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什么是無線BMS（WBMS）？
電池管理系統(tǒng)（BMS）是電池的智能管家，負(fù)責(zé)電池的安全、高效、長壽命運行。其主要功能包括電池單元的管理與維護(hù)，通過狀態(tài)監(jiān)測和異常保護(hù)，延長電池壽命。BMS系統(tǒng)集成了算法、硬件電路、軟件等技術(shù)，長期以來主要由TI、ADI等國際大廠主導(dǎo)，市場前景廣闊。
BMS也是電化學(xué)儲能系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)電池的監(jiān)測、評估、保護(hù)及均衡。儲能系統(tǒng)通常由電池組、BMS、能量管理系統(tǒng)（EMS）、儲能變流器（PCS）等組成。其中，電池成本占比最高達(dá)60%，BMS則占比約5%。在汽車動力電池中，BMS通過CAN總線接口與整車控制系統(tǒng)和電子系統(tǒng)連接，確保電池在高溫、震動環(huán)境下安全運行。相比消費電池和儲能電池，動力電池需要處理更多復(fù)雜信號，因此對BMS的可靠性和穩(wěn)定性要求更高。
隨著電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電池管理系統(tǒng)（BMS）作為電動汽車的核心組件，承擔(dān)著確保電池安全、延長電池壽命、優(yōu)化性能和提高整車效率的關(guān)鍵任務(wù)。然而，傳統(tǒng)有線BMS在成本、安全性和數(shù)據(jù)傳輸效率等方面存在局限，難以滿足行業(yè)日益增長的需求。
隨著技術(shù)進(jìn)步，市場上出現(xiàn)了有線和無線兩種BMS解決方案。有線BMS通常利用雙絞線電纜連接電池監(jiān)控器，而WBMS則通過無線接口傳輸數(shù)據(jù)。根據(jù)TI的無線BMS方案(以下簡稱WBMS)，數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)器從電池監(jiān)控器傳輸?shù)街鳈CMCU，兩者的主要區(qū)別在于無線方案中替代了有線解決方案中的雙絞線電纜。
為什么要用WBMS替代有線BMS？
WBMS系統(tǒng)不僅適用于動力電池，還可廣泛應(yīng)用于儲能電池、互儲加儲系統(tǒng)等場景。在儲能應(yīng)用中，WBMS系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)復(fù)雜性，提升可擴展性和靈活性，并在電池回收、快充管理等方面發(fā)揮重要作用。通過精確的電池狀態(tài)監(jiān)測和管理，WBMS系統(tǒng)能夠延長電池使用壽命，降低系統(tǒng)維護(hù)成本，提升整體經(jīng)濟(jì)效益。
WBMS技術(shù)的實施最早來自于對電動汽車工廠生產(chǎn)方式帶來的改變。目前電動車生產(chǎn)制造開始采用全機器人制造，相比傳統(tǒng)的半自動化制造，在效率和安全性上具有顯著優(yōu)勢。WBMS生產(chǎn)可以使整個工廠車間使用無線通信，實現(xiàn)非接觸式、全機器人化的電池組制造，進(jìn)一步降低資本支出和運營支出。
除了電動車制造，WBMS也為新興OEM和成熟OEM提供了繞過傳統(tǒng)有線生產(chǎn)的機會，轉(zhuǎn)而采用全無線、全機器人制造的方式，提高制造效率和靈活性，充分利用有限預(yù)算，與老牌企業(yè)競爭。WBMS通過支持生產(chǎn)每一步的自動化，使OEM更容易過渡到支持WBMS的工廠。
采用WBMS的OEM和電池供應(yīng)商可以自由設(shè)計和生產(chǎn)不同電池組變體，而無需設(shè)計線束。他們可以采用軟件可配置的通用WBMS平臺，降低總體開發(fā)成本，提升靈活性，滿足不斷變化的消費者需求。通過WBMS支持Ultium電池平臺，通用汽車公司將其擴展到不同品牌和車輛細(xì)分市場，從作業(yè)卡車到高性能汽車，實現(xiàn)更廣泛的電氣化。
WBMS還支持電池測量和報告性能，增強早期故障檢測，幫助避免代價高昂的車輛召回，優(yōu)化電池組裝配。整個電池生命周期中均可遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)，從組裝到倉儲和運輸，再到安裝和維護(hù)。
為了降低電池組生命周期的碳足跡并擴大收入潛力，可以通過“減少、修復(fù)和再利用”策略來實現(xiàn)。WBMS幫助減少代價高昂的車輛召回，簡化維修，并促進(jìn)電池再利用，作為替代報廢和回收的首選方案。WBMS使維護(hù)備用模塊庫存變得簡單，并且在車輛維修期間更換電池組更加容易。模塊在供應(yīng)鏈中移動及從庫存貨架裝到車輛時，只需簡單掃描，安裝的簡便性是傳統(tǒng)有線BMS無法比擬的。
