Mesh 网络在无线电池管理系统的应用分析

2022-06-24沈勇杰

设备管理与维修 2022年10期

沈勇杰

（上汽通用汽车有限公司，上海 201206）

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Mesh 网络是一种高稳定性、结构灵活、高带宽的新型无线网络技术，BMS（Battery Management System，电池管理系统）和WBMS（Wireless Battery Management System，无线电池管理系统）广泛应用于电动车的电池管理中，本文重点介绍无线电池管理系统的主要特点以及基于Mesh 技术的无线电池管理系统。

1 无线电池管理系统的主要特点

尽管无线通信已经在车辆上得到商业应用，例如主动型胎压传感器TPMS（Tire Pressure Monitoring System，轮胎压力监测系统）、PEPS（Passive Entry Passive Start，无钥匙进入/启动）。TPMS 分为3 种：一种是PSB（Pressure-Sensor Based TPMS，直接式胎压监测），另一种是WSB（Wheel-Speed Based TPMS，间接式胎压监测），还有一种复合式胎压监测系统。但目前无线通信仍仅作为辅助通信形式。整车电子通信目前依然主要依靠有线通信的方式进行，其中绝大部分以CAN 总线、车载以太网、MOST 总线和LIN 总线等介质实现。主要原因有：

（1）随着ADAS、V2X 等技术的发展，车载ECU 直接的数据交流和处理量越来越大，数据传输频率（波特率）也越来越高。目前主流主机厂正在进行从CAN/CAN-FD 总线到车载以太网的过渡阶段。

（2）车辆重要通信信息，比如主被动安全系统、驱动系统和制动系统等，对传输时效性、传输可靠性要求高。而目前在跨域、跨系统的通信方式上，无线解决方案需要得到进一步的验证以确保满足相关要求。

（3）无线通信的远端（如遥控钥匙、胎压传感器）无法直接通过整车电池取电，需要自带电池，存在更换周期，增加售后成本。

对于电动汽车电池管理系统，目前BMS 业内常用的通信方式依然以有线通信为主（图1），包括CAN 通信及菊花链通信，CAN 通信技术成熟，稳定性强，但整体占用空间大，功耗高，成本高，而菊花链通信方式虽然成本低，但EMC（Electromagnetic Compatibility，电磁兼容性）难度大，可扩展性差。而随着电动汽车对于轻量化、可靠性、智能化的提升，WBMS 就成为技术研发和应用的重要方向，也逐步从早期的研发阶段开始步入产业化阶段。

图1 有线BMS 通信方式

BMS 的主要作用是通过对电压、电流、电芯温度的测量来监控动力电池的状态，主机厂对于动力电池的轻量化、降成本等正在变得越来越敏感，而这也给无线BMS 技术更快商业化的机会。无线BMS 技术的优势在正在越来越凸显。WBMS 相对于传统有线BMS 方案，主要优势在以下4 个方面：

（1）BMS 通常集成在RESS（Rechargeable Energy Storage System，可充电能力储存系统）内部，相当于远端自带容量可观并且可充电的电池。无需担心因为采用无线技术后的供电问题。这是其他ECU（Electronic Control Unit，电控单元）无法具备的先天优势。

（2）BMS 目前主要采取主从式拓扑结构，包含多个从控单元。有线BMS 需要在主控单元与从控单元直接，以及从控单元直接布置线束，对单车成本和单车重量都是不利贡献；同时，线束和接插件存在因老化等原因失效的风险，极端情况下可能造成整个电器管理系统瘫痪。而采用无线方案则可以避免该问题。无线方案使得每辆车不同程度上节省导线和接插件等硬件，无论对于硬件成本还是装配成本，在规模生产时都将产生显著的降本效益，而芯片成本将不断降低。同时，无线通信的节点数量愈多，整个通信网络的可靠性会越高，单个节点失效对整个系统的影响大大降低。

（3）降低电池包开发设计和装配难度。脱离线束的束缚，无线BMS 可使得相关传感器等零件布置的灵活性更高，更容易增加传感器的数量和种类实现更为全面的电池状态监控。并且对于在网络中新节点的添加和删除也比较灵活，在增加或减少电池模组时会更为便利，开发和制造的柔性更高。

（4）BMS 是连接着高压和低压的ECU。多数整车ECU 都在低压系统的架构中，而BMS 则是连接HV（High Voltage，高压）和LV（Low Voltage，低压）系统，如何有效将高压和低压隔离一直是BMS 在设计过程中需要考虑的问题。采用无线通信技术可以天然的将高压和低压隔离。

2 基于Mesh 技术的无线电池管理系统

本质上，WBMS 应用了IoT（Internet of Things，物联网）技术。在众多物联网无线技术中存在两种基本拓扑：Mesh（网络形）和Star（星形），Mesh 网络拓扑形式如图2 所示。星际网络依赖于端节点和中央设备之间的点对点连接。如果在安装网络之后环境发生了变化，整个网络可能就会发生故障。Mesh 网络，也被称为多跳网络，即每个节点都具备路由器（工作在网络协议的网络层）的功能，进行报文的传递。Mesh 网络最初用于军用网络开发，由于更高的可靠性、更好的节点拓展性和具备更广的覆盖距离，Mesh 网络在工业和家用领域的应用变得越来越普遍。应用无线Mesh 技术的WBMS 具有如下的优点：

图2 Mesh 网络拓扑形式

基于多跳网络，系统可靠性高。多跳网络指网络中的节点不仅可以接收和发送数据，还可以具备路由功能，使得节点在进行相互通信的情况下，无需事先访问一个固定的AP（Access Point，接入点）。而在单跳网络中，如果某一个关键节点出现故障，整个网络可能也就随之失效；在Mesh 网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障、受到干扰或者从网络中移除时，无线Mesh 网络具有自主建网和自愈性等特性，网络中节点通常都有多条可用链路，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个通信的结果不会受到影响。这样能够有效避免单个节点故障造成通信网络的瘫痪。由于要求RESS（Rechargeable Energy Storage System，可充电储能系统）可以在由于恶劣的EMI（Electromagnetic Interference，电磁干扰）环境以及RF（Radio Frequency，射频）屏蔽金属构成的信号传播障碍的条件下长期稳定工作，因此该特点尤为重要。目前已有实现大于99.999% 的数据可靠性的可用于RESS 的产品级无线Mesh 网络解决方案。

整个系统集成在RESS 内部，通信距离较短，可以获得更高的网络带宽。无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是Mesh 网络的优势所在。Mesh 网络还提供更大的冗余机制和通信负载平衡功能。在无线Mesh 网络中，每个设备都有多个传输路径可用，以克服由于电磁干扰、物理屏蔽等原因导致的信号异常或衰减。同时，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配报文路由，从而有效地避免节点的通信拥塞。

应用多种网络安全技术，信息安全性高。目前各主流主机厂均已在整车电器系统内实施了车载网络安全技术，确保车载通信不会非法截获、破解，确保车辆电子系统不被入侵、劫持。在认证方式上，应用于WBMS 的无线Mesh 网络支持802.1x 身份认证和PSK 认证方式，可同时具备信道加密、消息完整性校验和信源加密等多种加密方式，可有效防止所传传输信息被非法截获破解甚至网络被劫持，确保整车物理和信息的高度安全。