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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。
