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    • 01、BMIC分類
    • 02、電動汽車BMIC發(fā)展提速
    • 03、國產BMIC發(fā)力
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汽車芯片的新戰(zhàn)場

2022/12/22
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作者:暢秋

在人們的日常生活中,電池的重要性越來越凸出,主要體現(xiàn)在兩大應用領域:一是以手機、筆記本電腦、TWS耳機、智能手表為代表的消費類電子產品;二是新能源汽車。特別是以純電動汽車為代表的新能源汽車,由于現(xiàn)階段補能系統(tǒng)不成熟,跟不上應用需求的發(fā)展,因此,如何能更好地利用電池內已有電能,提升能效,成為了車企和廣大消費者關注的焦點。此時,電池管理系統(tǒng)(BMS)的重要性就凸顯出來。

在人們的日常生活,以及工業(yè)應用領域,BMS都發(fā)揮著關鍵作用,總體來看,該系統(tǒng)主要服務于以下功能需求:通過監(jiān)測外部參數(shù)如電壓、電流、溫度等,實時檢測電池狀態(tài),并通過算法對電池的電阻、最大容量等參數(shù)進行估測;提升電池的能量利用率,為電池的使用和維護提供數(shù)據(jù)支持;避免單節(jié)電芯的過充、過放電;確保用戶安全;延長電池壽命。

在BMS當中,以上功能主要通過電池管理芯片(BMIC)來實現(xiàn),為了實現(xiàn)這些功能,研發(fā)BMIC是個跨多學科的復雜工作,需要在算法設計、模擬采樣電路設計、高壓BCD工藝、復雜數(shù)字電路設計、電路可靠性等方面具備深厚技術積累。

01、BMIC分類

BMIC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,專用芯片則需要針對BMS應用進行專門開發(fā),以滿足特定應用的功能需求。

BMS專用芯片又可分為電池保護芯片、電量計量芯片、充電芯片、電池監(jiān)測芯片、電池認證芯片等。下面簡單介紹一下這些BMIC。

電池保護芯片

電池保護芯片負責監(jiān)測電芯的充放電情況,保證不會因為外部的錯用或故障而對電池產生損害。當檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時,安全芯片可以及時切斷電路,以保障電池系統(tǒng)安全。目前,部分BMIC(充電芯片、電量計等)會集成保護功能,但為了實現(xiàn)更全面的保護,專用電池保護芯片仍然是很多應用中不可缺少的組件。

電量計量芯片

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)進行估測,并將結果反饋給控制芯片。

充電芯片

充電芯片主要實現(xiàn)電源路徑管理(PPM)和充放電控制這兩項功能。電源路徑管理是對電源路徑進行控制,使外部電源的開關不影響系統(tǒng)正常工作;充放電控制是對電池的充放電進行恰當?shù)目刂坪凸芾?,典型的電池充電過程通常分為涓流、恒流和恒壓階段,各階段間的切換控制由充電芯片完成。

受限于成本、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,對于大功率應用(如電動汽車),一般采用由分立器件組成的專用大功率充電電路。

電池監(jiān)測芯片

電池監(jiān)測芯片的主要功能是對電池參數(shù)進行高精度監(jiān)測,并通過通訊接口將相關數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片。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,一般用在高串數(shù)串聯(lián)場合(10串到上百串),此時,需要由多個監(jiān)測芯片級聯(lián)形成監(jiān)測系統(tǒng)。

電池認證芯片

為了避免不匹配的電池對設備或用戶造成損害,會在電池包中集成一顆電池認證芯片,并在電池連接至系統(tǒng)時進行認證,只有驗證通過的電池才能為系統(tǒng)供電。雖然很多系統(tǒng)的電池不可拆卸,但為了避免用戶自行替換電池帶來的潛在風險,廠商一般也會在設備內置電池中配置一顆認證芯片。

02、電動汽車BMIC發(fā)展提速

2021年,全球鋰電池BMIC市場規(guī)模約為42.54億美元,預計到2026年將增加至80.31億美元,年均復合增長率(CAGR)為13.55%。其中,增速最快的市場是儲能、汽車和消費類(手機、筆記本電腦、平板電腦、TWS耳機、智能手表等)市場,2021-2026年的CAGR 分別為72.34%、40.07%、14.50%。可以看出,在人們的日常生活應用中,汽車,特別是電動汽車用BMIC的增長速度非常可觀,遠遠超過了消費類電子產品市場。

早期的電動汽車通常采用單體電池方案,隨著2012年Tesla發(fā)布Model S,首次采用由7104 節(jié)18650電芯串聯(lián)組成的電池包,之所以如此,主要是因為18650電芯產量大、價格便宜,可靠性和能量密度也不錯。然而,由7000多節(jié)電芯串聯(lián)+并聯(lián)構成的系統(tǒng)中,電池簇之間極易出現(xiàn)電量不平衡,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行電壓、電流檢測,這對BMS的要求很高。當時,保障Model S電池系統(tǒng)正常、安全工作的是TI的BQ76PL5363-6S電池監(jiān)控和保護芯片。

