【核芯觀察】無(wú)線BMS產(chǎn)業(yè)鏈

前言：核芯產(chǎn)業(yè)梳理是電子發(fā)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(chǎn)業(yè)架構(gòu)，理清上、中、下游的各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)迅速了解各大細(xì)分環(huán)節(jié)中的行業(yè)現(xiàn)狀。我們計(jì)劃會(huì)對(duì)包括集成電路、分立器件、傳感器、光電器件等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上下游進(jìn)行梳理。本期產(chǎn)業(yè)梳理聚焦無(wú)線BMS行業(yè)，分析當(dāng)前行業(yè)的主要供應(yīng)商以及技術(shù)方案。

無(wú)線BMS是什么

BMS全稱是Battery Management System，即電池管理系統(tǒng)，顧名思義是一種對(duì)電池進(jìn)行管理，包括對(duì)電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制等的系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，BMS可以通過傳感器，對(duì)電池電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，提供電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電池荷電狀態(tài)（SOC）估算、電池安全保護(hù)、電池控制管理、電池信息管理等功能。

而在電動(dòng)汽車上，目前動(dòng)力電池系統(tǒng)占到整車成本的30%~40%，核心地位毋庸置疑。而BMS在動(dòng)力電池系統(tǒng)中也起到了極為關(guān)鍵的作用，通過監(jiān)控電池系統(tǒng)狀態(tài)，來(lái)實(shí)時(shí)對(duì)其做出相應(yīng)的控制，在提供驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分所需要的電能外，保障電池系統(tǒng)的安全以及延長(zhǎng)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(dān)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(fù)責(zé)電池系統(tǒng)總電壓、總電流采集，以及內(nèi)外部通信、故障記錄、故障報(bào)警、電池保護(hù)等功能。

BMS按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(tǒng)中，比如小型無(wú)人機(jī)、電動(dòng)兩輪車、智能家居、機(jī)器人等領(lǐng)域，在這些電池系統(tǒng)中，BMS被集成到一個(gè)主板或一個(gè)盒體內(nèi)，采集模塊和主控模塊之間的通信直接在電路板上進(jìn)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(gè)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(jìn)行供電以及通信等，采集模塊將從單個(gè)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(tǒng)，比如汽車、大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域應(yīng)用。

而在新能源汽車上，無(wú)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(duì)于續(xù)航里程的需求提高，電池容量不斷增加，電池組數(shù)量增多，而BMS普遍采用菊花鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又給電池包帶來(lái)繁雜的線束和接口，而線束、連接器一直都是發(fā)生失效和故障較多的部分，這些部分都給系統(tǒng)可靠性和輕量化造成不小的負(fù)面影響。

因此，為了減少線束數(shù)量，降低電池包重量和體積，無(wú)線BMS也就成了行業(yè)內(nèi)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的重要方向之一，直到近年開始正式在量產(chǎn)車型上開始使用。

圖源：ADI

無(wú)線BMS將傳統(tǒng)的有線CAN總線和SPI總線中使用的線纜，轉(zhuǎn)成無(wú)線通信，相當(dāng)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(shù)據(jù)都可以無(wú)線傳輸?shù)街骺啬K上，同時(shí)采集模塊之間也可以互相通信。

綜合來(lái)說(shuō)，無(wú)線BMS與有線BMS相比，主要有幾大優(yōu)勢(shì)。首先無(wú)線BMS能夠減少90%的線束和連接器，簡(jiǎn)化電池包架構(gòu)，在降低了系統(tǒng)總成本、提高可靠性的同時(shí)，未來(lái)維護(hù)和維修成本也因?yàn)橄到y(tǒng)架構(gòu)的簡(jiǎn)化而降低。

其次，無(wú)線BMS由于減少了大量線束，能夠節(jié)省15%的電池包體積，降低電池包重量，同樣體積的電池包內(nèi)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(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。

同時(shí)，無(wú)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(kuò)展性，能夠提供不同的外形尺寸、支持不同規(guī)模的電池模塊，滿足更多類型的電動(dòng)汽車需求。

另外，無(wú)線BMS由于在無(wú)線芯片中集成MCU，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)的同時(shí)，也可以將一部分?jǐn)?shù)據(jù)分析處理的任務(wù)轉(zhuǎn)移到邊緣端，降低數(shù)據(jù)延遲。當(dāng)然，也能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)與云端同步，云端可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)分析。

也因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，包括芯片公司、零部件供應(yīng)商、整車廠、電池供應(yīng)商等都在推進(jìn)無(wú)線BMS的研究，目前也已經(jīng)有一些乘用車搭載了無(wú)線BMS方案，比如通用汽車的奧特能電池平臺(tái)。


無(wú)線BMS包含哪些芯片？

無(wú)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(wú)線芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。所以在方案的芯片組成上，無(wú)線BMS的變化主要在無(wú)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(jiān)測(cè)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(hù)單元中的高低邊開關(guān)、高壓柵極驅(qū)動(dòng)器、MOSFET等。當(dāng)然最后在通信方面還需要有線或無(wú)線的隔離通信收發(fā)器，這部分有時(shí)候被集成到MCU中。


