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歐盟《新電池法》創造新需求,基于NFC的無線BMS受關注

Hobby觀察 ? 來源:電子發燒友 ? 作者:梁浩斌 ? 2024-07-26 00:16 ? 次閱讀

電子發燒友網報道(文/梁浩斌)傳統BMS普遍采用菊花鏈的拓撲結構,對于汽車電池包而言,繁雜的線束和接口給電池包帶來了較大的重量負擔,同時復雜的系統導致單個模塊失效造成的影響較大。因此,無線BMS在電動汽車上受到關注,通用在奧特能平臺電池包上率先采用了這種技術。

而隨著歐盟《新電池法》的落地,2027年2月開始所有>2kWh的電動汽車、LMT和可充電工業電池必須有碳足跡聲明和標簽,也就是所謂的“電池護照”,于是基于NFC的無線BMS也有了更大的應用空間。

主流的無線BMS

BMS作為包括電池在內的整套系統,主要有三類玩家參與。一些整車廠選擇自主研發BMS,例如特斯拉、比亞迪、零跑和長安等。這些企業不僅自行設計BMS的主板和模塊等硬件,還開發相關的軟件和算法。整車廠由于擁有豐富的動力電池運行數據,因此在開發狀態估計(SOC)算法、電池保護和控制等軟件方面具有明顯優勢。

二是電池供應商,包括寧德時代、LG、松下、豐巢能源、欣旺達和國軒高科等。這些企業不僅具備電池包PACK的制造能力,還對電池特性和電化學有深入的理解和長期的研究積累。因此,在BMS技術方面,他們擁有一定的技術優勢。通過自主研發BMS,這些電池供應商能夠為客戶提供更全面的電池包解決方案,同時利用自身優勢進一步擴大業務范圍。

三是汽車零部件供應商,比如偉世通、聯合電子、緯湃科技、均勝電子、華為等。

而無線BMS的芯片方案也十分多樣,尤其是關鍵的無線協議上。綜合現階段無線BMS芯片廠商的選擇,主流賽道有三種無線傳輸協議的陣容,藍牙BLE、私有2.4GHz協議和星閃。

ADI使用的是私有的SmartMesh無線傳感器網絡,這種技術專門應用于復雜、嚴苛的射頻環境中,在工業領域也有一些應用。主要的特點是支持時間同步通道跳頻技術,TSCH網絡中的每個數據包交換通道都會跳頻以避開RF干擾和多路徑衰落。另一方面不同設備之間的多次數據傳送可以在不同通道上同時發生,增大了網絡帶寬。此外,TSCH網絡高可用性的占空比基本不會出現數據包碰撞問題,網絡十分密集且可以拓展,而不會產生削弱RF信號的自干擾。據官方介紹,在無線BMS復雜的射頻環境下,SmartMesh可靠度超99.99%。

TI同樣是采用私有的無線協議SimpleLink,據官方介紹,這是一種基于2.4GHz頻段的BLE,經過編制后的專有無線BMS協議,每個中央單元可支持多達32個節點的星形網絡配置,能夠提高吞吐量,以及降低數據延遲;數據存儲量可以做到1.2Mbps,每個節點的延遲會控制在2ms以下,網絡可用性更是高達99.999%。

瑞薩、英飛凌NXP廠商則選擇了低功耗藍牙BLE用于無線BMS。NXP在2022年12月推出了基于BLE 5.3的無線MCU KW45,通過了AEC-Q100 Grade 2車規認證,可用于無線BMS。

2020年工信部牽頭制定的近距離無線通信標準星閃也被應用到無線BMS中,華為和寧德時代都基于星閃開發了無線BMS。根據華為此前的介紹,采用星閃技術的無線BMS是業界唯一支持從模組級到電芯級監測的標準化方案,并支持對百量級單元進行獨立監測,同時支持車載、梯次利用、儲能、倉儲等場景。

低功耗的NFC成為無線BMS新選擇

在歐盟的“電池護照”政策下,電池的生命周期管理就變得十分重要,需要對每一塊電池進行追蹤,從生產到應用,以及梯度回收等。所以電池就會面臨多種情況,比如在車載電池包中使用的時候,剛下產線到運輸的階段,回收拆解的階段等,這都需要BMS具備更低的功耗來監測電池狀況,實現對電池的全生命周期管理。

為了解決這些問題,奧地利的格拉茨技術大學和恩智浦研究人員在去年11月發表了一篇論文,研究了基于安全NFC的無線BMS。

這套BMS系統中,采用了NFC標簽進行通信和數據傳輸,主要有兩種使用場景。在電池活躍的場景時,BMS可以通過NFC來提取當前工作狀態等診斷數據。對于在倉儲狀態和不活躍的電池,也可以通過外部的讀取器,比如帶有NFC功能的手機提取電池的生命周期等各項數據。

在兩種場景中,通信設計保持不變,安全協議相同。主要區別在于NFC標簽組件的使用,特別是在能量收集和喚醒過程中。

作為電池生命周期管理中的一環,無線BMS設計需要遵循常見的BMS威脅研究和一般安全設計中的保密性、完整性和可用性(CIA)原則。需要保護傳輸的敏感BMS數據不被竊聽或篡改,并防止重放攻擊、中間人攻擊(MitM)和對硬件及軟件完整性的惡意行為。

研究人員為此提出了一種名為Secure-NDEF的消息結構,用于安全消息交換。這種結構包括加密規范、初始化向量(IV)、加密的數據負載和用于完整性檢查的標簽(如消息認證碼MAC)。在通訊開始前需要BMS模塊和便攜式NFC讀取器相互認證,使用對稱挑戰/響應機制和預嵌入的密鑰。認證后,使用密鑰派生函數(KDF)生成會話密鑰。最后BMS模塊和便攜式NFC讀取器通過NFC使用SNDEF結構進行通信,通過加密、數據完整性和認證檢查提供安全。

因此采用這種基于NFC的無線BMS,好處是BMS本身可以通過NFC對電池進行實時監測,在儲能系統、電動汽車上正常使用的同時,在電池在閑置狀態時,也能用最低的功耗保持對電池的監測,同時可以通過外部簡單的設備,比如有NFC功能的智能手機等直接讀取電池信息,方便后續的跟蹤和管理。

寫在最后:

無線BMS在儲能和電動汽車等多種場景都有很大的應用空間,能夠顯著降低線束數量,同時便于系統維護,單個失效不會對其他電池造成影響。同時歐盟的《新電池法》對電池生命周期管理的嚴格要求,給BMS帶來了新的需求,對未來無線BMS的技術發展方向可能會產生一定的影響,我們也會持續跟進。

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