什么是BMS?

 

在电动汽车当中,40%的成本来自电池,后者就像是为电动汽车提供“泵血功能”的心脏。而电池的性能和寿命则是衡量电动汽车性能的重要指标。如何掌握这些指标并保证每颗电池的运行状态达到最优?全靠电池管理系统BMS(batterymanagement system),它在电池运作系统中充当“电池保姆”的角色。它处理的信号足够丰富,包括:电芯、碰撞、CAN、充电、水泵、高压、绝缘等等。

 

BMS系统通常由电池控制器单元(BatteryControl Unit,BCU)和电池管理单元(BatteryManagementUnit,BMU)组成。电池模组中的BMU主要任务包括:负责采样模组中的电芯的电压,执行电芯的电压平衡,采样和管理电芯的温度,通过CAN总线跟外部其余相关单元进行通讯等。而BCU的主要任务包括:测量电池包的总电压、总电流和绝缘状态等,管理充电和放电,评估电池荷电状态SOC/SOH/SOP值,此外它也是VCU与电池包之间的通讯中介桥梁。

 

特斯拉纯电动平台,来源:特斯拉官网

 

 车用国产BMS芯片市场空缺巨大

 

BMS系统以电池管理IC为基础构建,芯片技术是 BMS产业链核心。BMS的核心是BMS芯片,针对不同的行业采用集成或分立的方案。比如消费电子领域通常采用SoC方案,动力电池中因AFE(高压工艺)、MCU采用不同工艺,采用分立芯片形式。

 

动力电源BMS所需芯片种类,来源:安信证券

 

目前国内BMS芯片市场规模为每年数十亿颗,其中来自国内品牌的份额仅有两成,能够用于电动汽车的更是少之又少。

 

据BusinessWire 估计、前瞻产业研究院整理,2021年全球BMS市场规模预计为65.12亿美元,至2026年预计可达131亿美元,CAGR为15%。据MordorIntelligence,2024年全球电池管理芯片市场规模预计达 93亿美元,市场空间广阔。

 

全球电池管理芯片市场规模(亿美元),来源:MordorIntelligence

 

部分国内企业已开始车用多节电池管理类产品的研发布局,但该市场仍被欧美等模拟龙头企业垄断,如ADI、TI、ST、英飞凌、NXP、瑞萨、松下等。国内的BMS企业仅仅在此基础上进行二次开发,包括硬件设计、软件的搭建。

 

 车用BMS芯片有哪些?


 

常见的BMS芯片方案主要涉及计算单元(如MCU)、AFE(模拟前端芯片)、数字隔离器等。其实现原理是AFE芯片(模拟前端芯片)负责采集电池电压后通过模数转换器(ADC)转换为数字值,并送入计算单元(如MCU)进行计算荷电状态, 计算单元(如MCU)主用来处理 AFE收集的信息,计算SOC、SOH等参数,并将这些信息传送给上一级VCU。数字隔离器主要用在高低压之间的数字通信,比如在BMS主控板上的高压采样与MCU之间的SPI通信及采样板AFE与MCU的SPI通信,除了使用数字隔离器外,也可以使用光耦、或者变压器隔离方案。


 

BMIC配备MCU和AFE芯片,来源:中印云端官网

 

AFE芯片(模拟前端芯片)

 

AFE(模拟前端,AnalogFront End FrontEnd)是包含传感器接口、模拟信号调理(Conditioning,包括阻抗变换、程控增益放大、滤波和极性转换等)电路、模拟多路开关、采样保持器、ADC、数据缓存以及控制逻辑等部件的存以及控制逻辑等部件的集成组件。有些AFE还带有MCU、DAC和多种驱动电路和多种驱动电路。


 

ADI典型12节BMIC-AFE芯片电路图(芯片型号MAX17843),来源:ADI官网


 

电池均衡模块:提升电池续航时间和循环寿命

 

电池不均衡会影响电池续航时间和电池循环寿命。电池不均衡表现为多节电池串联时各节电池电压不相等,尤其在充电末端和放电末端时表现明显。当满充容量不同的电池配组串联在一起时,串联充电电流相同,但满充容量小的那个电池会先充到更高电压,从而表现为各节电池电压不相等。即使满充容量相同,但 SOC不同的电池配组串联在一起时,SOC高的那节电池的电压偏高,从而表现为各节电池电压不相等。即使满充容量相同、SOC相同,但各节电池的内阻 R不同,则在充放电时IR压差不同,也会导致电池端电压不同。此外,一些外部因素(比如电池组局部受温或个体电池之间热不均衡)也会导致个体电池老化速率不同从而内阻不均衡。最终都可能表现为各节电池电压不相等。

 

