无线BMS(电池管理系统)技术简介
近海
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2019.12.30
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在目前的BMS系统中,主控模块与从控模块之间的信息交换依然是以CAN总线通讯为主流,而菊花链(isoSPI)的方案也逐渐成熟,未来会有更多的BMS系统采用菊花链方式进一步降低成本。除此以外,无线BMS技术也受到越来越多人的关注,它的无线数据传输的特点在BMS系统中得到了充分发挥,本文简单介绍一下无线BMS技术。

1. 有线BMS系统存在的问题

在现有的主流BMS架构中,无论是CAN总线还是isoSPI总线,都是采用菊花链的方式将电池监控芯片串联起来,数据沿着链路逐级传递。这种架构带来的问题就是一旦链路中的某个节点出现问题,整个系统都会瘫痪,导致数据无法传递,这对于系统来说是致命的。

另外的问题就是每个模块之间需要通过导线连接,随着节点的增多需要更多的导线,这带来了重量问题以及成本的增加,而且还占据了宝贵的电池包内部空间,使得电池包的结构更加复杂。除此以外,导线和连接器也带了可靠性问题,比如导线或连接器的老化、振动带来的连接可靠性等等。

2. 无线BMS概念的出现

现在的汽车上已经有无线通信的应用,比如主动型胎压传感器TPMS,胎压传感器在轮胎内部采集气压和温度信号,然后通过无线的方式将数据发送至接收器。但由于胎压传感器放置在轮胎内部,无法通过导线为其供电,因此都需要内置电池作为电源,使用一段时间后需要更换电池。胎压传感器采用无线通信从某种程度上来说是因为其位置特殊而不得已而为之。

回到BMS上面来,随着电子技术的发展以及BMS产品的特点和无线技术的匹配度,有些芯片提供商提出了无线BMS的解决方案,凌特最先提出无线BMS的概念。在BMS系统中采用无线传输技术主要是基于以下几个原因:

(1) BMS产品自带电源。前面提到的主动型胎压传感器需要内置电池,而且需要定期更换,这给消费者带来一定的麻烦。而BMS的从控单元都能从动力电池上取电,根本不用担心它的供电问题。

(2) 在分布式BMS系统中,往往有多个从控单元。如果采用无线通信,往往需要有一定数量的节点才能将无线通信的优势体现出来,否则使用有线通信更合适。另外无线通信的原理也意味着网络节点越多系统的可靠性越好。

(3) BMS是连接高压和低压的产品。在汽车中,大多数ECU都是出于低压系统中,而BMS则是连接着高压和低压的模块,因此在BMS设计中首要考虑的问题就是如何有效地将高压和低压单元隔离,减少高压系统对低压系统的干扰。而采用无线通信方式就能够天然地将高压单元和低压单元有效隔离。

(4) BMS拓扑架构的选择。如果采用集中式架构,电池单体到BMS的采样线束就会比较长,这会带来动力电池的空间和重量问题。如果采用分布式架构,BMS的成本显著上升。因此采用无线通信可能会是比较不错的选择,既能让从控单元更接近电池模组,又能省去通信线束,一举两得。

3. 无线BMS拓扑架构

如下图所示为无线BMS系统拓扑架构图,所有的从控单元都可以通过无线传输的方式将数据发送至主控单元。

如下图所示,无线BMS系统形成了一个网络环境,使得通信路径更加多元,同时无线传输解决了汽车配线线束和连接器引起并长期存在的可靠性问题。

4. 无线BMS的优点和缺点

(1) 减少线束和接插件失效风险。无论是CAN还是菊花链的串行链路通讯方式,一旦链路中的某个节点失效就有可能引起整个链路通讯中断,系统鲁棒性不好。而无线BMS系统的鲁棒性更好,因为单点失效对整体的影响不大,另外在网络中节点的添加和删除也比较灵活。

(2) 电池包结构简单。采用无线传输减少了低压线束和连接器,降低重量的同时也降低成本,节省了宝贵的电池组内部空间,提高电池包的能量密度。另外无线传输模块的独立性更强,在系统集成制造甚至梯次利用上都更为便利。

(3) 减小从控单元尺寸。由于配线线束和接插件减少,从控单元尺寸减小,有利于BMS结构优化。

(4) 采用无线传输后,增加了系统的EMC问题。另外无线网络的安全问题也需要进一步验证和处理。

以上介绍了无线BMS系统的概念,分析了无线BMS系统的拓扑架构以及优缺点。目前无线BMS技术还处于发展的初期阶段,在实际应用中还有一些问题需要逐步解决,相信随着电子技术的发展,无线BMS技术会越来越成熟,为电动汽车的发展助力。

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