增強電動汽車續航和安全性的秘密：BMS系統從有線到無線

新能源汽車引燃了電子許多相關細分子行業的發展，資料顯示2010年全球道路上只有1。7萬輛電動汽車，到2020年全球新能源汽車的銷量首次突破300萬，經歷了整整黃金10年，這一市場帶動了上下游變革，而市場還在持續攀升中。英國《金融時報》預測，全球電動汽車銷量今年或將增長50%或更多。

當駕駛新能源汽車時，最大考慮的因素會是什麼？對於大部分人來說，最讓人頭疼的便是“里程焦慮症”和“整車安全性”。資料顯示，2020年全球電動汽車動力電池裝機量達到137GWh，從電池端來說，掌握著里程數和安全性的底線，技術上分為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩派，電池技術飛速發展下，完美磷酸鐵鋰電池也已逐漸浮出水面。那麼除了電池本身素質，還有什麼與續航和安全相關？這就是BMS系統。

日前，TI針對BMS釋出了CC2662R-Q1和BQ79616-Q1兩款無線BMS主要功能元器件，21ic中國電子網記者受邀參加此次釋出會，揭秘延長續航和安全性背後的秘密。

電動汽車BMS需要從有線變為無線

“電動汽車BMS當前正面臨著挑戰”，德州儀器 （TI） 中國區嵌入式與數字光處理應用技術總監師英 （Jerry Shi） 為記者介紹表示，目前基本路面行駛的新能源汽車BMS系統都是有線的，而電纜是影響電動汽車續航、可靠性、價格和安全性的關鍵之處，幾磅重的電纜會對整車產生各方面負面影響。

這主要體現在4個方面：一是，每節電池都必須透過電纜連線到一個調節電量表現的監控器；二是由於電纜故障而進行的保修費用很高，更換電池也很昂貴；三是，線束和聯結器是導致電纜故障的常見原因；四是，為了使電纜連線更可靠，需要採用重型銅線，而這會在電池管理中造成電纜佈置複雜且龐大。

出於這種考慮，TI設計研發了無線BMS方案，併成為業界首個透過TV（SD）南德認證的先進方案，旨在延長續航里程並提高可靠性和安全性。根據師英的介紹，該方案安全實現業界出色的網路可用性無線協議，並提供跨多個平臺、進行可靠性系統級設計的自由。

TI擁有兼併續航和安全性的無線BMS方案

TI的在無線BMS中使用到的元器件是SimpleLink CC2662R-Q1和BQ79616-Q1兩個新產品，前者為無線MCU，後者則為電池監控器和平衡器，二者相輔相成，是構成無線BMS的最主要的兩個元器件。

根據師英的介紹，CC2662R-Q1是一顆基於Arm Cotex-M4的無線MCU片上系統，該產品符合AEC-Q100標準，具有低功耗、擴充套件的溫度範圍和增強的安全性。

具體引數來說，尺寸為7mm x 7mm，採用具有可溼性側面（WF）的48引腳QFN封裝，在RAM完全保留執行狀態下待機電流低至0。94μA，無線鏈路預算達到到出色的97dBm，器件可在-40℃至105℃範圍內工作，擁有AEC 128位和256位加密加速器。

BQ79616-Q1作為BMS的電池監控器，符合ISO26262功能安全標準，具備通訊、溫度和電壓測量功能晶片級ASIL D等級。

具體引數來說，尺寸為10mm x 10mm，採用64引腳HTQFP封裝，可在-40℃至125℃範圍內工作，擁有多種獨特特性包括：電池電量平衡、整合ADC、多電池支援、斷線檢測、過熱保護、過壓保護、單獨MCU需求、可堆疊（內建介面）、溫度感應、低溫保護、低壓保護。

相比市場同類市場產品的優勢所在

根據師英的介紹，TI的無線BMS與市場同類產品相比擁有四個亮點：

其一，擁有專有的無線協議系統。片上整合射頻無線子系統、可在2。4GHz頻寬上實現短距離無線通訊，可在主機系統處理器與BQ79616-Q1電池監控器和平衡器之間進行穩定可靠且可擴充套件的資料交換。

其二，擁有業界領先的網路可用性。根據師英介紹，這套無線BMS網路可用性指標資料為99。999%，萬一當0。001%的故障發生時，可在300ms最大可用性內重新啟動網路；另外還擁有擁有專用時隙可提供高吞吐量和低延遲，從而進一步保護資料免受丟失或損壞；值得一提的是，在這樣的無線協議之下，還可使多個電池單元向主MCU傳送±2mV精度的電壓資料和溫度資料，且網路資料包錯誤率小於10-7。

其三，擁有業界領先的擴充套件性。師英告訴記者，基於BQ79616和CC2662這兩個晶片搭建的無線BMS方案上，可以達到最多支援100多個節點，並且每個節點能夠達到業界領先的2ms超低延遲，每個節點還可進行時間同步測量。

其四，能夠多維度降低BMS的系統成本。師英強調，正因現在每個節點之間都是無線連線的，也就省去了原來複雜和昂貴的除電纜之外的隔離電路；又因其本身物理上就是隔離的，可以消除對菊花鏈隔離元件的需求，降低了這方面成本；除此之外BQ79616-Q1本身從屬於系列晶片，擁有引腳和軟體相容12通道、14通道和16通道的選擇，透過不同組合可以防止通道的浪費，從而節省成本。

展望無線連線的未來

“無線BMS肯定是符合BMS的趨勢，當然並非所有的BMS系統會轉到無線，但很多OEM（原始裝置製造商）已在考慮無線BMS，這是因為無線的優勢是很明確的”，德州儀器 （TI） 系統工程經理吳萬邦 （Mark Ng）告訴記者，市場很多躍躍欲試的人並不確定無線BMS是否與優先一樣安全和高效能，市場現有許多無線協議僅僅在軟體層面上解決，而TI則是從電池方案開始到獨立設計自己的無線協議，因此具有各種優勢。

“從有線BMS遷移到無線BMS，對於工程師來說最大的轉變就是需要一個學習曲線”，師英強調，學習曲線是工程師在觸及任何新設計任務都會面臨的問題，TI擁有從硬體到軟體的完善的參考設計，工程師只需要很短的時間便可將應用搭建在參考設計之上。

“事實上，其他控制領域也已逐漸滲透無線的概念“，師英表示，在汽車領域裡有很多無線的應用，這些無線應用包括了各種V2X（vehicle to everything，即車對外界的資訊交換），包括了各種安全的監控，諸如傳統的TPMS（輪胎壓力監測系統）系統。除此之外，RFID領域諸如手機作為汽車鑰匙的應用都是無線的應用。

筆者認為，從有線到無線遷移是必然的趨勢，其在縮減尺寸、減少功耗、減少設計的複雜度等維度上來說具有重要意義，而大面積應用只有待器件擁有極強的效能和安全性上，才能讓更多人加入無線設計的行列，TI的無線BMS正是這樣的方案。

出品：21ic中國電子網 付斌