ADI認(rèn)為，對于希望最大化延長電池組使用壽命和提高收入潛力的OEM而言，WBMS使二次電池的再利用效率更高。沒有線束的電池組更容易維修和重復(fù)使用，確保使用壽命更長，整體碳足跡更環(huán)保。OEM可以將用過的電池轉(zhuǎn)售用于太陽能或風(fēng)能存儲等應(yīng)用，減少碳排放，提升經(jīng)濟(jì)效益。采用“減少、修復(fù)和再利用”策略的OEM，如果修復(fù)而不是處理電池組，每個電池組將減少7噸的碳排放，節(jié)約成本，并探索盡快轉(zhuǎn)售用過的電動汽車電池，以獲取最大收益。
WBMS對比傳統(tǒng)BMS的優(yōu)勢，來源：與非研究院整理
無線BMS（WBMS）系統(tǒng)在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域的出現(xiàn)，代表了電池技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。相較于傳統(tǒng)BMS，WBMS在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢，尤其在功耗、擴展性、結(jié)構(gòu)簡化、系統(tǒng)能量密度、安全性等方面。這些優(yōu)勢不僅提升了電池管理系統(tǒng)的整體性能，還有效降低了生產(chǎn)和維護(hù)成本，同時大幅度提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。
首先，從功耗角度來看，WBMS通過無線技術(shù)的應(yīng)用，減少了系統(tǒng)中大量的有線連接。這種設(shè)計不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還降低了能量的傳輸損耗，使得WBMS的整體功耗顯著低于傳統(tǒng)BMS。這在大規(guī)模應(yīng)用中，尤其是在電動車和儲能系統(tǒng)中，能夠帶來顯著的能源節(jié)約效果。
在擴展性方面，WBMS通過無線通信技術(shù)的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)BMS在物理連接上的限制。傳統(tǒng)BMS通常受到布線和物理連接的制約，難以在大規(guī)模系統(tǒng)中靈活擴展。WBMS則可以輕松應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，支持多種電池類型和電壓等級，提供了更多的選擇和靈活性。這種擴展性不僅提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性，還能夠滿足未來電池技術(shù)發(fā)展的多樣化需求。
傳統(tǒng)有線BMS線路繁瑣，來源：盛路物聯(lián)
WBMS的結(jié)構(gòu)簡化也是其一大亮點。傳統(tǒng)BMS系統(tǒng)中，復(fù)雜的線束布置不僅增加了系統(tǒng)的重量，還給安裝和維護(hù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。WBMS通過無線通信技術(shù)，減少了這些線束的需求，大大簡化了系統(tǒng)的安裝過程。這不僅降低了生產(chǎn)成本，還減少了維護(hù)中的潛在風(fēng)險，提高了系統(tǒng)的可靠性。
系統(tǒng)能量密度的提升是WBMS另一個顯著的優(yōu)勢。通過減少線束和提高單節(jié)點的覆蓋范圍，WBMS能夠在同樣的體積下，容納更多的電池單元，從而提升整個電池包的能量密度。這對于提高電動車的續(xù)航能力以及儲能系統(tǒng)的效率具有重要意義。
在安全性方面，WBMS通過消除有線連接中的高壓風(fēng)險，極大地提高了系統(tǒng)的物理安全性。傳統(tǒng)BMS中，復(fù)雜的有線連接不僅增加了故障的可能性，還存在潛在的安全隱患。WBMS則通過無線通信技術(shù)，降低了這些風(fēng)險，使得系統(tǒng)更加安全可靠，特別是在無人值守的儲能系統(tǒng)中，這一優(yōu)勢尤為明顯。
此外，WBMS在通訊可靠性和實時性管理方面也表現(xiàn)出色。盡管有線通信在許多場合被認(rèn)為更加穩(wěn)定，但現(xiàn)代無線技術(shù)的發(fā)展，使得WBMS的通訊可靠性已經(jīng)超過了傳統(tǒng)有線系統(tǒng)。WBMS通過多信道技術(shù)，在遇到干擾時可以快速切換到穩(wěn)定的信道，確保系統(tǒng)的持續(xù)可靠性。同時，WBMS在處理高并發(fā)任務(wù)時，響應(yīng)時間更快，使得系統(tǒng)能夠更好地進(jìn)行實時監(jiān)控和管理，特別是在熱管理和電池管理方面，這一特性顯著提升了系統(tǒng)的智能化和安全性。
