電池管理芯片的應(yīng)用與需求

01、BMIC：種類及功能

我們把BMS中的芯片分為通用和專用兩種類型。通用芯片包括MCU、電源管理芯片、通訊接口等芯片，此類芯片可以采用與非電池應(yīng)用相同或相近的型號，無需針對BMS進(jìn)行單獨(dú)開發(fā)；專用芯片針對BMS應(yīng)用專門開發(fā)，滿足特定應(yīng)用領(lǐng)域中的BMS功能需求。更進(jìn)一步，BMS專用芯片又可以分為保護(hù)芯 片（Protector）、充電芯片（Charger）、電量計芯片（Gauge）、監(jiān)測芯片 （Monitor/AFE）、均衡芯片（Balancer）、認(rèn)證芯片（Authentication）等類型， 充電芯片還可以分為開關(guān)、線性和電荷泵等類型，均衡芯片可以分為主動均衡和被 動均衡兩種類型。下面分品類詳細(xì)介紹每一種芯片的作用。

1.1. 電池保護(hù)芯片（Protector）

電池保護(hù)芯片負(fù)責(zé)監(jiān)測電芯的充放電情況，保障不會因為外部的濫用或者故障而對 電池產(chǎn)生損傷。通常來說，電池保護(hù)芯片需要監(jiān)測的異常情況包括過壓（OV）、 過流（OV）、放電過流（OCD）、充電過流（OCC）、過熱（OT）等。當(dāng)檢測 到出現(xiàn)異常情況時，電池安全芯片可以及時切斷電路，保障電池系統(tǒng)的安全。目前部分BMIC芯片（充電芯片、電量計等）會集成保護(hù)功能，但為了實現(xiàn)更加全面的保護(hù)，專用電池保護(hù)芯片仍然是部分應(yīng)用中不可缺少的組件。

從結(jié)構(gòu)上來看，電池保護(hù)芯片主要由采樣電路、放大電路、邏輯電路組成。相比監(jiān)測、電量計等芯片，由于電池保護(hù)芯片的測量參數(shù)僅用于與閾值進(jìn)行比較，采樣精度要求相對較低，邏輯電路部分也以比較器為主，結(jié)構(gòu)相對簡單。

1.2. 充電芯片（Charger）

充電芯片需要實現(xiàn)的功能有： 1）電源路徑管理（PPM）：對電源路徑進(jìn)行控制，使得外部電源的開斷不影響系統(tǒng)正常工作； 2）充放電控制：對電池的充放電進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂坪凸芾?，典型的電池充電過程通常分為涓流階段、恒流階段和恒壓階段，各個階段間的切換控制需要由充電管理芯片完成。 受限于芯片的成本、體積和散熱要求，充電芯片一般僅用于小功率用電器的充電， 對于大功率應(yīng)用場景（如電動汽車），一般采用由分立器件搭建的專用大功率充電電路。根據(jù)電路拓?fù)涞牟煌?，電池充電芯片又可以分為線性、開關(guān)和電荷泵等類型。其中線性電池充電芯片通常應(yīng)用于小功率充電場合，開關(guān)充電芯片應(yīng)用最為廣泛， 可支持?jǐn)?shù)十至上百W的充電應(yīng)用；而電荷泵充電芯片主要用于快充場合，在恒流充電階段可以有效提升充電效率。

1.3. 電量計量芯片（Gauge）

電量計量芯片的作用是通過對電池外部特性（如電壓、電流、溫度等）的測量， 采用特定算法對電池的SOC/SOH等參數(shù)進(jìn)行估計，并將結(jié)果反饋給控制器芯片。 電池電量計量芯片的核心能力在于高精度采樣電路的設(shè)計和SOX算法。要實 現(xiàn)高精度的SOX估計，高精度的電壓電流采樣必不可少。SOX算法種類多樣， 海外龍頭大多有自己獨(dú)特的、受到專利保護(hù)的算法。例如TI的阻抗追蹤法可以記住電池特性隨時間的變化情況，結(jié)合電池組具體的化學(xué)屬性可以準(zhǔn)確地知道電池的充電狀態(tài)，從而延長電池組使用壽命。除此之外，常用的SOC估計算法還有修正放電終止電壓法、動態(tài)電壓修正法等。

