（本文編譯自Electronic Design）
電池管理系統（BMS）是電動汽車的核心組件之一。它對保障電池組的安全性、使用壽命以及管控其性能至關重要。該系統會監測電池的健康狀態和荷電狀態，通過電池單元均衡優化電池穩定性。它還會監控電池的電壓、電流和溫度等核心參數，確保所有指標均處于安全范圍內。
目前，大多數汽車制造商都在努力降低產品設計的資源消耗。有線BMS雖經實踐證明具備可靠性，但嚴重依賴銅線和電連接器，這些部件會隨時間推移出現損耗。定位并修復此類問題的成本通常極高。
有線BMS設計的這些系統缺陷催生了無線BMS的誕生。轉向無線BMS可顯著簡化高壓電池（800伏及以上）的設計，同時提升其整體可靠性和安全性。
那傳統BMS與無線BMS之間有何差異？兩者個具有怎樣的優劣？無線BMS又有哪些架構呢？
有線電池管理系統
傳統有線系統的架構包含多個模擬前端（AFE）芯片。模擬前端芯片是電池管理系統與電池之間的中間介質，這些電池會被分組為電池模塊。每個模塊通常包含6至24個電池單元。
模擬前端芯片負責監測電池的溫度和電壓，并控制單個電池的均衡。它們被安裝在印刷電路板組件（PCBA）上，該組件與電池管理系統通信，以管控整個電池系統的運行。
導線、引線框架或柔性印刷電路（FPC）將模塊的電池端子與印刷電路板組件相連。此類設計會經過多次復制，最終構成高壓電池組。
為實現中央電池管理系統與多個印刷電路板組件之間的高效通信，需通過線束將它們與隔離式通信總線連接。這種方式能夠實時控制整個電池組的性能。圖1展示了有線電池管理系統架構的特寫。
圖1：電動汽車傳統有線電池管理系統的核心組件及通信流程示意圖。
有線電池管理系統是一項經商業驗證的成熟技術。有線連接使數據傳輸不易受外部干擾，能實現穩定通信，且無網絡攻擊風險。盡管該系統的優勢毋庸置疑，但也存在一些局限性，具體如下：
制造流程耗時且成本高昂。裝配帶導線和各類組件的電池組需要極高精度，任務復雜度會隨電池尺寸不同而變化。
有線電池管理系統難以擴展。更改配置可能需要更復雜的布線方案，這會增加成本并降低系統設計的整體靈活性。
存在電氣故障和短路風險。為避免此類問題，必須安裝隔離電路，這也會增加電池組的總體成本。
轉向無線電池管理系統
無線方案的誕生旨在解決有線電池管理系統的缺陷。無線電池管理系統（wBMS）的設計與有線電池管理系統相似，同樣包含模擬前端芯片，用于控制、測量每個電池模塊內電池單元的關鍵參數，并將數據傳輸至印刷電路板組件。
不同之處在于，模塊與電池管理系統主機之間并非通過有線通信總線連接，而是借助低功耗藍牙（BLE）、近場通信（NFC）、Zigbee、超寬帶（UWB）或專有無線通信協議建立無線連接。同時，網絡的無線芯片組會與射頻天線配合，以確保在電池組的封閉環境中高效工作。
基于BLE、Zigbee和UWB的無線電池管理系統
無線電池管理系統開發中最常用的無線技術包括低功耗藍牙、Zigbee和UWB。低功耗藍牙和Zigbee均為低功耗通信協議，工作頻率為2.4GHz。但低功耗藍牙運行于個人局域網（PAN），屬于短距離通信技術，而Zigbee運行于局域網（LAN），覆蓋范圍更廣。
UWB與低功耗藍牙、Zigbee的核心區別在于，它采用高帶寬脈沖而非調制載波頻率。這種方式抗信號干擾和信號衰減能力更強，能保障數據傳輸的可靠性。UWB電池管理系統技術可實現機械開發階段與電氣開發階段的解耦。
