无线BMS技术

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美国通用汽车在2022年Q2推出业内第一款完全无线BMS的量产电动汽车，并表示后续将在所有开发计划的奥特能平台搭载无线BMS（wBMS），可以看出通用汽车对无线BMS技术的推崇。那么什么是无线BMS呢？

wBMS与传统的有线BMS功能相同且架构类似，唯一的区别在于内部和外部沟通渠道。传统的有线BMS架构采用线束将电池的电压、温度等信息传递给控制器，线束基于菊花链ISOSPI进行配置，制造工艺繁琐，需要经常维护，且维修难度高。而wBMS技术采用无线芯片组与电池监测器协同工作，可将电压和温度数据以无线通信的方式从每个电池单元传递到系统中的主微控制器，节省了高达90%的线束和高达15%的电池组体积，提高了设计灵活性和可制造性，降低了车辆的重量并节省了成本。此外以无线通信取代单元模块中的线束，可接入系统的节点数增加，提高了模组的扩展能力，同时降低了故障风险。

目前研究中的wBMS大致可分为五种类别：Bluetooth-basedWBMS (BWBMS)，Zigbee-based WBMS(ZWBMS), Wi-Fi-based WBMS (Wi-Fi-WBMS), Internet of Things(IoT)-based WBMS(IoT-WBMS) 和 Cloud-based WBMS(CWBMS)。除去以上的无线拓扑，还有一些其它的无线通信技术如近场通信和Wi-Fi HaLow，然而这些尚未被研究人员成功地应用于wBMS，并且这些技术泛化能力差、系统成本更高。
当前无线BMS的代表方案有如下几种：1. Linear/ADI 的SmartMesh方案2017年上海慕尼黑电子展上,Linear展示了其Smart Mesh Wireless，BMS方案，将Linear的电池组监控芯片LTC6811和 SmartMesh 无线网络产品在宝马i3车型上进行了整合。方案中，控制器之间采用凌特的支持无线传感网络协议——Smart Mesh IP的芯片（LTC5800-IPR）组网，主控芯片ARMCortex-M3 32-bit，主控芯片里面运行着网络通讯软件。属于Internet of Things(IoT)-based WBMS (IoT-WBMS)方案的一种。凌特的wBMS方案中采用的SmartMesh通信协议，符合WirelessHART (IEC 62591) 标准。SmartMeshIP 产品线实现了网络适应性、可靠性和可扩展性水平，并拥有高级网络管理和安全特性。前身属于凌力尔特公司，现在属于ADI公司。
电池包里面的EMI/EMC对无线信号是个非常大的挑战，不过凌特的实验数据证明，无线网络的可靠性可以达到4个9-99.99%。所有节点之前能够在毫秒内完成时间同步，对计算SOC及电池内阻等功能是非常有利的。
2. TI的wBMS方案
TI的wBMS方案中，从板的AFE芯片是BQ79616-Q1，主芯片是CC2662，总体架构和凌特的大同小异，无线网络最多支持100个节点。CC2662R-Q1支持2.4 GHz WiFi、低功耗蓝牙、Zigbee、Sub-1 GHz等无线通讯方式，并且兼容TI专有的无线BMS协议，可实现快速组网。



3. NXP方案
NXP的wBMS Roadmap如下图。当前还是以其传统MCU和AFE搭配KW45/37系低功耗蓝牙通信芯片的方案实现wBMS。是Bluetooth-based WBMS (BWBMS)方案的一种。



4. Dukosi的wBMS方案
Dukosi基于其NFC近场通信产品开发了一套无线BMS方案。其构成如图。





无线BMS系统优点总结下来，主要为以下几点：1) 更可靠更简单：无论是CAN总线还是isoSPI总线，都采用菊花链方式将电池监控芯片串联起来，一旦某处连接出现问题，整个系统都将瘫痪。而无线通讯BMS可以减少接插件失效风险：单点的失效对整体的影响有限。并且对于在网络中新节点的添加和删除也比较灵活。2) 更智能：无线连接方案使得电池组位置摆放更加灵活，同时具备更好的可扩展性，可根据应用需求容易地增加温度、电流等更多的传感器，在恶劣环境中更是具备时间同步上的优势。3) 轻量化及成本降低：无线方案使得每辆车能节省10m导线以及0.5kg的连接器和变相器。因此，每生产50000辆车，将节省500km的导线以及 25000kg的连接器和变相器。在节约成本的同时也满足汽车轻量化趋势；同时，无线方式降低了组装成本，将来的硅片比导线和连接器更便宜，BMS总体成本将会更低。4) 降低Pack复杂度：采用无线后一方面减少了低压线束除了降成本和轻量化，另一方面模组独立性更强，在系统集成制造、甚至梯次利用上都更为便利。
但是无线BMS应用也存在某些问题，主要为增加了EMC干扰与受扰风险。Wireless势必会增加BMS的RA干扰发射，为了将PACK的干扰发射维持在较低水平，需要对壳体、接插件、线束进行屏蔽处理。同理Wireless也更易受到干扰，在设计PACK结构时，就要留出无线通信的物理和频率空间，并进行相应的EMC仿真和验证。