近些年,電動汽車發(fā)展迅速,特別是在中國,其市占率在相對短的時間內快速提升,與此同時,在實際應用中,各種問題也顯現(xiàn)出來,對電池系統(tǒng)提出了更高要求,例如電池技術快速迭代,以及高壓、快速充電等。

目前,電動汽車電池電壓普遍在400V左右,例如,理想One的動力電池額定電壓為350.4V,比亞迪秦的在500V左右。相同功率下,電壓越大,電流越小,電流在傳導過程中產生的熱損耗也越小。因此,目前的主流車企均布局高壓平臺。電壓升高而電流減小,在這種情況下,IGBT在功耗上不再具有優(yōu)勢,SiC器件則成為了高壓平臺的理想選擇。常見SiC器件的擊穿電壓一般為1200V,考慮到安全裕量,800V成為了車企高壓平臺的主流電壓配置。由于AFE(Active Front End)芯片的需求與電壓成正比,因此,平臺電壓從400V升至800V時,將帶動AFE需求翻倍增長。

與工業(yè)、消費類電子等應用不同,電動汽車BMIC與乘員安全息息相關,因此對芯片可靠性、安全性、一致性提出了更高要求,主要規(guī)范包括AEC-Q100、 ISO26262和IATF16949等。

AEC-Q100 是一種基于故障機制的集成電路應力測試方法,包括了一系列應力測試,芯片需要通過高溫高濕、振動、靜電放電等場景的測試才能取得認證。ISO26262 是汽車芯片功能安全認證,旨在確保系統(tǒng)對外界輸入和干擾能夠正確響應(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。IATF16949 是汽車生產質量管理體系認證,涵蓋產品安全、風險管理和應急計劃、嵌入式軟件要求、變更和質保管理、次級供應商管理等。

為了滿足功能安全需求,在汽車BMS系統(tǒng)中,SOX算法一般由主控MCU完成,因此,需要構建AFE到MCU之間的通訊鏈路,早期,一般采用星型架構,每個AFE芯片都需要配備單獨的隔離通訊芯片,并單獨連接至MCU。隨著技術的發(fā)展,菊花鏈架構逐漸成為主流,每個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),并通過一顆單獨的隔離通訊芯片連接到MCU。對于400V系統(tǒng)電動汽車,大約需要8個AFE 芯片和1個隔離通訊芯片,對于800V系統(tǒng),約需要16個AFE芯片和1個隔離通訊芯片。因此,隨著電動汽車的普及,對相應芯片的需求量會大增。

03、國產BMIC發(fā)力

目前,全球BMIC,特別是車用市場主要被TI、ADI瑞薩等國際巨頭把持著,其中,TI和ADI(含Maxim)占據(jù)了近60%全球市場份額。

目前,中國大陸B(tài)MIC市場規(guī)模為每年數(shù)十億個,國產品牌市占率僅有20%,細分到電動汽車BMIC領域,國產品牌份額更少。目前,電動汽車BMIC產品設計方案大多被國外廠商壟斷,國內相關企業(yè)大多在此基礎上進行二次開發(fā),包括軟硬件設計。能提供車規(guī)級BMIC完整解決方案的供應商主要有 ADI(AFE 產品主要來自于收購的Maxim和Linear產品線)、TI、英飛凌NXP、瑞薩(AFE產品主要來自于收購的Intersil產品線)、ST和安森美等。

車規(guī)級ADC芯片市場,主要被TI和ADI把持著,中國本土鮮有提供車規(guī)級ADC的企業(yè)。汽車BMS采用的AFE芯片,主要區(qū)別在于采樣通道數(shù)、內部ADC的數(shù)量等,且AFE芯片技術難度很高,附加值也高,主要供應商包括ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩,中國本土幾乎沒有能夠生產車規(guī)級AFE芯片的企業(yè)。

雖然中國本土企業(yè)與國際大廠之間存在明顯差距,但經過多年的積累,在研發(fā)消費類電子設備用BMIC的基礎上,國內企業(yè),如中穎電子、賽微微電、比亞迪半導體、琪埔維(CHIPWAYS)、芯??萍肌⑹グ钗?、南芯科技、納思達等企業(yè)已經在積極布局車規(guī)級BMIC產品了。比亞迪半導體曾推出過一款滿足AEC-Q100 標準的車規(guī)級AFE芯片。琪埔維則專注于汽車智能核心芯片的研發(fā)與銷售,主要產品包括汽車級電源管理芯片、傳感器等。

作為高增長、高技術門檻產品,BMIC龍頭企業(yè)地位相對穩(wěn)固。不過,隨著企業(yè)之間的并購整合,行業(yè)格局正在走向集中,特別是ADI對Maxim的收購,以及瑞薩對Dialog的收購,正在加速這一進程。

據(jù)GGII統(tǒng)計,2022上半年,中國大陸鋰電池廠商動力電池裝機量占比超過50%,而中國本土BMIC企業(yè)在全球市場占比不到10%,且中國BMIC企業(yè)下游主要面向消費、電動工具等應用領域,在動力電池領域占比幾乎為零。如此大的份額差距,為中國BMIC企業(yè)提供了巨大的發(fā)展機會,需要相關企業(yè)不斷加大研發(fā)投入,以在未來的競爭中占據(jù)有利位置。

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