需求暴漲的電池管理芯片（BMIC）

意法半導體預測，由傳統(tǒng)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(guī)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(jù)財通證券測算，2021年，全球新能源汽車領域BMIC市場規(guī)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(guī)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(tǒng)（Battery management system）。顧名思義是管理電動汽車動力電池的一套系統(tǒng)。BMS扮演著整車電池系統(tǒng)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。

作為汽車三電系統(tǒng)之一，電池占整車成本的30%-40%左右，因此BMS對整車也是極其重要的一部分。但BMS也并不是電動汽車時代下的產(chǎn)物，它也跟隨著電池技術的發(fā)展以及應用場景的復雜度不同而變化著。

從銅鋅電池到鉛酸電池，再到現(xiàn)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(xiàn)，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(jié)串聯(lián)的形式出現(xiàn)后，問題就來了：每節(jié)電池的特性存在差異，電池之間的電量均衡也存在差異。

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換作電池也是一樣，最終結果會導致某節(jié)電池經(jīng)常處于過充或過放的狀態(tài)，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(tǒng)意義上的手工活耗時費力并且無法做到實時監(jiān)控，所以現(xiàn)代意義上的BMS由此誕生?，F(xiàn)代BMS功能也是由儉入奢，從早期簡單的電壓、溫度、電流等基本參數(shù)監(jiān)控外，慢慢發(fā)展至多個功能如實時監(jiān)控、電池均衡管理、防過充及過放等。

BMS系統(tǒng)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；底層軟件基于汽車開放系統(tǒng)結構（AUTOSAR）將BMS劃分為多個區(qū)塊，實現(xiàn)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(tài)估算、均衡控制、故障管理等。

雖然IC占整體動力電池成本的5%左右，但現(xiàn)在電動汽車動力電池講究高能量密度與高可靠性，如特斯拉采用的18650電池，由7000多節(jié)電芯以串聯(lián)+并聯(lián)方式構成，如此多數(shù)量的電芯之間參數(shù)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(jiān)控和保護芯片BQ76PL536實現(xiàn)了18650電池的管理，但BMIC可不止這些。

02 BMS里藏著哪些芯片？

在了解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，但線束多，通道數(shù)量有限，一般用于容量低、系統(tǒng)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

分布式BMS結構可以理解為主+從的關系，從控單元負責采集電池數(shù)據(jù)，均衡功能等，主控單元處理數(shù)據(jù)，判斷電池運行情況，進行充電管理、熱管理、故障管理等，并且與外部車載控制器等進行實時通信。

分布式結構示意圖

電動汽車動力電池向高能量密度、高壓及大體積方向發(fā)展，在混動和純電動汽車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、線束少。

基于分布式BMS結構，我們將芯片進行分類：

數(shù)據(jù)采集部分

AFE（模擬前端）：AFE泛指電池監(jiān)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(shù)監(jiān)測功能。此外，AFE一般集成被動均衡技術。這里提一下什么是電池均衡，如前文所述，一般高串數(shù)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，所以采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(fā)熱消耗掉多余電量，而主動均衡是將多余電量進行轉移，實現(xiàn)電芯間的能量流動。被動均衡成本低，可靠性高但增加系統(tǒng)損耗。主動均衡所需元器件較多，成本高，但利于降低系統(tǒng)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(shù)進行估算，并將結果傳送給控制芯片。

控制部分

電池保護芯片：監(jiān)測電池充放電情況，包括過壓、過流、過熱等，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況可以及時切斷電路，保護電池系統(tǒng)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(jù)鋰電特性自動進行預充、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階段的充電狀態(tài)，保護電池 過放電、過壓、過充、過溫，最終有利于電池的壽命延續(xù)。

充電管理芯片根據(jù)工作模式不同可以分為開關、線性、開關電容。開關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關型；線性一般應用于小功率充電場景，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(shù)據(jù)收集、存儲等。需要滿足AEC-Q100、ISO26262等認證。相較于消費級及工規(guī)MCU，車規(guī)級MCU壁壘更高，對可靠性、一致性、安全性、穩(wěn)定性有著硬性要求。

通信部分

數(shù)字隔離器件：在BMS系統(tǒng)中，SOX（包含SOC、SOH等）算法一般在MCU中執(zhí)行，因此在AFE與MCU間通常采用數(shù)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，然后通過一顆隔離通訊芯片連接到MCU，減少了通訊芯片的數(shù)量。相對于CAN總線，菊花鏈架構的優(yōu)點在于一旦中間斷開，后面的AFE芯片仍可以繼續(xù)通訊。

以下是小鵬BMS采樣板、特斯拉Model S采樣板和通用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(shù)字隔離器件采用的是Silicon Labs（芯科科技）SI8642ED，MCU采用的是Silicon Labs C8051F543。

通用無線BMS系統(tǒng)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制造。無線BMS系統(tǒng)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(tǒng)中的核心芯片是ADI ADRF8850和TI TPS3850。ADRF8850是低功耗集成片上系統(tǒng)（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(tǒng)。ADRF8850在電池單元監(jiān)測芯片和電池管理系統(tǒng)（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(tǒng)中提供的芯片是SimpleLink? CC2662R-Q1和BQ79616-Q1，前者是無線MCU，后者是電池監(jiān)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(fā)橫跨電、熱、化學等多學科，被業(yè)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(chǎn)品主要來自收購的Linear Technology和美信，瑞薩的產(chǎn)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廠商都在積極布局車規(guī)級產(chǎn)品，比如兆易創(chuàng)新、芯旺微等。數(shù)字隔離器件的主要供應商有TI、ADI、Silicon Labs等。

整體來看，國產(chǎn)芯片在汽車動力電池領域仍在初步布局階段，BMIC長期被 TI、ADI等歐美企業(yè)壟斷。

這其中主要原因在于車規(guī)級芯片認證要求嚴苛，技術門檻高。車規(guī)級認證規(guī)范包括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(lián)度較低的系統(tǒng)中；D最高，主要用發(fā)動機等與行駛安全息息相關的系統(tǒng)中。功能安全要求較高，電路和系統(tǒng)設計難度較大，是目前車規(guī)芯片驗證耗時最長的環(huán)節(jié)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

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于其他應用領域，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(zhàn)性。

芯片技術是BMS產(chǎn)業(yè)鏈的核心，據(jù)財通證券測算，2021年全球新能源車領域 BMIC市場規(guī)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%。伴隨著新能源汽車的發(fā)展，以及車用芯片的持續(xù)緊缺，我國BMS芯片需求持續(xù)增長，國產(chǎn)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(fā)燒友

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

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通用Ultium無線電池管理系統(tǒng)BMS拆解，佐思產(chǎn)研

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