有线还是无线？电动汽车中电池管理系统该如何选择？

（本文编译自Electronic Design）

电池管理系统（BMS）是电动汽车的核心组件之一。它对保障电池组的安全性、使用寿命以及管控其性能至关重要。该系统会监测电池的健康状态和荷电状态，通过电池单元均衡优化电池稳定性。它还会监控电池的电压、电流和温度等核心参数，确保所有指标均处于安全范围内。

目前，大多数汽车制造商都在努力降低产品设计的资源消耗。有线BMS虽经实践证明具备可靠性，但严重依赖铜线和电连接器，这些部件会随时间推移出现损耗。定位并修复此类问题的成本通常极高。

有线BMS设计的这些系统缺陷催生了无线BMS的诞生。转向无线BMS可显著简化高压电池（800伏及以上）的设计，同时提升其整体可靠性和安全性。

那传统BMS与无线BMS之间有何差异？两者个具有怎样的优劣？无线BMS又有哪些架构呢？

有线电池管理系统

传统有线系统的架构包含多个模拟前端（AFE）芯片。模拟前端芯片是电池管理系统与电池之间的中间介质，这些电池会被分组为电池模块。每个模块通常包含6至24个电池单元。

模拟前端芯片负责监测电池的温度和电压，并控制单个电池的均衡。它们被安装在印刷电路板组件（PCBA）上，该组件与电池管理系统通信，以管控整个电池系统的运行。

导线、引线框架或柔性印刷电路（FPC）将模块的电池端子与印刷电路板组件相连。此类设计会经过多次复制，最终构成高压电池组。

为实现中央电池管理系统与多个印刷电路板组件之间的高效通信，需通过线束将它们与隔离式通信总线连接。这种方式能够实时控制整个电池组的性能。图1展示了有线电池管理系统架构的特写。

图1：电动汽车传统有线电池管理系统的核心组件及通信流程示意图。

有线电池管理系统是一项经商业验证的成熟技术。有线连接使数据传输不易受外部干扰，能实现稳定通信，且无网络攻击风险。尽管该系统的优势毋庸置疑，但也存在一些局限性，具体如下：

• 制造流程耗时且成本高昂。装配带导线和各类组件的电池组需要极高精度，任务复杂度会随电池尺寸不同而变化。

• 有线电池管理系统难以扩展。更改配置可能需要更复杂的布线方案，这会增加成本并降低系统设计的整体灵活性。

• 存在电气故障和短路风险。为避免此类问题，必须安装隔离电路，这也会增加电池组的总体成本。

转向无线电池管理系统

无线方案的诞生旨在解决有线电池管理系统的缺陷。无线电池管理系统（wBMS）的设计与有线电池管理系统相似，同样包含模拟前端芯片，用于控制、测量每个电池模块内电池单元的关键参数，并将数据传输至印刷电路板组件。

不同之处在于，模块与电池管理系统主机之间并非通过有线通信总线连接，而是借助低功耗蓝牙（BLE）、近场通信（NFC）、Zigbee、超宽带（UWB）或专有无线通信协议建立无线连接。同时，网络的无线芯片组会与射频天线配合，以确保在电池组的封闭环境中高效工作。

基于BLE、Zigbee和UWB的无线电池管理系统

无线电池管理系统开发中最常用的无线技术包括低功耗蓝牙、Zigbee和UWB。低功耗蓝牙和Zigbee均为低功耗通信协议，工作频率为2.4GHz。但低功耗蓝牙运行于个人局域网（PAN），属于短距离通信技术，而Zigbee运行于局域网（LAN），覆盖范围更广。

UWB与低功耗蓝牙、Zigbee的核心区别在于，它采用高带宽脉冲而非调制载波频率。这种方式抗信号干扰和信号衰减能力更强，能保障数据传输的可靠性。UWB电池管理系统技术可实现机械开发阶段与电气开发阶段的解耦。

该方案有助于缩短项目周期、降低成本，还能省去连接器，且电池单元间无需布线，可提升能量密度，延长车辆续航里程。UWB是一种无线电技术，能以极低的能量水平，在无线电频谱的大部分频段上实现短距离、高带宽通信（见图2）。

图2：GPS、蓝牙、Wi-Fi与UWB的功率谱密度及频率范围对比。

图3详细展示了基于低功耗蓝牙、Zigbee和UWB通信技术实现的无线电池管理系统架构。

图3：采用低功耗蓝牙、Zigbee及UWB通信协议的电动汽车无线电池管理系统架构。

电池组内的射频（RF）环境具有独特性，与开放空间通信环境不同。电池模块置于金属外壳中，可能引发信号反射。这些反射会导致信号反弹和频率选择性衰落。此外，同一频段内其他系统产生的不可预测干扰，也会对数据传输产生负面影响。

此类挑战会对窄带系统造成影响，而窄带系统更适用于开放空间环境。在此背景下，UWB成为切实可行的解决方案，因其受上述问题的影响更小。

UWB的性能可实现电池组各子系统间电流、电压等测量数据的精准同步，同步精度远低于微秒级。基于UWB的电池管理系统另一优势在于时隙调度机制。

这种调度机制得益于静态星形网络设计（见图4），所有UWB收发器均保持同步，明确数据发送与接收的时间节点。因此，系统可切换工作模式以节省能耗，并避免跳频或数据冲突相关问题。该网络设计方案同样适用于低功耗蓝牙和Zigbee无线电技术。

