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BMS有线变无线:解决里程焦虑和整车安全性难题

2021-01-29 赵明灿 阅读:
当驾驶新能源汽车或者电动汽车出去旅行的时候,用户最大的考虑是什么?对大部分人来讲,这可能是里程焦虑,以及整车安全性。经过多年持续发展,汽车电气化已取得显著成果,但如何提高电动汽车的续航能力,依然是当前最主要的技术难题之一。电池管理系统的创新正是突破该难题的核心。

当驾驶新能源汽车或者电动汽车出去旅行的时候,用户最大的考虑是什么?对大部分人来讲,这可能是里程焦虑,以及整车安全性。经过多年持续发展,汽车电气化已取得显著成果,但如何提高电动汽车的续航能力,依然是当前最主要的技术难题之一。电池管理系统的创新正是突破该难题的核心。NkCednc

日前,德州仪器推出全新无线BMS方案,从系统级解决了这一技术难题。最终可以增加车辆续航里程,提高整车性能和安全性,同时让整车系统更加便于维护。NkCednc

据德州仪器(TI)中国区嵌入式与数字光处理应用技术总监师英(Jerry Shi)介绍,目前如果看汽车BMS的现状与挑战时,有几个点需要注意。首先,目前在路面上行驶的新能源汽车所有的BMS系统都是有线BMS系统。在这样的有线BMS系统里,每一节电池包/模组里的每个电池都必须通过一根通信电缆连接到一个调节电量、做电池电芯监控和平衡的监控芯片。为了使通信电缆的连接非常可靠,需要采用菊花链连接,而且线缆需要重型铜线,这个就在电池包里形成了非常庞杂的电缆布置,这会增加它的重量,同时,对电池包故障率来讲,电缆和连接器故障是导致电池包出现故障的主要原因。一旦电缆或者连接器出现问题,就可能需要更换整个电池包,费用也会很昂贵。从这几个方面考虑,TI设计了无线BMS系统尝试解决这些技术挑战。NkCednc

另一方面,当电池包里布满了很多重型铜线的时候,它同样也会占据电池包内部空间。这些空间本来是可以放上更多的电芯,使得整个体积比能量更大。当我们用无线方案把电缆替代掉之后,省出来的空间可以放更多电芯,可以提高整个电池包的体积能量密度,他补充说。NkCednc

TI设计无线BMS方案的目标是延长续航里程并提高可靠性和安全性。该无线BMS解决方案是业内首个通过TÜV南德认证的产品。在功能安全性考虑方面,该方案在一开始设计时就考虑了SÜD的设计目标要求,完全依照ISO 26262的SÜD设计标准进行。作为结果,TI也把这套系统请TÜV南德进行评估和认证,拿到了SÜD级别的功能安全概念的认证。NkCednc

关于可靠性,要提到汽车内无线BMS系统的网络协议,TI为此专门针对无线BMS设计了一个无线通讯协议栈。借助这套网络协议就可以分析汽车内部的实际应用环境,具体考察可能面临的很多干扰和挑战。其可靠性的指标即所谓的网络可用性,在这套协议里,网络可用性可以达到99.999%。它的错误故障率非常低,即使发生了那99.999%之外的故障也有快速诊断和恢复机制,可以让网络恢复到安全通信的状况下。同时,这套系统提供多个跨平台进行可靠系统设计的自由。也即用不同的电芯组成一个模组,或者当我们用不同的模组组成一个组合产品时,系统的可扩展性和灵活性是非常高的。NkCednc

这款无线BMS中有两个最主要的功能元器件。NkCednc

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左边的SimpleLink CC2662R-Q1是一颗无线MCU 无线片上系统,这个芯片本身符合AEC-Q100标准的基于Arm Cortex-M4 弧线MCU,它除了Cortex-M4的MCU之外,片上也集成了无线的子系统,就是射频子系统。它可以在2.4GHz带宽上实现短距离的无线通信。同时在芯片里也集成了专有的无线协议,也即前面提到的分析无线BMS通信所面临的环境和挑战之后专门为无线BMS开发的专有无线协议栈。TI把它放在CC2662芯片内部,可以快速组成无线BMS网络。NkCednc

