车东西（公众号：chedongxi）
作者 ｜昊晗
编辑 ｜晓寒
通用砍掉电动汽车内部的线束，引领电动车走向无线时代！
就在最近，通用汽车在国内发布了“奥特能”电动汽车平台，其电池组最大亮点是搭载了一套无线BMS系统（wBMS），砍掉了电池包内90%的线束——既降低了电池包的重量，提升了能量密度，又降低了系统复杂度和物料成本，还提升了电池组的稳定性。
wBMS的应用还提升了生产效率。因为少了90%的线束，电池组的装配工作被大幅简化。同时，通用奥特能电池工厂里，机械臂在流水线上抓取电池包时即可直接用无线模块检测电芯性能，还省掉了传统插线质检的步骤。
最后，因为无线BMS系统的存在，让电池在全生命周期内都可以方便地进行性能检测，进而让二手车估价变得更准、电池梯次利用更方便、拆解回收也更加顺利…
未来，随着车内无线连接技术进一步成熟和普及。BMS域控制器与动力域、车身域、自动驾驶域或者中央计算平台之间都可以实现无线连接，进而将逐步砍掉目前车辆动辄数公里的连接线束，大幅降低汽车的复杂度和生产成本，也让汽车真正变成模块化的智能产品…
wBMS，正是智能电动汽车迈向无线化的第一步。而通用汽车对于推动电动车迈入无线时代，显然起到了关键的助推作用。
一、无线BMS优点多 增加续航还更安全
通用汽车在奥特能纯电平台上搭载的无线电池管理系统（以下简称wBMS系统）是由通用汽车与Analog Devices亚德诺半导体（以下简称ADI）共同开发，减少了现有BMS系统内部的连接线束。
电动汽车的动力电池包由多个电池模组构成，模组内部则是多个电芯。车辆要对每个电芯的性能进行实时监控，所以在每个模组内安装了一个电池监控器，这些监控器会采集每个电芯的电压、电流和温度数据，并将数据传给电池组的控制器（BMS控制器）。
传统BMS（左）和wBMS（右）的连接方式
目前所有的电动汽车，都采用了菊花链有线连接的方式，将数据从模组监控器传至BMS控制器。奥特能这套wBMS系统，则在每个模组监控器内部和BMS控制器内部嵌入了射频芯片，以此组建了一个名为SmartMesh的无线网络，将各个模组监控器和BMS控制器进行连接与数据传输（如上图）。
相比于传统的BMS系统，wBMS系统具有3大优势。
1、提升车辆续航
引入wBMS后，可以让电池组内部减少大约90%的线束和增加15%的内部空间。按照《Spectrum IEEE》期刊给出的数据，具体就是为每个电池包减少3米长、1公斤重的线束。
奥特能电池包内部线束非常少
这样一来，在电池容量不变的情况下，电池包的整体重量降低了。或者体积不变的情况下，可以增加电池包的容量。这两种做法都能提升车辆的续航，同时还省掉了线束成本。
ADI中国汽车电子事业部，资深战略与业务发展经理陈晟告诉车东西，wBMS系统与有线BMS的本质区别就是减少了通信线束，采用无线通信的方式进行电芯采样数据的传输。两者的测量精度则完全一致——全生命周期内的各种工况下为正负2毫伏。
2、提升车辆的安全性
“wBMS不仅可以提高电池包内的空间利用率，增加能量密度。”陈晟说道，“同时由于减少了线束，简化了电池组的装配复杂度，降低了在装配环节出现问题的概率，并且日后电池组的维修也更方便了。”
3、降低整车成本
为了保证通讯的可靠性，电池包内的通讯线束通常都会选用强度高、载流大、发热低的重型铜芯电缆而非低成本铝芯电缆。当然，成本也更高。无线BMS减少了9成线束，自然就能明显降低电池包的物料成本。
按照业内的说法，即使不考虑生产环节节省的成本，单说省去的物料成本，wBMS的价格也明显低于传统BMS系统。未来，wBMS系统的成本有望降到有线BMS系统的50%左右。
据了解，通用汽车的奥特能纯电平台是全球首个搭载wBMS系统的量产车辆平台。未来，通用汽车基于奥特能平台打造的纯电车型都将会搭载这套wBMS系统。今年9月，ADI又宣布与英国路特斯汽车达成合作，双方计划在路特斯的下一代轻量化电动汽车架构中使用wBMS系统。
二、多种手段保证通讯稳定 达到ASIL-D标准
现有的无线通信技术，不管是蓝牙、WIFI，还是4G、5G网络，都存在网络不稳定的情况。对于电动汽车来说，如果发生网络波动，显然会影响行驶安全。那么这套wBMS系统如何保证通信的稳定性、实时性和安全性呢？
据陈晟介绍，奥特能平台的wBMS系统采用2.4GHz的无线传输频段，应用ADI自研的SmartMesh网络架构，这种网络架构之前经常被应用在工业生产等环节上，可以为整个wBMS系统的传输稳定性提供三大保障。