無(wú)線BMS難點(diǎn)

BMS最關(guān)鍵的部分實(shí)際是SOC估測(cè)算法，其精度和魯棒性決定了BMS系統(tǒng)的性能，在不同狀態(tài)下，比如常溫、高低溫環(huán)境、電池衰減后如何準(zhǔn)確估算電池SOC，是算法的難點(diǎn)。另外是電池均衡方面，高端的BMS能夠平衡每個(gè)電芯或電池模組的能量，能夠通過估算數(shù)據(jù)，將高能量電池往低能量的電池轉(zhuǎn)移，提高電池單體的一致性。

而無(wú)線BMS同樣需要解決多個(gè)難點(diǎn)，首先是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕捎谠陔姵囟说牟杉K需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌杉K或是主控模塊中，在整個(gè)電池包中有多個(gè)電池模組組成，那么也就意味著要有相應(yīng)的采集模塊和多個(gè)無(wú)線發(fā)射單位。

無(wú)線BMS主要運(yùn)行在2.4GHz的ISM頻段，這個(gè)頻段與日常常見的WiFi、藍(lán)牙等相同，在該頻段上使用的設(shè)備較多，加上汽車座艙本身具備多種電子設(shè)備，在無(wú)線環(huán)境復(fù)雜的情況下，無(wú)線BMS的電磁兼容性就面臨很大的挑戰(zhàn)。如果無(wú)線BMS的傳輸被干擾，數(shù)據(jù)包出現(xiàn)錯(cuò)誤，這有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)錯(cuò)失電池準(zhǔn)確狀態(tài)而無(wú)法對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)、保護(hù)等動(dòng)作，未能及時(shí)對(duì)電池包的狀況作出應(yīng)有的響應(yīng)，那么可能將出現(xiàn)電池?zé)崾Э氐葒?yán)重故障，危及行車安全。

因此，如何保障在惡劣的射頻環(huán)境下保障無(wú)線BMS的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，是無(wú)線BMS能夠上車的關(guān)鍵。目前各家的無(wú)線BMS方案都采用了不同的的無(wú)線協(xié)議，有私有協(xié)議也有藍(lán)牙協(xié)議。

另一方面，系統(tǒng)中的采集模塊和主控模塊需要在車輛啟動(dòng)期間形成初始網(wǎng)絡(luò)，并且這一過程需要非常快速地完成。當(dāng)然還需要系統(tǒng)是功耗足夠低，以確保能夠在運(yùn)行期間保持低溫以及延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。


無(wú)線BMS產(chǎn)業(yè)鏈簡(jiǎn)析

BMS作為一套系統(tǒng)，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(zhǎng)安等全棧自研，采購(gòu)芯片自己設(shè)計(jì)BMS主板、模塊等硬件，同時(shí)還自己開發(fā)BMS軟件、算法等。因?yàn)檎噺S具有豐富的動(dòng)力電池運(yùn)行數(shù)據(jù)，在開發(fā)SOC算法、電池保護(hù)、控制等軟件方面會(huì)具備一定的優(yōu)勢(shì)。

另外整車廠也有通過外購(gòu)硬件方案，自研軟件算法的方式來(lái)構(gòu)建BMS。而目前整體來(lái)看車企通過全棧自研或是自研軟件的方式構(gòu)建BMS已經(jīng)成為大趨勢(shì)。

二是電池供應(yīng)商，比如寧德時(shí)代、LG、松下、豐巢能源、欣旺達(dá)、國(guó)軒高科等。一些大型的電池供應(yīng)商會(huì)具備電池包PACK的制造能力，同時(shí)對(duì)電池特性、電化學(xué)等有長(zhǎng)期積累，因此在BMS方面會(huì)有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，自研也可以為客戶提供更完整的電池包方案，利用自身優(yōu)勢(shì)擴(kuò)大業(yè)務(wù)范圍。

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

而具體到無(wú)線BMS上，目前最早在量產(chǎn)車型上應(yīng)用的是通用汽車的奧特能平臺(tái)，首發(fā)在凱迪拉克的Lyriq車型上，由偉世通設(shè)計(jì)和制造，采用ADI的wBMS解決方案。

上游芯片方面，無(wú)線BMS的主要無(wú)線芯片供應(yīng)商有ADI、TI、英飛凌、NXP、瑞薩、華為等。

中游的無(wú)線BMS硬件模塊目前只有偉世通實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，另外多家Tier 1、電池供應(yīng)商等都在研發(fā)中，LG Innotek今年年初展示了其800V無(wú)線BMS，預(yù)計(jì)2024年開始量產(chǎn)。


無(wú)線BMS方案對(duì)比

憑借芯片端技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)，ADI和TI最早入局到無(wú)線BMS芯片領(lǐng)域。在量產(chǎn)進(jìn)度上也遙遙領(lǐng)先，通用汽車早在2021年已將ADI無(wú)線BMS技術(shù)應(yīng)用于自己的奧特能電池平臺(tái)中，并在凱迪拉克Lyriq車型上量產(chǎn)；TI則基于CC2662R-Q1無(wú)線MCU和BQ79616-Q1電池監(jiān)控器推出無(wú)線BMS方案。