1.4. 電池監(jiān)測與均衡器（Monitor/AFE 和 Balancer）

電池監(jiān)測器的主要功能是對電池參數(shù)進(jìn)行高精度監(jiān)測，并通過通訊接口將相關(guān) 數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器。與電量監(jiān)測芯片不同的是，電池監(jiān)測芯片僅具有參數(shù)監(jiān) 測功能，一般用在高串?dāng)?shù)串聯(lián)的場合（~10 串到上百串）。通常，需要由多個監(jiān) 測芯片級聯(lián)以形成完整的監(jiān)測系統(tǒng)。

在高串?dāng)?shù)系統(tǒng)中，為了保障電芯電壓、電量的均衡，需要采取電量均衡措施。目前電量均衡有兩種常見的方案：主動均衡和被動均衡。主動均衡方案使用開 關(guān)管和隔離變壓器等器件在電芯之間構(gòu)建能量變換電路，從而實現(xiàn)能量在電芯 之間的流動；被動均衡方案則采用無源元件，將電量較多的電芯上多余的能量 通過電阻耗散成為熱能。被動均衡方案所需外部元器件較少，在成本和可靠性 方面具有優(yōu)勢，但會增加系統(tǒng)損耗；主動均衡方案所需外部元器件較多，成本 較高，但有助于降低損耗、提升系統(tǒng)可用容量。無源均衡方案一般集成在電池 監(jiān)測芯片中。

1.5. 電池認(rèn)證芯片（Authentication）

電池認(rèn)證芯片早期主要用在可拆卸電池設(shè)備中。為了避免不匹配的電池對設(shè)備 或用戶造成傷害，一般選擇在電池Pack中集成一顆電池認(rèn)證IC，并在電池連 接至系統(tǒng)時進(jìn)行認(rèn)證，只有驗證通過的電池才能為系統(tǒng)供電。此外，盡管目前 手機(jī)電池大多不可拆卸，為了避免用戶自行替換電池帶來的潛在風(fēng)險，廠商一 般也會選擇在設(shè)備內(nèi)置電池中配置一顆認(rèn)證芯片。

將以上保護(hù)、充電、電量計、監(jiān)測、均衡、認(rèn)證六類芯片（全部或部分）及其外圍電路集成在一塊或幾塊PCB上，并互相連接構(gòu)成完整的信號通路，即構(gòu)成了電池管理系統(tǒng)。根據(jù)欣旺達(dá)招股書數(shù)據(jù)，電池模組成本中IC占比約為5.38%。

02、需求端：BMIC 需求快速增長

2.1.消費(fèi)：未來 3-5 年的最大下游領(lǐng)域 消費(fèi)市場下游主要應(yīng)用包括手機(jī)、筆記本、平板電腦、TWS 耳機(jī)、智能手表 等。其中手機(jī)/平板電腦/TWS 耳機(jī)/智能手表一般采用3.7V 鋰離子電池，筆記本電腦一般采用3串12.6V鋰離子電池。 目前消費(fèi)電子產(chǎn)品中所涉及的 BMIC一般包括充電芯片（Charger）、電量計（Gauge）、電池保護(hù)（Protector）三種類型。此外，早期手機(jī)采用可拆卸電池，因此除了充電芯片、保護(hù)芯片、電量計以外，還需要一顆額外的認(rèn)證芯片。而近年來，隨著智能手機(jī)電池向不可拆卸的技術(shù)方案演變，僅在部分高端智能手機(jī)上才能發(fā)現(xiàn)認(rèn)證芯片的身影。 測算假設(shè)：

