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  • 正文
    • 01、BMS概念與來(lái)歷
    • 02、BMS里藏著哪些芯片?
    • 03、BMS芯片的玩家們
    • 04、結(jié) 語(yǔ)
  • 相關(guān)推薦
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需求暴漲的電池管理芯片(BMIC)

2022/12/19
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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(guò)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(lái)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。

從銅鋅電池鉛酸電池,再到現(xiàn)在的鋰電池鈉離子電池,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(wèn)題就來(lái)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(guò)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(guò)充或過(guò)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(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控,所以現(xiàn)代意義上的BMS由此誕生。現(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(guò)充及過(guò)放等。

BMS系統(tǒng)可以劃分為硬件、底層軟件應(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(kāi)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(lái)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(guò)無(wú)源器件將電量多的電芯通過(guò)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(guò)壓、過(guò)流、過(guò)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(guò)放電、過(guò)壓、過(guò)充、過(guò)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(kāi)關(guān)、線性、開(kāi)關(guān)電容。開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電容型充電效率高,但架構(gòu)受限,一般與開(kāi)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(lái)進(jìn)行通信。

來(lái)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(guò)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(kāi),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(wú)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(wú)線BMS系統(tǒng)電路板如下圖:

目前提供無(wú)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(wú)線BMS系統(tǒng)中,感知單元獲取電池基本信息,通過(guò)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(wú)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(wú)線通信。TPS3850是TI的電源看門狗芯片。

TI在無(wú)線BMS系統(tǒng)中提供的芯片是SimpleLink? CC2662R-Q1和BQ79616-Q1,前者是無(wú)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(lái)自收購(gòu)的Linear Technology和美信,瑞薩的產(chǎn)品主要來(lái)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(lái)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(lái)源:安信證券

整體來(lái)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(yǔ)

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)。

參考資料:

新能源汽車BMS主要芯片及供應(yīng)商分析,電子發(fā)燒友
市場(chǎng)空間廣闊,電池管理(BMS、BMIC)芯片國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程加速,安信證券
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