【核芯观察】无线BMS产业链

前言：核芯产业梳理是电子发烧友编辑部出品的深度系列专栏，目的是用最直观的方式令读者尽快理解电子产业架构，理清上、中、下游的各个环节，同时迅速了解各大细分环节中的行业现状。我们计划会对包括集成电路、分立器件、传感器、光电器件等半导体产业上下游进行梳理。本期产业梳理聚焦无线BMS行业，分析当前行业的主要供应商以及技术方案。

 
无线BMS是什么
 
BMS全称是Battery Management System，即电池管理系统，顾名思义是一种对电池进行管理，包括对电池进行监测、控制等的系统。具体来说，BMS可以通过传感器，对电池电压、电流、温度等数据进行实时反馈，提供电池状态监测、电池荷电状态（SOC）估算、电池安全保护、电池控制管理、电池信息管理等功能。
 
而在电动汽车上，目前动力电池系统占到整车成本的30%~40%，核心地位毋庸置疑。而BMS在动力电池系统中也起到了极为关键的作用，通过监控电池系统状态，来实时对其做出相应的控制，在提供驱动系统等部分所需要的电能外，保障电池系统的安全以及延长电池寿命。
 
BMS主要由两大模块组成，包括采集模块（BSU）和主控模块（BMU）。其中采集模块也叫从控模块，承担单体电池或电池组的电压采集、电流采集、电池均衡管理等功能；主控模块则负责电池系统总电压、总电流采集，以及内外部通信、故障记录、故障报警、电池保护等功能。
 
BMS按拓扑结构可以分为集中式和分布式两种形式，主要是采集模块和主控模块的分布形式有所差异。集中式BMS主要在一些低压、容量较小的电池系统中，比如小型无人机、电动两轮车、智能家居、机器人等领域，在这些电池系统中，BMS被集成到一个主板或一个盒体内，采集模块和主控模块之间的通信直接在电路板上进行，省去了通信线束和接口，集成度较高。
 
分布式BMS则是由主控模块和多个采集模块共同组成，主控模块和采集模块之间需要线束连接进行供电以及通信等，采集模块将从单个电池或是电池模组采集到的信息通过总线向主控模块传输。分布式BMS主要在高压电池系统，比如汽车、大规模储能等领域应用。
 
而在新能源汽车上，无论是PHEV还是BEV车型，都配备了高压电池包。随着新能源汽车对于续航里程的需求提高，电池容量不断增加，电池组数量增多，而BMS普遍采用菊花链的拓扑结构，又给电池包带来繁杂的线束和接口，而线束、连接器一直都是发生失效和故障较多的部分，这些部分都给系统可靠性和轻量化造成不小的负面影响。
 
因此，为了减少线束数量，降低电池包重量和体积，无线BMS也就成了行业内技术开发和应用的重要方向之一，直到近年开始正式在量产车型上开始使用。
 

图源：ADI

 
无线BMS将传统的有线CAN总线和SPI总线中使用的线缆，转成无线通信，相当于采集模块与采集模块之间、采集模块和主控模块之间的线缆全部取消，所有采集模块的数据都可以无线传输到主控模块上，同时采集模块之间也可以互相通信。
 
综合来说，无线BMS与有线BMS相比，主要有几大优势。首先无线BMS能够减少90%的线束和连接器，简化电池包架构，在降低了系统总成本、提高可靠性的同时，未来维护和维修成本也因为系统架构的简化而降低。
 
其次，无线BMS由于减少了大量线束，能够节省15%的电池包体积，降低电池包重量，同样体积的电池包内能容纳更大容量的电池模组，或是降低同样容量的电池包重量，这些变化都有助于提高电动汽车续航里程。
 
同时，无线BMS由于没有线缆的束缚，在安装和放置方案上有更大的灵活性、扩展性，能够提供不同的外形尺寸、支持不同规模的电池模块，满足更多类型的电动汽车需求。
 
另外，无线BMS由于在无线芯片中集成MCU，能够实时监测电池状态的同时，也可以将一部分数据分析处理的任务转移到边缘端，降低数据延迟。当然，也能够将数据实时与云端同步，云端可以对其进行实时监测以及数据分析。
 