在手機(jī)、筆記本電腦、TWS、平板電腦、智能手表應(yīng)用中，單臺設(shè)備平均 需要1顆充電芯片、1顆電量計芯片、1顆電池保護(hù)芯片。

對于中高端手機(jī)，平均額外需要1顆電荷泵芯片、1顆電池認(rèn)證芯片。

根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2021年全球手機(jī)出貨量達(dá)到13.52億臺，平板電腦出貨量達(dá)到1.68億臺。根據(jù)CounterPoint數(shù)據(jù)，2021年全球TWS耳機(jī)出貨量達(dá)到2.9億部。根據(jù)集微咨詢數(shù)據(jù)，2021年全球筆電出貨量達(dá)到2.62億臺。在測算中，我們假設(shè)全球手機(jī)/平板電腦/筆電出貨量以3%/3%/3%的平均增速平穩(wěn)增長（2022年手機(jī)出貨量下滑6.50%），全球TWS耳機(jī)出貨量以20%增速增長，全球手表出貨量以30%增速增長。

據(jù)測算，2021年全球手機(jī)BMIC市場規(guī)模約15.88億美元，預(yù)計到2026年增長至18.52億美元，2021-2026年CAGR=1.92%；2021年泛消費(fèi)（筆電、平板、TWS、手表）BMIC市場規(guī)模13.55 億美元，預(yù)計到2026年增長至26.67億美 元，2021-2026年CAGR=14.50%。受益于可穿戴終端需求的快速增長，泛消費(fèi)BMIC需求增速較快。同時我們也需要指出，本測算未考慮手機(jī)端充電技術(shù)和架構(gòu)的革新，也未考慮AR/VR等新設(shè)備終端需求的潛在彈性。整體來看，作為率先采用鋰電池方案的終端，消費(fèi)領(lǐng)域在未來3-5年內(nèi)仍將是BMIC最大的下游市場。

2.2. 工具電池：鋰電兩輪車滲透率提升，電動工具銷量增長 兩輪電動車中所涉及的BMIC產(chǎn)品一般包括電量計、電池檢測和電池保護(hù)三種 芯片。電動工具中所涉及的BMIC產(chǎn)品一般包括電池監(jiān)測芯片、開關(guān)充電芯片 和電池保護(hù)芯片三種類型。 兩輪電動車鋰電滲透率持續(xù)提升。鋰電池因其能量密度高、重量輕的特點(diǎn)，在 兩輪電動車領(lǐng)域相比傳統(tǒng)的鉛蓄電池更有優(yōu)勢。2018年5月15日，兩輪電動 車新國標(biāo)（GB 17761-2018）發(fā)布，規(guī)定整車最大重量不超過55公斤，傳統(tǒng)的鉛蓄電池能量密度低，續(xù)航里程受到限制，兩輪電動車開始加速轉(zhuǎn)向鋰電池。 根據(jù)艾瑞咨詢數(shù)據(jù)，2021年全國兩輪鋰電車銷量占比達(dá)到23.4%，預(yù)計2022年上升至27.3%。 鋰電方案占比增加帶動BMIC需求持續(xù)增長。傳統(tǒng)的以鉛酸電池為儲能裝置的 兩輪電動車上，由于鉛酸電池穩(wěn)定性較高，除部分高端型號外，一般不采用專 門的電池管理芯片。而鋰電池特性活潑，對電芯間均衡程度的要求提升，需要 采用專門的監(jiān)測芯片。新國標(biāo)推薦兩輪電動車電池電壓為48V、60V、72V、 84V、96V、144V，對應(yīng)電芯串聯(lián)數(shù)在16串以上。因此，一般在兩輪電動車領(lǐng) 域應(yīng)用的監(jiān)測芯片為16S、18S型號。在安全要求較高的高端兩輪電動車產(chǎn)品 中，為進(jìn)一步保障電芯安全，還需要額外搭配一顆保護(hù)芯片。 電動工具中的電池架構(gòu)與兩輪電動車類似，同樣需要電池監(jiān)測芯片、電池保護(hù) 芯片，同時還需要一顆充電芯片滿足電池充電需求。

測算假設(shè)：

電動工具：每臺電動工具需要 1 顆電池監(jiān)測芯片、1 顆開關(guān)充電芯片、1 顆電池保護(hù)芯片。

兩輪電動車：我們假設(shè)中國地區(qū)鋰電兩輪車滲透率與全球相同，并預(yù)計 22/23/24/25/26年全球鋰電兩輪電動車滲透率為 27%/35%/50%/75%/100%。每臺鋰電兩輪電動車需要1顆電量計量芯片、1顆電池監(jiān)測芯片、1顆電池保護(hù)芯片。

