【核芯觀察】無線BMS產業鏈

前言：核芯產業梳理是電子發燒友編輯部出品的深度系列專欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產業架構，理清上、中、下游的各個環節，同時迅速了解各大細分環節中的行業現狀。我們計劃會對包括集成電路、分立器件、傳感器、光電器件等半導體產業上下游進行梳理。本期產業梳理聚焦無線BMS行業，分析當前行業的主要供應商以及技術方案。

無線BMS是什么

BMS全稱是Battery Management System，即電池管理系統，顧名思義是一種對電池進行管理，包括對電池進行監測、控制等的系統。具體來說，BMS可以通過傳感器，對電池電壓、電流、溫度等數據進行實時反饋，提供電池狀態監測、電池荷電狀態（SOC）估算、電池安全保護、電池控制管理、電池信息管理等功能。

而在電動汽車上，目前動力電池系統占到整車成本的30%~40%，核心地位毋庸置疑。而BMS在動力電池系統中也起到了極為關鍵的作用，通過監控電池系統狀態，來實時對其做出相應的控制，在提供驅動系統等部分所需要的電能外，保障電池系統的安全以及延長電池壽命。

BMS主要由兩大模塊組成，包括采集模塊（BSU）和主控模塊（BMU）。其中采集模塊也叫從控模塊，承擔單體電池或電池組的電壓采集、電流采集、電池均衡管理等功能；主控模塊則負責電池系統總電壓、總電流采集，以及內外部通信、故障記錄、故障報警、電池保護等功能。

BMS按拓撲結構可以分為集中式和分布式兩種形式，主要是采集模塊和主控模塊的分布形式有所差異。集中式BMS主要在一些低壓、容量較小的電池系統中，比如小型無人機、電動兩輪車、智能家居、機器人等領域，在這些電池系統中，BMS被集成到一個主板或一個盒體內，采集模塊和主控模塊之間的通信直接在電路板上進行，省去了通信線束和接口，集成度較高。

分布式BMS則是由主控模塊和多個采集模塊共同組成，主控模塊和采集模塊之間需要線束連接進行供電以及通信等，采集模塊將從單個電池或是電池模組采集到的信息通過總線向主控模塊傳輸。分布式BMS主要在高壓電池系統，比如汽車、大規模儲能等領域應用。

而在新能源汽車上，無論是PHEV還是BEV車型，都配備了高壓電池包。隨著新能源汽車對于續航里程的需求提高，電池容量不斷增加，電池組數量增多，而BMS普遍采用菊花鏈的拓撲結構，又給電池包帶來繁雜的線束和接口，而線束、連接器一直都是發生失效和故障較多的部分，這些部分都給系統可靠性和輕量化造成不小的負面影響。

因此，為了減少線束數量，降低電池包重量和體積，無線BMS也就成了行業內技術開發和應用的重要方向之一，直到近年開始正式在量產車型上開始使用。

圖源：ADI

無線BMS將傳統的有線CAN總線和SPI總線中使用的線纜，轉成無線通信，相當于采集模塊與采集模塊之間、采集模塊和主控模塊之間的線纜全部取消，所有采集模塊的數據都可以無線傳輸到主控模塊上，同時采集模塊之間也可以互相通信。

綜合來說，無線BMS與有線BMS相比，主要有幾大優勢。首先無線BMS能夠減少90%的線束和連接器，簡化電池包架構，在降低了系統總成本、提高可靠性的同時，未來維護和維修成本也因為系統架構的簡化而降低。

其次，無線BMS由于減少了大量線束，能夠節省15%的電池包體積，降低電池包重量，同樣體積的電池包內能容納更大容量的電池模組，或是降低同樣容量的電池包重量，這些變化都有助于提高電動汽車續航里程。

同時，無線BMS由于沒有線纜的束縛，在安裝和放置方案上有更大的靈活性、擴展性，能夠提供不同的外形尺寸、支持不同規模的電池模塊，滿足更多類型的電動汽車需求。

另外，無線BMS由于在無線芯片中集成MCU，能夠實時監測電池狀態的同時，也可以將一部分數據分析處理的任務轉移到邊緣端，降低數據延遲。當然，也能夠將數據實時與云端同步，云端可以對其進行實時監測以及數據分析。

