在電動(dòng)汽車當(dāng)中,，40%的成本來自電池，后者就像是為電動(dòng)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(dòng)汽車性能的重要指標(biāo)。如何掌握這些指標(biāo)并保證每顆電池的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最優(yōu),？全靠電池管理系統(tǒng)BMS（battery management system）,，它在電池運(yùn)作系統(tǒng)中充當(dāng) “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（Battery Control Unit,，BCU）和電池管理單元（Battery Management Unit，BMU）組成,。電池模組中的BMU主要任務(wù)包括：負(fù)責(zé)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(guān)單元進(jìn)行通訊等,。而BCU的主要任務(wù)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(dòng)平臺(tái)

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(chǔ)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(fèi)電子領(lǐng)域通常采用 SoC 方案，動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車的更是少之又少。

　　據(jù) Business Wire 估計(jì),、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理,，2021 年全球 BMS 市場規(guī)模預(yù)計(jì)為 65.12 億美元，至 2026 年預(yù)計(jì)可達(dá) 131 億美元,，CAGR 為 15%,。據(jù) Mordor Intelligence，2024 年全球電池管理芯片市場規(guī)模預(yù)計(jì) 達(dá) 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：Mordor Intelligence

　　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(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā),，包括硬件設(shè)計(jì)、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(jì)算單元（如 MCU）、AFE（模擬前端芯片）,、數(shù)字隔離器等,。其實(shí)現(xiàn)原理是AFE 芯片（模擬前端芯片）負(fù)責(zé)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(jì)算單元（如 MCU） 進(jìn)行計(jì)算荷電狀態(tài),， 計(jì)算單元（如MCU） 主用來處理 AFE 收集的信息,，計(jì)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

　?。M前端芯片）

　　AFE（模擬前端，Analog Front End Front End）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(guān),、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(dòng)電路和多種驅(qū)動(dòng)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

　　電池不均衡會(huì)影響電池續(xù)航時(shí)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(shí)各節(jié)電池電壓不相等,，尤其在充電末端和放電末端時(shí)表現(xiàn)明顯,。當(dāng)滿充容量不同的電池配組串聯(lián)在 一起時(shí)，串聯(lián)充電電流相同,，但滿充容量小的那個(gè)電池會(huì)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(shí),，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(shí) IR 壓差不同,，也會(huì)導(dǎo)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(gè)體電池之間熱不均衡）也會(huì)導(dǎo)致個(gè)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(dòng)均衡,、被動(dòng)均衡,。主動(dòng)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(shí)現(xiàn)能量回收,。被動(dòng)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(dòng)均衡電路框圖

　　來源：ADI

　　計(jì)算單元（MCU 等）

　　MCU 作為計(jì)算平臺(tái),，需要滿足 AEC-Q100,、ISO26262 等認(rèn)證。以 ADI 48V 油電混合 BMS 系統(tǒng)為例,，MCU 起到繼電器控制,、SOC/SOH 估計(jì)、均衡控制,、電芯電壓,、電流、溫度數(shù)據(jù) 收集,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等作用,。相較于消費(fèi)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(dǎo)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(shè)計(jì)壽命通常在 15 年及以上,，遠(yuǎn)高于消費(fèi)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)給復(fù)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(dǎo)體的供應(yīng)周期需要覆蓋 整車的全生命周期,，供應(yīng)需要可靠、一致且穩(wěn)定,，對企業(yè)供應(yīng)鏈配臵和管理方面提出了較高要求,。

　　隔離電路

　　隔離器件實(shí)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(jìn)行轉(zhuǎn)換并輸出,，以實(shí)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(qiáng)電電路和弱電電路之間信號傳輸?shù)陌踩?，如果沒有進(jìn)行電氣隔離，一旦發(fā)生故 障,，強(qiáng)電電路的電流將直接流到弱電電路,，對電路及設(shè)備造成損害。另外,，電氣隔離去除了兩個(gè)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(qiáng)電）和低電壓（弱電）之間信號傳輸?shù)脑O(shè)備大都需要進(jìn)行電氣 隔離并通過安規(guī)認(rèn)證。廣泛應(yīng)用于信息通訊,、電力電表,、工業(yè)控制、電動(dòng)汽車等各個(gè)領(lǐng)域,。

　　車用BMS芯片玩家有哪些？

　　在BMS芯片領(lǐng)域,，可供選擇的AFE供應(yīng)商并不多,。

　　AFE的主要供應(yīng)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(tái),，在電池生產(chǎn)至回收的全周期內(nèi)檢測電池?cái)?shù)據(jù)并分析,，使動(dòng)力電池價(jià)值最大化），瑞薩的產(chǎn)品主要來自收購來的Intersil,。國產(chǎn)供應(yīng)商中,，比亞迪半導(dǎo)體曾推出過一款滿足 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級 AFE 芯片。

　　部分 AFE 芯片產(chǎn)品采樣通道數(shù)及價(jià)格統(tǒng)計(jì)（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(yīng)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,、芯海科技,。

　　在MCU方面來看,，供應(yīng)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,、芯海科技,、國民技術(shù),、紫光國微,、納思達(dá)、樂鑫科技,、博通集成,、復(fù)旦微電、上海貝嶺,、晶豐明源等等,。AFE 自帶 ADC庫侖計(jì)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(shí)現(xiàn)電量計(jì)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(jì)量賽道的邏輯,，同時(shí)中穎電子具備電池安全芯片產(chǎn)品,。

　　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(yīng)商有ADI,、TI,、Silicon Labs等。當(dāng)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(yīng)用于汽車BMS,，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)主流廠商批量供貨。

　　點(diǎn)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(yīng)商 TI 產(chǎn)品陷入缺貨漲價(jià)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(yīng)商的出現(xiàn),。總體來看,，國產(chǎn)BMS芯片在消費(fèi)電子領(lǐng)域已經(jīng)取得突破,。但針對汽車動(dòng)力電池領(lǐng)域，要挑戰(zhàn)歐美企業(yè)的壟斷還有很長的路要走,。

　　以消費(fèi)類設(shè)備為例,，通常為單串電池組,，僅 1 至 2 顆電芯，應(yīng)用于筆記本電腦,、電動(dòng)工具、吸塵器,、電動(dòng)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(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池領(lǐng)域所用電池組遠(yuǎn)多于以上消費(fèi)電池領(lǐng)域,， 技術(shù)門檻也更高。以一種比較典型的電動(dòng)車電源組管理方案為例,，該電源組包括 6720 個(gè)鋰離子電池單元,，由 8 個(gè) BMIC 芯片實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，每個(gè)芯片可監(jiān)控 12個(gè)節(jié)點(diǎn)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(tái)眾多政策扶持汽車電子及電池管理相關(guān)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(dāng)本土自主品牌的電池PACK廠發(fā)展起來后，在供應(yīng)鏈進(jìn)行國產(chǎn)替代具備較強(qiáng)話語權(quán),。因此,，車規(guī)BMS芯片領(lǐng)域或?qū)⒅匮菹M(fèi)領(lǐng)域的國產(chǎn)替代之路。

　　最后,，筆者認(rèn)為,，新能源汽車與傳統(tǒng)汽車最大的區(qū)別是用電池作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車。所以動(dòng)力電池是新能源汽車的核心,，而BMS系統(tǒng)則是核心中的核心,。如果在車規(guī)級BMS芯片領(lǐng)域，我們無法做到替代或超越,，那么就很難提到在新能源汽車領(lǐng)域的彎道超車,。

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