經(jīng)測算，2021年電動自行車和電動工具領(lǐng)域的BMIC市場規(guī)模分別為 0.19/8.70億美元，預(yù)計到2026年，電動自行車和電動工具領(lǐng)域的BMIC市 場規(guī)模分別將達(dá)到0.89億美元和12.20億美元，2021-2026年 CAGR=36.45%/7.00%

2.3.電動汽車：要求最高的 BMIC 賽道 BMIC 是電動汽車電池安全的核心組件，早期的電動汽車通常采用單體電池方案。2012年Tesla Model S發(fā)布，首次采用由7104節(jié)18650電芯串聯(lián)組成 的電池包。18650電芯產(chǎn)量大、價格低，且在可靠性和能量密度方面均具有優(yōu) 勢。但由7000余節(jié)電芯串聯(lián)+并聯(lián)構(gòu)成的系統(tǒng)中，電池簇之間極易出現(xiàn)電量不 平衡，對BMS提出了巨大挑戰(zhàn)。支撐Tesla Model S完成如此工業(yè)壯舉的是TI的BQ76PL5363-6SBMS監(jiān)控和保護(hù)芯片。以磷酸鐵鋰電池為例，單體電芯電壓范圍一般在 3.2-3.6V 之間（標(biāo)稱電壓 3.2V），400V系統(tǒng)電動汽車電池電壓一般在360V左右，為達(dá)到相應(yīng)電壓等級， 需要約120只電芯串聯(lián)。如此大量的電芯串聯(lián)，對電芯之間的電量一致性提出 了更高要求，因此需要采用電池監(jiān)測芯片對每一個電芯進(jìn)行電壓、電流檢測。假如 120 只電芯串聯(lián)（電芯并聯(lián)的數(shù)量取決于電池容量），采用常見的12- 16S AFE芯片，則需要約8-10只AFE芯片。

在電動汽車電池系統(tǒng)中，我們關(guān)注到兩大重要趨勢：一是高壓系統(tǒng)滲透率提升；二 是電池技術(shù)體系的更新迭代。下面我們分別探討這兩大技術(shù)趨勢所帶來的BMS系統(tǒng)變化。并詳細(xì)介紹汽車 BMIC 芯片相較消費(fèi)、工業(yè) BMIC 芯片的額外要求。

2.3.1. 高壓系統(tǒng)滲透率提升將帶動單車 BMIC 需求翻倍增長

目前新能源汽車電池電壓普遍在400V左右，例如理想One動力電池額定電壓為350.4V，比亞迪秦的動力電池電壓則在500V左右。根據(jù)電路原理，功率 P=電壓U×電流I，在相同功率下，電壓越大，電流越小，相應(yīng)地電流在傳導(dǎo)過程中產(chǎn)生的熱損耗也越小。因此，目前主流車企均布局高壓平臺。電壓升高而電流減小，傳統(tǒng)的IGBT器件在功耗上不再具有優(yōu)勢，SiC器件也因此成為了高壓平臺的主流。而常見的SiC器件擊穿電壓一般為1200V，考慮安全裕量，800V成為了車企高壓平臺電壓的主流選擇。根據(jù)我們前文測算過程，AFE芯片的需求與電壓基本成正比，因此平臺電壓從400V升高到800V將帶動AFE 需求翻倍成長。

2.3.2. 電芯技術(shù)體系升級對 AFE 使用量影響較小

目前通常討論的動力電池技術(shù)體系分為鋰離子電池和鈉離子電池兩種，其中鋰 離子電池又可以分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰（LFP）、三元鋰等。早期鋰電 池主要應(yīng)用于3C產(chǎn)品，以鈷酸鋰為主；后續(xù)隨著新能源客車普及，磷酸鐵鋰 （LFP）電池需求快速增長；近年來隨著新能源乘用車的普及，鋰電池體系呈 現(xiàn)LFP和三元鋰電池共存的局面。未來隨著鈉離子電池技術(shù)的發(fā)展，鈉離子電 池需求亦有望迎來快速增長。 我們對比電芯額定電壓容易發(fā)現(xiàn)，不同技術(shù)體系的電芯額定電壓基本相同，區(qū)間在3.00-3.80V。因此容易判斷，電芯技術(shù)體系升級對AFE使用量影響較小。

