單車用量增長(zhǎng)的電池管理芯片們（BMIC）

意法半導(dǎo)體預(yù)測(cè)，由傳統(tǒng)燃油車轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車的過程中，作為新增的半導(dǎo)體需求，AFE/BMS芯片單車用量達(dá)到12顆，到2025年，其市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)3億美元。

BMS（Battery management system）應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，消費(fèi)類下游市場(chǎng)是其最主要的應(yīng)用，如手機(jī)、平板、筆記本等。但近幾年，電動(dòng)汽車起勢(shì)迅猛，高壓、高容量密度、快充等特性對(duì)BMS提出了更高的要求，也帶動(dòng)單車BMIC（電池管理芯片）需求翻倍增長(zhǎng)。

根據(jù)財(cái)通證券測(cè)算，2021年，全球新能源汽車領(lǐng)域BMIC市場(chǎng)規(guī)模約2.81億美元，預(yù)計(jì)2026年將達(dá)到15.13億美元，CAGR為40.07%，較手機(jī)BMIC市場(chǎng)規(guī)模的CAGR（1.92%），翻了20倍。

閱讀本文，你將了解以下內(nèi)容：

1. BMS的上車史

2. BMS的芯片成分

3. BMS芯片的玩家們

01

BMS概念與來歷

BMS即電池管理系統(tǒng)（Battery management system）。顧名思義是管理電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的一套系統(tǒng)。BMS扮演著整車電池系統(tǒng)的管家角色，主要功能是采樣測(cè)量和評(píng)估管理，這兩大功能由電池控制器單元（BatteryControl Unit，BCU）和電池管理單元（BatteryManagementUnit，BMU）構(gòu)成。

作為汽車三電系統(tǒng)之一，電池占整車成本的30%-40%左右，因此BMS對(duì)整車也是極其重要的一部分。但BMS也并不是電動(dòng)汽車時(shí)代下的產(chǎn)物，它也跟隨著電池技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜度不同而變化著。

從銅鋅電池到鉛酸電池，再到現(xiàn)在的鋰電池或鈉離子電池，電池技術(shù)在近幾十年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。早期的電池如鎳鎘電池，往往以單體電池的形式出現(xiàn)，所以對(duì)電池的狀態(tài)不需要嚴(yán)加看管。

但到后面，電池以多節(jié)串聯(lián)的形式出現(xiàn)后，問題就來了：每節(jié)電池的特性存在差異，電池之間的電量均衡也存在差異。

“兩人三足”大家都玩過吧，很考驗(yàn)團(tuán)隊(duì)配合能力，總有豬隊(duì)友步子邁大了，三天兩頭鼻青臉腫，時(shí)間久了，身子垮了，人心散了，還能跑得動(dòng)嗎？

換作電池也是一樣，最終結(jié)果會(huì)導(dǎo)致某節(jié)電池經(jīng)常處于過充或過放的狀態(tài)，整體電池組的壽命大打折扣，因此人們便手動(dòng)定期進(jìn)行檢查電池的一致性。

傳統(tǒng)意義上的手工活耗時(shí)費(fèi)力并且無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以現(xiàn)代意義上的BMS由此誕生?，F(xiàn)代BMS功能也是由儉入奢，從早期簡(jiǎn)單的電壓、溫度、電流等基本參數(shù)監(jiān)控外，慢慢發(fā)展至多個(gè)功能如實(shí)時(shí)監(jiān)控、電池均衡管理、防過充及過放等。

BMS系統(tǒng)可以劃分為硬件、底層軟件和應(yīng)用層軟件三大部分，硬件部分包含BMIC、傳感器等；底層軟件基于汽車開放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（AUTOSAR）將BMS劃分為多個(gè)區(qū)塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同硬件進(jìn)行配置；應(yīng)用層軟件主要功能包括充電管理、電池狀態(tài)估算、均衡控制、故障管理等。

雖然IC占整體動(dòng)力電池成本的5%左右，但現(xiàn)在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池講究高能量密度與高可靠性，如特斯拉采用的18650電池，由7000多節(jié)電芯以串聯(lián)+并聯(lián)方式構(gòu)成，如此多數(shù)量的電芯之間參數(shù)也不盡相同，對(duì)BMS更是提出了艱難的要求。

特斯拉Model S依靠一顆TI的電池監(jiān)控和保護(hù)芯片BQ76PL536實(shí)現(xiàn)了18650電池的管理，但BMIC可不止這些。

02

BMS里藏著哪些芯片？

在了解BMS芯片之前，我們先來了解下BMS的架構(gòu)。

BMS拓?fù)浼軜?gòu)分為集中式與分布式。大家一看到集中式是不是認(rèn)為這是主流？那就錯(cuò)了。

集中式BMS結(jié)構(gòu)緊湊，成本低，但線束多，通道數(shù)量有限，一般用于容量低、系統(tǒng)體積小且低壓的場(chǎng)景中，比如電動(dòng)兩輪車、機(jī)器人、智能家居等。