也因为这些优点，包括芯片公司、零部件供应商、整车厂、电池供应商等都在推进无线BMS的研究，目前也已经有一些乘用车搭载了无线BMS方案，比如通用汽车的奥特能电池平台。
 

无线BMS包含哪些芯片？
 
无线BMS与普通BMS的差别主要在于将通信部分的连接线，变成通过无线芯片进行数据通信。所以在方案的芯片组成上，无线BMS的变化主要在无线通信芯片上。
 
以英飞凌的BMS方案为例，其中的主要芯片包括电池控制单元中的MCU、PMIC；电池监测和电池平衡IC、电流传感器、压力传感器、温度传感器、AFE芯片；电池保护单元中的高低边开关、高压栅极驱动器、MOSFET等。当然最后在通信方面还需要有线或无线的隔离通信收发器，这部分有时候被集成到MCU中。
 

无线BMS难点
 
BMS最关键的部分实际是SOC估测算法，其精度和鲁棒性决定了BMS系统的性能，在不同状态下，比如常温、高低温环境、电池衰减后如何准确估算电池SOC，是算法的难点。另外是电池均衡方面，高端的BMS能够平衡每个电芯或电池模组的能量，能够通过估算数据，将高能量电池往低能量的电池转移，提高电池单体的一致性。
 
而无线BMS同样需要解决多个难点，首先是数据传输的可靠性，由于在电池端的采集模块需要将数据传输到其他采集模块或是主控模块中，在整个电池包中有多个电池模组组成，那么也就意味着要有相应的采集模块和多个无线发射单位。
 
无线BMS主要运行在2.4GHz的ISM频段，这个频段与日常常见的WiFi、蓝牙等相同，在该频段上使用的设备较多，加上汽车座舱本身具备多种电子设备，在无线环境复杂的情况下，无线BMS的电磁兼容性就面临很大的挑战。如果无线BMS的传输被干扰，数据包出现错误，这有可能导致整个系统错失电池准确状态而无法对其进行监测、保护等动作，未能及时对电池包的状况作出应有的响应，那么可能将出现电池热失控等严重故障，危及行车安全。
 
因此，如何保障在恶劣的射频环境下保障无线BMS的数据稳定传输，是无线BMS能够上车的关键。目前各家的无线BMS方案都采用了不同的的无线协议，有私有协议也有蓝牙协议。
 
另一方面，系统中的采集模块和主控模块需要在车辆启动期间形成初始网络，并且这一过程需要非常快速地完成。当然还需要系统是功耗足够低，以确保能够在运行期间保持低温以及延长运行时间。
 

无线BMS产业链简析
 
BMS作为一套系统，目前主要有三类玩家，一是整车厂自研，其中有包括像特斯拉、比亚迪、零跑、长安等全栈自研，采购芯片自己设计BMS主板、模块等硬件，同时还自己开发BMS软件、算法等。因为整车厂具有丰富的动力电池运行数据，在开发SOC算法、电池保护、控制等软件方面会具备一定的优势。
 
另外整车厂也有通过外购硬件方案，自研软件算法的方式来构建BMS。而目前整体来看车企通过全栈自研或是自研软件的方式构建BMS已经成为大趋势。
 
二是电池供应商，比如宁德时代、LG、松下、丰巢能源、欣旺达、国轩高科等。一些大型的电池供应商会具备电池包PACK的制造能力，同时对电池特性、电化学等有长期积累，因此在BMS方面会有一定技术优势，自研也可以为客户提供更完整的电池包方案，利用自身优势扩大业务范围。
 
三是第三方玩家，比如伟世通、联合电子、纬湃科技、均胜电子、华为等，一般是汽车零部件供应商或是方案商。
 
而具体到无线BMS上，目前最早在量产车型上应用的是通用汽车的奥特能平台，首发在凯迪拉克的Lyriq车型上，由伟世通设计和制造，采用ADI的wBMS解决方案。
 
上游芯片方面，无线BMS的主要无线芯片供应商有ADI、TI、英飞凌、NXP、瑞萨、华为等。
 
中游的无线BMS硬件模块目前只有伟世通实现量产，另外多家Tier 1、电池供应商等都在研发中，LG Innotek今年年初展示了其800V无线BMS，预计2024年开始量产。
 

