如今，電動汽車及混動汽車的駕駛焦慮仍然在續(xù)航里程、充電時間以及安全性等方面。其中不斷增加電池容量是明顯的增加續(xù)航里程的手段，但除了開源，還有不少節(jié)流手段可增加續(xù)航里程，比如通過更精確的BMS（電池管理）系統(tǒng)，第三代半導(dǎo)體快充技術(shù)，以及為車輛減重等手段，減少消費者的顧慮。
日前，德州儀器（TI）宣布推出經(jīng)TÜV SÜD認證的功能安全認證的無線BMS解決方案，實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)和控制命令傳輸?shù)臒o線化。
德州儀器中國區(qū)嵌入式與數(shù)字光處理應(yīng)用技術(shù)總監(jiān)師英介紹道，目前所有的電動汽車的BMS都采用有線系統(tǒng)，需要銅線采取菊花鏈的布網(wǎng)形式。因此一方面復(fù)雜的布線增加了整車重量，另外則是電纜和連接器屬于易損件，由于振動等情況容易造成接觸不良，又或者易受到潮濕、熱等損壞，令安全等級下降，而當這些機械結(jié)構(gòu)件或線束發(fā)生問題時，需要更換整個電池包。此外，通過減少布線，減少了內(nèi)部布線空間，可進一步提升電池包功率密度。
由于典型的電動汽車將近要串聯(lián)100個電池組，需要長達幾米的銅線，去除這一連接無疑可以更好地實現(xiàn)電動汽車所需緊湊、高密度和高可靠性的電池組。
基于以上考慮，TI開發(fā)出了高可靠性的無線BMS系統(tǒng)。
BMS系統(tǒng)方案介紹
TI的無線BMS主要有兩部分組成。
其中最重要的部分是SimpleLink CC2662R-Q1無線MCU，符合AEC-Q100標準。該芯片基于Arm Cortex-M4，片上集成了豐富模擬外設(shè)，以及射頻子系統(tǒng)。芯片集成了專用的無線BMS協(xié)議棧，采用2.4GHz頻段（2402-2480 MHz），并內(nèi)置TI-RTOS，從而支持快速組網(wǎng)。
CC2662R-Q1系統(tǒng)框圖
TI系統(tǒng)工程經(jīng)理吳萬邦表示，CC2662R-Q1芯片的功耗非常低，因此用戶無需擔心采用無線會給整個電池系統(tǒng)帶來額外負擔。
各類功耗如表所示。
另外則是TI的電池監(jiān)控芯片BQ79616系列，具有從12-16個通道的不同產(chǎn)品，引腳和軟件兼容，可以給用戶提供最大的設(shè)計靈活性，幫助降低系統(tǒng)成本。
BQ79616框圖
可靠性
一直以來，人們天然地更依賴有線技術(shù)，而對無線技術(shù)的可靠性有所懷疑。為此，TI的解決方案在一開始設(shè)計時就考慮了SÜD的設(shè)計目標要求，完全依照ISO 26262的SÜD設(shè)計標準進行，也通過了TÜV SÜD認證，符合ASIL-D標準，由于不存在磨損，使得無線技術(shù)比有線更加安全可靠。
出色的網(wǎng)絡(luò)性能
師英表示，可靠性的背后，是TI專門為汽車BMS系統(tǒng)開發(fā)的無線協(xié)議棧，其網(wǎng)絡(luò)可用性指標是99.999%，即便0.001%的故障發(fā)生時，整個網(wǎng)絡(luò)重啟和重建的時間也不會超過300ms，整個無線BMS系統(tǒng)不會被汽車的主機長時間丟失。
“因為一個BMS里有一個主服務(wù)器，有8到10個從服務(wù)器，所以當你從主服務(wù)器同步到所有的從服務(wù)器時這個時間并不長�！眳侨f邦解釋道。
而在吞吐率方面，協(xié)議棧采用了時隙化的通信設(shè)計，可極大提高數(shù)據(jù)吞吐率并降低每個節(jié)點間的通信延遲。從而進一步保護數(shù)據(jù)不丟失，而且不被損壞。在吞吐量方面可以做到1.2Mbps的數(shù)據(jù)吞吐量，每個節(jié)點延遲不會超過2毫秒。師英表示，該協(xié)議棧可確保快速精確的向電池主單元MCU發(fā)送誤差不超過±2毫伏電壓數(shù)據(jù)和電芯溫度數(shù)據(jù)，而且整個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的誤碼率會小于10-7。
無線數(shù)據(jù)傳輸實測數(shù)據(jù)圖
針對信息安全方面，TI采用了私有協(xié)議，因此安全性得到了前所未有的提升。獨特的密鑰交換和刷新機制，以及獨特的器件認證和調(diào)試安全及其他保護功能，能夠讓整個無線BMS系統(tǒng)在信息安全上有出色表現(xiàn)。
而針對無線應(yīng)用所關(guān)注的EMI和EMC問題，師英解釋道BMS無線協(xié)議�？赏ㄟ^調(diào)頻等技術(shù)，組建干凈無干擾的通信網(wǎng)絡(luò)。吳萬邦則表示，TI的無線BMS已經(jīng)通過了一些客戶的評估，證明車內(nèi)2.4GHz頻率共存的情況下不會有任何干擾。
強大的可擴展性
TI BMS系統(tǒng)提供多個跨平臺進行可靠系統(tǒng)設(shè)計自由，支持不同電芯組成的模組，結(jié)合BQ79616系列實現(xiàn)了系統(tǒng)的高度可擴展性和靈活性。
協(xié)議棧在設(shè)計時就考慮了BMS系統(tǒng)對于測量同步的要求，同時BQ79616也支持節(jié)點測量同步，因此無論電池組平臺進行何種縮放，都可以實現(xiàn)最好的性能。
協(xié)議棧最多支持100個節(jié)點，由于是無線傳輸，因此也不需要額外的隔離設(shè)計。
正如TI汽車產(chǎn)品營銷工程師Daniel Torres表示：“無線BMS系統(tǒng)設(shè)計就像在空白畫布上進行設(shè)計一樣。當您不必擔心放置線束的位置時，就可以想出新的方法來利用空間，甚至混合和匹配不同大小和類型的電池�！�
更友好的開發(fā)驗證環(huán)境
TI.com.cn上目前已經(jīng)提供包括開發(fā)套件、SDK以及協(xié)議棧等無線BMS開發(fā)包，還包括射頻配置開發(fā)軟件SmartRF Studio以及電流傳感開發(fā)軟件Sensor Controller Studio。
每個開發(fā)套件均包含 9 塊電路板、1 個預(yù)編程電池控制單元和 8 個預(yù)編程電池傳感器單元。可以將無線 BMS EVM 配置為電池控制單元（主節(jié)點）或電池傳感器單元（輔助節(jié)點）。支持使用獨立 XDS110 調(diào)試探針來對無線 BMS EVM 進行編程和調(diào)試。
在CES2021在線峰會上，TI也重點展示了無線BMS系統(tǒng)
師英指出，無線BMS開發(fā)包是一套完整的交鑰匙參考設(shè)計，包括天線的參考設(shè)計都已經(jīng)納入其中，用戶也可根據(jù)自身需求進行微調(diào)。 |