從生產(chǎn)成本的角度來看，WBMS的優(yōu)勢也十分明顯。傳統(tǒng)BMS系統(tǒng)中，布線和焊接的復(fù)雜性不僅增加了生產(chǎn)成本，還對生產(chǎn)過程的自動化程度提出了挑戰(zhàn)。WBMS通過消除這些有線連接，實現(xiàn)了更高水平的自動化生產(chǎn)，不僅降低了生產(chǎn)成本，還提高了產(chǎn)品的一致性和質(zhì)量。
在系統(tǒng)耐用性和便捷性方面，WBMS的優(yōu)勢更是不言而喻。通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測，WBMS避免了傳統(tǒng)BMS中因線路松動、震動、酸堿腐蝕等問題導(dǎo)致的故障，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。同時，WBMS免去了傳統(tǒng)系統(tǒng)中復(fù)雜的布線和焊接過程，使得安裝和調(diào)試更加快速便捷，極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了時間和人力成本。
最后，WBMS在電池信息的掌握和云端協(xié)同與大數(shù)據(jù)應(yīng)用方面的優(yōu)勢，為系統(tǒng)的全生命周期管理提供了支持。通過實時監(jiān)測每個電池單元的狀態(tài)，WBMS能夠更精準(zhǔn)地掌握電池系統(tǒng)的性能和安全性，并且數(shù)據(jù)可記錄、可追蹤、可升級，滿足當(dāng)前立法趨勢和市場需求。云端協(xié)同和大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用，使得WBMS系統(tǒng)能夠動態(tài)調(diào)整電池管理策略，優(yōu)化電池性能，為電池系統(tǒng)的未來發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。
無線BMS面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)？
“無線BMS的技術(shù)挑戰(zhàn)點在無線。” 盛路物聯(lián)的杜光東表示，隨著電動汽車對智能化、模塊化和無線化的需求不斷增加，WBMS面臨著處理高電壓和大容量動力電池系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。未來，BMS不僅需要管理電池，還需成為電動汽車智能管理系統(tǒng)的重要組成部分。這意味著系統(tǒng)必須具備更高的數(shù)據(jù)處理能力、更精準(zhǔn)的監(jiān)控技術(shù)以及先進(jìn)的故障預(yù)警機制，以應(yīng)對復(fù)雜多變的使用場景。
其次，在通信可靠性方面，杜光東指出，復(fù)雜干擾環(huán)境下的通信可靠性問題是WBMS系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。行業(yè)普遍追求通信的高可靠性，要求達(dá)到“99.999”的標(biāo)準(zhǔn)，這在高度密集的電池系統(tǒng)中尤其具有挑戰(zhàn)性。為了確保WBMS的通信可靠性，開發(fā)同步系統(tǒng)的通信技術(shù)顯得尤為重要。相比傳統(tǒng)的3GPP體系，802委員會的無線局域網(wǎng)體系在WBMS中更具適用性，有望為解決這一問題提供技術(shù)支持。
不同WBMS無線連接技術(shù)對比，來源：盛路物聯(lián)
在技術(shù)路徑選擇方面，當(dāng)前WBMS主要依賴于藍(lán)牙、Wi-Fi等異步系統(tǒng)。這些技術(shù)雖然在一定程度上解決了無線通信的問題，但在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中，其通信效率和穩(wěn)定性仍然存在不足。因此，發(fā)展同步通信系統(tǒng)，以確保WBMS在各種復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性，成為行業(yè)發(fā)展的必然選擇。
此外，BMS的狀態(tài)估計精度和安全預(yù)警時間也是亟待提升的方面。尤其是在多串電池系統(tǒng)中，狀態(tài)估計不準(zhǔn)和安全預(yù)警時間短的情況可能會帶來嚴(yán)重后果。為此，許剛提出開發(fā)單電芯WBMS技術(shù)，利用更精準(zhǔn)的曲線預(yù)測和提前的安全預(yù)警機制，以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。