集中式結(jié)構(gòu)示意圖

分布式BMS結(jié)構(gòu)可以理解為主+從的關(guān)系，從控單元負(fù)責(zé)采集電池?cái)?shù)據(jù)，均衡功能等，主控單元處理數(shù)據(jù)，判斷電池運(yùn)行情況，進(jìn)行充電管理、熱管理、故障管理等，并且與外部車載控制器等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

分布式結(jié)構(gòu)示意圖

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池向高能量密度、高壓及大體積方向發(fā)展，在混動(dòng)和純電動(dòng)汽車上主要采用的是分布式BMS架構(gòu)，如BMW i3/i8/X1、特斯拉Model S/X、比亞迪秦等。雖然控制復(fù)雜、成本較高，但勝在靈活性強(qiáng)、線束少。

基于分布式BMS結(jié)構(gòu)，我們將芯片進(jìn)行分類：

數(shù)據(jù)采集部分

AFE（模擬前端）：AFE泛指電池監(jiān)測(cè)芯片，主要配合各種傳感器采集電芯電壓、溫度等信息，僅具有參數(shù)監(jiān)測(cè)功能。此外，AFE一般集成被動(dòng)均衡技術(shù)。這里提一下什么是電池均衡，如前文所述，一般高串?dāng)?shù)電池組中，每個(gè)電池的電壓、電量會(huì)有所不同，為了保障之間的電量均衡，所以采取主動(dòng)均衡或被動(dòng)均衡。

被動(dòng)均衡通過無源器件將電量多的電芯通過電阻發(fā)熱消耗掉多余電量，而主動(dòng)均衡是將多余電量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)電芯間的能量流動(dòng)。被動(dòng)均衡成本低，可靠性高但增加系統(tǒng)損耗。主動(dòng)均衡所需元器件較多，成本高，但利于降低系統(tǒng)損耗。

電量計(jì)量芯片：采集電池信息，并采用特定算法對(duì)電池的SOC（荷電狀態(tài)，即剩余電量）和SOH（電池健康狀態(tài)，即老化程度）等參數(shù)進(jìn)行估算，并將結(jié)果傳送給控制芯片。

控制部分

電池保護(hù)芯片：監(jiān)測(cè)電池充放電情況，包括過壓、過流、過熱等，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況可以及時(shí)切斷電路，保護(hù)電池系統(tǒng)的安全。目前，部分計(jì)量和充電芯片會(huì)集成電池保護(hù)功能。

充電管理芯片：主要負(fù)責(zé)充放電管理。根據(jù)鋰電特性自動(dòng)進(jìn)行預(yù)充、恒流充電、恒壓充電。充電管理芯片使電壓、電流達(dá)到可控狀態(tài)，可以有效的控制充電的各個(gè)階段的充電狀態(tài)，保護(hù)電池 過放電、過壓、過充、過溫，最終有利于電池的壽命延續(xù)。

充電管理芯片根據(jù)工作模式不同可以分為開關(guān)、線性、開關(guān)電容。開關(guān)型適用于大電流應(yīng)用，且具靈活性，常用的快充方案都是采用開關(guān)型；線性一般應(yīng)用于小功率充電場(chǎng)景，如便攜電子設(shè)備；開關(guān)電容型充電效率高，但架構(gòu)受限，一般與開關(guān)型搭配使用。

MCU：負(fù)責(zé)繼電器控制、SOC/SOH估算、電池?cái)?shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)等。需要滿足AEC-Q100、ISO26262等認(rèn)證。相較于消費(fèi)級(jí)及工規(guī)MCU，車規(guī)級(jí)MCU壁壘更高，對(duì)可靠性、一致性、安全性、穩(wěn)定性有著硬性要求。

通信部分

數(shù)字隔離器件：在BMS系統(tǒng)中，SOX（包含SOC、SOH等）算法一般在MCU中執(zhí)行，因此在AFE與MCU間通常采用數(shù)字隔離器件來進(jìn)行通信。

圖為菊花鏈結(jié)構(gòu)，來源：ADI

目前主流通訊架構(gòu)為菊花鏈架構(gòu)，每個(gè)AFE之間互相連接，然后通過一顆隔離通訊芯片連接到MCU，減少了通訊芯片的數(shù)量。相對(duì)于CAN總線，菊花鏈架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于一旦中間斷開，后面的AFE芯片仍可以繼續(xù)通訊。

