汽車電池管理系統導入藍牙低功耗

作者 : Franz Dugand，CEVA連網業務部資深行銷總監

隨著EV複雜度日益提升，對於高效率、低成本、精確電池監控的需求愈趨講究，無線技術正變得至關重要。這也就是為什麼汽車產業正致力於轉換至無線BMS...

藍牙無線技術現在隨處可見。在行動數據、電腦、家庭娛樂、智慧家庭穿戴式裝置、醫療照護、物聯網和汽車業等多種市場區塊中，有越來越多的裝置採用此技術。

根據ABI Research的資料顯示，到2027年時，藍牙裝置年出貨量預計將會超過76億。汽車市場的發展也呈現相同趨勢，在車載娛樂系統、汽車存取使用/數位鑰匙、輪胎監測等不同應用當中，可見藍牙的使用愈趨普及。ABI Research預測，到了2027年，藍牙在汽車市場的年出貨量將超過1億8千萬。

Bluetooth SIG最近推出藍牙核心規格5.4版。此最新版本導入了一些令人振奮的功能，可讓部份高流量應用得以充分發揮效能。電子貨架標籤(ESL)就是其中一項領先且廣受討論的應用之一。但另一個前景看好且可望受惠於此全新藍牙版本的應用是電動車(EV)中的電池管理系統(BMS)。讓我們來看看其中的原因。

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什麼是電池管理系統？

近年來，許多國家/地區政府皆開始實行二氧化碳減碳、限制氣候變化的相關法規，因此電動車的年出貨量預計將會顯著成長。根據Bloomberg New Energy Finance指出，全球EV年出貨量在2030年將達到3000萬台，在2040年則將達到6000萬台。

EV的核心是電池組。電池組是由多個模組構成的複雜組件，每個模組包含數百個單電池。一個電池組內可能包含數千個單電池。

BMS是EV電池組的「大腦」。它是負責確保EV運作效率與安全性的重要元件。其性能會大幅影響EV的續航里程和電池壽命。BMS的主要用途是管理電池的健康、效能與安全性。

以下是EV中BMS的主要功能：

監控電池狀態：BMS會持續監控電池的溫度、電壓、電流及其他參數。它會在發生過熱或過度充電等異常狀況時警示駕駛人，並採取行動以避免潛在危險發生。

平衡單電池：BMS負責確保電池中的單電池處於平衡狀態，亦即確保它們的充電狀態都相同。不平衡的單電池可能會導致電池效能、容量和使用壽命降低。

單電池保護：BMS能防止單電池過度充電和放電，藉此保護單電池免於損壞電池並維持使用壽命。它也能防止過熱，並可控制充電與放電速率，以維持電池的健康狀態。

充電狀態(SoC)估計：BMS能估計電池剩餘的電量，為駕駛人提供準確的行駛里程估算。它也能協助最佳化電池使用量和充電行為。

通訊：BMS能與車輛的馬達控制器和中央單元等其他系統進行通訊，以最佳化車輛的效能和安全。

改用無線BMS有哪些優點？

傳統上，BMS會透過有線連接與車輛中的其他系統通訊。BMS會收集各種參數資料來監控電池。電池組中的所有單電池和模組皆須以電線和連接器連接到中央BMS，使得重量和配線設計複雜度顯著提高。這會大幅增加BMS整體的製造和組裝成本。

隨著EV複雜度日益提升，且對於高效率、低成本、精確電池監控的需求愈趨講究，無線技術已變得至關重要。這也就是為什麼汽車產業正致力於轉換至無線BMS，而將原本所需的大量電線移除後，將可帶來下列優勢：

符合成本效益：無線BMS能降低系統的整體成本，因為它不需要使用到複雜的配線和連接器，進而減少可能造成故障的部位。保養和維修成本也會因此大幅降低。

靈活性：無線BMS可靈活彈性地進行安裝與配置。它不需使用到複雜的配線，因此安裝與保養都很容易。此外，無線BMS較易進行規模式調整，使用單一BMS解決方案，即可依據不同的外型規格搭配使用多種不同的電池模組，以因應各式電動車的需求。

即時監控：無線BMS能即時監控電池的狀態與效能，提供更準確可靠的資料。這是因為無線晶片也可以整合MCU功能。拜此之賜，資料處理作業有一大部分可以「移到邊緣」，減輕中央處理器的負擔並降低延遲。

