產(chǎn)研：艱難的替代——國產(chǎn)車規(guī)級AFE芯片

電動車的心臟——BMS

電池管理系統(tǒng)（BMS）在電動新能源汽車的發(fā)展中扮演著至關(guān)重要的角色。這一系統(tǒng)的主要任務(wù)是確保電池組在整個使用周期內(nèi)的安全、高效運行，它通過細(xì)致的監(jiān)控和管理機(jī)制，實現(xiàn)對電動車電池的全面把控。特別對于使用鋰離子電池的電動車而言，BMS不僅是性能優(yōu)化的關(guān)鍵，更是安全保障的基石。

電動汽車的動力源頭是由眾多小電池單體通過串并聯(lián)的方式組合而成的電池組，最終形成動力電池單元。這些單體電池在出廠時因電化學(xué)特性的差異，存在一定的性能不一致問題。充電時，整個電池組通過單一的充電口充電，如何保證每一塊電池既能充滿電，又不因過度充電造成損害，是BMS需要解決的核心問題之一。

BMS通過實時監(jiān)控每個電池單元的工作狀態(tài)，確保其處于安全的電壓、電流和溫度范圍內(nèi)。它計算電池的充電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH），分別提供電池的剩余電量信息和相對于新電池的最大容量評估，這對于評價電池的可用能量和預(yù)估壽命至關(guān)重要。電池芯平衡功能則通過減少單元間的性能差異來提升整體性能和延長壽命。

BMS在設(shè)計上高度重視安全性，采取多種措施防止電池狀態(tài)超出安全工作區(qū)，包括但不限于過充、過放、過流、過溫等保護(hù)措施。這些通過具體的技術(shù)手段如過壓保護(hù)（OVP）、過流保護(hù)（OCP）、過溫保護(hù)（OTP）、低壓關(guān)閉（UVLO）等實現(xiàn)，保障電池的穩(wěn)定與安全。

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，BMS的市場需求持續(xù)增長，技術(shù)門檻也相應(yīng)提高。當(dāng)前，國內(nèi)外許多企業(yè)都在加緊研發(fā)，旨在推出更加高效、安全的BMS解決方案。國內(nèi)企業(yè)雖面臨技術(shù)積累和市場經(jīng)驗的雙重挑戰(zhàn)，但隨著研發(fā)投入的增加，已開始逐漸縮小與國際先進(jìn)水平的差距。

隨著電動汽車向更高電壓、更大容量電池組進(jìn)發(fā)，BMS的設(shè)計和實現(xiàn)也將面臨更高的技術(shù)要求。智能化、模塊化將成為BMS發(fā)展的重要趨勢，更高的數(shù)據(jù)處理能力、更精準(zhǔn)的監(jiān)控技術(shù)、更先進(jìn)的故障預(yù)警和處理機(jī)制將成為研究的重點。此外，BMS的集成化發(fā)展將使其在新能源汽車的智能駕駛技術(shù)中發(fā)揮更加重要的作用，成為連接車載動力電池與電動汽車其他系統(tǒng)的關(guān)鍵樞紐。

BMS的核心技術(shù)包括模擬前端芯片（AFE）、微控制單元（MCU）、高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等。AFE監(jiān)控電池電壓和溫度，支持均衡功能。MCU處理采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行SOC和SOH的計算。同時，BMS涉及到高級的通信和隔離技術(shù)，確保與車輛其他系統(tǒng)的有效信息交換，同時保護(hù)電池安全。

新能源汽車增長，全球AFE芯片市場需求飆升

在新能源汽車領(lǐng)域，半導(dǎo)體的需求隨著行業(yè)的快速發(fā)展而激增。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的最新數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，每輛新能源汽車所需的芯片數(shù)量從500-600顆顯著增加至1000-2000顆。其中AFE芯片作為BMS的核心芯片，負(fù)責(zé)采集電池電壓、電流、溫度等關(guān)鍵信息，是BMS能夠精確監(jiān)控和控制電池狀態(tài)的基礎(chǔ)。隨著新能源汽車市場的擴(kuò)大和電池技術(shù)的進(jìn)步，對AFE芯片的需求呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。根據(jù)QYR數(shù)據(jù)顯示，2017年至2022年，新能源汽車單車使用的AFE芯片數(shù)量從10-12顆增加到12-15顆，預(yù)計到2028年將進(jìn)一步增加到15-18顆。預(yù)計2022年至2028年間，年復(fù)合增長率達(dá)到35.6%。與此同時，全球前端模擬（AFE）市場的銷售額也在穩(wěn)步上升，2022年達(dá)到6.8億美元，預(yù)計到2029年將增長至27億美元。全球BMSAFE芯片市場在過去幾年中增速顯著。特別是在中國市場，預(yù)計到2028年，BMS AFE市場銷售額的增速將達(dá)到45%，顯示出中國在全球新能源汽車芯片市場中的重要地位和快速增長潛力。