以下是小鵬BMS采樣板、特斯拉Model S采樣板和通用Ultium無線BMS中所用到的一些具體芯片信息：

小鵬G3 BMS采樣板如下圖：

采用AFE+隔離+單片機(jī)+CAN的結(jié)構(gòu)，電芯采樣部分采用的AFE芯片是ADI LTC6811-1，隔離通訊器件采用的是ADI LTC6820。單片機(jī)采用的是NXP S9S12G128F0MLF，SBC芯片采用的是NXP UJA1167，內(nèi)部集成高速CAN和LDO。

特斯拉Model S采樣板如下圖：

AFE芯片采用的是TI BQ75PL536A，數(shù)字隔離器件采用的是Silicon Labs（芯科科技）SI8642ED，MCU采用的是Silicon Labs C8051F543。

通用無線BMS系統(tǒng)電路板如下圖：

目前提供無線BMS解決方案的主要有德州儀器和ADI兩家，上圖使用的是ADI的方案，由偉世通提供設(shè)計(jì)和制造。無線BMS系統(tǒng)中，感知單元獲取電池基本信息，通過2.4GHz通信傳送至控制模塊中。

該系統(tǒng)中的核心芯片是ADI ADRF8850和TI TPS3850。ADRF8850是低功耗集成片上系統(tǒng)（SoC）其中包括一個(gè)2.4 GHz的ISM頻段無線電和一個(gè)嵌入式微控制器單元（MCU）子系統(tǒng)。ADRF8850在電池單元監(jiān)測(cè)芯片和電池管理系統(tǒng)（BMS）控制器之間提供無線通信。TPS3850是TI的電源和看門狗芯片。

TI在無線BMS系統(tǒng)中提供的芯片是SimpleLink CC2662R-Q1和BQ79616-Q1，前者是無線MCU，后者是電池監(jiān)控器和均衡器，兩者均滿足ASIL-D等級(jí)。

03

BMS芯片的玩家們

BMIC的研發(fā)橫跨電、熱、化學(xué)等多學(xué)科，被業(yè)內(nèi)冠以“模擬芯片的皇冠”的稱號(hào)。

其中AFE的主要供應(yīng)商有ADI、TI、ST、NXP、瑞薩等，ADI的產(chǎn)品主要來自收購(gòu)的Linear Technology和美信，瑞薩的產(chǎn)品主要來自收購(gòu)的Intersil。MCU的主要供應(yīng)商有NXP、ST、TI、英飛凌等，目前國(guó)內(nèi)也有不少M(fèi)CU廠商都在積極布局車規(guī)級(jí)產(chǎn)品，比如兆易創(chuàng)新、芯旺微等。數(shù)字隔離器件的主要供應(yīng)商有TI、ADI、Silicon Labs等。

部分AFE芯片信息 來源：安信證券（截至2022年4月）

國(guó)內(nèi)BMS相關(guān)芯片企業(yè)如下：

來源：安信證券

整體來看，國(guó)產(chǎn)芯片在汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域仍在初步布局階段，BMIC長(zhǎng)期被 TI、ADI等歐美企業(yè)壟斷。

這其中主要原因在于車規(guī)級(jí)芯片認(rèn)證要求嚴(yán)苛，技術(shù)門檻高。車規(guī)級(jí)認(rèn)證規(guī)范包括AEC-Q100、ISO 26262和IATF 16949等。其中，ISO26262是汽車芯片功能安全認(rèn)證。汽車功能安全從ASIL-A到ASIL-D分為四個(gè)等級(jí)，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(dòng)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(jì)難度較大，是目前車規(guī)芯片驗(yàn)證耗時(shí)最長(zhǎng)的環(huán)節(jié)之一。另一方面，模擬器件利潤(rùn)較低，企業(yè)投產(chǎn)布局多持謹(jǐn)慎態(tài)度。

04

結(jié) 語

BMS的下游應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費(fèi)電子、汽車動(dòng)力電池、儲(chǔ)能。其中，動(dòng)力電池是BMS最大的應(yīng)用領(lǐng)域，2020年份額達(dá)到54%。但是汽車動(dòng)力電池相較于其他應(yīng)用領(lǐng)域，要求絕對(duì)的高可靠性、安全性，因此BMS在汽車領(lǐng)域雖然有更為廣闊的市場(chǎng)空間，但也更具有挑戰(zhàn)性。

芯片技術(shù)是BMS產(chǎn)業(yè)鏈的核心，據(jù)財(cái)通證券測(cè)算，2021年全球新能源車領(lǐng)域 BMIC市場(chǎng)規(guī)模約2.81億美元，預(yù)計(jì)2026年將達(dá)到15.13億美元，2021-2026年CAGR=40.07%。伴隨著新能源汽車的發(fā)展，以及車用芯片的持續(xù)緊缺，我國(guó)BMS芯片需求持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí)。

審核編輯 ：李倩