独家：首批汽车安全沙盒监管试点技术解读②

独家：首批汽车安全沙盒监管试点技术解读②

——无线BMS技术

中国汽车工程学会副秘书长 赵立金

1.无线BMS技术概况

独家：首批汽车安全沙盒监管试点技术解读②

——无线BMS技术

中国汽车工程学会副秘书长 赵立金

1.无线BMS技术概况

无线BMS技术采用无线通讯的方式，大幅减少电池系统内部线束，节省了大量布置空间并减少重量，可实现电池系统的高效集成，目前已有个别车型实现应用。但该技术目前还面临电磁兼容性较差、抗干扰稳定性较差、网络攻击风险较高和成本较高的挑战，技术成熟度较低，尚不满足大规模商用的条件，期望通过产业链协同努力，促进无线BMS技术尽快完成验证和实现规模应用。

1.1技术定义

无线BMS（Wireless Battery Management System，WBMS）技术是指使用无线通讯进行信号传输的电池管理系统，是动力电池系统的关键部件，监控动力电池工作参数（温度、电压、电流等），进行动力电池状态估计，为电池系统提供通信、安全、电芯均衡及管理控制，并提供与应用设备通信的接口，主要包含电池控制单元、电池检测单元及其附件。无线BMS技术示意图如图1所示。

图1 无线BMS技术示意图

1.2技术特点

传统BMS技术方案采用线束进行数据通讯，因为菊花链有线通信协议中内置了功能安全特性，所以这是实现汽车ASIL D合规性的最可靠方法。然而，线束也有其缺点：电缆故障、保修维修和电芯更换的高昂成本。为解决上述问题，无线BMS系统使用无线方案把线束取消后，省出来的空间可以放更多电芯，提高电池系统的比能量。无线BMS技术的本质是采用无线通信，减少从控CSU之间、从控与主控BMS之间的线束，而电压与温度的采样以及将电压和温度传送至从控CSU的方案不受影响；此外，BMS与继电器、高温保险丝、整车VCU之间的控制连接线也不受影响。

无线BMS与常规BMS方案的对比如表1所示。出色的无线BMS网络可变革目前电池管理的方案，通过采用经独立评估的功能安全设计，使主机厂能够降低其电池系统设计的复杂性，提高可靠性并减轻车辆重量，从而延长续航里程。无线BMS技术主要优势包括：通过消除线束来降低系统成本和生产复杂性；使新架构能够更充分利用空间并设计更高比能量的电池包；通过消除繁重、成本高昂且需要频繁维护的布线并减少连接器数量来提高自动化程度，进而加快组装速度并提高生产效率。另外，无线BMS技术的无线协议可提供高性能，实现高达1.2Mbps的高数据吞吐量，每个节点的延迟小于2ms，实现可用性超过99.999%的安全数据通信。

表1 BMS技术类别对比

1.3关键技术

无线BMS关键技术主要聚焦于无线通信技术，包括数据传输高吞吐技术、同步低延迟技术、可靠数据传输技术、安全连接技术、低功耗技术、低成本技术等。

（1）数据传输高吞吐技术：满足大量数据传输到中央处理单元，并随电池模块数量增加而扩展的要求，速率实现1兆位/s。

（2）同步低延迟技术：在电池模块数量增加后，可通过固定时间发送广播信息包实现不同模块之间的同步数据反馈。

（3）可靠数据传输技术：具有多个无线电信通道确保数据可靠传输。

（4）安全连接技术：通过加密和身份验证提供安全通信，防止未经授权的访问。

（5）低功耗技术：在数据采集时期工作，其余间隔时段休眠，以减少电耗。

（6）低成本技术：系统总体成本控制良好，使其具有市场竞争力。

2.无线BMS技术发展趋势与挑战

无线BMS技术的研究已取得了一定进展，并开始了小规模量产。恩智浦尝试将Thread协议应用到电池管理系统上；蜂巢能源与森萨塔科技合作开发无线BMS；凌力尔特与宝马公司合作推出了采用SmartMesh技术的无线BMS概念车；德州仪器和凌力尔特分别推介自家的无线BMS方案。在乘用车上，通用汽车已将无线BMS技术应用于奥特能平台，并实现了凯迪拉克LYRIQ等车型量产；在商用车上，宇通无线BMS技术已搭载样车并进行可靠性测试，可在验证通过后实现更灵活的商用车电池系统布局设计。

2.1发展趋势

趋势一：高精度算法是BMS的核心，需不断提高估算精度。对于BMS来说，动力电池状态估计是核心功能，高精度SOX估算算法可准确评估电池状态，并发挥出最佳性能，是BMS的核心竞争力，需要不断提高精度。

趋势二：主动均衡功能具有更佳工作特性，应用比例将逐渐提高。目前受到成本影响，采用被动均衡功能的方案较多，但主动均衡能量损耗小、电池能量保持率高，预计未来应用规模可逐渐提高。

