?什么是BMS？

在電動汽車當中，40%的成本來自電池，后者就像是為電動汽車提供“泵血功能”的心臟。而電池的性能和壽命則是衡量電動汽車性能的重要指標。如何掌握這些指標并保證每顆電池的運行狀態(tài)達到最優(yōu)？全靠電池管理系統(tǒng)BMS（batterymanagement system），它在電池運作系統(tǒng)中充當“電池保姆”的角色。它處理的信號足夠豐富，包括：電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。

BMS系統(tǒng)通常由電池控制器單元（BatteryControl Unit，BCU）和電池管理單元（BatteryManagementUnit，BMU）組成。電池模組中的BMU主要任務包括：負責采樣模組中的電芯的電壓，執(zhí)行電芯的電壓平衡，采樣和管理電芯的溫度，通過CAN總線跟外部其余相關單元進行通訊等。而BCU的主要任務包括：測量電池包的總電壓、總電流和絕緣狀態(tài)等，管理充電和放電，評估電池荷電狀態(tài)SOC/SOH/SOP值，此外它也是VCU與電池包之間的通訊中介橋梁。

特斯拉純電動平臺，來源：特斯拉官網(wǎng)

?車用國產(chǎn)BMS芯片市場空缺巨大

BMS系統(tǒng)以電池管理IC為基礎構(gòu)建，芯片技術(shù)是?BMS產(chǎn)業(yè)鏈核心。BMS的核心是BMS芯片，針對不同的行業(yè)采用集成或分立的方案。比如消費電子領域通常采用SoC方案，動力電池中因AFE（高壓工藝）、MCU采用不同工藝，采用分立芯片形式。

動力電源BMS所需芯片種類，來源：安信證券

目前國內(nèi)BMS芯片市場規(guī)模為每年數(shù)十億顆，其中來自國內(nèi)品牌的份額僅有兩成，能夠用于電動汽車的更是少之又少。

據(jù)BusinessWire?估計、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理，2021年全球BMS市場規(guī)模預計為65.12億美元，至2026年預計可達131億美元，CAGR為15%。據(jù)MordorIntelligence，2024年全球電池管理芯片市場規(guī)模預計達?93億美元，市場空間廣闊。

全球電池管理芯片市場規(guī)模（億美元），來源：MordorIntelligence

部分國內(nèi)企業(yè)已開始車用多節(jié)電池管理類產(chǎn)品的研發(fā)布局，但該市場仍被歐美等模擬龍頭企業(yè)壟斷，如ADI、TI、ST、英飛凌、NXP、瑞薩、松下等。國內(nèi)的BMS企業(yè)僅僅在此基礎上進行二次開發(fā)，包括硬件設計、軟件的搭建。

?車用BMS芯片有哪些？

常見的BMS芯片方案主要涉及計算單元（如MCU）、AFE（模擬前端芯片）、數(shù)字隔離器等。其實現(xiàn)原理是AFE芯片（模擬前端芯片）負責采集電池電壓后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，并送入計算單元（如MCU）進行計算荷電狀態(tài)， 計算單元（如MCU）主用來處理?AFE收集的信息，計算SOC、SOH等參數(shù)，并將這些信息傳送給上一級VCU。數(shù)字隔離器主要用在高低壓之間的數(shù)字通信，比如在BMS主控板上的高壓采樣與MCU之間的SPI通信及采樣板AFE與MCU的SPI通信，除了使用數(shù)字隔離器外，也可以使用光耦、或者變壓器隔離方案。

BMIC配備MCU和AFE芯片，來源：中印云端官網(wǎng)

AFE芯片（模擬前端芯片）

AFE（模擬前端，AnalogFront End FrontEnd）是包含傳感器接口、模擬信號調(diào)理（Conditioning，包括阻抗變換、程控增益放大、濾波和極性轉(zhuǎn)換等）電路、模擬多路開關、采樣保持器、ADC、數(shù)據(jù)緩存以及控制邏輯等部件的存以及控制邏輯等部件的集成組件。有些AFE還帶有MCU、DAC和多種驅(qū)動電路和多種驅(qū)動電路。