該方案有助于縮短項目周期、降低成本，還能省去連接器，且電池單元間無需布線，可提升能量密度，延長車輛續航里程。UWB是一種無線電技術，能以極低的能量水平，在無線電頻譜的大部分頻段上實現短距離、高帶寬通信（見圖2）。
圖2：GPS、藍牙、Wi-Fi與UWB的功率譜密度及頻率范圍對比。
圖3詳細展示了基于低功耗藍牙、Zigbee和UWB通信技術實現的無線電池管理系統架構。
圖3：采用低功耗藍牙、Zigbee及UWB通信協議的電動汽車無線電池管理系統架構。
電池組內的射頻（RF）環境具有獨特性，與開放空間通信環境不同。電池模塊置于金屬外殼中，可能引發信號反射。這些反射會導致信號反彈和頻率選擇性衰落。此外，同一頻段內其他系統產生的不可預測干擾，也會對數據傳輸產生負面影響。
此類挑戰會對窄帶系統造成影響，而窄帶系統更適用于開放空間環境。在此背景下，UWB成為切實可行的解決方案，因其受上述問題的影響更小。
UWB的性能可實現電池組各子系統間電流、電壓等測量數據的精準同步，同步精度遠低于微秒級。基于UWB的電池管理系統另一優勢在于時隙調度機制。
這種調度機制得益于靜態星形網絡設計（見圖4），所有UWB收發器均保持同步，明確數據發送與接收的時間節點。因此，系統可切換工作模式以節省能耗，并避免跳頻或數據沖突相關問題。該網絡設計方案同樣適用于低功耗藍牙和Zigbee無線電技術。
圖4：無線電池管理系統架構示意圖，含調度驅動傳輸方案、星形網絡配置及針對低功耗藍牙、Zigbee和UWB無線電技術的功耗優化模式。
基于NFC的無線電池管理系統
NFC是另一種應用于電池管理系統的無線技術。它提供了芯片集成電池（chip-on-cell）技術，適用于高壓鋰離子電池。具體而言，一款內置軟件的CMOS芯片會將所有參數傳輸至每個電池監測器，并通過NFC技術發送單個電池的數據。
電池組周圍環繞著一圈纖細的低壓導線回路，與傳感器相連，以確保快速可靠的數據傳輸，同時保持較小的物理間距。這一設計還可為高壓電池提供電氣隔離。每個芯片都有專屬標識符，無線電管理器會通過NFC連接對其進行查詢，進而控制通信過程并將數據傳輸至車輛電池管理單元。
基于V波段收發器的無線電池管理系統
將免授權60GHz射頻毫米波（mmWave）或V波段技術集成到電池管理系統中，可實現超高多吉比特數據速率，為短距離非接觸式連接帶來巨大機遇。該技術提供無連接器數據鏈路解決方案，具備前所未有的穩定性。
大多數60GHz頻段收發器能提供高能效無線鏈路，數據速率高達10Gb/s，無需依賴物理線纜和連接器，即可實現短距離（數厘米）點對點通信。
這款緊湊、高性能且高速率的無線鏈路收發器，徹底改變了短距離點對點非接觸式通信格局，核心優勢包括：
省去工業電子系統中因彎曲變形承受機械應力的線纜。
具備超高能效、緊湊外形和創新架構，優化物料清單成本。
替代惡劣環境（如涉水、多塵、含鹽霧、強振動場景）下設備中昂貴的加固型連接器。
可在實現物理或電氣隔離的同時，保障無縫連接。
圖5展示了采用V波段無線電發射器的無線電池管理系統的可能架構。
圖5：采用V波段無線電發射器實現通信的無線電池管理系統架構。
有線與無線電池管理系統的差異
相較于傳統設計，電池管理系統中的無線通信具備多項優勢。無線電池管理系統省去了有線電池管理系統所需的繁瑣人工裝配與測試流程，通常僅需連接電源端子即可。
同時，無線通信最大限度降低了短路風險，因為易隨時間老化的物理連接數量極少。這類連接器的精簡讓系統可靠性更高。