趋势三：分布式拓扑结构拓展性强，将是未来主流方向。集中式BMS成本较低，但适用性较差；分布式BMS电池系统内部布局简单、可拓展性强，将更适配未来新能源汽车长续航、高电压和平台化需求。

趋势四：无线BMS优势明显，将逐步取代传统BMS方案。无线BMS可大幅减少电池系统内部线束，提高电池系统成组效率，减少连接器等零部件，将逐步取代目前传统BMS方案，市场前景广阔。其发展趋势在于提高电池兼容性、提高抗干扰稳定性、降低网络攻击风险和控制成本。

2.2面临挑战

从技术层面看，在电磁兼容性方面，需要在工作过程中满足电池系统全生命周期电池兼容性能要求；在抗干扰稳定性方面，需要防止无线通讯被外部干扰的风险，导致数据丢失或迟滞未能对电池系统做出及时响应；在网络攻击方面，一旦遭受外部网络攻击被施加不良意图，有电池系统及整车失控的风险。

从产业化层面看，目前该方案成本较高，涉及到成本与收益的平衡，短期内恐难以大规模普及。预计在成本较大降幅前提下，才能实现大规模商用。随着芯片成本逐渐降低，无线BMS技术会推广到更多的车型上，其应用价值会更加显著，将有力推动新能源汽车动力电池管理技术进步，能够在电池生产、电池仓储、运输、车辆制造、运行维护、电池回收等整个环节发挥有益作用，使电池系统更加安全、智能、环保。

3.首批汽车安全沙盒监管试点申报情况

2023年11月10日，市场监管总局质量发展局发布“关于确定首批汽车安全沙盒监管试点名单的通知”，郑州宇通集团有限公司申请的商用车用电池管理系统无线通信技术入选。

宇通针对商用车电池多、布置分散，导致组网时间长、数据采集同步性差、数据传输送达率低等三项无线通信技术应用难题，通过开发无低压线束电池箱，发明高效的无线电池箱编码成组方法，建立立体式多层级电池无线管理技术等创新，实现对新能源商用车电池系统高效、可靠的无线管理。已获无线电池箱、电池系统编码成组方法、无线电池管理策略等方面发明专利，无线BMS主从控制器均为国内开发。

4.小结

无线BMS技术应用为行业发展趋势。汽车安全沙盒监管试点针对无线BMS技术可能存在的潜在未知风险进行深度安全测试，从外部信息源干扰、零部件/整车EMC、无线通讯稳定性等维度进行实车应用验证，并针对未识别风险、潜在失效模式，分层分类提出改进建议，有助于建立行业标准，以及推动无线BMS技术安全水平提升与应用推广。

无线BMS技术采用无线通讯的方式，大幅减少电池系统内部线束，节省了大量布置空间并减少重量，可实现电池系统的高效集成，目前已有个别车型实现应用。但该技术目前还面临电磁兼容性较差、抗干扰稳定性较差、网络攻击风险较高和成本较高的挑战，技术成熟度较低，尚不满足大规模商用的条件，期望通过产业链协同努力，促进无线BMS技术尽快完成验证和实现规模应用。

1.1技术定义

无线BMS（Wireless Battery Management System，WBMS）技术是指使用无线通讯进行信号传输的电池管理系统，是动力电池系统的关键部件，监控动力电池工作参数（温度、电压、电流等），进行动力电池状态估计，为电池系统提供通信、安全、电芯均衡及管理控制，并提供与应用设备通信的接口，主要包含电池控制单元、电池检测单元及其附件。无线BMS技术示意图如图1所示。

图1 无线BMS技术示意图

1.2技术特点

传统BMS技术方案采用线束进行数据通讯，因为菊花链有线通信协议中内置了功能安全特性，所以这是实现汽车ASIL D合规性的最可靠方法。然而，线束也有其缺点：电缆故障、保修维修和电芯更换的高昂成本。为解决上述问题，无线BMS系统使用无线方案把线束取消后，省出来的空间可以放更多电芯，提高电池系统的比能量。无线BMS技术的本质是采用无线通信，减少从控CSU之间、从控与主控BMS之间的线束，而电压与温度的采样以及将电压和温度传送至从控CSU的方案不受影响；此外，BMS与继电器、高温保险丝、整车VCU之间的控制连接线也不受影响。

无线BMS与常规BMS方案的对比如表1所示。出色的无线BMS网络可变革目前电池管理的方案，通过采用经独立评估的功能安全设计，使主机厂能够降低其电池系统设计的复杂性，提高可靠性并减轻车辆重量，从而延长续航里程。无线BMS技术主要优势包括：通过消除线束来降低系统成本和生产复杂性；使新架构能够更充分利用空间并设计更高比能量的电池包；通过消除繁重、成本高昂且需要频繁维护的布线并减少连接器数量来提高自动化程度，进而加快组装速度并提高生产效率。另外，无线BMS技术的无线协议可提供高性能，实现高达1.2Mbps的高数据吞吐量，每个节点的延迟小于2ms，实现可用性超过99.999%的安全数据通信。