ADI典型12節(jié)BMIC-AFE芯片電路圖（芯片型號MAX17843），來源：ADI官網(wǎng)

電池均衡模塊：提升電池續(xù)航時間和循環(huán)壽命

電池不均衡會影響電池續(xù)航時間和電池循環(huán)壽命。電池不均衡表現(xiàn)為多節(jié)電池串聯(lián)時各節(jié)電池電壓不相等，尤其在充電末端和放電末端時表現(xiàn)明顯。當滿充容量不同的電池配組串聯(lián)在一起時，串聯(lián)充電電流相同，但滿充容量小的那個電池會先充到更高電壓，從而表現(xiàn)為各節(jié)電池電壓不相等。即使?jié)M充容量相同，但?SOC不同的電池配組串聯(lián)在一起時，SOC高的那節(jié)電池的電壓偏高，從而表現(xiàn)為各節(jié)電池電壓不相等。即使?jié)M充容量相同、SOC相同，但各節(jié)電池的內(nèi)阻?R不同，則在充放電時IR壓差不同，也會導致電池端電壓不同。此外，一些外部因素（比如電池組局部受溫或個體電池之間熱不均衡）也會導致個體電池老化速率不同從而內(nèi)阻不均衡。最終都可能表現(xiàn)為各節(jié)電池電壓不相等。

均衡電路主要包括主動均衡、被動均衡。主動均衡是把電量最多的那節(jié)電芯多出來的電量轉(zhuǎn)移給電量最少的那節(jié)電芯，或者轉(zhuǎn)移給整串電池，實現(xiàn)能量回收。被動均衡是把電量最多的那節(jié)電芯多出來的電量通過電阻發(fā)熱消耗掉。

ADI主動均衡電路框圖，來源：ADI

?計算單元（MCU等）：實現(xiàn)控制、計算等功能

MCU作為計算平臺，需要滿足AEC-Q100、ISO26262等認證。以ADI48V?油電混合BMS系統(tǒng)為例，MCU起到繼電器控制、SOC/SOH估計、均衡控制、電芯電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)存儲等作用。相較于消費級和工業(yè)級MCU，車規(guī)級MCU行業(yè)壁壘更高。車規(guī)級半導體對產(chǎn)品的可靠性、一致性、安全性、穩(wěn)定性和長效性要求較高，研發(fā)難度較大：汽車行駛的外部溫差較大，對芯片的寬溫控制性能有較高要求；在產(chǎn)品壽命方面，整車設計壽命通常在15年及以上，遠高于消費電子產(chǎn)品的壽命需求；在失效率方面，整車廠對車規(guī)級半導體的要求通常是零失效；在安全性方面，汽車電子的高功能安全標準給復雜性日益增長的電子系統(tǒng)量產(chǎn)化 提供了足夠的安全保障。車規(guī)級半導體的供應周期需要覆蓋整車的全生命周期，供應需要可靠、一致且穩(wěn)定，對企業(yè)供應鏈配臵和管理方面提出了較高要求。

?隔離電路：實現(xiàn)高低壓模塊間電氣隔離

隔離器件實現(xiàn)高低壓模塊間的電氣隔離，技術(shù)路線包括光耦隔離和數(shù)字隔離。隔離器件是可以將輸入信號進行轉(zhuǎn)換并輸出，以實現(xiàn)輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規(guī)器件。電氣隔離能夠保證強電電路和弱電電路之間信號傳輸的安全性，如果沒有進行電氣隔離，一旦發(fā)生故障，強電電路的電流將直接流到弱電電路，對電路及設備造成損害。另外，電氣隔離去除了兩個電路之間的接地環(huán)路，可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播，讓電子系統(tǒng)具有更高的安全性和可靠性。高電壓（強電）和低電壓（弱電）之間信號傳輸?shù)脑O備大都需要進行電氣隔離并通過安規(guī)認證。廣泛應用于信息通訊、電力電表、工業(yè)控制、電動汽車等各個領域。