图4：无线电池管理系统架构示意图，含调度驱动传输方案、星形网络配置及针对低功耗蓝牙、Zigbee和UWB无线电技术的功耗优化模式。

基于NFC的无线电池管理系统

NFC是另一种应用于电池管理系统的无线技术。它提供了芯片集成电池（chip-on-cell）技术，适用于高压锂离子电池。具体而言，一款内置软件的CMOS芯片会将所有参数传输至每个电池监测器，并通过NFC技术发送单个电池的数据。

电池组周围环绕着一圈纤细的低压导线回路，与传感器相连，以确保快速可靠的数据传输，同时保持较小的物理间距。这一设计还可为高压电池提供电气隔离。每个芯片都有专属标识符，无线电管理器会通过NFC连接对其进行查询，进而控制通信过程并将数据传输至车辆电池管理单元。

基于V波段收发器的无线电池管理系统

将免授权60GHz射频毫米波（mmWave）或V波段技术集成到电池管理系统中，可实现超高多吉比特数据速率，为短距离非接触式连接带来巨大机遇。该技术提供无连接器数据链路解决方案，具备前所未有的稳定性。

大多数60GHz频段收发器能提供高能效无线链路，数据速率高达10Gb/s，无需依赖物理线缆和连接器，即可实现短距离（数厘米）点对点通信。

这款紧凑、高性能且高速率的无线链路收发器，彻底改变了短距离点对点非接触式通信格局，核心优势包括：

• 省去工业电子系统中因弯曲变形承受机械应力的线缆。

• 具备超高能效、紧凑外形和创新架构，优化物料清单成本。

• 替代恶劣环境（如涉水、多尘、含盐雾、强振动场景）下设备中昂贵的加固型连接器。

• 可在实现物理或电气隔离的同时，保障无缝连接。

图5展示了采用V波段无线电发射器的无线电池管理系统的可能架构。

图5：采用V波段无线电发射器实现通信的无线电池管理系统架构。

有线与无线电池管理系统的差异

相较于传统设计，电池管理系统中的无线通信具备多项优势。无线电池管理系统省去了有线电池管理系统所需的繁琐人工装配与测试流程，通常仅需连接电源端子即可。

同时，无线通信最大限度降低了短路风险，因为易随时间老化的物理连接数量极少。这类连接器的精简让系统可靠性更高。

无线电池管理系统的另一大优势是可扩展性。它能让制造商在其他车型上复用相同的模块设计。

传统方案中，电池单元通过线束与电池组相连。但这种布线设计限制了系统中可集成的电池单元数量。而无线电池管理系统则完全相反，其灵活性体现在可根据需求调整电池单元数量。

尽管具备诸多特性，无线电池管理系统也存在缺陷：

• 信号干扰：电池组的设计可能干扰电池单元、模块与电池管理系统主机之间的无线信号。

• 安全风险：由于采用无线通信，系统易遭遇网络安全漏洞攻击。

• 初始设置复杂：电池管理系统专用集成电路（ASIC）需先与系统进行绑定。

下表对比了有线与无线电池管理系统两种设计的差异。

无线电池管理系统对电动汽车生产及维护成本的影响

关于电池管理系统的成本，特定场景下哪种方案更具成本效益尚无明确答案。就生产层面而言，无线电池管理系统无需大量布线，因此所需资源更少，有望降低成本。

但无线通信模块在初始开发阶段可能成本较高，因为需要专业技术人员参与系统设计，尤其是射频设计师。而就维护层面而言，无线电池管理系统优势显著，如布线问题减少、诊断工作量降低，可能降低长期维护成本。

不过，无线模块及潜在的信号干扰也带来了新的维护挑战。无线组件故障或通信问题可能需要高昂的专业维修费用，且需持续校准。总体而言，尽管无线电池管理系统的初始投入较高，但从长远来看，其灵活性和可扩展性有助于降低生产与维护环节的整体成本。

如何将无线电池管理系统集成至电池架构

将无线电池管理系统集成到电池架构时，需遵循以下核心建议。例如，无论有线还是无线电池管理系统，其设计均需符合ISO 26262标准。最高安全等级——ASIL D要求系统具备保障措施，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包含金属部件，可能造成干扰或信号阻塞。由于系统每秒仅传输少量数据，数据丢失不会显著影响系统性能。但如果问题未得到及时解决，可能危及电池安全，引发热失控等危险后果。

为规避这一风险，射频设计师必须精心优化发射器与接收器之间的数据传输可靠性。分组错误率（PER）可为设计师提供参考。理想情况下，数据成功传输概率应达到99.999%，对应的分组错误率为10⁻⁷。这意味着每发送1000万个数据包，最多只能有1个数据包传输失败。

要确保无线电池管理系统的最高安全级别，需重点关注设备层面和无线网络层面的安全防护。例如，网络中传输的数据必须通过高级加密标准（AES）或其他加密方式保护；只有可信设备才能通过双向认证接入网络并进行通信。此外，车辆部署后必须锁定调试端口，防止篡改。

电动汽车会全面转向无线电池管理系统吗？

由于无线电池管理系统近期才在汽车行业得到应用，车企仍在对其进行研发和测试。

例如，通用汽车已在其Ultium电池系统中集成了无线电池管理系统。该公司放弃有线通信的原因是，传统设计中连接电池组件的铜线成本高昂且可靠性不足。取而代之的是，每个Ultium电池单元都连接了一个无线发射器。通用汽车称，通过采用无线电池管理系统，电池组的布线用量减少了高达90%，体积缩小了15%。

尽管如此，无线电池管理系统不会迅速取代传统方案。传统有线电池管理系统仍是车企的主流选择。尽管无线电池管理系统优势突出，但目前仅有少数企业在积极将其集成到车辆中。不过，市场很快将提供更丰富的选择，有线和无线电池管理系统将针对不同使用场景和车型分别应用。