也因為這些優點，包括芯片公司、零部件供應商、整車廠、電池供應商等都在推進無線BMS的研究，目前也已經有一些乘用車搭載了無線BMS方案，比如通用汽車的奧特能電池平臺。


無線BMS包含哪些芯片？

無線BMS與普通BMS的差別主要在于將通信部分的連接線，變成通過無線芯片進行數據通信。所以在方案的芯片組成上，無線BMS的變化主要在無線通信芯片上。

以英飛凌的BMS方案為例，其中的主要芯片包括電池控制單元中的MCU、PMIC；電池監測和電池平衡IC、電流傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、AFE芯片；電池保護單元中的高低邊開關、高壓柵極驅動器、MOSFET等。當然最后在通信方面還需要有線或無線的隔離通信收發器，這部分有時候被集成到MCU中。


無線BMS難點

BMS最關鍵的部分實際是SOC估測算法，其精度和魯棒性決定了BMS系統的性能，在不同狀態下，比如常溫、高低溫環境、電池衰減后如何準確估算電池SOC，是算法的難點。另外是電池均衡方面，高端的BMS能夠平衡每個電芯或電池模組的能量，能夠通過估算數據，將高能量電池往低能量的電池轉移，提高電池單體的一致性。

而無線BMS同樣需要解決多個難點，首先是數據傳輸的可靠性，由于在電池端的采集模塊需要將數據傳輸到其他采集模塊或是主控模塊中，在整個電池包中有多個電池模組組成，那么也就意味著要有相應的采集模塊和多個無線發射單位。

無線BMS主要運行在2.4GHz的ISM頻段，這個頻段與日常常見的WiFi、藍牙等相同，在該頻段上使用的設備較多，加上汽車座艙本身具備多種電子設備，在無線環境復雜的情況下，無線BMS的電磁兼容性就面臨很大的挑戰。如果無線BMS的傳輸被干擾，數據包出現錯誤，這有可能導致整個系統錯失電池準確狀態而無法對其進行監測、保護等動作，未能及時對電池包的狀況作出應有的響應，那么可能將出現電池熱失控等嚴重故障，危及行車安全。

因此，如何保障在惡劣的射頻環境下保障無線BMS的數據穩定傳輸，是無線BMS能夠上車的關鍵。目前各家的無線BMS方案都采用了不同的的無線協議，有私有協議也有藍牙協議。

另一方面，系統中的采集模塊和主控模塊需要在車輛啟動期間形成初始網絡，并且這一過程需要非?？焖俚赝瓿?。當然還需要系統是功耗足夠低，以確保能夠在運行期間保持低溫以及延長運行時間。


無線BMS產業鏈簡析

BMS作為一套系統，目前主要有三類玩家，一是整車廠自研，其中有包括像特斯拉、比亞迪、零跑、長安等全棧自研，采購芯片自己設計BMS主板、模塊等硬件，同時還自己開發BMS軟件、算法等。因為整車廠具有豐富的動力電池運行數據，在開發SOC算法、電池保護、控制等軟件方面會具備一定的優勢。

另外整車廠也有通過外購硬件方案，自研軟件算法的方式來構建BMS。而目前整體來看車企通過全棧自研或是自研軟件的方式構建BMS已經成為大趨勢。

二是電池供應商，比如寧德時代、LG、松下、豐巢能源、欣旺達、國軒高科等。一些大型的電池供應商會具備電池包PACK的制造能力，同時對電池特性、電化學等有長期積累，因此在BMS方面會有一定技術優勢，自研也可以為客戶提供更完整的電池包方案，利用自身優勢擴大業務范圍。

三是第三方玩家，比如偉世通、聯合電子、緯湃科技、均勝電子、華為等，一般是汽車零部件供應商或是方案商。

而具體到無線BMS上，目前最早在量產車型上應用的是通用汽車的奧特能平臺，首發在凱迪拉克的Lyriq車型上，由偉世通設計和制造，采用ADI的wBMS解決方案。

上游芯片方面，無線BMS的主要無線芯片供應商有ADI、TI、英飛凌、NXP、瑞薩、華為等。

中游的無線BMS硬件模塊目前只有偉世通實現量產，另外多家Tier 1、電池供應商等都在研發中，LG Innotek今年年初展示了其800V無線BMS，預計2024年開始量產。


