需求暴漲的電池管理芯片（BMIC）

意法半導體預測，由傳統燃油車(chē)轉向電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)程中，作為新增的半導體需求，AFE/BMS芯片單車(chē)用量達到12顆，到2025年，其市場(chǎng)規模將達3億美元。

BMS（Battery management system）應用領(lǐng)域廣闊，消費類(lèi)下游市場(chǎng)是其最主要的應用，如手機、平板、筆記本等。但近幾年，電動(dòng)汽車(chē)起勢迅猛，高壓、高容量密度、快充等特性對BMS提出了更高的要求，也帶動(dòng)單車(chē)BMIC（電池管理芯片）需求翻倍增長(cháng)。

根據財通證券測算，2021年，全球新能源汽車(chē)領(lǐng)域BMIC市場(chǎng)規模約2.81億美元，預計2026年將達到15.13億美元，CAGR為40.07%，較手機BMIC市場(chǎng)規模的CAGR（1.92%），翻了20倍。

閱讀本文，你將了解以下內容：

1. BMS的上車(chē)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（Battery management system）。顧名思義是管理電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的一套系統。BMS扮演著(zhù)整車(chē)電池系統的管家角色，主要功能是采樣測量和評估管理，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）構成。

作為汽車(chē)三電系統之一，電池占整車(chē)成本的30%-40%左右，因此BMS對整車(chē)也是極其重要的一部分。但BMS也并不是電動(dòng)汽車(chē)時(shí)代下的產(chǎn)物，它也跟隨著(zhù)電池技術(shù)的發(fā)展以及應用場(chǎng)景的復雜度不同而變化著(zhù)。

從銅鋅電池到鉛酸電池，再到現在的鋰電池或鈉離子電池，電池技術(shù)在近幾十年取得了長(cháng)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，所以對電池的狀態(tài)不需要嚴加看管。

但到后面，電池以多節串聯(lián)的形式出現后，問(wèn)題就來(lái)了：每節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，很考驗團隊配合能力，總有豬隊友步子邁大了，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，最終結果會(huì )導致某節電池經(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。

傳統意義上的手工活耗時(shí)費力并且無(wú)法做到實(shí)時(shí)監控，所以現代意義上的BMS由此誕生?，F代BMS功能也是由儉入奢，從早期簡(jiǎn)單的電壓、溫度、電流等基本參數監控外，慢慢發(fā)展至多個(gè)功能如實(shí)時(shí)監控、電池均衡管理、防過(guò)充及過(guò)放等。

BMS系統可以劃分為硬件、底層軟件和應用層軟件三大部分，硬件部分包含BMIC、傳感器等；底層軟件基于汽車(chē)開(kāi)放系統結構（AUTOSAR）將BMS劃分為多個(gè)區塊，實(shí)現對不同硬件進(jìn)行配置；應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，但現在電動(dòng)汽車(chē)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多節電芯以串聯(lián)+并聯(lián)方式構成，如此多數量的電芯之間參數也不盡相同，對BMS更是提出了艱難的要求。

特斯拉Model S依靠一顆TI的電池監控和保護芯片BQ76PL536實(shí)現了18650電池的管理，但BMIC可不止這些。

02 BMS里藏著(zhù)哪些芯片？

在了解BMS芯片之前，我們先來(lái)了解下BMS的架構。

BMS拓撲架構分為集中式與分布式。大家一看到集中式是不是認為這是主流？那就錯了。

集中式BMS結構緊湊，成本低，但線(xiàn)束多，通道數量有限，一般用于容量低、系統體積小且低壓的場(chǎng)景中，比如電動(dòng)兩輪車(chē)、機器人、智能家居等。

集中式結構示意圖

分布式BMS結構可以理解為主+從的關(guān)系，從控單元負責采集電池數據，均衡功能等，主控單元處理數據，判斷電池運行情況，進(jìn)行充電管理、熱管理、故障管理等，并且與外部車(chē)載控制器等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

分布式結構示意圖

電動(dòng)汽車(chē)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(chē)上主要采用的是分布式BMS架構，如BMW i3/i8/X1、特斯拉Model S/X、比亞迪秦等。雖然控制復雜、成本較高，但勝在靈活性強、線(xiàn)束少。

基于分布式BMS結構，我們將芯片進(jìn)行分類(lèi)：

數據采集部分

AFE（模擬前端）：AFE泛指電池監測芯片，主要配合各種傳感器采集電芯電壓、溫度等信息，僅具有參數監測功能。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，一般高串數電池組中，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)行轉移，實(shí)現電芯間的能量流動(dòng)。被動(dòng)均衡成本低，可靠性高但增加系統損耗。主動(dòng)均衡所需元器件較多，成本高，但利于降低系統損耗。

電量計量芯片：采集電池信息，并采用特定算法對電池的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）等參數進(jìn)行估算，并將結果傳送給控制芯片。

控制部分

電池保護芯片：監測電池充放電情況，包括過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等，一旦發(fā)現異常情況可以及時(shí)切斷電路，保護電池系統的安全。目前，部分計量和充電芯片會(huì )集成電池保護功能。

充電管理芯片：主要負責充放電管理。根據鋰電特性自動(dòng)進(jìn)行預充、恒流充電、恒壓充電。充電管理芯片使電壓、電流達到可控狀態(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。