表1 BMS技术类别对比

1.3关键技术

无线BMS关键技术主要聚焦于无线通信技术，包括数据传输高吞吐技术、同步低延迟技术、可靠数据传输技术、安全连接技术、低功耗技术、低成本技术等。

（1）数据传输高吞吐技术：满足大量数据传输到中央处理单元，并随电池模块数量增加而扩展的要求，速率实现1兆位/s。

（2）同步低延迟技术：在电池模块数量增加后，可通过固定时间发送广播信息包实现不同模块之间的同步数据反馈。

（3）可靠数据传输技术：具有多个无线电信通道确保数据可靠传输。

（4）安全连接技术：通过加密和身份验证提供安全通信，防止未经授权的访问。

（5）低功耗技术：在数据采集时期工作，其余间隔时段休眠，以减少电耗。

（6）低成本技术：系统总体成本控制良好，使其具有市场竞争力。

2.无线BMS技术发展趋势与挑战

无线BMS技术的研究已取得了一定进展，并开始了小规模量产。恩智浦尝试将Thread协议应用到电池管理系统上；蜂巢能源与森萨塔科技合作开发无线BMS；凌力尔特与宝马公司合作推出了采用SmartMesh技术的无线BMS概念车；德州仪器和凌力尔特分别推介自家的无线BMS方案。在乘用车上，通用汽车已将无线BMS技术应用于奥特能平台，并实现了凯迪拉克LYRIQ等车型量产；在商用车上，宇通无线BMS技术已搭载样车并进行可靠性测试，可在验证通过后实现更灵活的商用车电池系统布局设计。

2.1发展趋势

趋势一：高精度算法是BMS的核心，需不断提高估算精度。对于BMS来说，动力电池状态估计是核心功能，高精度SOX估算算法可准确评估电池状态，并发挥出最佳性能，是BMS的核心竞争力，需要不断提高精度。

趋势二：主动均衡功能具有更佳工作特性，应用比例将逐渐提高。目前受到成本影响，采用被动均衡功能的方案较多，但主动均衡能量损耗小、电池能量保持率高，预计未来应用规模可逐渐提高。

趋势三：分布式拓扑结构拓展性强，将是未来主流方向。集中式BMS成本较低，但适用性较差；分布式BMS电池系统内部布局简单、可拓展性强，将更适配未来新能源汽车长续航、高电压和平台化需求。

趋势四：无线BMS优势明显，将逐步取代传统BMS方案。无线BMS可大幅减少电池系统内部线束，提高电池系统成组效率，减少连接器等零部件，将逐步取代目前传统BMS方案，市场前景广阔。其发展趋势在于提高电池兼容性、提高抗干扰稳定性、降低网络攻击风险和控制成本。

2.2面临挑战

从技术层面看，在电磁兼容性方面，需要在工作过程中满足电池系统全生命周期电池兼容性能要求；在抗干扰稳定性方面，需要防止无线通讯被外部干扰的风险，导致数据丢失或迟滞未能对电池系统做出及时响应；在网络攻击方面，一旦遭受外部网络攻击被施加不良意图，有电池系统及整车失控的风险。

从产业化层面看，目前该方案成本较高，涉及到成本与收益的平衡，短期内恐难以大规模普及。预计在成本较大降幅前提下，才能实现大规模商用。随着芯片成本逐渐降低，无线BMS技术会推广到更多的车型上，其应用价值会更加显著，将有力推动新能源汽车动力电池管理技术进步，能够在电池生产、电池仓储、运输、车辆制造、运行维护、电池回收等整个环节发挥有益作用，使电池系统更加安全、智能、环保。

3.首批汽车安全沙盒监管试点申报情况

2023年11月10日，市场监管总局质量发展局发布“关于确定首批汽车安全沙盒监管试点名单的通知”，郑州宇通集团有限公司申请的商用车用电池管理系统无线通信技术入选。

宇通针对商用车电池多、布置分散，导致组网时间长、数据采集同步性差、数据传输送达率低等三项无线通信技术应用难题，通过开发无低压线束电池箱，发明高效的无线电池箱编码成组方法，建立立体式多层级电池无线管理技术等创新，实现对新能源商用车电池系统高效、可靠的无线管理。已获无线电池箱、电池系统编码成组方法、无线电池管理策略等方面发明专利，无线BMS主从控制器均为国内开发。

4.小结

无线BMS技术应用为行业发展趋势。汽车安全沙盒监管试点针对无线BMS技术可能存在的潜在未知风险进行深度安全测试，从外部信息源干扰、零部件/整车EMC、无线通讯稳定性等维度进行实车应用验证，并针对未识别风险、潜在失效模式，分层分类提出改进建议，有助于建立行业标准，以及推动无线BMS技术安全水平提升与应用推广。