?車用BMS芯片玩家有哪些？

在BMS芯片領域，可供選擇的AFE供應商并不多。

AFE的主要供應商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩。其中ADI的產(chǎn)品線主要來自收購的凌力爾特和美信（2019年，ADI收購凌力爾特后，和通用汽車等整車企業(yè)合作研發(fā)無線BMS，推出了無線BMS系統(tǒng)與平臺，在電池生產(chǎn)至回收的全周期內(nèi)檢測電池數(shù)據(jù)并分析，使動力電池價值最大化），瑞薩的產(chǎn)品主要來自收購來的Intersil。國產(chǎn)供應商中，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。

部分AFE芯片產(chǎn)品采樣通道數(shù)及價格統(tǒng)計（截至2022年4月），來源：各公司官網(wǎng)

在ADC方面，目前主要的供應商有TI、ADI、ST、瑞薩等，多數(shù)是美國廠商，ST雖然有，但產(chǎn)品系列比較少。國內(nèi)主要有上海貝嶺、思瑞浦、圣邦股份、芯?？萍肌?br /> 在MCU方面來看，供應商主要有TI、ST、NXP、英飛凌、瑞薩等。目前國內(nèi)也有很多MCU廠商都在積極布局車規(guī)級產(chǎn)品，如中穎電子、兆易創(chuàng)新、北京君正、芯?？萍肌窦夹g(shù)、紫光國微、納思達、樂鑫科技、博通集成、復旦微電、上海貝嶺、晶豐明源等等。AFE自帶ADC庫侖計等能測電流等數(shù)據(jù)，但沒有處理器核，無法處理電流數(shù)據(jù)，一般需要配合MCU等實現(xiàn)電量計功能，這是中穎電子（模擬+MCU）、芯?？萍迹ˋDC+MCU）等為代表的數(shù)模混合IC企業(yè)切入電池計量賽道的邏輯，同時中穎電子具備電池安全芯片產(chǎn)品。

納芯微高壓儲能BMS隔離產(chǎn)品示意圖，來源：納芯微官網(wǎng)

在數(shù)字隔離方面，主要用在高低壓之間的數(shù)字通信，比如在BMS主控板上的高壓采樣與MCU之間的SPI通信，以及采樣板AFE與MCU的SPI通信。主要供應商有ADI、TI、SiliconLabs等。當然，除了使用數(shù)字隔離器外，也可以使用光耦、或者變壓器隔離方案。納芯微隔離與接口芯片應用于汽車BMS，已經(jīng)實現(xiàn)了國內(nèi)主流廠商批量供貨。

?點評：車規(guī)BMS芯片國產(chǎn)化道路將重演

近期，全球主流?BMS芯片供應商TI產(chǎn)品陷入缺貨漲價狀態(tài)，其?BQ系列芯片訂貨交期已延伸至2023年，造成較大的市場缺口，也讓市場期待國產(chǎn)供應商的出現(xiàn)。總體來看，國產(chǎn)BMS芯片在消費電子領域已經(jīng)取得突破。但針對汽車動力電池領域，要挑戰(zhàn)歐美企業(yè)的壟斷還有很長的路要走。

以消費類設備為例，通常為單串電池組，僅1至2顆電芯，應用于筆記本電腦、電動工具、吸塵器、電動自行車以及智能家居等產(chǎn)品中的電池，通常為多串電池組，由多顆電芯串并聯(lián)組成，而動力電池和儲能電池領域所用電池組遠多于以上消費電池領域，技術(shù)門檻也更高。以一種比較典型的電動車電源組管理方案為例，該電源組包括6720個鋰離子電池單元，由8個BMIC芯片實現(xiàn)監(jiān)控，每個芯片可監(jiān)控12個節(jié)點的電壓等參數(shù)信息。

不過，近年來已經(jīng)有越來越多的本土芯片廠商開始加快布局車規(guī)級BMS芯片，比如比亞迪等。近年來國家出臺眾多政策扶持汽車電子及電池管理相關芯片行業(yè)發(fā)展，自主芯片行業(yè)有望更上一層樓。此外，中國具備電池產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，當本土自主品牌的電池PACK廠發(fā)展起來后，在供應鏈進行國產(chǎn)替代具備較強話語權(quán)。因此，車規(guī)BMS領域或?qū)⒅匮菹M領域的國產(chǎn)替代之路。