无线BMS方案对比
 
凭借芯片端技术和产业链优势，ADI和 TI最早入局到无线 BMS芯片领域。在量产进度上也遥遥领先，通用汽车早在2021年已将 ADI无线 BMS技术应用于自己的奥特能电池平台中，并在凯迪拉克Lyriq车型上量产；TI则基于CC2662R-Q1无线MCU和BQ79616-Q1电池监控器推出无线BMS方案。
 
在无线BMS中关键的无线协议中，目前各家的方案几乎都不相同，有采用行业标准的无线通信协议的厂商，也有选择私有协议的。
 
综合现阶段无线BMS芯片厂商的选择，主流赛道有三种无线传输协议的阵容，蓝牙BLE、私有2.4GHz协议和星闪。

图源：ADI

 
首先ADI采用的是自家SmartMesh无线传感器网络，这项技术支持时间同步通道跳频技术，TSCH网络中的每个数据包交换通道都会跳频以避开RF干扰和多路径衰落。另一方面不同设备之间的多次数据传送可以在不同通道上同时发生，增大了网络带宽。此外，TSCH网络高可用性的占空比基本不会出现数据包碰撞问题，网络十分密集且可以拓展，而不会产生削弱RF信号的自干扰。据官方介绍，在无线BMS复杂的射频环境下，SmartMesh可靠度超99.99%。

图源：TI

 
TI的无线BMS采用了专有的无线通信协议SimpleLink，这是一种基于2.4GHz频段的BLE，经过编制后的专有无线BMS协议，每个中央单元可支持多达32个节点的星型网络配置，能够提高吞吐量，以及降低数据延迟；数据存储量可以做到1.2Mbps，每个节点的延迟会控制在2ms以下。
 
跟据官方介绍，SimpleLink可以提供业界出色的网络可用性(超过99.999%)和300ms的网络重启更大可用性。而采用SimpleLink技术的无线MCU可提供高吞吐量和低延迟的专用时隙以防止数据丢失或损坏，同时使多个电池单元能够以±2mV的精度向主MCU发送电压和温度数据，且网络数据包错误率小于10-7。
 
而英飞凌、瑞萨、NXP则选择使用蓝牙BLE作为无线BMS的通信协议。
 
英飞凌目前的无线BMS方案当前是采用分立器件组成，用BLE芯片替代了原本有线收发器来实现数据传输。英飞凌提供的Connected mesh组网方式，能够在保证通讯速率的同时，增加通讯节点数。为了进一步优化无线BMS系统结构和成本，英飞凌还在持续开发BLE+AFE的一站式解决方案，新的无线BMS方案也会支持ASIL D功能安全等级。
 
瑞萨由于收购了Dialog，因此也选择了BLE作为其无线BMS方案的通信协议，不过目前瑞萨仍表示正在开发相关产品，还没有太多资料展示。
 
NXP提出了“无线模组”的概念，提供单电芯、小/中/大模组的无线BMS方案，并提供全套的软硬件支撑，包括主板硬件、从板硬件，通讯协议栈等，其中软件基于BLE低功耗蓝牙协议的软件协议栈，可保证无线通讯的实时性、可靠性，较低的误码率与抗干扰性，确保系统层面达到ASIL-D功能安全等级。从官网产品上看，NXP在2022年12月推出了基于BLE 5.3的无线MCU KW45，通过了AEC-Q100 Grade 2车规认证，可用于无线BMS。
 
华为和宁德时代都基于星闪通信技术开发了无线BMS，根据华为此前的介绍，采用星闪技术的无线BMS是业界唯一支持从模组级到电芯级监测的标准化方案，并支持对百量级单元进行独立监测，同时支持车载、梯次利用、储能、仓储等场景。
 

总结：
 
无线BMS尽管目前在电动汽车上的落地应用很非常少，但各家都在投入到无线BMS的开发中。未来无线BMS在电池包减重、提高电池包空间利用率、提升续航里程、中央域控制趋势、电池梯度回收等多个方面有很大帮助，不过实际上目前的BMS也有很多方面的创新，包括采用FPC柔性电路板来制造采集模块，或直接将采集板与电芯布置在一起，用busbar等完成采样或直接与电芯接触，同样能够节省大量线束，提高集成度。
 
因此无线BMS还需要厂商继续深入开发，展现出无线BMS方案的潜力。