提高安全性：無線BMS可降低短路和接地故障等電線相關問題的風險，提高安全性。減少資料處理和診斷的延遲也有助於提高安全性。

更長的續航里程：移除配線和連接器可大幅減少BMS的尺寸和重量。減輕重量可延長電池續航里程。較小的外型規格可為車內的其他裝置提供更多空間，或是可用以添增更多電池模組，延長電池續航力。

藍牙5.4對於BMS的優點為何？

無線BMS有多個無線解決方案可以考慮。其中有些是專為無線BMS使用案例量身打造的專屬解決方案。不過，採用藍牙這樣的標準解決方案，特別是支援藍牙核心規格5.4版本的方案，有著巨大的優勢。以下是藍牙低功耗5.4適合無線BMS的原因：

高傳輸量：藍牙提供每秒一百萬位元以上的資料傳輸率，而替代的專屬解決方案則通常遠低於此速率。因此，藍牙可以在較短的時間內傳輸更多資料，能有效因應BMS需求，將大量資料傳輸到中央處理器，並且能根據電池模組數量調整規模。資料傳輸率越高也代表延遲越低，這對安全性來說非常重要。

同步化的低延遲與可靠的連線能力：即使在訊號繁雜的環境中，藍牙技術也能提供可靠的資料傳輸效能。藍牙式無線BMS是由數個與中央裝置通訊的電池模組所構成。現今的單一電池組內通常不含超過十個電池模組。但是，這個數字未來可能會增加到數十個。每個模組都需要以高效且快速的方式將資料回報至中央裝置。損壞的單電池需要在短於一秒的瞬間內予以診斷，以避免過熱等危險後果產生。

在傳統的藍牙低功耗拓撲中，中央裝置可以與許多週邊設備通訊。但是，每個週邊設備都必須等到中央裝置輪詢後，才能傳送資料。這可能產生無法與無線BMS需求相容的延遲，在電池模組數量較多時尤其如此。5.4版的藍牙核心規格引入了一項稱為「定期廣播回應」(PAwR)的新功能，可有效因應此限制。有了這項功能，中央裝置(此處即為車輛中央裝置)能以固定時間間隔傳送廣播封包給所有或一組週邊設備或觀察者(電池模組)。此版本的廣播方式較為理想，因為每個觀察者都有機會在預先定義的回應時間間隔中回覆中央裝置。此外，40個可用無線電頻道中的任何一個都可用以進行無線資料傳遞，讓通訊更可靠，且不受潛在干擾源影響。

安全連線：藍牙技術採用加密與驗證機制以提供安全通訊，可防止未經授權的存取，並確保車輛及其乘客的安全。在藍牙規格5.4版本之前，沒有辦法對廣播資料進行加密。而現在，有了新的加密廣播數據功能，可針對廣播資料進行加密，其與PAwR相輔相成，實現更完備的通訊安全性。

低功耗：藍牙低功耗本質上是一種低功耗的無線通訊協定。此外，使用PAwR時，中央裝置會定期傳送廣播封包，且觀察者只會在這些廣播活動期間聆聽，並可在無廣播的期間進行休眠。只有在對方要求時，它們才會傳送回覆。此機制相當省電，對於EV等透過電池供電的裝置設備尤其如此。

低成本：各大廠商的藍牙低功耗晶片在各種應用中的出貨量極高，帶來規模經濟效益，且開發成本高度分攤，因此價格低廉。相較之下，針對無線BMS設計的專屬無線晶片出貨量較低，規模經濟效益有限，因此價格較昂貴。

多重來源：使用藍牙低功耗的優點是可在供應鏈中使用來自數家廠商的晶片。這能讓BMS和EV製造商擁有次要供應來源，以確保生產量並維持價格壓力。

結論

BMS是汽車產業中的關鍵環節，它負責確保EV運作的效率與安全。無線BMS比有線替代方案更為輕巧靈活，而隨著電池組複雜度及外型規格不斷演進，其採用率越來越高。藍牙技術(特別是藍牙低功耗5.4與PaWR的組合)由於耗電量極低，且延遲減少，並具備標準化、可大量部署的特性，符合供應鏈生產需求，因此非常適合用於無線BMS。隨著EV變得更加普及，藍牙式無線BMS在這些車輛的效能最佳化和安全性等方面將愈趨舉足輕重。