Mesh 網(wǎng)絡(luò)在無線電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用分析

沈勇杰

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

0 引言

Mesh 網(wǎng)絡(luò)是一種高穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)靈活、高帶寬的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）和WBMS（Wireless Battery Management System，無線電池管理系統(tǒng)）廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車的電池管理中，本文重點(diǎn)介紹無線電池管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)以及基于Mesh 技術(shù)的無線電池管理系統(tǒng)。

1 無線電池管理系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

盡管無線通信已經(jīng)在車輛上得到商業(yè)應(yīng)用，例如主動(dòng)型胎壓傳感器TPMS（Tire Pressure Monitoring System，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）、PEPS（Passive Entry Passive Start，無鑰匙進(jìn)入/啟動(dòng)）。TPMS 分為3 種：一種是PSB（Pressure-Sensor Based TPMS，直接式胎壓監(jiān)測），另一種是WSB（Wheel-Speed Based TPMS，間接式胎壓監(jiān)測），還有一種復(fù)合式胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。但目前無線通信仍僅作為輔助通信形式。整車電子通信目前依然主要依靠有線通信的方式進(jìn)行，其中絕大部分以CAN 總線、車載以太網(wǎng)、MOST 總線和LIN 總線等介質(zhì)實(shí)現(xiàn)。主要原因有：

（1）隨著ADAS、V2X 等技術(shù)的發(fā)展，車載ECU 直接的數(shù)據(jù)交流和處理量越來越大，數(shù)據(jù)傳輸頻率（波特率）也越來越高。目前主流主機(jī)廠正在進(jìn)行從CAN/CAN-FD 總線到車載以太網(wǎng)的過渡階段。

（2）車輛重要通信信息，比如主被動(dòng)安全系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等，對傳輸時(shí)效性、傳輸可靠性要求高。而目前在跨域、跨系統(tǒng)的通信方式上，無線解決方案需要得到進(jìn)一步的驗(yàn)證以確保滿足相關(guān)要求。

（3）無線通信的遠(yuǎn)端（如遙控鑰匙、胎壓傳感器）無法直接通過整車電池取電，需要自帶電池，存在更換周期，增加售后成本。

對于電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)，目前BMS 業(yè)內(nèi)常用的通信方式依然以有線通信為主（圖1），包括CAN 通信及菊花鏈通信，CAN 通信技術(shù)成熟，穩(wěn)定性強(qiáng)，但整體占用空間大，功耗高，成本高，而菊花鏈通信方式雖然成本低，但EMC（Electromagnetic Compatibility，電磁兼容性）難度大，可擴(kuò)展性差。而隨著電動(dòng)汽車對于輕量化、可靠性、智能化的提升，WBMS 就成為技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的重要方向，也逐步從早期的研發(fā)階段開始步入產(chǎn)業(yè)化階段。

圖1 有線BMS 通信方式

BMS 的主要作用是通過對電壓、電流、電芯溫度的測量來監(jiān)控動(dòng)力電池的狀態(tài)，主機(jī)廠對于動(dòng)力電池的輕量化、降成本等正在變得越來越敏感，而這也給無線BMS 技術(shù)更快商業(yè)化的機(jī)會(huì)。無線BMS 技術(shù)的優(yōu)勢在正在越來越凸顯。WBMS 相對于傳統(tǒng)有線BMS 方案，主要優(yōu)勢在以下4 個(gè)方面：

（1）BMS 通常集成在RESS（Rechargeable Energy Storage System，可充電能力儲(chǔ)存系統(tǒng)）內(nèi)部，相當(dāng)于遠(yuǎn)端自帶容量可觀并且可充電的電池。無需擔(dān)心因?yàn)椴捎脽o線技術(shù)后的供電問題。這是其他ECU（Electronic Control Unit，電控單元）無法具備的先天優(yōu)勢。

（2）BMS 目前主要采取主從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含多個(gè)從控單元。有線BMS 需要在主控單元與從控單元直接，以及從控單元直接布置線束，對單車成本和單車重量都是不利貢獻(xiàn)；同時(shí)，線束和接插件存在因老化等原因失效的風(fēng)險(xiǎn)，極端情況下可能造成整個(gè)電器管理系統(tǒng)癱瘓。而采用無線方案則可以避免該問題。無線方案使得每輛車不同程度上節(jié)省導(dǎo)線和接插件等硬件，無論對于硬件成本還是裝配成本，在規(guī)模生產(chǎn)時(shí)都將產(chǎn)生顯著的降本效益，而芯片成本將不斷降低。同時(shí)，無線通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)量愈多，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性會(huì)越高，單個(gè)節(jié)點(diǎn)失效對整個(gè)系統(tǒng)的影響大大降低。

（3）降低電池包開發(fā)設(shè)計(jì)和裝配難度。脫離線束的束縛，無線BMS 可使得相關(guān)傳感器等零件布置的靈活性更高，更容易增加傳感器的數(shù)量和種類實(shí)現(xiàn)更為全面的電池狀態(tài)監(jiān)控。并且對于在網(wǎng)絡(luò)中新節(jié)點(diǎn)的添加和刪除也比較靈活，在增加或減少電池模組時(shí)會(huì)更為便利，開發(fā)和制造的柔性更高。