無線電池管理系統的另一大優勢是可擴展性。它能讓制造商在其他車型上復用相同的模塊設計。
傳統方案中，電池單元通過線束與電池組相連。但這種布線設計限制了系統中可集成的電池單元數量。而無線電池管理系統則完全相反，其靈活性體現在可根據需求調整電池單元數量。
盡管具備諸多特性，無線電池管理系統也存在缺陷：
信號干擾：電池組的設計可能干擾電池單元、模塊與電池管理系統主機之間的無線信號。
安全風險：由于采用無線通信，系統易遭遇網絡安全漏洞攻擊。
初始設置復雜：電池管理系統專用集成電路（ASIC）需先與系統進行綁定。
下表對比了有線與無線電池管理系統兩種設計的差異。
無線電池管理系統對電動汽車生產及維護成本的影響
關于電池管理系統的成本，特定場景下哪種方案更具成本效益尚無明確答案。就生產層面而言，無線電池管理系統無需大量布線，因此所需資源更少，有望降低成本。
但無線通信模塊在初始開發階段可能成本較高，因為需要專業技術人員參與系統設計，尤其是射頻設計師。而就維護層面而言，無線電池管理系統優勢顯著，如布線問題減少、診斷工作量降低，可能降低長期維護成本。
不過，無線模塊及潛在的信號干擾也帶來了新的維護挑戰。無線組件故障或通信問題可能需要高昂的專業維修費用，且需持續校準。總體而言，盡管無線電池管理系統的初始投入較高，但從長遠來看，其靈活性和可擴展性有助于降低生產與維護環節的整體成本。
如何將無線電池管理系統集成至電池架構
將無線電池管理系統集成到電池架構時，需遵循以下核心建議。例如，無論有線還是無線電池管理系統，其設計均需符合ISO 26262標準。最高安全等級——ASIL D要求系統具備保障措施，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包含金屬部件，可能造成干擾或信號阻塞。由于系統每秒僅傳輸少量數據，數據丟失不會顯著影響系統性能。但如果問題未得到及時解決，可能危及電池安全，引發熱失控等危險后果。
為規避這一風險，射頻設計師必須精心優化發射器與接收器之間的數據傳輸可靠性。分組錯誤率（PER）可為設計師提供參考。理想情況下，數據成功傳輸概率應達到99.999%，對應的分組錯誤率為10??。這意味著每發送1000萬個數據包，最多只能有1個數據包傳輸失敗。
要確保無線電池管理系統的最高安全級別，需重點關注設備層面和無線網絡層面的安全防護。例如，網絡中傳輸的數據必須通過高級加密標準（AES）或其他加密方式保護；只有可信設備才能通過雙向認證接入網絡并進行通信。此外，車輛部署后必須鎖定調試端口，防止篡改。
電動汽車會全面轉向無線電池管理系統嗎？
由于無線電池管理系統近期才在汽車行業得到應用，車企仍在對其進行研發和測試。
例如，通用汽車已在其Ultium電池系統中集成了無線電池管理系統。該公司放棄有線通信的原因是，傳統設計中連接電池組件的銅線成本高昂且可靠性不足。取而代之的是，每個Ultium電池單元都連接了一個無線發射器。通用汽車稱，通過采用無線電池管理系統，電池組的布線用量減少了高達90%，體積縮小了15%。
盡管如此，無線電池管理系統不會迅速取代傳統方案。傳統有線電池管理系統仍是車企的主流選擇。盡管無線電池管理系統優勢突出，但目前僅有少數企業在積極將其集成到車輛中。不過，市場很快將提供更豐富的選擇，有線和無線電池管理系統將針對不同使用場景和車型分別應用。
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