全球模擬前端（AFE）市場銷售額預(yù)測（百萬美元），來源：QYR

目前，AFE芯片市場主要由國際大廠如亞德諾半導(dǎo)體、德州儀器、微芯科技、意法半導(dǎo)體等在全球模擬前端市場占據(jù)主導(dǎo)地位，這些企業(yè)擁有先進(jìn)的技術(shù)和廣泛的產(chǎn)品線，能夠滿足不同客戶的需求。北美地區(qū)作為全球最大的前端模擬（AFE）生產(chǎn)地區(qū)，占有約70%的市場份額，其次是歐洲，這進(jìn)一步加大了國內(nèi)企業(yè)的競爭壓力。

盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，國內(nèi)企業(yè)也在積極布局BMS芯片領(lǐng)域，試圖通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級來突破國際廠商的市場壟斷。例如，中穎電子的BMS方案已成功占據(jù)市場的60%-70%份額，表明其產(chǎn)品性能已達(dá)到甚至超過了國際品牌的標(biāo)準(zhǔn)，得到了終端客戶的廣泛認(rèn)可和支持。

近年來，隨著中國電動汽車和儲能市場的快速發(fā)展，國產(chǎn)AFE芯片企業(yè)迅速發(fā)展。在新能源汽車領(lǐng)域，車規(guī)級BMSAFE芯片需求不斷上升，尤其是18通道的產(chǎn)品成為市場上的主要需求，如TI的BQ79718-Q1和ADI的LTC6813都支持高達(dá)18通道。這類AFE芯片的成本和售價近年來有顯著下降，從原先的8美元以上降至2美元左右，預(yù)計將進(jìn)一步減至2美元以下。盡管ADI、TI、NXP和瑞薩這四大廠商幾乎占據(jù)了市場的90%份額，限制了國產(chǎn)BMSAFE產(chǎn)品的市場空間，但近兩年來，國內(nèi)廠商如MPS、矽力杰、拓爾微等50多家企業(yè)加入了BMS芯片的競爭，顯示出國產(chǎn)廠商進(jìn)入該領(lǐng)域的決心和勢頭。比亞迪、琪埔維等公司在車規(guī)級BMSAFE芯片設(shè)計和生產(chǎn)方面取得了突破，提供了模擬前端采樣芯片、數(shù)字隔離通訊接口芯片和微控制器等系列產(chǎn)品，并助力國產(chǎn)化進(jìn)程。

案例分析

近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，市場上出現(xiàn)了多款高性能的AFE芯片。多節(jié)電芯采集芯片目前市面上主要有4串的、7串的、8串的、12串的、14串的、16串的。其中以12串、14串的居多。其中比較典型的是ADI的LTC6803HG以及NXP的MC33771A還有TI的BQ76930、BQ79616等產(chǎn)品。

這里與非研究院特別整理了幾個典型的AFE芯片方案作為案例展示：

ADI LTC6813，來源：芯智聯(lián)

ADI LTC6813版圖架構(gòu)，來源：芯智聯(lián)

比亞迪4串的BM3451采集芯片方案

ADI 12串的LTC6803HG的采集方案

ADI的LTC6813是一款具有64管腳QFP封裝的高精度鋰電池電芯采樣芯片，采用0.18um 1P4M BCD工藝，支持廣泛的電池配置需求。其設(shè)計考慮了功能安全要求，能夠適應(yīng)不同的電池模組配置，滿足采樣精度和溫度點數(shù)量等詳細(xì)要求。LTC6813能夠?qū)Σ⒙?lián)電芯進(jìn)行高效采樣，支持復(fù)雜的串并組合，適應(yīng)不同電芯數(shù)量的模組，且能夠承受負(fù)壓采樣，為BMS提供了靈活而強大的解決方案。

