超寬帶（UWB）技術在汽車行業中的創新屢見不鮮，從汽車鑰匙到活體檢測，都可以采用這種全新的傳輸方式。今天，我們看一個更加創新的應用——恩智浦（NXP）日前推出了利用UWB技術實現的無線電池管理系統 (BMS)。

除了恩智浦，此前包括ADI及TI等BMS大廠，都將目光瞄向了無線BMS，那么為什么會這樣？

電池組內的無線通信可將電池單元信息（例如電壓和溫度測量值）從一個模塊可靠地傳輸到電池管理單元，而無需接線。它有助于確保最佳性能并防止導致過早故障或安全隱患的情況。

NXP 的 UWB 無線 BMS 技術將機械和電氣開發分離，為電動汽車制造商提供更高的靈活性、更快的產品上市時間和更低的開發成本，同時保持系統在不同平臺上的完全可擴展性。

NXP 電池管理系統總經理兼副總裁Naomi Smit解釋道：“我們的無線電池管理系統解決方案是業界首個采用 UWB 技術的解決方案，為電動汽車制造商提供最先進的技術，為未來的電動汽車提供動力。Trimension UWB 在 BMS 內提供簡單、安全且強大的無線通信，性能優于現有的窄帶解決方案。我們很自豪能與客戶合作，將無線承諾變為現實。”

在電池組的反射外殼內實現無線技術具有挑戰性。UWB 使用高帶寬脈沖，而不是調制載波頻率（正弦信號），如 2.4 GHz 窄帶，例如基于BLE的技術。這提供了更高的抗反射和頻率選擇性衰落能力，從而實現更穩健、更可靠的數據傳輸。

NXP 的超寬帶無線電池管理系統解決方案可供 OEM 于 2025 年第二季度開始評估和開發。

該解決方案是恩智浦 FlexCom 芯片組的一部分，支持有線和無線技術，為 OEM 和一級供應商在車輛架構和技術選擇方面提供更大的靈活性。其適用于兩種 BMS 配置的通用軟件架構和安全庫使他們能夠在不同平臺上重復使用軟件，從而進一步減少開發工作量。

NXP FlexCom BMS 芯片組還包括NXP 最近發布的 MC33777 電池接線盒 (BJB) IC，可為高壓系統提供精確的電壓、底盤隔離和電流測量。BJB 是 NXP 完整的交鑰匙電池管理系統產品的一部分，可與有線和無線電池管理解決方案以及 NXP 的軟件和應用程序一起使用，無需制造商招募其他合作伙伴。

傳統的電池管理系統（BMS）通常采用有線連接方式來監測和管理電池的狀態。這種連接方式涉及多個組件，包括電池單元、電池監測單元（BMU）、電池管理單元（BMU）和中央控制單元。傳統BMS的有線連接方式雖然成熟可靠，但也存在一些局限性，如布線復雜、維護困難、成本較高和設計靈活性較低。隨著無線通信技術的發展，無線BMS逐漸成為一種有吸引力的替代方案，它通過無線通信替代了傳統的有線連接，提高了系統的靈活性和可靠性。

無線BMS將極大簡化電池的全生命周期管理過程，來源ADI

無線BMS具有如下優勢：

減輕重量：無線BMS減少了傳統線束的機械挑戰、故障點和成本。

提高能量密度：由于省去了電池單元之間的連接器和線纜，可以增加能量密度，有助于實現更長的續航里程。

設計靈活性：無線BMS提供了更大的設計靈活性，使OEM能夠利用機器人制造能力來擴大電動汽車生產規模。

簡化組裝：無線解決方案減少了電池包中復雜線束的使用，并減少了生產過程中容易出錯的手動勞動，從而提高了電動汽車組裝的效率。

提高電池的安全性、可靠性和可維護性：無線BMS通過減少線束和連接器，降低了故障風險，提高了電池系統的整體可靠性。

支持ASIL-D級別的功能安全：無線BMS支持ASIL-D級別的功能安全。

網絡可用性：無線BMS解決方案可以提供業界出色的網絡可用性(超過99.999%)。

降低成本：無線BMS減少了設計的復雜性和成本，例如，每生產50,000輛車將節省500km導線和25000kg的連接器和變壓器。

易于維護和升級：無線BMS方便快速拆卸電池包進行維修，并有助于無縫過渡到電池梯次利用階段。

支持無線軟件更新：無線BMS支持無線軟件更新，這有助于提高電池性能和延長電池壽命。

無線BMS拓撲結果，來源ADI

根據介紹，恩智浦的UWB相比于過去的無線BMS具有多重優勢，最重要原因是電池組中的 射頻環境情況非常特殊，與大多數無線系統針對露天通信進行了優化，有很大不同。

模塊化電池組由多個電池模塊組成，封裝在金屬外殼中。金屬外殼會產生許多反射，信號會在一段時間內反彈，從而產生豐富的多徑環境。這種頻率選擇性衰落，在很大程度上取決于天線的位置以及模塊之間的開口及通道位置。此外，來自同一頻段運行的其他不可預測干擾也可能影響電池組中的傳輸。這兩個因素嚴重影響窄帶系統，意味著需要復雜且自適應的信道選擇算法。由于每個天線可能需要不同的頻率才能在窄帶系統中實現最佳通信，這也限制了廣播類型的通信。

