電池管理系統（BMS）是電動汽車的關鍵組成部分之一。這對于確保電池組的安全性、耐用性和管理性能至關重要。BMS控制電池單元的健康狀態和充電狀態，通過電池平衡優化其穩定性。它監控電池電壓、電流和溫度等核心參數，確保一切在安全范圍內。

如今，大多數汽車制造商都在努力降低設計的資源強度。雖然有線BMS長期以來被證明可靠，但它嚴重依賴銅線和電氣連接器，這些可能隨著時間磨損。尋找并修復這些問題通常非常昂貴。

有線BMS設計的這些系統缺陷促使無線BMS的出現。轉向無線BMS大大簡化了高壓電池（800伏及以上）的設計，并提升了其整體可靠性和安全性。

本文重點介紹傳統BMS與無線BMS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

傳統有線架構由多個模擬前端（AFE）芯片組成。AFE作為BMS與電池單元之間的中介，電池單元被分組成模塊。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，并控制電池的平衡。它們安裝在印刷電路板組件（PCBA）上，PCBA與BMS通信，管理整個電池系統的功能。

線路、引線框架或柔性印刷電路（FPC）使模塊的單元端子連接到PCBA。這種設計會被多次復制，形成高壓電池組。

為了中央BMS與多個PCBA之間的高效通信，使用線束通過隔離的通信總線將它們連接。這種方法使得實時控制整個電池組的性能成為可能。圖1展示了有線BMS架構的特寫。

1. 傳統電動汽車（EV）有線電池管理系統（BMS）中的關鍵組件和通信流程的示意。

有線BMS是經過商業驗證的技術。有線連接使數據傳輸更不易受到外部干擾，提供穩定的通信，避免網絡攻擊威脅。盡管這種設置有不可否認的好處，但它也存在一些限制，具體是：

• 這是一個耗時且成本高昂的制造過程。用電線和組件組裝電池組需要精確度。根據電池的大小，任務的復雜程度也會有所不同。

• 有線BMS很難擴展。更換配置可能需要更復雜的布線設置，提高成本并降低系統設計的靈活性。

• 存在電氣擊穿和短路的風險。為避免此問題，必須實現隔離電路，這也增加了電池組的整體成本。

轉向無線BMS

為了解決有線BMS的缺點，開發了一種無線方法。無線BMS的設計與有線BMS類似。它還包含AFE芯片，用于控制、測量并發送模塊內每個電池單元的關鍵參數到PCBA。

然而，模塊與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，網絡的無線芯片組與射頻天線結合，設計用于在電池組封閉環境中高效工作。

BLE、Zigbee 和基于 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運行在個人局域網（PAN）中，因此屬于短距離技術，而Zigbee則在局域網（LAN）中運行，覆蓋更廣的區域。

UWB與BLE和Zigbee的區別在于它使用高帶寬脈沖而非調制載波頻率。這種方法能更好地抵抗信號干擾和衰落，確保數據傳輸的可靠性。UWB BMS技術實現機械和電氣開發階段的脫鉤。

該方案可縮短項目進度和成本。它還消除了連接器，確保電池單元之間的布線能提供更好的能量密度，延長車輛續航里程。UWB是一種無線電技術，可以在極低能級下用于短距離、高帶寬通信，覆蓋廣闊的無線電頻譜（見圖2）。

2. 比較GPS、藍牙（IEEE 802.11b）、Wi-Fi（IEEE 802.11a）和超寬頻頻譜（3.1-10.6 GHz）的功率譜密度和頻率范圍。

UWB的功能允許電池組子系統之間的電流和電壓讀數進行精確同步，精度遠低于微秒級?；赨WB的BMS的另一個優點是采用時隙調度方法。

這種方法得益于靜態星網絡設計（見圖3），所有超寬頻收發器同步，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，并消除跳頻或數據碰撞等問題。網絡設計方法同樣適用于BLE和Zigbee無線電技術。

3. wBMS架構示意圖，采用計劃驅動的傳輸方案、星型網絡配置以及針對BLE、Zigbee和UWB無線技術的功率優化模式。

基于NFC的wBMS

另一種用于BMS的無線技術是近場通信。它提供芯片對電池技術，用于高壓鋰離子電池的集成。基本上，一顆帶有嵌入式軟件的CMOS芯片將所有參數傳輸到每個小區監控器，并通過NFC技術發送單個小區的數據。