TI的BQ76930和BQ79616則代表了TI在AFE領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。BQ76930特別適用于較小規(guī)模的電池模組采集，而BQ79616則更適合于高電壓、多電池串的應(yīng)用場景。它們均提供了高精度的電壓和溫度采集能力，以及強大的電流檢測功能，支持復(fù)雜的電池管理需求。

在實際應(yīng)用中，電芯采集方案需要考慮多個方面，包括電芯的串并配置、采樣通道的數(shù)量、采樣精度、以及溫度采集能力等。例如，英飛凌的TLE9018DQK采集方案就能同時監(jiān)控18串電池，具有高達(dá)120V的最高電壓耐受能力和強大的ESD功能，能夠在無外部保護(hù)的條件下支持熱插拔。此外，TLE9018DQK還集成了帶有數(shù)字補償算法的應(yīng)力感應(yīng)器和溫度補償，能夠在復(fù)雜環(huán)境下保持高采集精度，適合應(yīng)用在各種新能源車及儲能產(chǎn)品上。

無線、高精度，AFE芯片技術(shù)趨勢

BMS的關(guān)鍵參數(shù)包括電池串?dāng)?shù)的支持、采集精度、功耗以及異常狀態(tài)保護(hù)輸出時間等。

目前，市場上的最大需求細(xì)分正在從A00/A0級逐步轉(zhuǎn)向A/B級汽車。這一趨勢不僅推動了電池技術(shù)的快速發(fā)展，電池包的串?dāng)?shù)也在逐步增加，從而引發(fā)了一系列設(shè)計和管理挑戰(zhàn)。例如，電池包的串?dāng)?shù)正向100串、200串乃至更多串?dāng)?shù)過渡，這就對電池本身的設(shè)計和電池管理系統(tǒng)（BMS）的安全特性提出了更高的要求。因為電池串聯(lián)后電壓會升高，因此，BMSAFE芯片的設(shè)計及制造都需要采用中高壓芯片的工藝。這種變化意味著我們必須面對更高電壓帶來的耐壓、絕緣安全挑戰(zhàn)，同時還要高效管理電池的荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）。

除了電池串?dāng)?shù)以外，還有安全的要求越來越高。目前，高端的電化學(xué)阻抗譜（EIS）設(shè)備通常價值數(shù)十萬，主要用于實驗室研究，并不能直接應(yīng)用于車載或儲能領(lǐng)域。然而，大唐恩智浦半導(dǎo)體創(chuàng)新地將EIS功能集成到體積僅為半個指甲蓋大小的電池管理芯片中，成功地實現(xiàn)了該技術(shù)在車載和儲能系統(tǒng)中的在線應(yīng)用。通過集成EIS技術(shù)，BMS能夠提前預(yù)知電池風(fēng)險，有效減少問題電池的發(fā)生，從根本上降低安全風(fēng)險。例如，大唐恩智浦推廣的單節(jié)電芯采樣芯片DNB1168，它專門針對單節(jié)電芯進(jìn)行采樣，并具備EIS功能。

另一個技術(shù)趨勢，是從有線的菊花鏈通信轉(zhuǎn)向無線通信。隨著無線BMS方案的出現(xiàn)，例如TI的CC2662方案，采集板可以去除網(wǎng)絡(luò)變壓器、信號連接器及線束，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計，減少成本。無線BMS技術(shù)的發(fā)展，尤其是標(biāo)準(zhǔn)化的無線協(xié)議的推廣，預(yù)示著未來BMS系統(tǒng)設(shè)計將更加靈活和高效。無線BMS方案的廠家已經(jīng)有很多，如TI、ADI、偉世通等。這種方案的優(yōu)勢在于能夠減少通信線束的規(guī)模，特別是當(dāng)應(yīng)用需要對每一節(jié)電芯都配置單獨的采集板時，無線BMS的優(yōu)勢將完全體現(xiàn)出來。