無線BMS方案對比

憑借芯片端技術和產業鏈優勢，ADI和TI最早入局到無線BMS芯片領域。在量產進度上也遙遙領先，通用汽車早在2021年已將ADI無線BMS技術應用于自己的奧特能電池平臺中，并在凱迪拉克Lyriq車型上量產；TI則基于CC2662R-Q1無線MCU和BQ79616-Q1電池監控器推出無線BMS方案。

在無線BMS中關鍵的無線協議中，目前各家的方案幾乎都不相同，有采用行業標準的無線通信協議的廠商，也有選擇私有協議的。

綜合現階段無線BMS芯片廠商的選擇，主流賽道有三種無線傳輸協議的陣容，藍牙BLE、私有2.4GHz協議和星閃。

圖源：ADI

首先ADI采用的是自家SmartMesh無線傳感器網絡，這項技術支持時間同步通道跳頻技術，TSCH網絡中的每個數據包交換通道都會跳頻以避開RF干擾和多路徑衰落。另一方面不同設備之間的多次數據傳送可以在不同通道上同時發生，增大了網絡帶寬。此外，TSCH網絡高可用性的占空比基本不會出現數據包碰撞問題，網絡十分密集且可以拓展，而不會產生削弱RF信號的自干擾。據官方介紹，在無線BMS復雜的射頻環境下，SmartMesh可靠度超99.99%。

圖源：TI

TI的無線BMS采用了專有的無線通信協議SimpleLink，這是一種基于2.4GHz頻段的BLE，經過編制后的專有無線BMS協議，每個中央單元可支持多達32個節點的星型網絡配置，能夠提高吞吐量，以及降低數據延遲；數據存儲量可以做到1.2Mbps，每個節點的延遲會控制在2ms以下。

跟據官方介紹，SimpleLink可以提供業界出色的網絡可用性(超過99.999%)和300ms的網絡重啟更大可用性。而采用SimpleLink技術的無線MCU可提供高吞吐量和低延遲的專用時隙以防止數據丟失或損壞，同時使多個電池單元能夠以±2mV的精度向主MCU發送電壓和溫度數據，且網絡數據包錯誤率小于10-7。

而英飛凌、瑞薩、NXP則選擇使用藍牙BLE作為無線BMS的通信協議。

英飛凌目前的無線BMS方案當前是采用分立器件組成，用BLE芯片替代了原本有線收發器來實現數據傳輸。英飛凌提供的Connected mesh組網方式，能夠在保證通訊速率的同時，增加通訊節點數。為了進一步優化無線BMS系統結構和成本，英飛凌還在持續開發BLE+AFE的一站式解決方案，新的無線BMS方案也會支持ASIL D功能安全等級。

瑞薩由于收購了Dialog，因此也選擇了BLE作為其無線BMS方案的通信協議，不過目前瑞薩仍表示正在開發相關產品，還沒有太多資料展示。

NXP提出了“無線模組”的概念，提供單電芯、小/中/大模組的無線BMS方案，并提供全套的軟硬件支撐，包括主板硬件、從板硬件，通訊協議棧等，其中軟件基于BLE低功耗藍牙協議的軟件協議棧，可保證無線通訊的實時性、可靠性，較低的誤碼率與抗干擾性，確保系統層面達到ASIL-D功能安全等級。從官網產品上看，NXP在2022年12月推出了基于BLE 5.3的無線MCU KW45，通過了AEC-Q100 Grade 2車規認證，可用于無線BMS。

華為和寧德時代都基于星閃通信技術開發了無線BMS，根據華為此前的介紹，采用星閃技術的無線BMS是業界唯一支持從模組級到電芯級監測的標準化方案，并支持對百量級單元進行獨立監測，同時支持車載、梯次利用、儲能、倉儲等場景。


總結：

無線BMS盡管目前在電動汽車上的落地應用很非常少，但各家都在投入到無線BMS的開發中。未來無線BMS在電池包減重、提高電池包空間利用率、提升續航里程、中央域控制趨勢、電池梯度回收等多個方面有很大幫助，不過實際上目前的BMS也有很多方面的創新，包括采用FPC柔性電路板來制造采集模塊，或直接將采集板與電芯布置在一起，用busbar等完成采樣或直接與電芯接觸，同樣能夠節省大量線束，提高集成度。

因此無線BMS還需要廠商繼續深入開發，展現出無線BMS方案的潛力。