BMS内部通信解析:CAN、菊花链、无线和红外

科技确有核芯 2024-08-14 18:19:18
电子发烧友网报道(文/吴子鹏)BMS(Battery Management System,电池管理系统)是确保电池组安全、可靠和高效运行的关键组件,主要由主控模块、高压模块和从控模块三部分组成。 BMS的核心功能包括电池状态监测、充放电管理、平衡电池单元和电池保护等。在实现这些功能时,BMS主控模块通过通信协议与其他系统组件进行数据交换和指令传递,从而实现电池的监控和管理。目前,汽车BMS主要应用的内部通信协议包括CAN FD、菊花链、蓝牙和红外等。 基于CAN通信协议的BMSCAN总线是一种广泛应用于汽车和工业领域的现场总线协议,在BMS系统中CAN总线常用于连接BMS与电机控制器、充电器等车载系统,同时CAN也可以用于BMS系统内部的通信。 在BMS系统内,CAN通信构建了一种多节点总线通信结构,也是一种主从结构,由中央控制器与多个外设组成,通过基带物理层的双绞线进行数据传输,具有较高的实时性和抗干扰能力。 在构建BMS应用时,CAN总线的优势是抗干扰能力强,采用CRC校验和其他错误检测机制,保证数据的准确性;节点数量多,支持总线型网络结构,可扩展性强,一般可扩展至数十个传输电池模组节点;成本低,作为成熟的通信协议,CAN通信具有一定的成本优势。 通过CAN通信,BMS可以实现动态采集电动汽车电池组的参数研究和电池性能参数。当然,为了增加系统可靠性,一般需要对BMS内部的CAN通信做隔离,比如可以使用高速光耦进行隔离。 基于RS232通信协议的BMSRS232是一种串口通信协议,常用于连接计算机与外围设备。RS232是一种比较老旧的通信协议,因此多用于BMS的临时应用,如配置测试和故障排除。另外,BMS也可通过RS232接口与上位机标定软件进行外部通信。 基于RS232的BMS通信具有结构简单、易于实现的优点,不过RS232通信只支持点对点,且传输速率和距离都有限制,因此应用范围较为有限。 基于RS485通信协议的BMS RS485和CAN都是串行通信协议。RS485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。一般而言,RS485推荐使用菊花链连接其节点,驱动器、接收器和收发器通过短网存根接入主干线。RS485标准规定单位负载为12K,最多挂载32个负载。 一般BMS主控系统在提供接口时,会同时提供RS485和CAN,以此来提升设计的灵活性和效率。不过,由于RS485理论上可以达到1200米的传输距离,并具有多节点连接的能力,因此广泛适用于大型电池储能系统的监控和管理。 基于蓝牙/NFC/Wi-Fi的无线BMS美国通用汽车在2022年Q2推出业内第一款完全无线BMS的量产电动汽车,并表示后续将在所有开发计划的奥特能平台搭载无线BMS(wBMS)。当前,wBMS已经得到了车厂的广泛重视。 wBMS与传统的有线BMS功能相同且架构类似,唯一的区别在于内部和外部沟通渠道。与传统的BMS相比,wBMS功耗更低,可扩展性强,同时无线通信可减少包内线束,简化Pack结构,提升整包能量密度,主从板之间无高压风险,相比CAN通信及菊花链通信,wBMS更安全,被业内认为是未来电池管理系统的发展方向。 相较而言,wBMS没有了复杂的线缆和连接器,可以进一步提高了产品的可靠性,并提升BMS系统设计的灵活性。不过,由于是无线传输的方式,是一种新式的传输方式,因此在测试端也面临全新的挑战,比如无线芯片与模组通信测试,电池包整体无线测试,以及基于实际外场干扰的功能测试等。 目前,德州仪器、ADI、NXP和Dukosi等公司都已经推出了wBMS方案,采用的无线技术包括低功耗蓝牙、Wi-Fi、NFC、Zigbee和Sub-1 GHz等。如上所述,这些无线方案的推出,大幅提升了BMS设计的灵活性。 基于红外的BMS通信系统随着技术创新,目前BMS系统已经非常多元,包括管理系统、控制模组、显示模组、无线通信模组、电气设备等。目前主流的量产电动车型普遍采用了分布式的BMS架构,优势在于可以根据不同的电池系统串并联设计进行高效的配置,BMS连接到电池之间的线束距离更短、更均匀、可靠性更高,同时也可以支持体积更大的电池系统设计。 在分布式BMS内部,模组与模组之间,模组与主芯片之间的信息传输就非常重要。除了我们上述提到的有线和无线方式,还有一些传输方式也非常受到厂商的重视,比如基于以太网的传输,不过这种传输性价比目前还有挑战。在这里,我们要介绍的是基于红外传输的电池系统智能控制。 基于红外传输的方式,采用一套收发系统进行红外数据的传输和接收,发射器和接收器可接收、发送传输电池包内部和外部数据,这样的方式也能够避免走线并降低成本,目前包括恩智浦在内的一些公司正在做这方面的探索。 结语BMS是电动汽车重要的功能单元,其主要功能包括监控电池的状态,最重要就是监控电压、电流、温度、剩余电量和健康状态等关键参数,而这些数据都需要传输。过往,BMS主要通过CAN总线进行传输,不过随着汽车线束方面的挑战日益增大,wBMS成为更受青睐的方式,相信未来会有越来越多的无线技术进入BMS。
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