其它的關(guān)鍵參數(shù)包括采集電壓、電流，以及溫度的精度，這決定了保護(hù)的精度，電池容量估算的精度。據(jù)與非研究院了解，《電化學(xué)儲能電站用鋰離子電池管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T34131-2017）已更新為2023版（GB/T34131-2023），新的國標(biāo)規(guī)定了BMS的工作環(huán)境、技術(shù)要求、試驗方法和檢驗規(guī)則等內(nèi)容。新國標(biāo)對電流、電壓、溫度的采集誤差和采樣周期進(jìn)行了更為精細(xì)化和科學(xué)化的規(guī)定。例如，針對磷酸鐵鋰電池（電壓5V以下），新國標(biāo)要求采集精度控制在5mV以內(nèi)，相比舊國標(biāo)的要求提升了一倍。這對BMS系統(tǒng)的設(shè)計和性能提出了更高的要求。比如TI目前主推的BQ79718-Q1異常檢測精度可以高達(dá)1mV的數(shù)量級，并具備300mA電流能力的被動式電池平衡功能。

例如，TI的BQ79718-Q1不僅能提供高達(dá)1mV的采集精度，還集成了300mA電流能力的被動電池平衡功能，這些技術(shù)進(jìn)步對提高BMS性能和電池安全性至關(guān)重要。

此外，在國際市場上，《歐盟新電池法》規(guī)定了動力電池和工業(yè)電池必須具備碳足跡聲明和數(shù)字電池護(hù)照。大唐恩智浦的DNB系列AFE芯片可在電池生產(chǎn)階段嵌入電池內(nèi)，實現(xiàn)電池全生命周期的健康管理及碳足跡追蹤，這對于提升電池的環(huán)境友好性和市場競爭力至關(guān)重要。

AFE芯片國內(nèi)外主要玩家介紹

隨著電動汽車和可再生能源市場的快速發(fā)展，對AFE芯片的需求也在不斷增加。廠商們不僅在提高產(chǎn)品的性能和可靠性上不斷努力，同時也在創(chuàng)新設(shè)計上尋求突破，以滿足更嚴(yán)苛的應(yīng)用要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)與非研究院整理，目前主要的國外AFE芯片廠商包括德州儀器(TI)、ADI、美信(Maxim)、Linear Technology、ONSEMI、NXP、STMicroelectronics(ST)、Monolithic Power Systems(MPS)、Infineon(英飛凌)、Microchip、瑞薩科技、羅姆以及日清紡微電子等。這些廠商提供的產(chǎn)品涵蓋從幾串到多達(dá)18串電池的電池監(jiān)控解決方案，滿足不同應(yīng)用場景的需求。

這些AFE芯片具有多項共同特點，例如高精度電壓和電流測量、低功耗設(shè)計、多種通信接口支持、集成的電池保護(hù)和平衡功能、以及通過AEC-Q100汽車認(rèn)證等。此外，某些芯片特別強調(diào)其獨特功能，如德州儀器的ImpedanceTrack?技術(shù)、ADI的isoSPI通信技術(shù)、以及英飛凌的高級端到端安全機(jī)制。

國際AFE芯片廠商匯總表（部分），來源：與非研究院整理

國產(chǎn)AFE（Analog Front End）芯片領(lǐng)域近年來迅速崛起，伴隨技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和市場的不斷擴(kuò)大，多個國內(nèi)廠商憑借其創(chuàng)新能力和技術(shù)積累，在高端模擬芯片研發(fā)上取得顯著成就，逐漸縮小與國際先進(jìn)水平的差距，為國內(nèi)新能源汽車、儲能、工業(yè)等領(lǐng)域提供了高性能、高可靠性的解決方案。

其中車規(guī)領(lǐng)域值得重點關(guān)注的是琪埔維CHIPWAY，是國內(nèi)較早專注于汽車半導(dǎo)體芯片設(shè)計的公司，其產(chǎn)品線覆蓋了從BMS核心芯片到多節(jié)電池組監(jiān)控芯片等多個系列，特別是XL8812和XL8814/XL8816/XL8818系列產(chǎn)品，不僅滿足了AEC-Q100和ISO26262的汽車安全標(biāo)準(zhǔn)，還在電池監(jiān)控串?dāng)?shù)、測量精度、通訊速率等方面進(jìn)行了顯著提升。

