BMS內(nèi)部通信解析：CAN、菊花鏈、無線和紅外

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）是確保電池組安全、可靠和高效運(yùn)行的關(guān)鍵組件，主要由主控模塊、高壓模塊和從控模塊三部分組成。

BMS的核心功能包括電池狀態(tài)監(jiān)測、充放電管理、平衡電池單元和電池保護(hù)等。在實(shí)現(xiàn)這些功能時，BMS主控模塊通過通信協(xié)議與其他系統(tǒng)組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和指令傳遞，從而實(shí)現(xiàn)電池的監(jiān)控和管理。目前，汽車BMS主要應(yīng)用的內(nèi)部通信協(xié)議包括CAN FD、菊花鏈、藍(lán)牙和紅外等。

基于CAN通信協(xié)議的BMS

CAN總線是一種廣泛應(yīng)用于汽車和工業(yè)領(lǐng)域的現(xiàn)場總線協(xié)議，在BMS系統(tǒng)中CAN總線常用于連接BMS與電機(jī)控制器、充電器等車載系統(tǒng)，同時CAN也可以用于BMS系統(tǒng)內(nèi)部的通信。

在BMS系統(tǒng)內(nèi)，CAN通信構(gòu)建了一種多節(jié)點(diǎn)總線通信結(jié)構(gòu)，也是一種主從結(jié)構(gòu)，由中央控制器與多個外設(shè)組成，通過基帶物理層的雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有較高的實(shí)時性和抗干擾能力。

在構(gòu)建BMS應(yīng)用時，CAN總線的優(yōu)勢是抗干擾能力強(qiáng)，采用CRC校驗(yàn)和其他錯誤檢測機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，支持總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，一般可擴(kuò)展至數(shù)十個傳輸電池模組節(jié)點(diǎn)；成本低，作為成熟的通信協(xié)議，CAN通信具有一定的成本優(yōu)勢。

通過CAN通信，BMS可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)采集電動汽車電池組的參數(shù)研究和電池性能參數(shù)。當(dāng)然，為了增加系統(tǒng)可靠性，一般需要對BMS內(nèi)部的CAN通信做隔離，比如可以使用高速光耦進(jìn)行隔離。

基于RS232通信協(xié)議的BMS

RS232是一種串口通信協(xié)議，常用于連接計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備。RS232是一種比較老舊的通信協(xié)議，因此多用于BMS的臨時應(yīng)用，如配置測試和故障排除。另外，BMS也可通過RS232接口與上位機(jī)標(biāo)定軟件進(jìn)行外部通信。


基于RS232的BMS通信具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，不過RS232通信只支持點(diǎn)對點(diǎn)，且傳輸速率和距離都有限制，因此應(yīng)用范圍較為有限。

基于RS485通信協(xié)議的BMS

RS485和CAN都是串行通信協(xié)議。RS485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。一般而言，RS485推薦使用菊花鏈連接其節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動器、接收器和收發(fā)器通過短網(wǎng)存根接入主干線。RS485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單位負(fù)載為12K，最多掛載32個負(fù)載。

一般BMS主控系統(tǒng)在提供接口時，會同時提供RS485和CAN，以此來提升設(shè)計(jì)的靈活性和效率。不過，由于RS485理論上可以達(dá)到1200米的傳輸距離，并具有多節(jié)點(diǎn)連接的能力，因此廣泛適用于大型電池儲能系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

基于藍(lán)牙/NFC/Wi-Fi的無線BMS

美國通用汽車在2022年Q2推出業(yè)內(nèi)第一款完全無線BMS的量產(chǎn)電動汽車，并表示后續(xù)將在所有開發(fā)計(jì)劃的奧特能平臺搭載無線BMS（wBMS）。當(dāng)前，wBMS已經(jīng)得到了車廠的廣泛重視。

wBMS與傳統(tǒng)的有線BMS功能相同且架構(gòu)類似，唯一的區(qū)別在于內(nèi)部和外部溝通渠道。與傳統(tǒng)的BMS相比，wBMS功耗更低，可擴(kuò)展性強(qiáng)，同時無線通信可減少包內(nèi)線束，簡化Pack結(jié)構(gòu)，提升整包能量密度，主從板之間無高壓風(fēng)險，相比CAN通信及菊花鏈通信，wBMS更安全，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為是未來電池管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。

相較而言，wBMS沒有了復(fù)雜的線纜和連接器，可以進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的可靠性，并提升BMS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。不過，由于是無線傳輸?shù)姆绞?，是一種新式的傳輸方式，因此在測試端也面臨全新的挑戰(zhàn)，比如無線芯片與模組通信測試，電池包整體無線測試，以及基于實(shí)際外場干擾的功能測試等。

目前，德州儀器、ADI、NXP和Dukosi等公司都已經(jīng)推出了wBMS方案，采用的無線技術(shù)包括低功耗藍(lán)牙、Wi-Fi、NFC、Zigbee和Sub-1 GHz等。如上所述，這些無線方案的推出，大幅提升了BMS設(shè)計(jì)的靈活性。

基于紅外的BMS通信系統(tǒng)

隨著技術(shù)創(chuàng)新，目前BMS系統(tǒng)已經(jīng)非常多元，包括管理系統(tǒng)、控制模組、顯示模組、無線通信模組、電氣設(shè)備等。目前主流的量產(chǎn)電動車型普遍采用了分布式的BMS架構(gòu)，優(yōu)勢在于可以根據(jù)不同的電池系統(tǒng)串并聯(lián)設(shè)計(jì)進(jìn)行高效的配置，BMS連接到電池之間的線束距離更短、更均勻、可靠性更高，同時也可以支持體積更大的電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在分布式BMS內(nèi)部，模組與模組之間，模組與主芯片之間的信息傳輸就非常重要。除了我們上述提到的有線和無線方式，還有一些傳輸方式也非常受到廠商的重視，比如基于以太網(wǎng)的傳輸，不過這種傳輸性價比目前還有挑戰(zhàn)。在這里，我們要介紹的是基于紅外傳輸?shù)碾姵叵到y(tǒng)智能控制。

基于紅外傳輸?shù)姆绞?，采用一套收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行紅外數(shù)據(jù)的傳輸和接收，發(fā)射器和接收器可接收、發(fā)送傳輸電池包內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)，這樣的方式也能夠避免走線并降低成本，目前包括恩智浦在內(nèi)的一些公司正在做這方面的探索。

結(jié)語

BMS是電動汽車重要的功能單元，其主要功能包括監(jiān)控電池的狀態(tài)，最重要就是監(jiān)控電壓、電流、溫度、剩余電量和健康狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)，而這些數(shù)據(jù)都需要傳輸。過往，BMS主要通過CAN總線進(jìn)行傳輸，不過隨著汽車線束方面的挑戰(zhàn)日益增大，wBMS成為更受青睞的方式，相信未來會有越來越多的無線技術(shù)進(jìn)入BMS。