2.3.3. 車規(guī)應(yīng)用場景對 BMIC 芯片提出更高要求

與工業(yè)、消費(fèi)等應(yīng)用場景不同，電動汽車BMIC芯片與乘員安全息息相關(guān)，因 此在芯片可靠性、安全性、一致性方面提出了更高要求。主要規(guī)范包括 AEC-Q100、ISO26262 和 IATF16949 等。 AEC-Q100是一種基于故障機(jī)制的集成電路應(yīng)力測試方法，包括了一系列應(yīng) 力測試，芯片需要通過高溫高濕、振動、靜電放電等場景的測試方能取得認(rèn)證。 ISO26262是汽車芯片功能安全認(rèn)證，旨在確保系統(tǒng)整體對外界輸入和干擾能 夠正確響應(yīng)（哪怕在部分電路失效的情況下），避免造成人體健康損害或人身損傷。功能安全從ASIL-A到ASIL-D分為四個等級，A最低，主要用在車身控 制等與行駛安全關(guān)聯(lián)度較低的系統(tǒng)中；D最高，主要用發(fā)動機(jī)等與行駛安全息 息相關(guān)的系統(tǒng)中。功能安全要求較高，電路和系統(tǒng)設(shè)計難度較大，是目前車規(guī) 芯片驗證耗時最長的環(huán)節(jié)之一。

IATF16949是汽車生產(chǎn)質(zhì)量管理體系認(rèn)證，涵蓋產(chǎn)品安全、風(fēng)險管理和應(yīng)急計劃、嵌入式軟件要求、變更和質(zhì)保管理、次級供應(yīng)商管理等5個方面，該認(rèn)證主要面向企業(yè)和產(chǎn)線，獲得IATF 16949認(rèn)證能夠證明公司滿足在供應(yīng)鏈中建立持續(xù)改進(jìn)過程、強(qiáng)調(diào)缺陷預(yù)防以及減少變差和浪費(fèi)的質(zhì)量管理體系要求。該技術(shù)規(guī)范適用于所有產(chǎn)品或生產(chǎn)材料制造商和供應(yīng)商、熱處理或鍍鋅等服務(wù)， 以及汽車客戶規(guī)定的其他產(chǎn)品。 為了滿足功能安全需求，在汽車BMS系統(tǒng)中，SOX算法一般放在主控MCU完成，因此需要構(gòu)建AFE到MCU之間的通訊鏈路。早期方案一般采用星型架 構(gòu)，每一顆AFE芯片都需要配備單獨(dú)的隔離通訊芯片，并單獨(dú)連接至MCU。隨著技術(shù)發(fā)展，菊花鏈架構(gòu)逐漸成為主流，每顆AFE芯片之間通過差分信號線 和隔離電容（或隔離變壓器）串聯(lián)，并通過一顆單獨(dú)的隔離通訊芯片連接到MCU，極大地減少了通訊芯片的數(shù)量。

2.3.4. 測算假設(shè)與結(jié)果 由此我們可以做出以下測算假設(shè)：

對于400V系統(tǒng)新能源車，假設(shè)需要8顆AFE芯片和1顆隔離通訊芯片。

對于800V系統(tǒng)新能源車，假設(shè)需要16顆AFE芯片和1顆隔離通訊芯片。

22/23/24/25/26年全球新能源車銷量分別為1200/1500/1900/2240/2500萬輛。

監(jiān)測芯片單價約5美元，通訊芯片單價約0.5美元。

經(jīng)測算，2021年全球新能源車領(lǐng)域BMIC市場規(guī)模約2.81億美元，預(yù)計 2026年將達(dá)到15.13億美元，2021-2026年CAGR=40.07%。