另一家比亞迪半導(dǎo)體作為國內(nèi)領(lǐng)先的新型半導(dǎo)體企業(yè)，不僅在功率半導(dǎo)體、智能控制IC等領(lǐng)域有深入研究，其車規(guī)級AFE芯片BF8915A-1的量產(chǎn)也標(biāo)志著比亞迪在汽車半導(dǎo)體領(lǐng)域的深耕細(xì)作，為新能源汽車提供了更高精度和可靠性的電池管理解決方案。

集澈電子等國產(chǎn)企業(yè)展現(xiàn)了其在電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域的專業(yè)水平和技術(shù)創(chuàng)新能力，推出的BMSAFE DVC10XX系列產(chǎn)品能滿足從3節(jié)到36節(jié)電池的管理需求。同時，代表性企業(yè)如航天民芯、矽力杰、杰華特、大唐恩智浦、芯海科技等，通過其獨特的AFE產(chǎn)品系列，在低功耗、高精度監(jiān)控、多樣化保護(hù)功能等方面滿足了市場的廣泛需求。

除了上述企業(yè)，凹凸科技、鵬申科技、華泰半導(dǎo)體等新興力量，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品優(yōu)化，展示了強大的競爭力和技術(shù)實力。這些企業(yè)的成長，不僅反映了國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在自主創(chuàng)新和技術(shù)積累方面取得的顯著進(jìn)步，而且為“中國芯”的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。例如，航天民芯的MT9818產(chǎn)品以低功耗和高集成度著稱，適合于工業(yè)級和汽車級應(yīng)用。矽力杰的SY689x0系列產(chǎn)品以高性能、高精度被市場廣泛認(rèn)可，而杰華特微電子的JW3376產(chǎn)品則在電動汽車、儲能系統(tǒng)等應(yīng)用場景中展現(xiàn)出了極高的價值。

國產(chǎn)AFE芯片廠商匯總表（部分），來源：與非研究院整理

國產(chǎn)AFE芯片如何挑戰(zhàn)TI、ADI？

總的來看，在動力電池和儲能電池領(lǐng)域，BMS的市場正持續(xù)擴(kuò)大，為尋求增量市場的國產(chǎn)芯片廠商提供了新的突破機(jī)會。隨著電動化和智能化的不斷進(jìn)步，對BMS AFE芯片的需求將更傾向于更高的精度和更多的串?dāng)?shù)。

這一次與非研究院統(tǒng)計了25家國產(chǎn)AFE芯片廠商（包括臺系），其中號稱要做車規(guī)級AFE的在5~8家左右，不過大多在研發(fā)階段，真正量產(chǎn)上車的目前僅已知的包括琪埔維CHIPWAY、比亞迪半導(dǎo)體量級?？梢娷囈?guī)級的門檻還是很高，讓不少國產(chǎn)廠商望而卻步，將重點投入串?dāng)?shù)更低的電動摩托車等市場。

事實上，近年來隨著國產(chǎn)半導(dǎo)體的崛起，在設(shè)計和制造的成本上，本土企業(yè)已經(jīng)不低于國際廠商。因此在車規(guī)級的市場，不能單純的拼價格，而應(yīng)該通過技術(shù)創(chuàng)新來競爭。琪埔維是目前少數(shù)專注于車規(guī)級AFE芯片設(shè)計的先驅(qū)之一，其產(chǎn)品XL8818系列展示了國產(chǎn)車規(guī)級芯片在性能指標(biāo)上的卓越表現(xiàn)，符合甚至超過了新國標(biāo)的嚴(yán)格要求。這標(biāo)志著國產(chǎn)車規(guī)級芯片正逐步縮小與國際廠商的差距，向高端市場邁進(jìn)。而大唐恩智浦則結(jié)合鋰電池電化學(xué)阻抗譜（EIS）技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)了與電池阻抗相匹配的AFE芯片，這也為國產(chǎn)AFE的發(fā)展打開了另一條思路。隨著技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)鏈的完善，預(yù)期未來將有更多高性能、高集成度的AFE產(chǎn)品出現(xiàn)，進(jìn)一步推動新能源汽車、智能電網(wǎng)等行業(yè)的發(fā)展。希望國產(chǎn)AEF芯片能夠加速產(chǎn)品迭代，探索與電池技術(shù)結(jié)合的新方向，并優(yōu)化成本控制，在強手如云的車規(guī)級領(lǐng)域占據(jù)一席之地。