ADI的wBMS系统示意图
第一，该系统内采用了自适应随机跳频技术，当系统识别到当前通讯频段出现干扰时，wBMS系统中的无线主节点芯片就会判断下一个时间窗口的通讯频段（非固定频段顺序），并在判断好后会通知从节点芯片，这样两个芯片就同时自动改变到不受干扰的频段，从而避免了干扰。
并且，整个过程系统可以进行自主学习，通过算法识别出高堵塞的信道，能够主动降低该信道的占有率。
第二，ADI的SmartMesh网络架构使用的是时间同步通道跳变(TSCH)链路层进行通信，网络中的终端可以在数微秒内进行同步，网络通信被组织成时隙，可以实现低功耗分组交换、成对通道跳变和全路径分集。
并且，每个器件都有冗余的路径以克服由于干扰、物理遮挡或多径衰落导致的通信中断。如果一个路径上的数据包传输失败，智能微尘会自动在下一个可用路径和不同射频通道上重试。
SmartMesh网络架构示意图
如果当某个节点与电池管理系统的无线通讯出现异常时，这个异常节点会借助旁边的节点进行通讯。简单来说，就是每一个节点都可以帮助其他节点进行通讯，单个节点失效的几率也就随之降低。
根据ADI官网的数据，SmartMesh解决方案可以达到99.999％的数据可靠性。
第三， wBMS系统各个节点采用分时通信的方式，同时使用了时间戳和数据重传机制，，避免了众多节点一起通讯造成无序混乱的问题。
如果某个节点数据传输失败，它可以在下一个时间窗口再次尝试传输数据，并且可以通过优化路径的方式选择更好的射频性能来减少流量重试次数，从而保证了数据的稳定性。
如果通信在绿色箭头处失败，节点D将在红色箭头处使用另一个通道重试
在整个电池管理系统的监测中，需要对电芯的电流、电压，温度等信号同时进行采样，同时对于通信的实时性有很高的要求，这样可以让系统算法更精准计算出当前电池的状态。
为了获得更加精确的测量值，SmartMesh网络架构中的每个发射器和接收器可以以组队的方式进行通道跳变以实现频率分集，让网络带宽增加，使得多个传输可以同时发生。
功耗方面，SmartMesh网络架构的功率也比蓝牙、Wi-Fi等通讯方式更低，每个路由节点的消耗通常小于50µA。此外，整个SmartMesh网络架构具备动态网络优化功能，可以一定程度上降低总体功耗。
稳定性之外，电池管理系统的安全性也至关重要。这套wBMS系统有多种措施来保障安全。
首先，通用利用wBMS系统可以为整车建立实时智能电池监控系统，该系统与整车系统相互独立，能够对电池包的健康状态进行实时监测，将整个电池系统的安全风险分化到单个电芯的预监测上，并且会随时调整模块和传感器来保障电池在车辆生命周期内的健康情况。
其次，上文提到使用wBMS系统可以为电池包内增加15%的内部空间，利用这些得之不易的空间通用给电池组内部安装了一条排气通道和安全阀，进一步了增强电池从模组到包级别的热扩散能力。
奥特能平台电池系统拥有安全阀、排气通道等专利设计
除此之外，wBMS系统还可以通过无线的方式将软件和电池节点进行重新编程，来让车辆获得更好的性能表现。并且，ADI为该系统使用了128位加密的安全网格设计，在整个SmartMesh网络架构中的所有流量均通过端到端加密、消息完整性检查和设备身份验证进行保护，以防止黑客入侵，保证车辆的安全性。
并且在信息安全方面，ADI wBMS系统可以满足国际相关信息安全法规的要求，同时ADI与通用汽车进行了多次仿真和模拟试验，确保无线通信的性能，稳定性以及抗干扰能力。
通用汽车的基于ADI的wBMS无线BMS技术，其系统最终达到了ASIL-D级的安全标准。
三、提升生产效率 让造车变成堆积木
wBMS除了能增加车辆续航、提升安全性、降低成本之外，对车企的整个生产流程也有明显帮助。
1、提升电池包生产效率
之前车东西在探访上汽通用奥特能超级工厂时就发现，厂内全部是通过无线的方式来对电池进行质量检查——比传统插线检测既省人工又省时间。
根据上汽通用技术人员介绍，厂内的大部分机械臂上都安装了无线通讯模块，可以与电池包内部的wBMS模块进行通讯。厂内的机械臂在抓取电池包进行下一步操作之前，通过无线的方式来读取电池包的各项信息，以此避免传统电池测试接头插拔带来的零件损伤，提升装配质量和产线效率，并且还节省了人力成本。这也是前文说wBMS不仅仅能降低物料成本的原因所在。
