需求暴漲的電池管理芯片（BMIC）_風聞

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

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

根據財通證券測算，2021年，全球新能源汽車領域BMIC市場規模約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市場規模的CAGR（1.92%），翻了20倍。

閲讀本文，你將瞭解以下內容：

1.  BMS的上車史

2.  BMS的芯片成分

3.  BMS芯片的玩家們

01

BMS概念與來歷

BMS即電池管理系統（Battery management system）。顧名思義是管理電動汽車動力電池的一套系統。BMS扮演着整車電池系統的管家角色，主要功能是採樣測量和評估管理，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。

作為汽車三電系統之一，電池佔整車成本的**30%-40%**左右，因此BMS對整車也是極其重要的一部分。但BMS也並不是電動汽車時代下的產物，它也跟隨着電池技術的發展以及應用場景的複雜度不同而變化着。

從銅鋅電池到鉛酸電池，再到現在的鋰電池或鈉離子電池，電池技術在近幾十年取得了長足的進步。早期的電池如鎳鎘電池，往往以單體電池的形式出現，所以對電池的狀態不需要嚴加看管。

但到後面，電池以多節串聯的形式出現後，問題就來了：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，時間久了，身子垮了，人心散了，還能跑得動嗎？

換作電池也是一樣，最終結果會導致某節電池經常處於過充或過放的狀態，整體電池組的壽命大打折扣，因此人們便手動定期進行檢查電池的一致性。

傳統意義上的手工活耗時費力並且無法做到實時監控，所以現代意義上的BMS由此誕生。現代BMS功能也是由儉入奢，從早期簡單的電壓、温度、電流等基本參數監控外，慢慢發展至多個功能如實時監控、電池均衡管理、防過充及過放等。

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；底層軟件基於汽車開放系統結構（AUTOSAR）將BMS劃分為多個區塊，實現對不同硬件進行配置；應用層軟件主要功能包括充電管理、電池狀態估算、均衡控制、故障管理等。

雖然IC佔整體動力電池成本的5%左右，但現在電動汽車動力電池講究高能量密度與高可靠性，如特斯拉採用的18650電池，由7000多節電芯以串聯+並聯方式構成，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實現了18650電池的管理，但BMIC可不止這些。

02

BMS裏藏着哪些芯片？

在瞭解BMS芯片之前，我們先來了解下BMS的架構。

BMS拓撲架構分為集中式與分佈式。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，但線束多，通道數量有限，一般用於容量低、系統體積小且低壓的場景中，比如電動兩輪車、機器人、智能家居等。

集中式結構示意圖

分佈式BMS結構可以理解為主+從的關係，從控單元負責採集電池數據，均衡功能等，主控單元處理數據，判斷電池運行情況，進行充電管理、熱管理、故障管理等，並且與外部車載控制器等進行實時通信。

分佈式結構示意圖

電動汽車動力電池向高能量密度、高壓及大體積方向發展，在混動和純電動汽車上主要採用的是分佈式BMS架構，如BMW i3/i8/X1、特斯拉Model S/X、比亞迪秦等。雖然控制複雜、成本較高，但勝在靈活性強、線束少。

基於分佈式BMS結構，我們將芯片進行分類：

數據採集部分

AFE（模擬前端）：AFE泛指電池監測芯片，主要配合各種傳感器採集電芯電壓、温度等信息，僅具有參數監測功能。此外，**AFE一般集成被動均衡技術。**這裏提一下什麼是電池均衡，如前文所述，一般高串數電池組中，每個電池的電壓、電量會有所不同，為了保障之間的電量均衡，所以採取主動均衡或被動均衡。

被動均衡通過無源器件將電量多的電芯通過電阻發熱消耗掉多餘電量，而主動均衡是將多餘電量進行轉移，實現電芯間的能量流動。被動均衡成本低，可靠性高但增加系統損耗。主動均衡所需元器件較多，成本高，但利於降低系統損耗。

電量計量芯片：採集電池信息，並採用特定算法對電池的SOC（荷電狀態，即剩餘電量）和SOH（電池健康狀態，即老化程度）等參數進行估算，並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，包括過壓、過流、過熱等，一旦發現異常情況可以及時切斷電路，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。根據鋰電特性自動進行預充、恆流充電、恆壓充電。充電管理芯片使電壓、電流達到可控狀態，可以有效的控制充電的各個階段的充電狀態，保護電池 過放電、過壓、過充、過温，最終有利於電池的壽命延續。

充電管理芯片根據工作模式不同可以分為開關、線性、開關電容。開關型適用於大電流應用，且具靈活性，常用的快充方案都是採用開關型；線性一般應用於小功率充電場景，如便攜電子設備；開關電容型充電效率高，但架構受限，一般與開關型搭配使用。