最后，杜光東強調(diào)，WBMS的成功推廣不僅依賴于通訊技術(shù)的突破，還需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。芯片制造商、系統(tǒng)集成商等各方的共同努力，將推動WBMS技術(shù)的成熟應(yīng)用。同時，他還特別提到，隨著WBMS在儲能和電動車領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，企業(yè)需要重視基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)和核心專利的布局，以在全球競爭中保持技術(shù)優(yōu)勢。
無線BMS面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略，來源：與非研究院
無線BMS方案的主要玩家？
無線BMS國外玩家匯總，來源：與非研究院
近年來，全球各大半導(dǎo)體公司紛紛推出無線電池管理系統(tǒng)（WBMS）解決方案，這一技術(shù)趨勢有望成為未來的主流。無線BMS技術(shù)不僅能夠提高電池管理的效率，還能延長電池壽命，提升電動汽車等應(yīng)用的安全性和可靠性。
2019年，ADI公司收購了凌力爾特公司，進(jìn)軍電源管理技術(shù)領(lǐng)域，并與通用汽車等整車企業(yè)合作，研發(fā)了無線BMS系統(tǒng)與平臺。該系統(tǒng)能夠在電池生產(chǎn)至回收的全周期內(nèi)檢測和分析電池數(shù)據(jù)，實現(xiàn)動力電池價值的最大化。2021年，ADI推出其首款無線BMS產(chǎn)品，除了應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備外，還在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療設(shè)備、智能家居和汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
2021年，德州儀器（TI）宣布推出通過TüV SüD功能安全認(rèn)證的無線BMS解決方案，其核心產(chǎn)品是SimpleLink CC2662R-Q1無線MCU。該MCU基于Arm Cortex-M4架構(gòu)，符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，集成豐富的模擬外設(shè)和射頻子系統(tǒng)，并采用2.4GHz頻段，支持快速組網(wǎng)。TI的無線BMS方案在實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)和控制命令傳輸?shù)臒o線化方面具有重要意義。
2018年，NXP推出了其首款無線BMS芯片MC33771C。NXP看好無線BMS的市場前景，認(rèn)為該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的通信可靠性，滿足電動汽車和其他應(yīng)用的需求。
德國半導(dǎo)體公司英飛凌在2020年推出了BGT60LTR11AIP芯片，用于無線電池管理系統(tǒng)。該芯片應(yīng)用于電動汽車和工業(yè)市場。英飛凌還推出了EMO解決方案，支持多種電動汽車應(yīng)用，包括輕型車和重型車。
近年來，以巨微半導(dǎo)體、盛路物聯(lián)為代表的國產(chǎn)BMS芯片及方案提供商紛紛開始發(fā)力無線BMS市場。
主流無線BMS方案介紹
ADI 無線 BMS 解決方案，來源：ADI
ADI WBMS技術(shù)在ADI SmartMesh平臺上開發(fā)。SmartMesh中最核心的就是時間同步通道跳頻技術(shù)，TSCH網(wǎng)絡(luò)（時隙跳頻網(wǎng)絡(luò)）中的每個數(shù)據(jù)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(shè)備之間的多次數(shù)據(jù)傳送可以在不同通道上同時發(fā)生，增大了網(wǎng)絡(luò)帶寬。在WBMS復(fù)雜的射頻環(huán)境下，SmartMesh可靠度超99.99%。ADI與通用汽車合作，在悍馬EV實現(xiàn)WBMS (2022年上市)。
TI 無線 BMS CC2662R-Q1 系統(tǒng)框圖，來源：TI
