Mesh 網絡在無線電池管理系統的應用分析

沈勇杰

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

0 引言

Mesh 網絡是一種高穩定性、結構靈活、高帶寬的新型無線網絡技術，BMS（Battery Management System，電池管理系統）和WBMS（Wireless Battery Management System，無線電池管理系統）廣泛應用于電動車的電池管理中，本文重點介紹無線電池管理系統的主要特點以及基于Mesh 技術的無線電池管理系統。

1 無線電池管理系統的主要特點

盡管無線通信已經在車輛上得到商業應用，例如主動型胎壓傳感器TPMS（Tire Pressure Monitoring System，輪胎壓力監測系統）、PEPS（Passive Entry Passive Start，無鑰匙進入/啟動）。TPMS 分為3 種：一種是PSB（Pressure-Sensor Based TPMS，直接式胎壓監測），另一種是WSB（Wheel-Speed Based TPMS，間接式胎壓監測），還有一種復合式胎壓監測系統。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行，其中絕大部分以CAN 總線、車載以太網、MOST 總線和LIN 總線等介質實現。主要原因有：

（1）隨著ADAS、V2X 等技術的發展，車載ECU 直接的數據交流和處理量越來越大，數據傳輸頻率（波特率）也越來越高。目前主流主機廠正在進行從CAN/CAN-FD 總線到車載以太網的過渡階段。

（2）車輛重要通信信息，比如主被動安全系統、驅動系統和制動系統等，對傳輸時效性、傳輸可靠性要求高。而目前在跨域、跨系統的通信方式上，無線解決方案需要得到進一步的驗證以確保滿足相關要求。

（3）無線通信的遠端（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。

對于電動汽車電池管理系統，目前BMS 業內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 通信技術成熟，穩定性強，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，可擴展性差。而隨著電動汽車對于輕量化、可靠性、智能化的提升，WBMS 就成為技術研發和應用的重要方向，也逐步從早期的研發階段開始步入產業化階段。

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控動力電池的狀態，主機廠對于動力電池的輕量化、降成本等正在變得越來越敏感，而這也給無線BMS 技術更快商業化的機會。無線BMS 技術的優勢在正在越來越凸顯。WBMS 相對于傳統有線BMS 方案，主要優勢在以下4 個方面：

（1）BMS 通常集成在RESS（Rechargeable Energy Storage System，可充電能力儲存系統）內部，相當于遠端自帶容量可觀并且可充電的電池。無需擔心因為采用無線技術后的供電問題。這是其他ECU（Electronic Control Unit，電控單元）無法具備的先天優勢。

（2）BMS 目前主要采取主從式拓撲結構，包含多個從控單元。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；同時，線束和接插件存在因老化等原因失效的風險，極端情況下可能造成整個電器管理系統癱瘓。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省導線和接插件等硬件，無論對于硬件成本還是裝配成本，在規模生產時都將產生顯著的降本效益，而芯片成本將不斷降低。同時，無線通信的節點數量愈多，整個通信網絡的可靠性會越高，單個節點失效對整個系統的影響大大降低。

（3）降低電池包開發設計和裝配難度。脫離線束的束縛，無線BMS 可使得相關傳感器等零件布置的靈活性更高，更容易增加傳感器的數量和種類實現更為全面的電池狀態監控。并且對于在網絡中新節點的添加和刪除也比較靈活，在增加或減少電池模組時會更為便利，開發和制造的柔性更高。

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

2 基于Mesh 技術的無線電池管理系統

本質上，WBMS 應用了IoT（Internet of Things，物聯網）技術。在眾多物聯網無線技術中存在兩種基本拓撲：Mesh（網絡形）和Star（星形），Mesh 網絡拓撲形式如圖2 所示。星際網絡依賴于端節點和中央設備之間的點對點連接。如果在安裝網絡之后環境發生了變化，整個網絡可能就會發生故障。Mesh 網絡，也被稱為多跳網絡，即每個節點都具備路由器（工作在網絡協議的網絡層）的功能，進行報文的傳遞。Mesh 網絡最初用于軍用網絡開發，由于更高的可靠性、更好的節點拓展性和具備更廣的覆蓋距離，Mesh 網絡在工業和家用領域的應用變得越來越普遍。應用無線Mesh 技術的WBMS 具有如下的優點：

圖2 Mesh 網絡拓撲形式

基于多跳網絡，系統可靠性高。多跳網絡指網絡中的節點不僅可以接收和發送數據，還可以具備路由功能，使得節點在進行相互通信的情況下，無需事先訪問一個固定的AP（Access Point，接入點）。而在單跳網絡中，如果某一個關鍵節點出現故障，整個網絡可能也就隨之失效；在Mesh 網絡結構中，由于每個節點都有一條或幾條傳送數據的路徑。如果最近的節點出現故障、受到干擾或者從網絡中移除時，無線Mesh 網絡具有自主建網和自愈性等特性，網絡中節點通常都有多條可用鏈路，數據包將自動路由到備用路徑繼續進行傳輸，整個通信的結果不會受到影響。這樣能夠有效避免單個節點故障造成通信網絡的癱瘓。由于要求RESS（Rechargeable Energy Storage System，可充電儲能系統）可以在由于惡劣的EMI（Electromagnetic Interference，電磁干擾）環境以及RF（Radio Frequency，射頻）屏蔽金屬構成的信號傳播障礙的條件下長期穩定工作，因此該特點尤為重要。目前已有實現大于99.999% 的數據可靠性的可用于RESS 的產品級無線Mesh 網絡解決方案。

整個系統集成在RESS 內部，通信距離較短，可以獲得更高的網絡帶寬。無線通信的物理特性決定了通信傳輸的距離越短就越容易獲得高帶寬，因為隨著無線傳輸距離的增加，各種干擾和其他導致數據丟失的因素隨之增加。因此選擇經多個短跳來傳輸數據將是獲得更高網絡帶寬的一種有效方法，而這正是Mesh 網絡的優勢所在。Mesh 網絡還提供更大的冗余機制和通信負載平衡功能。在無線Mesh 網絡中，每個設備都有多個傳輸路徑可用，以克服由于電磁干擾、物理屏蔽等原因導致的信號異常或衰減。同時，網絡可以根據每個節點的通信負載情況動態地分配報文路由，從而有效地避免節點的通信擁塞。

應用多種網絡安全技術，信息安全性高。目前各主流主機廠均已在整車電器系統內實施了車載網絡安全技術，確保車載通信不會非法截獲、破解，確保車輛電子系統不被入侵、劫持。在認證方式上，應用于WBMS 的無線Mesh 網絡支持802.1x 身份認證和PSK 認證方式，可同時具備信道加密、消息完整性校驗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絡被劫持，確保整車物理和信息的高度安全。

3 結語

基于Mesh 技術的無線電池管理系統在保證較高通信帶寬的同時，可以大幅度提高電池管理系統的可靠性、安全性、耐用性，并降低工程開發、產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，無線電池管理系統在電動汽車領域擁有良好的發展預期。