右边的BQ79616是一颗系列芯片,在这个系列里有不同的通道数的选择。BQ79616是16个通道的,同时TI也有引脚和软件兼容的12个通道、14个通道和16个通道。引脚和软件兼容可以给用户提供最大的设计的灵活性,帮助他们在系统上降低成本。所谓降低成本,举个例子,假如有一个电池包的模组要求是28个电芯,假如用16通道的芯片的话,那就只能用两片16通道芯片,也就是32个通道。实际只需要28个通道,有4个通道是浪费的,这就是额外被浪费掉的成本。但是,因为BQ79616和BQ79612这两颗芯片是硬件、引脚和软件都兼容的,所以可以用一片BQ79616加上一片BQ79612来正好拼成一个28通道模组。这种情况下就没有任何一个通道被浪费掉,这样就可以帮助节省系统成本。NkCednc

同时,BQ79616芯片(以及这一系列的芯片)都是在芯片元器件级别就符合ISO 26262 SÜD级别的标准。在通信、电芯温度、电芯电压测量等功能方面都可以达到SÜD级别。NkCednc

关于无线BMS协议栈,它的网络可用性指标数据是99.999%,万一当0.001%的故障发生时,在任何情况下在不超过300毫秒之内可重新启动和建立无线网络,使得整个无线BMS系统不会被汽车的主机长时间丢失,可以恢复到汽车的主系统中来。这是一个非常重要的指标。NkCednc

在无线通信协议栈里,时隙化的通信设计可以极大地提高数据吞吐率和降低每个节点间的通信延迟,从而进一步保护数据不丢失,而且不受到损坏。在吞吐量方面可以做到1.2Mbps的数据吞吐量,每个节点延迟不会超过2毫秒。同时在这样一套无线网络协议上,可以快速精确地向电池主单元MCU发送误差不超过±2毫伏电压数据和电芯温度数据,而且整个网络数据包的误码率小于10-7NkCednc

此外,在信息安全方面,TI通过独特的密钥交换和刷新机制,以及独特的器件认证和调试安全及其他保护,让整个无线BMS系统在信息安全上也有出色表现,不会被一些信息安全的攻击所攻破。NkCednc

在扩展性方面,基于BQ79616和CC2662这两个芯片搭建的无线BMS方案,可以达到最多支持100多个节点。其无线BMS的网络协议栈的节点容量可以到100个节点,每个节点小于两个毫秒的通信数据延迟,并且因为现在每个节点之间都是无线连接的,也就省去了原来复杂和昂贵的除电缆之外的隔离电路,因为它本身物理上就是隔离的。整个设计就可以降低BMS系统成本。NkCednc

在电芯监控上,可以使用BQ79616来配置不同的电池系统,比如16串模组、32串模组或者64串模组,或者其他任何一种常见模组的尺寸。这些芯片之间的引脚和软件都是兼容的。NkCednc

另外一个很重要的特点是在整个无线网络协议栈里考虑到了每个节点上的同步测量。对于一个庞大的电池包来讲,里面的每一个电芯为了让电量的估计和测量达到最准确的程度,需要考虑对每一个节点进行同步时间测量。这在无线网络协议栈里也考虑到了,这也是因为BQ79616芯片级本身就支持,可以达到每个节点上测量时间是同步的。NkCednc

在可用性、可获得性方面,该无线协议栈现已可以在TI官网免费下载,也即无线BMS开发套件SDK可以在TI官网免费下载。硬件开发套件也可以在TI官网上购买。NkCednc

在芯片上,CC2662和BQ79616都是已经发布量产的芯片,在TI官网上也可以买到这两个芯片。总结一下,这一套完整的解决方案,到今天它的每一个部件,包括软件硬件都可以在线上获得。NkCednc

“如果往前看,我们认为突破性的无线BMS技术会给汽车的电池管理带来一个巨大的改变。就像今天的BMS系统都是用有线连接的,它有诸多的设计挑战,从整个车的层面考察的话有诸多设计挑战。我们相信无线BMS会给汽车电池管理系统带来一个巨大的变革,使得电动车可以有更高的效率、更安全,可以有更高的续航里程。”师英总结说。NkCednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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