而對于 UWB 類型的脈沖信號而言，由于能量是在寬帶寬上發出，因此頻帶中的窄頻缺口幾乎不會影響信號質量。這確保了電池組內所有收發鏈路的可靠通信，從而實現廣播消息。由于其在電池組環境中的穩健性，UWB 支持高達 7.8 Mbps 的原始數據速率的可靠通信。這比許多窄帶技術高得多，同時支持更快測量周期和/或高數據速率的新應用。

UWB 的另一個好處是它非常精確的定時和同步能力，利用窄脈沖/高帶寬特性。雖然 BMS 應用目前主要需求其數據通信能力，但 UWB 的異常精確定時允許極其精確地同步測量，例如將電流和電壓（通常在電池組中的不同子系統上測量）以遠低于μs級別傳輸，而當今大多數窄帶技術停留在數個μs級。

除了 UWB 與窄帶解決方案相比的一般優勢外，恩智浦的超寬帶無線 BMS 實施還包括幾項特定的增強功能，可提高可靠性和可預測性。

一項增強功能是使用優化的 UWB 數據包結構，旨在最大限度地提高電池組環境下的性能。

第二項增強功能是使用時隙調度方法。如圖所示，每個節點都有一個固定的時隙來接收或發送。這消除了對復雜通道訪問和分配方案的需求，而這在網絡配置需要靈活的通用系統中是必需的。設計上無跳頻、無沖突，并且具有很強的時間可預測性。

恩智浦表示，在單次傳輸中實現低于 10-6 的數據包錯誤率。這使得包設計具有更少的迭代次數，并且不易受到設計優化的影響。

由于這種方法和更高的數據速率（高達 7.8 Mbps），可以在更短的周期內傳輸相同數量的數據，NXP 的 UWB BMS 的平均功率，與其他無線或有線技術相比，功耗更低。

除了 RF 特定的優勢外，恩智浦還實現了其他幾個有利于此應用的功能。該系統通過使用內置硬件安全引擎進行加密，防止竊聽和虛假消息插入，從而確保消息的私密性和完整性。

短期會話密鑰（其中每條消息都使用 AES-128（或可選的 AES-256）進行加密）是一種廣泛接受的解決方案。

作為業界最早引入無線BMS技術的ADI而言，其產品已經得到了諸多場景的應用。采用SmartMesh無線網絡提供了高可靠性（>99.999%）的數據傳輸，即使在惡劣的電磁干擾環境中也能保持穩定的通信。

無線BMS允許在車輛中靈活放置電池模塊，并且可以在以前不適合布線的地方安裝傳感器。

通過添加SmartMesh啟用的傳感器，可以收集與電池狀態計算相關的額外數據，如電流和溫度，從而提高電池狀態的準確性。

無線BMS通過使用SmartMesh的路徑和頻率多樣性，提供了真正的冗余連接系統，可以繞過障礙物并減輕干擾。

SmartMesh網絡提供了強大的安全性，包括NIST認證的AES128加密。

目前包括通用、寶馬、路特斯、宇通等多家OEM與ADI簽約并部署了無線BMS，是公開最多無線BMS合作方的芯片供應商。

TI于2021年宣布進入無線電池管理市場。其解決方案經過TüV SüD評估，支持系統級功能安全通信層，達到ASIL D標準，確保了極高的安全性和可靠性。它提供了高可靠性的無線網絡，數據傳輸穩定性和安全性得到了充分保障。

在性能方面，TI的WBMS無線吞吐量高達1.2 Mbps，支持多達100個節點的可擴展性，低延遲，每個節點的延遲小于2毫秒，整個網絡的延遲小于16毫秒。鏈路可靠性高達99.999%，確保網絡的高可用性。

在功耗方面，無線主節點的功耗低于100微安，設備保持活動狀態的功耗低于70微安，并且具有廣泛的電壓范圍（1.8 V至3.63 V），適應不同的電源條件。

TI的BMS使用時間分槽（TS）和頻率跳變（FH）的無線通信協議，提供穩定的通信鏈路。同時，它支持IPv6基礎的mesh協議，適用于家庭和建筑自動化。

另外，TI的BMS方案包含一個軟件定義的無線電，支持無線BMS和其他非無線BMS協議（如BLE），為電池回收再利用提供了靈活性。

TI實測結果

寫在最后

由于無線BMS技術是一個相對較新的領域，而且許多汽車制造商可能還在評估或開發階段。作為快速增長的市場，恩智浦結合了其UWB技術與BMS技術的專長，或許將進一步加速無線BMS市場的接受度。

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