在2022年3月4日举行的GM Motor EV Day,通用汽车向外界展示了其全新的电气化战略核心:专属的Ultium电池、模块化的驱动系统和全新一代电动车平台,Ultium电池成为了最受关注的焦点。Ultium的英文含义是终极,通用对此信心满满,这套电池系统将成为纯电动汽车电池的终极方案。

 

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这套电池系统最大的亮点就是全球首创的无线电池管理系统wBMS。现有的在PACK里面每一个电池包,每一个电芯到每一个模组,模组之间都是电缆连接起来,目前所有新能源汽车电池包里面的通信都是菊花链方式连接(包括特斯拉),这种连接方式就需要电缆,而为了保证整个通信的可靠性,电缆都是用材质密度比较大的重型铜线。这带来几个缺点:

 

首先是重量,对于新能源汽车,重量是以公斤计算的,总设计师会给各单位下达减重的目标,1公斤也是很有必要的

 

  • 其次是成本,这些连接线缆和连接器的成本远超一般人的想象,某些超长续航的如特斯拉长续航版,这部分成本逼近200美元。然后是空间,这些空间本来可以放更多电芯的。再有是可靠性,接头是最有可能出现故障的地方。最后是维修,每次维修都需要拆装连线,很麻烦。还有电池的回收,如果能够做到无线BMS,哪怕是电池报废,也能知道电池电量。还有一点是制造效率,复杂有线连接自然增加了电池制造的工时。除通用外,莲花LOTUS也使用了无线BMS。

 

无线BMS可以让电池制造高度自动化,完全无接触,提高生产效率,也减少故障。

 

无线BMS有助于电池回收利用

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无线BMS可以完美解决这些问题,根据ADI的推测,最高可节约250美元的成本,这相当可观。目前提供无线BMS解决方案的主要有德州仪器和ADI两家,ADI起步较早,通用使用的就是ADI的方案,具体设计、制造由伟世通提供。

 

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伟世通称无线BMS模块为BRFM,第一代产品是24个Cell感知单元,BRFM从Cell感知单元那里获取电池的温度、电流和电压数据,然后通过2.4GHz通信传输到车辆集成控制模块VICM3中。

 

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大致原理图如上图。Cell端是ADRF8800,BMS端是ADRF8850。

 

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无线BMS体积不小,带引脚长约20厘米,本体长14.6厘米,宽大约6.9厘米,总高大约2.8厘米。

 

有一个20脚的连接器

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拆开后实物图如上,正面可见两个硕大的温度传感器,Amphenol的AX-221030,检测范围和精度为-40C and 150C ± 1%,顺便说一句Amphenol的电动车高压连接器排名世界第二。右下角疑似一个氢气传感器,精度为0PPM and 65,000PPM ± 100PPM (5% of accuracy),电池爆炸发生前会泄露出氢气,氢气浓度会快速上升,就意味着爆炸可能发生。一个压力传感器,精度为50kPa and 150kPa ± 1% (0 – 150C) and ±2% (-40C –0C)。两个核心芯片,一个是ADI的ADRF8850,另一个是电源和看门狗芯片,德州仪器的TPS3850。

 

ADRF8850内部功能框架

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上图是ADRF8850内部功能框架,2400 MHz到2483.5 MHz ISM 波段,输出速率1-2Mbps,采用廉价的48脚LQFP封装

 

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背板,有些模糊,无法分辨芯片型号。

 

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系统接口简介如上,资料来源FCC网站。

 

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ADI的无线BMS通过了严苛的网络安全认证,即ISO/SAE 21434。该标准是由ISO(国际标准化组织)与SAE International(美国汽车工程师学会)共同制定完成,并于2021年8月31日正式发布。该标准是汽车网络信息安全领域首个国际标准ISO/SAE 21434《Road vehicles—Cybersecurity engineering(道路车辆-信息安全工程)》。从汽车行业的角度来看,该标准就产品开发和整个供应链设计的安全性方面达成了共识。ISO/SAE 21434 针对道路车辆及其部件、接口等提出网络安全风险管理的要求,定义了车辆生命周期包括车辆工程、生产、操作、维护和退役相关等各阶段的要求。通过该标准设计、生产、测试的产品意味着具备了一定网络安全防护能力。

 

 

ADI的无线BMS还通过了SAE J3061标准认证,SAE J3061推荐规程《信息物理汽车系统网络安全指南(Cybersecurity Guidebook for Cyber-Physical Vehicle Systems)》就是首部针对汽车网络安全而制定的指导性文件。

 

 

德州仪器无线BMS中使用到的元器件是SimpleLink™ CC2662R-Q1和BQ79616-Q1两个新产品,前者为无线MCU,后者则为电池监控器和平衡器,二者相辅相成,是构成无线BMS的最主要的两个元器件。

 

 

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CC2662R-Q1是一颗基于ARM Cortex-M4的无线MCU片上系统,该产品符合AEC-Q100标准,具有低功耗、扩展的温度范围和增强的安全性。具体参数来说,尺寸为7mm x 7mm,采用具有可湿性侧面(WF)的48引脚QFN封装,在RAM完全保留运行状态下待机电流低至0.94μA,无线链路预放大达到出色的97dBm,器件可在-40℃~105℃范围内工作,拥有AEC 128位和256位加密加速器。BQ79616-Q1作为BMS的电池监控器,符合ISO26262功能安全标准,具备通信、温度和电压测量功能芯片级ASIL D等级。具体参数来说,尺寸为10mm x 10mm,采用64引脚HTQFP封装,可在-40℃~125℃范围内工作,拥有多种独特特性包括:电池电量平衡、集成ADC、多电池支持、断线检测、过热保护、过压保护、单独MCU需求、可堆叠(内置接口)、温度感应、低温保护、低压保护。

 

 

德州仪器无线BMS拥有专属的无线协议系统。片上集成射频无线子系统、可在2.4GHz带宽上实现短距离无线通讯,可在主机系统处理器与BQ79616-Q1电池监控器和平衡器之间进行稳定可靠且可扩展的数据交换。拥有业界领先的网络可用性。据介绍,这套无线BMS网络可用性指标数据为99.999%,万一当0.001%的故障发生时,可在300ms最大可用性内重新启动网络;另外还拥有专用时隙可提供高吞吐量和低延迟,从而进一步保护数据免受丢失或损坏;值得一提的是,在这样的无线协议之下,还可使多个电池单元向主MCU发送±2mV精度的电压数据和温度数据,且网络数据包错误率小于10的负七次方。基于BQ79616和CC2662这两个芯片搭建的无线BMS方案上,可以实现最多支持100多个节点,并且每个节点能够达到业界领先的2ms超低延迟,每个节点还可进行时间同步测量。

 

 

未来会有更多的车载功能感知模块使用无线方式,下一个就是TPMS。ADI和德州仪器依靠强大的单片2.4GHz通讯方案正在垄断市场。