在無(wú)線BMS中關(guān)鍵的無(wú)線協(xié)議中，目前各家的方案幾乎都不相同，有采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信協(xié)議的廠商，也有選擇私有協(xié)議的。

綜合現(xiàn)階段無(wú)線BMS芯片廠商的選擇，主流賽道有三種無(wú)線傳輸協(xié)議的陣容，藍(lán)牙BLE、私有2.4GHz協(xié)議和星閃。

圖源：ADI

首先ADI采用的是自家SmartMesh無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這項(xiàng)技術(shù)支持時(shí)間同步通道跳頻技術(shù)，TSCH網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)數(shù)據(jù)包交換通道都會(huì)跳頻以避開RF干擾和多路徑衰落。另一方面不同設(shè)備之間的多次數(shù)據(jù)傳送可以在不同通道上同時(shí)發(fā)生，增大了網(wǎng)絡(luò)帶寬。此外，TSCH網(wǎng)絡(luò)高可用性的占空比基本不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包碰撞問題，網(wǎng)絡(luò)十分密集且可以拓展，而不會(huì)產(chǎn)生削弱RF信號(hào)的自干擾。據(jù)官方介紹，在無(wú)線BMS復(fù)雜的射頻環(huán)境下，SmartMesh可靠度超99.99%。

圖源：TI

TI的無(wú)線BMS采用了專有的無(wú)線通信協(xié)議SimpleLink，這是一種基于2.4GHz頻段的BLE，經(jīng)過編制后的專有無(wú)線BMS協(xié)議，每個(gè)中央單元可支持多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)配置，能夠提高吞吐量，以及降低數(shù)據(jù)延遲；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量可以做到1.2Mbps，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲會(huì)控制在2ms以下。

跟據(jù)官方介紹，SimpleLink可以提供業(yè)界出色的網(wǎng)絡(luò)可用性(超過99.999%)和300ms的網(wǎng)絡(luò)重啟更大可用性。而采用SimpleLink技術(shù)的無(wú)線MCU可提供高吞吐量和低延遲的專用時(shí)隙以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞，同時(shí)使多個(gè)電池單元能夠以±2mV的精度向主MCU發(fā)送電壓和溫度數(shù)據(jù)，且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率小于10-7。

而英飛凌、瑞薩、NXP則選擇使用藍(lán)牙BLE作為無(wú)線BMS的通信協(xié)議。

英飛凌目前的無(wú)線BMS方案當(dāng)前是采用分立器件組成，用BLE芯片替代了原本有線收發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。英飛凌提供的Connected mesh組網(wǎng)方式，能夠在保證通訊速率的同時(shí)，增加通訊節(jié)點(diǎn)數(shù)。為了進(jìn)一步優(yōu)化無(wú)線BMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和成本，英飛凌還在持續(xù)開發(fā)BLE+AFE的一站式解決方案，新的無(wú)線BMS方案也會(huì)支持ASIL D功能安全等級(jí)。

瑞薩由于收購(gòu)了Dialog，因此也選擇了BLE作為其無(wú)線BMS方案的通信協(xié)議，不過目前瑞薩仍表示正在開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品，還沒有太多資料展示。

NXP提出了“無(wú)線模組”的概念，提供單電芯、小/中/大模組的無(wú)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(xié)議棧等，其中軟件基于BLE低功耗藍(lán)牙協(xié)議的軟件協(xié)議棧，可保證無(wú)線通訊的實(shí)時(shí)性、可靠性，較低的誤碼率與抗干擾性，確保系統(tǒng)層面達(dá)到ASIL-D功能安全等級(jí)。從官網(wǎng)產(chǎn)品上看，NXP在2022年12月推出了基于BLE 5.3的無(wú)線MCU KW45，通過了AEC-Q100 Grade 2車規(guī)認(rèn)證，可用于無(wú)線BMS。

華為和寧德時(shí)代都基于星閃通信技術(shù)開發(fā)了無(wú)線BMS，根據(jù)華為此前的介紹，采用星閃技術(shù)的無(wú)線BMS是業(yè)界唯一支持從模組級(jí)到電芯級(jí)監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化方案，并支持對(duì)百量級(jí)單元進(jìn)行獨(dú)立監(jiān)測(cè)，同時(shí)支持車載、梯次利用、儲(chǔ)能、倉(cāng)儲(chǔ)等場(chǎng)景。


總結(jié)：

無(wú)線BMS盡管目前在電動(dòng)汽車上的落地應(yīng)用很非常少，但各家都在投入到無(wú)線BMS的開發(fā)中。未來(lái)無(wú)線BMS在電池包減重、提高電池包空間利用率、提升續(xù)航里程、中央域控制趨勢(shì)、電池梯度回收等多個(gè)方面有很大幫助，不過實(shí)際上目前的BMS也有很多方面的創(chuàng)新，包括采用FPC柔性電路板來(lái)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(jié)省大量線束，提高集成度。

因此無(wú)線BMS還需要廠商繼續(xù)深入開發(fā)，展現(xiàn)出無(wú)線BMS方案的潛力。