电动汽车电池管理中的有线与无线通信
随着人们对电动汽车 (EV) 的需求持续高涨，制造商开始关注如何通过既安全又具有成本效益的方式来提高汽车性能。
其中，制造商尤为关注如何改进电池管理系统，这是因为该系统能实时监控电动汽车中每个电池电芯的性能。电动汽车的微控制器 (MCU) 可有效地监控每个电池电芯，从而确保所有电池电芯正常运行，并实现负载共享均衡。本白皮书论述了有线和无线 BMS 解决方案的区别，可帮您选择适合电动汽车设计的出色方案。
内容概览
本白皮书论述了电动汽车 (EV) 中有线和无线电池管理系统的设计注意事项。
| 电动汽车中的分布式电池管理系统1 电动汽车中的分布式电池管理系统 | 电动汽车中的分布式电池管理系统 高电压电动汽车电池包需要复杂的通信系统来传输电芯电压、温度和其他诊断信息。 |
| TI 的有线与无线 BMS 协议2 TI 的有线与无线 BMS 协议 | 评估有线与无线解决方案 高精度电池监测器可通过有线或无线方式与主机通信，从而传输电池包相关数据。这里说明了分布式电池系统的若干设计注意事项以及利弊权衡。 |
| 电动汽车中的分布式电池管理系统3 电动汽车中的分布式电池管理系统 | 在有线或无线环境中使用 TI 电池监测器 TI 的专有电池管理系统 (BMS) 协议提供了可靠的高吞吐量、低延迟通信方法，适用于有线和无线 BMS 配置。 |
电动汽车中的分布式电池管理系统
在电动汽车应用中，为了满足交流电机负载的严苛要求，内部电池包电压不低于 800V。这相当于在汽车底盘中串联堆叠 100 个或更多的锂离子电芯。制造商急需对高压电池包应用更为先进的技术，从而以安全、及时和可靠的方式报告电芯诊断信息。一种常见的设计方法是采用分布式电池包系统，它通过在不同的印刷电路板 (PCB) 上连接多个高精度电池监测器，支持包含多节电芯的电池包。
在有线 BMS 解决方案中，利用双绞线电缆以菊花链方式连接电池监测器，可传输从每个电池电芯模块采集的数据。有线和无线 BMS 解决方案的区别在于，后者使用无线通信接口，而不是菊花链电缆。图 1 展示了适用于 400V 至 800V 电动汽车的典型分布式电池包系统。
图 1 分布式 BMS 示例。
图 2 有线 BMS 示例。在图 1 中，有一个子系统包含主机 MCU，它通过控制器局域网总线与车辆的控制单元连接。然后 MCU 处理器驱动连接到电池模块的电池监测器件，用来检测电压和温度。所有高压电池包均需要快速与主机 MCU 通信，为了支持这一需求，可以添加任意数量的电池监测器件，具体取决于电池监测器支持的通道数量。系统需要监控和通信的其他常见场景还有，通过高压继电器控制来确保在不使用车辆时安全地断开高压，以及通过电流检测来计算充电状态和了解电池包的运行状况。
有线与无线 BMS 的注意事项
本文重点介绍了电池包与主机 MCU 中连接的每个电池监测器件的通信接口。两个示例都使用了 BQ796xx 系列监测器。典型的有线解决方案利用双绞线电缆在电池模块之间以菊花链方式连接电池监测器。无线通信方法使用 CC2642R-Q1 无线 MCU 来传输数据。
在图 2 中，左侧显示了有线解决方案的电池管理或监测单元 (BMU) 板，其中包括主机 MCU 和 BQ79600-Q1 通信桥接器件。此 BMU 连接 MCU 和电芯监测单元 (CMU) 上的其他 BQ796xx 监测器件，而 CMU 与实物电池电芯连接。这些 CMU 通过双绞线菊花链电缆在每个电池监测器件的高侧和低测互联，也可使用环形电缆，在电缆断开时向任一方向传输数据。有线解决方案需要在菊花链电缆的任一端添加隔离元件，用来确保在高噪声环境中可靠通信，并承受严格的汽车电磁干扰 (EMI) 和电磁兼容性 (EMC) 限制。
无线解决方案使用无线接口，通过无线收发器器件，将通用异步接收器/发送器 (UART) 数据从电池监测器传输到主机 MCU。
图 3 使用比图 1 更简单的方式表示 CMU，但添加了一个无线接收器节点，表示 CMU 利用一个额外器件将电芯数据以无线方式传输回主机。这样可将图 2 中显示的两个 CMU 正常隔离。
