，知道何時發送或接收數據。因此，系統可以切換作模式以節省能源并消除與跳頻或數據沖突相關的問題。網絡設計方法也適用于BLE和Zigbee無線電技術。

基于 NFC 的 wBMS

用于 BMS 的另一種無線技術是近場通信。它提供用于集成在高壓鋰離子電池中的電池芯片技術。基本上，帶有嵌入式軟件的 CMOS 芯片將所有參數傳輸到每個電池監控器中，并通過 NFC 技術發送單個電池的數據。

電池組周圍的細低壓線環連接到傳感器，以確保快速可靠的數據傳輸，同時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。每個芯片都有自己的標識符，由無線電管理器通過 NFC 連接進行輪詢，該管理器控制通信過程并將數據傳輸到車輛電池管理單元。

基于 V 波段收發器的 wBMS

將未經許可的 60 GHz 射頻毫米波 （mmWave） 或 V 波段集成到 BMS 中，可實現極高的數千兆位數據速率，為短距離非接觸式連接提供重要機會。它提供了前所未有的穩定性的無連接器數據鏈解決方案。

大多數 60 GHz 頻段的收發器都提供具有高數據速率（高達 10 Gb/s）的節能無線鏈路，無需依賴物理電纜和連接器即可實現短距離（幾厘米）點對點通信。

這款緊湊、高性能的無線鏈路收發器具有高數據速率，是短距離、點對點非接觸式通信的游戲規則改變者，提供：

• 消除工業電子系統中因彎曲和彎曲而承受機械應力的電纜。

• 卓越的效率、緊湊的外形和創新的架構，可優化物料清單。

• 更換在水、灰塵、鹽分和振動等惡劣條件下運行的設備中昂貴的硬化連接器。

• 能夠確保物理或電氣絕緣，同時實現無縫連接。

圖5顯示了wBMS使用的V波段無線電發射機的可能架構。

有線和無線 BMS 之間的區別

與傳統設計相比，BMS 中的無線通信具有多種優勢。無線 BMS 消除了有線 BMS 所需的繁瑣手動組裝和測試——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險，因為隨著時間的推移，物理連接會下降。這些連接器的最小化使系統更加可靠。

無線電池管理系統的另一大優勢是可擴展性。它使制造商能夠在其他車型上使用相同的模塊設計。

在傳統方法中，電池單元通過線束連接到電池組。然而，這種接線設置限制了系統中可以合并的電池單元數量。對于 wBMS，情況恰恰相反，因為可以靈活地根據需要更改電池數量。

盡管有許多吸引人的功能，但 wBMS 也有其缺陷：

• 信號干擾：電池組設計可能會中斷電池、模塊和 BMS 主機之間的無線信號。

• 安全風險：由于無線通信，系統容易出現網絡安全漏洞。

• 復雜的初始設置：BMS ASIC 最初應綁定到系統。

該表比較了有線和無線設計之間的差異。

無線BMS對電動汽車制造和維護成本的影響

關于 BMS 的成本，對于具體情況，什么更具成本效益，沒有明顯的答案。在制造方面，無線電池管理系統可以降低成本，因為它不使用太多布線，因此需要更少的資源。

然而，無線通信模塊在初始開發階段可能很昂貴，因為它們需要專業專家，尤其是射頻設計人員，他們可以從事系統設計。從維護的角度來看，無線 BMS 具有更少的接線問題和減少診斷勞動力等優勢，從而有可能降低長期維護成本。

盡管如此，無線模塊和潛在的信號干擾仍帶來了新的維護挑戰，因為無線組件故障或通信問題可能需要昂貴的專業維修和持續校準。總體而言，雖然無線BMS的初始投資較高，但從長遠來看，系統的靈活性和可擴展性可以降低生產和維護成本。

如何將無線BMS集成到電池架構中

將無線 BMS 集成到電池架構中時，遵循關鍵建議非常重要。例如，無論是有線還是無線BMS，其設計都必須符合道路車輛的ISO 26262標準。最高安全級別是汽車安全完整性 D 級 （ASIL D），要求系統采取適當的保護措施來管理關鍵故障，包括意外故障和通信問題。

電動汽車電池內部的射頻環境由金屬部件組成，這可能會導致干擾或信號阻塞。由于系統每秒只傳輸少量數據，數據丟失不會顯著降低系統性能。然而，如果不加以解決，此類問題可能會危及電池安全，導致熱失控等危險后果。

為了避免這種風險，射頻設計人員必須仔細優化發射器和接收器之間數據傳輸的可靠性。數據包錯誤率 （PER） 可以為設計人員提供指導。理想情況下，成功傳輸的概率應為 99.999%，其中數據包錯誤率為 10-7。這意味著每發送 1000 萬個數據包，只有一個數據包會失敗。

為了確保最高級別的 wBMS 安全性，必須關注設備和無線網絡級別。例如，通過網絡交換的數據必須受到 AES 或其他加密方法的保護;只有受信任的設備才能訪問網絡并通過相互身份驗證進行通信。此外，一旦部署車輛，必須鎖定調試端口，以避免篡改。

電動汽車會完全轉向無線BMS嗎？

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

例如，通用汽車已經集成了無線 Ultium BMS。從有線通信轉向有線通信的原因是昂貴且不可靠的設計，電池組件上連接著銅線。相反，該公司集成了一個連接到每個 Ultium 電池的無線發射器。隨著wBMS的實施，通用汽車聲稱節省了高達90%的布線和15%的電池組體積。

盡管如此，wBMS 不會迅速取代傳統方法，因為它仍然是汽車制造商的熱門選擇。盡管 wBMS 提供了優勢，但只有少數公司正在積極將 wBMS 集成到他們的車輛中。然而，市場很快就會提供更廣泛的選擇，有線和無線 BMS 用于不同的用例和車輛類型。