（4）BMS 是連接著高壓和低壓的ECU。多數(shù)整車ECU 都在低壓系統(tǒng)的架構(gòu)中，而BMS 則是連接HV（High Voltage，高壓）和LV（Low Voltage，低壓）系統(tǒng)，如何有效將高壓和低壓隔離一直是BMS 在設(shè)計(jì)過程中需要考慮的問題。采用無線通信技術(shù)可以天然的將高壓和低壓隔離。

2 基于Mesh 技術(shù)的無線電池管理系統(tǒng)

本質(zhì)上，WBMS 應(yīng)用了IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)。在眾多物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)中存在兩種基本拓?fù)洌篗esh（網(wǎng)絡(luò)形）和Star（星形），Mesh 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问饺鐖D2 所示。星際網(wǎng)絡(luò)依賴于端節(jié)點(diǎn)和中央設(shè)備之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接。如果在安裝網(wǎng)絡(luò)之后環(huán)境發(fā)生了變化，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能就會(huì)發(fā)生故障。Mesh 網(wǎng)絡(luò)，也被稱為多跳網(wǎng)絡(luò)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備路由器（工作在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層）的功能，進(jìn)行報(bào)文的傳遞。Mesh 網(wǎng)絡(luò)最初用于軍用網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，由于更高的可靠性、更好的節(jié)點(diǎn)拓展性和具備更廣的覆蓋距離，Mesh 網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)和家用領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來越普遍。應(yīng)用無線Mesh 技術(shù)的WBMS 具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

圖2 Mesh 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?/p>

基于多跳網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可靠性高。多跳網(wǎng)絡(luò)指網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不僅可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，還可以具備路由功能，使得節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行相互通信的情況下，無需事先訪問一個(gè)固定的AP（Access Point，接入點(diǎn)）。而在單跳網(wǎng)絡(luò)中，如果某一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可能也就隨之失效；在Mesh 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一條或幾條傳送數(shù)據(jù)的路徑。如果最近的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障、受到干擾或者從網(wǎng)絡(luò)中移除時(shí)，無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)具有自主建網(wǎng)和自愈性等特性，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通常都有多條可用鏈路，數(shù)據(jù)包將自動(dòng)路由到備用路徑繼續(xù)進(jìn)行傳輸，整個(gè)通信的結(jié)果不會(huì)受到影響。這樣能夠有效避免單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障造成通信網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。由于要求RESS（Rechargeable Energy Storage System，可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)）可以在由于惡劣的EMI（Electromagnetic Interference，電磁干擾）環(huán)境以及RF（Radio Frequency，射頻）屏蔽金屬構(gòu)成的信號(hào)傳播障礙的條件下長期穩(wěn)定工作，因此該特點(diǎn)尤為重要。目前已有實(shí)現(xiàn)大于99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性的可用于RESS 的產(chǎn)品級(jí)無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)解決方案。

整個(gè)系統(tǒng)集成在RESS 內(nèi)部，通信距離較短，可以獲得更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。無線通信的物理特性決定了通信傳輸?shù)木嚯x越短就越容易獲得高帶寬，因?yàn)殡S著無線傳輸距離的增加，各種干擾和其他導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的因素隨之增加。因此選擇經(jīng)多個(gè)短跳來傳輸數(shù)據(jù)將是獲得更高網(wǎng)絡(luò)帶寬的一種有效方法，而這正是Mesh 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢所在。Mesh 網(wǎng)絡(luò)還提供更大的冗余機(jī)制和通信負(fù)載平衡功能。在無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備都有多個(gè)傳輸路徑可用，以克服由于電磁干擾、物理屏蔽等原因?qū)е碌男盘?hào)異常或衰減。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)載情況動(dòng)態(tài)地分配報(bào)文路由，從而有效地避免節(jié)點(diǎn)的通信擁塞。

應(yīng)用多種網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，信息安全性高。目前各主流主機(jī)廠均已在整車電器系統(tǒng)內(nèi)實(shí)施了車載網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，確保車載通信不會(huì)非法截獲、破解，確保車輛電子系統(tǒng)不被入侵、劫持。在認(rèn)證方式上，應(yīng)用于WBMS 的無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)支持802.1x 身份認(rèn)證和PSK 認(rèn)證方式，可同時(shí)具備信道加密、消息完整性校驗(yàn)和信源加密等多種加密方式，可有效防止所傳傳輸信息被非法截獲破解甚至網(wǎng)絡(luò)被劫持，確保整車物理和信息的高度安全。

3 結(jié)語

基于Mesh 技術(shù)的無線電池管理系統(tǒng)在保證較高通信帶寬的同時(shí)，可以大幅度提高電池管理系統(tǒng)的可靠性、安全性、耐用性，并降低工程開發(fā)、產(chǎn)品制造和售后維修成本，因此，隨著芯片集成度不斷提高，成本不斷降低，無線電池管理系統(tǒng)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域擁有良好的發(fā)展預(yù)期。