同时，该无线监测系统可模拟电池包在整车上的真实运行工况进行电性能测试，确保每一个电池包的安全性和一致性。此外，在整个测试放电过程都会进行能量回收，将多余能量反馈至电网，降低生产过程中的能源损耗。
采用无线通信技术检测电池模组性能
2、提升电池包研发效率
因为每个模组之间采用无线连接，在设计电池包时可以不用考虑复杂的布线问题，所以使用了wBMS系统的车企可以像堆积木一样灵活调整电池包的结构和大小，快速为不同车型设计电池包。
根据通用方面的资料，目前奥特能平台能够覆盖轿车、SUV、MPV等不同轴距和尺寸的产品，并在国内会并且按照不同车辆不同的需求可以分为8模组、10模组和12模组三种形式的电池包。
电池单元可以垂直或水平包装成模块
未来，奥特能平台在国内市场落地后，除了将会提供不同电池模组外，还提供7种驱动形式，包括3款高集成驱动系统和4种驱动形式，其中3款高集成驱动系统可分别用于前驱主力电机、后驱主力电机和后驱辅助电机，四种驱动形式包括前驱，后驱，经济四驱以及性能四驱。
除此以外，奥特能平台还可以兼容不同种类的电芯，包括磷酸铁锂、三元锂电池等。
凯迪拉克LYRIQ底盘（上）和HUMMER EV底盘（下）
3、提升电池全生命周期内的使用效率
对有线BMS来说，电池组只有在装车使用，或者人工接入检测设备后才能查看状态。这就导致对电池关键数据监控不够完整，比如车坏了，或者电池拆掉后难以随时检测。有了无线BMS后，可以在生产、运输、使用、维修、拆解等各个环节都方便地对电池数据进行检测，从而掌握电池全生命周期的完整数据，从而让二手车估价更准确，甚至电池拆解后的梯次利用也更加精准，产生新的价值。
此外，这套wBMS系统还可以储存整个电池组里每一个电池模组的元数据，让厂家在每一辆车的生命周期内都有可利用的云端数据和机器学习技术使用数据，从而推出更为适合的OTA升级。
通用汽车高压电池首席架构师Andy Oury之前曾表示，未来客户将不必购买新车，只需通过对电池包的OTA升级便可以优化电池性能。
四、ADI量产先行一步 恩智浦德仪也在跟进
2017年，在上海举办的Electronica China展上，ADI公司在一辆宝马i3上展示了业界首款wBMS系统，无线电池管理系统从此开始进入汽车领域。
ADI中国汽车电子事业部，资深战略与业务发展经理陈晟向车东西表示，在通用汽车奥特能纯电平台是汽车行业中首款用于量产电动汽车的wBMS系统。
全球首款wBMS概念产品（图片来源：electronicsweekly）
除了ADI公司之外，业内还有恩智浦、德州仪器等半导体公司正在布局wBMS技术。
其中，恩智浦公司的wBMS系统目前已经发展到WBMS2.1版本，相较于ADI的wBMS系统来说，恩智浦在无线通讯的方式上选择了蓝牙低能耗技术5.0（BLE5.0），该技术具有低功耗、高性能、高可靠性等优点，最高传输速率可以达到2Mbps。
恩智浦公司的wBMS系统
此外，恩智浦公司的wBMS系统中的每个主控节点可以与最多16个从控节点进行连接，并且整套系统可以对最多448个电芯的电压数据和224个通道温度数据进行同时采集。
而德州仪器目前也有多款wBMS产品，并且与ADI的wBMS系统一样，德州仪器的wBMS系统在安全性上也已经达到ASIL-D标准。
德州仪器的wBMS系统可支持多达100个节点，每个节点的测量均可实现时间同步，每个节点的延时都低于2ms。
德州仪器的wBMS结构图
在无线通讯方式上，德州仪器通过无线MCU实现wBMS的无线传输。据了解，该无线MCU可提供高吞吐量和低延迟的专用时隙以防止数据丢失或损坏，测量精度同样可以达到正负2毫伏的误差值。
在通信安全性上，德州仪器采用密钥交换和刷新、设备身份验证、128位加密等技术来保证整套系统的安全性和可靠性。
结语：电动汽车进入了无线时代
今年九月，继通用奥特能平台之后，Analog Devices公司又宣布与英国路特斯汽车达成合作，双方计划在路特斯的下一代轻量化电动汽车架构中使用ADI的wBMS系统。
相较于有线电池管理系统，无线电池管理系统的具有线束少、适用性强、可OTA升级等优点，并且可以大幅降低车企的研发生产等成本。
更重要的是，电池安全作为电动车安全的重中之重，无线电池管理系统将会进一步提升电动汽车的安全性和可靠性。未来，随着wBMS技术的不断普及和逐步量产，相信会有更多的车企选择该技术，电动汽车也将走进无线时代。
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