图 3 无线 BMS 示例。两种解决方案之间的重要区别在于，有线解决方案中的双绞线电缆被替换为无线解决方案中每个 BMU 上的 CC2642R-Q1 器件。
可能有人会发现，与使用电缆相比，添加额外器件会提高复杂性和成本，但考虑到电缆的成本和重量，以及还需要在双绞线接口任一侧放置高性能隔离元件来确保通信稳定，添加额外器件是可以接受的。表 1 概述了有线和无线电池管理解决方案的其他注意事项。
TI 的有线与无线 BMS 协议
如果深入研究两种解决方案使用的 TI 协议，就会发现有线解决方案使用的是差分、双向和半双工接口，所以在高侧和低侧通信接口均有变送器 (TX) 和接收器 (RX)，默认情况下可从低侧到高侧传送信息。这些 TX 和 RX 功能由硬件根据器件的基站或堆栈检测自动进行控制，数据在传输到每个模块时会重新计时。BQ796xx 器件的 RX 拓扑与 RS-485 类似，但增加了衰减高共模电压的设计机制，高共模电压是由车辆环境中典型的嘈杂情况导致的。每字节以 2MHz（每脉冲 250ns，或每对 500ns）传输。如图 4 所示，两个字节之间的传输时间取决于 UART 波特率（正常运行状态下为 1Mbps），但字节传输时间始终相同。
| 注意事项 | 有线 BMS | 无线 BMS |
|---|---|---|
| 重量 |
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| 设计灵活性和可维护性 |
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| 测量值 |
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| 可靠性 |
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| 安全性 |
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图 4 BQ796xx 字节级通信。
图 5 有线隔离式电路示例。有线接口可支持电容或电感隔离，在严格的汽车 EMC/EMI 规格范围内实现稳健性。图 5 展示了使用电容器和扼流圈的示例。您可以设计每个电池监测 PCB 之间的电路，而且可堆叠多达 64 个器件，为大小不同的车辆电池模块提供支持。
为了满足一级供应商和原始设备制造商开发下一代电动汽车的要求，TI 基于在 2.4GHz 频段中运行的低功耗 Bluetooth® 技术，编制了专有无线 BMS 协议。表 2 列出了 TI 无线 BMS 协议的功能，包括每个中央单元可支持多达 32 个节点的星型网络配置；能够提供高吞吐量、低延迟的数据传输；以及使用符合功能安全标准的协议。
| 功能 | 目标 |
|---|---|
| 安全关键型响应时间（延迟） | 最大值 100ms（安全） |
| 数据吞吐量 | 每个无线器件多达 400 字节 |
| 连接可靠性 | 99.9999% |
| 安全性 | 安全的加密消息 |
| 可扩展性 | 多达 32 个无线器件及更多 |
| 多仪表组支持 | 是 |
| 功能安全 | 系统级 ASIL-D/ASIL-C |
| 功耗 | 主节点 <1mA（平均值），次节点 <1mA（平均值） |
| 链路预算 | >95dB |
| 组成网络的时间 | <600ms |
两种协议的主要区别在于，菊花链双绞线接线在 MCU 和顶层监测器之间传输信号；而在无线星型网络配置中，每个模块可与主机处理器独立通信。两种解决方案的规格都有助于汽车系统快速、安全、可靠地提供大量电池包相关数据。
结论
要对电动汽车高压电池包提供安全、可靠的低成本解决方案，需要采用高标准的通信协议来承受高噪声环境，并使系统能够灵活改变电池包中的电芯模块配置。BQ7961x-Q1 系列产品可支持系统根据需要采用有线或无线通信。
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