TI WBMS在TI SimpleLink平臺上開發(fā)。該無線方案中的協(xié)議，是TI基于2.4GHz頻段中運行的低功耗Bluetooth技術(shù)編制的專有WBMS協(xié)議，每個中央單元可支持多達(dá)32個節(jié)點的星型網(wǎng)絡(luò)配置，有助于提高吞吐量，降低數(shù)據(jù)延遲，數(shù)據(jù)速率可以做到1.2Mbps，每個節(jié)點的延遲會控制在兩個毫秒以下。整個WBMS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)可靠性≥99.999%。TI與寶馬合作，在寶馬 i3實現(xiàn)WBMS (2024年上市)
CAN總線與盛路物聯(lián)DDA協(xié)議參數(shù)指標(biāo)比較，來源：盛路物聯(lián)
DDA-BMS在盛路物聯(lián)DDA技術(shù)平臺上開發(fā)。支持Sub-1GHz（中國470～510MHz，歐盟ETSI868～908MHz，美國FCC915～928MHz）和2.4GHz，多通道、多路徑、AI路徑判斷、時頻聯(lián)合編碼保證信道數(shù)學(xué)正交，保障復(fù)雜電磁環(huán)境的信道獨占和端到端通信時延，在低功耗前提下，快捷數(shù)據(jù)包單向端對端最小時延2mS，快捷數(shù)據(jù)包雙向端對端最小時延10mS，可靠性≥99.999%。盛路物聯(lián)與某集團(tuán)合作，首先實現(xiàn)儲能WBMS，計劃2024年上市。
2023年，巨微量產(chǎn)了首款單電芯無線BMS芯片——神農(nóng)系列MS1682。該芯片集成了AFE、MCU、無線通訊和存儲模塊，支持低功耗藍(lán)牙5.2規(guī)范。MS1682在主流商業(yè)儲能方案商、小型電池包管理、兩輪車/E-Bike儀表盤、電力系統(tǒng)智能化設(shè)備等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，銷量已突破40萬顆。
總結(jié)
隨著多重因素的利好，中國BMS（電池管理系統(tǒng)）產(chǎn)業(yè)正加速進(jìn)入發(fā)展快車道。在消費電子領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)取得顯著突破，產(chǎn)品性能已達(dá)到甚至超越歐美大廠的水平。
同時，技術(shù)難度更高的車規(guī)級BMS技術(shù)也在積極推進(jìn)，填補了該領(lǐng)域長期被歐美企業(yè)壟斷的空白。其次，中國具備完整的電子產(chǎn)品終端整機及電池產(chǎn)業(yè)鏈，這使得中國在發(fā)展自主品牌BMS方面具備較強的競爭力。國內(nèi)強勁的消費電子和新能源汽車市場需求，進(jìn)一步推動了全球鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國產(chǎn)電池Pack廠商已經(jīng)在全球市場中占據(jù)重要地位。此外，政策的積極扶持加速了國產(chǎn)替代進(jìn)程。長期以來，我國BMS芯片依賴進(jìn)口，尤其是車規(guī)級AFE、ADC、MCU和隔離芯片。近年來，國家出臺了一系列政策支持汽車電子及電池管理相關(guān)芯片行業(yè)的發(fā)展，國產(chǎn)自主芯片產(chǎn)業(yè)正逐步崛起，未來有望達(dá)到新的高度。
未來，BMS的發(fā)展將不再局限于傳統(tǒng)技術(shù)的延伸，而是更加智能化。以WBMS（無線電池管理系統(tǒng)）為核心，相關(guān)的IoT產(chǎn)品開發(fā)和芯片設(shè)計優(yōu)化將進(jìn)一步推動其大規(guī)模量產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。WBMS不僅是未來智能電池管理系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，也將在儲能系統(tǒng)和電動車領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。通過端、邊、云一體化的架構(gòu)設(shè)計，WBMS系統(tǒng)將提升數(shù)據(jù)處理能力，借助云端算力輔助前端系統(tǒng)的實時決策，進(jìn)而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。隨著更多企業(yè)加入研發(fā)，WBMS技術(shù)將在技術(shù)水平、應(yīng)用場景和市場規(guī)模等方面實現(xiàn)快速發(fā)展，推動整個新能源行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。
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