充電管理芯片根據工作模式不同可以分為開(kāi)關(guān)、線(xiàn)性、開(kāi)關(guān)電容。開(kāi)關(guān)型適用于大電流應用，且具靈活性，常用的快充方案都是采用開(kāi)關(guān)型；線(xiàn)性一般應用于小功率充電場(chǎng)景，如便攜電子設備；開(kāi)關(guān)電容型充電效率高，但架構受限，一般與開(kāi)關(guān)型搭配使用。

MCU：負責繼電器控制、SOC/SOH估算、電池數據收集、存儲等。需要滿(mǎn)足AEC-Q100、ISO26262等認證。相較于消費級及工規MCU，車(chē)規級MCU壁壘更高，對可靠性、一致性、安全性、穩定性有著(zhù)硬性要求。

通信部分

數字隔離器件：在BMS系統中，SOX（包含SOC、SOH等）算法一般在MCU中執行，因此在A(yíng)FE與MCU間通常采用數字隔離器件來(lái)進(jìn)行通信。

圖為菊花鏈結構，來(lái)源：ADI

目前主流通訊架構為菊花鏈架構，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量。相對于CAN總線(xiàn)，菊花鏈架構的優(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(xiàn)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+CAN的結構，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。單片機采用的是NXP S9S12G128F0MLF，SBC芯片采用的是NXP UJA1167，內部集成高速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(xiàn)BMS系統電路板如下圖：

目前提供無(wú)線(xiàn)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，由偉世通提供設計和制造。無(wú)線(xiàn)BMS系統中，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。

該系統中的核心芯片是ADI ADRF8850和TI TPS3850。ADRF8850是低功耗集成片上系統（SoC）其中包括一個(gè)2.4 GHz的ISM頻段無(wú)線(xiàn)電和一個(gè)嵌入式微控制器單元（MCU）子系統。ADRF8850在電池單元監測芯片和電池管理系統（BMS）控制器之間提供無(wú)線(xiàn)通信。TPS3850是TI的電源和看門(mén)狗芯片。

TI在無(wú)線(xiàn)BMS系統中提供的芯片是SimpleLink? CC2662R-Q1和BQ79616-Q1，前者是無(wú)線(xiàn)MCU，后者是電池監控器和均衡器，兩者均滿(mǎn)足ASIL-D等級。

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)內冠以“模擬芯片的皇冠”的稱(chēng)號。

其中AFE的主要供應商有ADI、TI、ST、NXP、瑞薩等，ADI的產(chǎn)品主要來(lái)自收購的Linear Technology和美信，瑞薩的產(chǎn)品主要來(lái)自收購的Intersil。MCU的主要供應商有NXP、ST、TI、英飛凌等，目前國內也有不少MCU廠(chǎng)商都在積極布局車(chē)規級產(chǎn)品，比如兆易創(chuàng )新、芯旺微等。數字隔離器件的主要供應商有TI、ADI、Silicon Labs等。

整體來(lái)看，國產(chǎn)芯片在汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域仍在初步布局階段，BMIC長(cháng)期被 TI、ADI等歐美企業(yè)壟斷。

這其中主要原因在于車(chē)規級芯片認證要求嚴苛，技術(shù)門(mén)檻高。車(chē)規級認證規范包括AEC-Q100、ISO 26262和IATF 16949等。其中，ISO26262是汽車(chē)芯片功能安全認證。汽車(chē)功能安全從ASIL-A到ASIL-D分為四個(gè)等級，A最低，主要用在車(chē)身控制等與行駛安全關(guān)聯(lián)度較低的系統中；D最高，主要用發(fā)動(dòng)機等與行駛安全息息相關(guān)的系統中。功能安全要求較高，電路和系統設計難度較大，是目前車(chē)規芯片驗證耗時(shí)最長(cháng)的環(huán)節之一。另一方面，模擬器件利潤較低，企業(yè)投產(chǎn)布局多持謹慎態(tài)度。

04 結 語(yǔ)

BMS的下游應用領(lǐng)域主要包括消費電子、汽車(chē)動(dòng)力電池、儲能。其中，動(dòng)力電池是BMS最大的應用領(lǐng)域，2020年份額達到54%。但是汽車(chē)動(dòng)力電池相較于其他應用領(lǐng)域，要求絕對的高可靠性、安全性，因此BMS在汽車(chē)領(lǐng)域雖然有更為廣闊的市場(chǎng)空間，但也更具有挑戰性。

芯片技術(shù)是BMS產(chǎn)業(yè)鏈的核心，據財通證券測算，2021年全球新能源車(chē)領(lǐng)域 BMIC市場(chǎng)規模約2.81億美元，預計2026年將達到15.13億美元，2021-2026年CAGR=40.07%。伴隨著(zhù)新能源汽車(chē)的發(fā)展，以及車(chē)用芯片的持續緊缺，我國B(niǎo)MS芯片需求持續增長(cháng)，國產(chǎn)替代正當時(shí)。

參考資料：

新能源汽車(chē)BMS主要芯片及供應商分析，電子發(fā)燒友

市場(chǎng)空間廣闊，電池管理（BMS、BMIC）芯片國產(chǎn)替代進(jìn)程加速，安信證券

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