2.4.儲能：彈性最大的 BMIC 賽道

新能源發(fā)電是近年來能源領(lǐng)域最主要的發(fā)展趨勢，而風(fēng)電、光伏等新能源具有 出力不穩(wěn)定、電網(wǎng)支撐能力差的特點(diǎn)。隨著新能源發(fā)電裝機(jī)量的增長，傳統(tǒng)電 網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰能力受到了挑戰(zhàn)。電化學(xué)儲能是提升電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻能力的重要 手段，在戶用場景下電化學(xué)儲能也是匹配出力-負(fù)荷曲線，實現(xiàn)全天候用電的重要工具。伴隨著新能源發(fā)電裝機(jī)量的增長，電化學(xué)儲能的需求也在持續(xù)增長。根據(jù)集邦咨詢數(shù)據(jù)，2025年全球儲能年度裝機(jī)量預(yù)計達(dá)到450GWh。

儲能中所涉及的BMIC一般包括電池監(jiān)測芯片、電池平衡芯片和隔離通訊芯片 三種類型。BMIC在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用以儲能電站為主。隨著新能源占比提升， 為了保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，儲能電站的配套建設(shè)成為剛需。在電化學(xué)儲能電站中， 電壓等級高、電池串并聯(lián)數(shù)量多，對于BMIC的質(zhì)量要求也較高。儲能電站空間較大，可以支持復(fù)雜的電路布置，為了提升能量轉(zhuǎn)換效率，可以采用主動均衡方案。電化學(xué)儲能電站每個模塊的BMS系統(tǒng)一般包括：電池監(jiān)測芯片、電池平衡芯片、隔離通訊芯片、電池電量計量芯片等，各個Rack的信息再經(jīng)由 隔離通訊接口上傳至中樞MCU，進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配。

電芯容量升級，280Ah及更大容量電芯正在成為行業(yè)主流。在儲能系統(tǒng)中，更大 容量的電芯具備以下優(yōu)勢：1）在 pack 端，可以減少零部件使用量，成本更低，體積能量密度更高；2）在系統(tǒng)端，相同容量下電池簇數(shù)量減少，可靠性和安全性提 升；3）在建造端，大電芯可以簡化裝配工藝，大幅節(jié)省土地基建、集裝箱等方面的成本投入。因此，目前280Ah電芯正加速在風(fēng)光發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、共享儲能側(cè)和部分大型移動式儲能應(yīng)用等追求低成本、大容量和安全性的場景替代過去傳統(tǒng)的50Ah和100Ah電芯產(chǎn)品。根據(jù)GGII 不完全統(tǒng)計，國內(nèi)已有超過10家電芯企業(yè)對外銷售其280Ah磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品。

關(guān)鍵假設(shè)：

每個電池簇參數(shù)為48V/280Ah，對應(yīng)需要一顆16S AFE芯片。

儲能電站均采用主動均衡策略，每個電池簇需要16顆主動均衡芯片。

經(jīng)測算，2021年全球儲能 BMIC 市場規(guī)模約0.45億美元，預(yù)計到2026年儲 能BMIC市場規(guī)模將達(dá)到6.91億美元，2021-2026年CAGR=72.34%。還 需要指出的是，我們此處假設(shè)2026年全球儲能電池裝機(jī)規(guī)模達(dá)到450GWh， 但從儲能電池端產(chǎn)能規(guī)劃來看，全球儲能BMIC市場的潛在規(guī)?？赡芨?。根據(jù)高工鋰電數(shù)據(jù)，2022Q1國內(nèi)宣布擴(kuò)產(chǎn)的儲能電池項目總規(guī)模即達(dá)到 166GWh，未來儲能市場BMIC需求量有望超出我們測算的范圍，具有潛在的 彈性空間。

2.5.總結(jié)

經(jīng)測算，2021年全球鋰電池BMIC市場規(guī)模約為42.54億美元，預(yù)計到2026年市場規(guī)模將增加至80.31億美元，2021-2026年CAGR=13.55%。其中增速最快的市場是儲能、汽車和可穿戴（泛消費(fèi)）市場，2021-2026年CAGR 分別為72.34%、40.07%、14.50%。 需要指出的是，本測算中忽略了大量長尾場景（如 UPS、玩具等）；亦忽略了2021年開始的芯片短缺帶來的價格彈性。若考慮以上兩個因素，則潛在市場規(guī)模應(yīng)比我們的測算結(jié)果更大。

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