MCU：負責繼電器控制、SOC/SOH估算、電池數據收集、存儲等。需要滿足AEC-Q100、ISO26262等認證。相較於消費級及工規MCU，車規級MCU壁壘更高，對可靠性、一致性、安全性、穩定性有着硬性要求。

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AFE與MCU間通常採用數字隔離器件來進行通信。

圖為菊花鏈結構，來源：ADI

目前主流通訊架構為菊花鏈架構，每個AFE之間互相連接，然後通過一顆隔離通訊芯片連接到MCU，減少了通訊芯片的數量。相對於CAN總線，菊花鏈架構的優點在於一旦中間斷開，後面的AFE芯片仍可以繼續通訊。

以下是小鵬BMS採樣板、特斯拉Model S採樣板和通用Ultium無線BMS中所用到的一些具體芯片信息：

小鵬G3 BMS採樣板如下圖：

採用AFE+隔離+單片機+CAN的結構，電芯採樣部分採用的AFE芯片是ADI LTC6811-1，隔離通訊器件採用的是ADI LTC6820。單片機採用的是NXP S9S12G128F0MLF，SBC芯片採用的是NXP UJA1167，內部集成高速CAN和LDO。

特斯拉Model S採樣板如下圖：

AFE芯片採用的是TI BQ75PL536A，數字隔離器件採用的是Silicon Labs（芯科科技）SI8642ED，MCU採用的是Silicon Labs C8051F543。

通用無線BMS系統電路板如下圖：

目前提供無線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製造。無線BMS系統中，感知單元獲取電池基本信息，通過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2.4 GHz的ISM頻段無線電和一個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）控制器之間提供無線通信。TPS3850是TI的電源和看門狗芯片。

TI在無線BMS系統中提供的芯片是SimpleLink™ CC2662R-Q1和BQ79616-Q1，前者是無線MCU，後者是電池監控器和均衡器，兩者均滿足ASIL-D等級。

03

BMS芯片的玩家們

BMIC的研發橫跨電、熱、化學等多學科，被業內冠以“模擬芯片的皇冠”的稱號。

其中AFE的主要供應商有ADI、TI、ST、NXP、瑞薩等，ADI的產品主要來自收購的Linear Technology和美信，瑞薩的產品主要來自收購的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廠商都在積極佈局車規級產品，比如兆易創新、芯旺微等。數字隔離器件的主要供應商有TI、ADI、Silicon Labs等。

部分AFE芯片信息 來源：安信證券（截至2022年4月）

國內BMS相關芯片企業如下：

來源：安信證券

整體來看，國產芯片在汽車動力電池領域仍在初步佈局階段，BMIC長期被 TI、ADI等歐美企業壟斷。

這其中主要原因在於車規級芯片認證要求嚴苛，技術門檻高。車規級認證規範包括AEC-Q100、ISO 26262和IATF 16949等。其中，ISO26262是汽車芯片功能安全認證。汽車功能安全從ASIL-A到ASIL-D分為四個等級，A最低，主要用在車身控制等與行駛安全關聯度較低的系統中；**D最高，主要用發動機等與行駛安全息息相關的系統中。功能安全要求較高，電路和系統設計難度較大，是目前車規芯片驗證耗時最長的環節之一。**另一方面，模擬器件利潤較低，企業投產佈局多持謹慎態度。

04

結    語

BMS的下游應用領域主要包括消費電子、汽車動力電池、儲能。其中，動力電池是BMS最大的應用領域，2020年份額達到54%。但是汽車動力電池相較於其他應用領域，要求絕對的高可靠性、安全性，因此BMS在汽車領域雖然有更為廣闊的市場空間，但也更具有挑戰性。

芯片技術是BMS產業鏈的核心，據財通證券測算，2021年全球新能源車領域 BMIC市場規模約2.81億美元，預計2026年將達到15.13億美元，2021-2026年CAGR=40.07%。伴隨着新能源汽車的發展，以及車用芯片的持續緊缺，我國BMS芯片需求持續增長，國產替代正當時。

參考資料：

新能源汽車BMS主要芯片及供應商分析，電子發燒友

市場空間廣闊，電池管理（BMS、BMIC）芯片國產替代進程加速，安信證券

國內新能源汽車電池管理系統（BMS）的行業情況如何？知乎

淺談新能源汽車的BMS開發，威馬汽車

通用Ultium無線電池管理系統BMS拆解，佐思產研

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聊聊電池管理系統的架構和通信，汽車電子設計

BMIC：模擬芯片皇冠，國產替代空間廣闊，財通證券

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