電池組周圍有一圈細低壓線環連接到傳感器，確保數據傳輸快速可靠，保持小的物理隔離。此舉也用于為高壓電池提供電氣隔離。每個芯片都有自己的標識符，通過NFC連接由無線電管理器輪詢，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

將未授權的60 GHz射頻毫米波（mmWave）或V波段集成到BMS中，通過實現極高的多千兆數據速率，為短距離無接觸連接帶來了重大機會。它提供無需連接器的數據鏈解決方案，具有前所未有的穩定性。

大多數60 GHz頻段的收發器提供高數據率（最高可達10 Gb/s）的節能無線鏈路，使得短距離（幾厘米）的點對點通信成為可能，無需依賴物理電纜和連接器。

這款緊湊、高性能的無線鏈路收發器具有高數據率，是短距離點對點無接觸通信的顛覆者，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、緊湊的外形設計和創新架構，優化了材料清單。

• 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且硬化的連接器。

• 確保物理或電氣絕緣的能力，同時實現無縫連接。

圖4展示了wBMS所用V波段無線電發射機的可能架構。

4. 該wBMS架構采用V波段無線電發射機進行通信。

有線與無線BMS的區別

BMS中的無線通信相比傳統設計有多個優勢。無線BMS省去了有線BMS繁瑣的手工組裝和測試——通常只需連接到電源端子即可。

此外，無線通信最大限度地減少了短路的風險，因為物理連接極少，且可能隨時間劣化。減少這些連接器使系統更可靠。

無線電池管理系統的另一個重要優勢是可擴展性。它使制造商能夠在其他車型中使用相同的模塊設計。

傳統方式中，電池單元通過電纜線束連接到電池組。然而，這種布線方式限制了系統中可集成的電池單元數量。而wBMS則完全相反，因為根據需求靈活調整電池單元數量。

盡管wBMS有許多吸引人的功能，但也存在缺陷：

• 信號干擾：電池組設計可能會干擾電池單元、模塊和BMS主機之間的無線信號。

• 安全風險：由于無線通信，系統容易遭受網絡安全漏洞。

• 復雜的初始設置：BMS ASIC應最初綁定到系統上。

表格比較了有線和無線設計的差異。

比較有線和無線BMS的主要區別。

無線BMS對電動汽車制造和維護成本的影響

關于BMS的費用，目前尚無明確答案，具體情況下哪種更經濟。在制造業方面，無線電池管理系統可能降低成本，因為它不使用太多布線，因此所需的資源更少。

然而，無線通信模塊在初期開發階段可能成本較高，因為它們需要專業專家，尤其是射頻設計師，來參與系統設計。從維護角度看，無線BMS帶來諸如減少布線問題和減少診斷勞動力等優勢，可能降低長期維護成本。

不過，無線模塊和潛在的信號干擾帶來了新的維護挑戰，因為無線元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的初始投資更高，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

在將無線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，都必須設計符合ISO 26262道路車輛標準。最高安全級別——汽車安全完整性D級（ASIL D），要求系統具備安全防護措施，以應對關鍵故障，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，可能導致干擾或信號阻斷。由于系統每秒傳輸的數據量很少，數據丟失不會顯著降低系統性能。然而，如果不加以解決，這些問題可能危及電池安全，導致熱失控等危險后果。

為避免此風險，射頻設計者必須精心優化發送端與接收端之間數據傳輸的可靠性。數據包錯誤率（PER）可以為設計者提供指導。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，只有一個數據包可能失敗。

為了確保wBMS的最高安全水平，必須關注設備和無線網絡層面。例如，網絡上交換的數據必須通過AES或其他加密方法進行保護;只有受信任的設備才能訪問網絡并通過互認證通信。此外，飛行器部署后必須鎖定調試端口以避免篡改。

電動車會完全轉向無線BMS嗎？

由于無線BMS在汽車行業的應用直到最近才被采用，車輛制造商仍在研究和測試wBMS。

例如，通用汽車引入了無線Ultium BMS。從有線通信切換到有線通信的原因是其昂貴且不可靠的設計，電池部件上連接著銅線。相反，公司集成了一個無線發射器，連接到每個Ultium電池單元。隨著wBMS的實施，通用汽車聲稱節省了高達90%的布線和15%的電池容量。

不過，wBMS不會迅速取代傳統方法，因為它仍是汽車制造商的熱門選擇。盡管wBMS帶來了諸多優勢，但只有少數公司積極將wBMS集成到其車輛中。然而，市場很快將提供更廣泛的選擇，有線和無線BMS將應用于不同的用例和車輛類型。