均衡电路主要包括主动均衡、被动均衡。主动均衡是把电量最多的那节电芯多出来的电量转移给电量最少的那节电芯,或者转移给整串电池,实现能量回收。被动均衡是把电量最多的那节电芯多出来的电量通过电阻发热消耗掉。

 

ADI主动均衡电路框图,来源:ADI


 

 计算单元(MCU等):实现控制、计算等功能

 

MCU作为计算平台,需要满足AEC-Q100、ISO26262等认证。以ADI48V 油电混合BMS系统为例,MCU起到继电器控制、SOC/SOH估计、均衡控制、电芯电压、电流、温度数据收集、数据存储等作用。相较于消费级和工业级MCU,车规级MCU行业壁垒更高。车规级半导体对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性要求较高,研发难度较大:汽车行驶的外部温差较大,对芯片的宽温控制性能有较高要求;在产品寿命方面,整车设计寿命通常在15年及以上,远高于消费电子产品的寿命需求;在失效率方面,整车厂对车规级半导体的要求通常是零失效;在安全性方面,汽车电子的高功能安全标准给复杂性日益增长的电子系统量产化 提供了足够的安全保障。车规级半导体的供应周期需要覆盖整车的全生命周期,供应需要可靠、一致且稳定,对企业供应链配臵和管理方面提出了较高要求。

 

 隔离电路:实现高低压模块间电气隔离

 

隔离器件实现高低压模块间的电气隔离,技术路线包括光耦隔离和数字隔离。隔离器件是可以将输入信号进行转换并输出,以实现输入、输出两端电气隔离的一种安规器件。电气隔离能够保证强电电路和弱电电路之间信号传输的安全性,如果没有进行电气隔离,一旦发生故障,强电电路的电流将直接流到弱电电路,对电路及设备造成损害。另外,电气隔离去除了两个电路之间的接地环路,可以阻断共模、浪涌等干扰信号的传播,让电子系统具有更高的安全性和可靠性。高电压(强电)和低电压(弱电)之间信号传输的设备大都需要进行电气隔离并通过安规认证。广泛应用于信息通讯、电力电表、工业控制、电动汽车等各个领域。

 

 车用BMS芯片玩家有哪些?

 

在BMS芯片领域,可供选择的AFE供应商并不多。

 

AFE的主要供应商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞萨。其中ADI的产品线主要来自收购的凌力尔特和美信(2019年,ADI收购凌力尔特后,和通用汽车等整车企业合作研发无线BMS,推出了无线BMS系统与平台,在电池生产至回收的全周期内检测电池数据并分析,使动力电池价值最大化),瑞萨的产品主要来自收购来的Intersil。国产供应商中,比亚迪半导体曾推出过一款满足AEC-Q100标准的车规级AFE芯片。


 

部分AFE芯片产品采样通道数及价格统计(截至2022年4月),来源:各公司官网

 

在ADC方面,目前主要的供应商有TI、ADI、ST、瑞萨等,多数是美国厂商,ST虽然有,但产品系列比较少。国内主要有上海贝岭、思瑞浦、圣邦股份、芯海科技。
 

在MCU方面来看,供应商主要有TI、ST、NXP、英飞凌、瑞萨等。目前国内也有很多MCU厂商都在积极布局车规级产品,如中颖电子、兆易创新、北京君正、芯海科技、国民技术、紫光国微、纳思达、乐鑫科技、博通集成、复旦微电、上海贝岭、晶丰明源等等。AFE自带ADC库仑计等能测电流等数据,但没有处理器核,无法处理电流数据,一般需要配合MCU等实现电量计功能,这是中颖电子(模拟+MCU)、芯海科技(ADC+MCU)等为代表的数模混合IC企业切入电池计量赛道的逻辑,同时中颖电子具备电池安全芯片产品。

 

纳芯微高压储能BMS隔离产品示意图,来源:纳芯微官网

 

在数字隔离方面,主要用在高低压之间的数字通信,比如在BMS主控板上的高压采样与MCU之间的SPI通信,以及采样板AFE与MCU的SPI通信。主要供应商有ADI、TI、SiliconLabs等。当然,除了使用数字隔离器外,也可以使用光耦、或者变压器隔离方案。纳芯微隔离与接口芯片应用于汽车BMS,已经实现了国内主流厂商批量供货。

 

 点评:车规BMS芯片国产化道路将重演

 

近期,全球主流 BMS芯片供应商TI产品陷入缺货涨价状态,其 BQ系列芯片订货交期已延伸至2023年,造成较大的市场缺口,也让市场期待国产供应商的出现。总体来看,国产BMS芯片在消费电子领域已经取得突破。但针对汽车动力电池领域,要挑战欧美企业的垄断还有很长的路要走。

 

以消费类设备为例,通常为单串电池组,仅1至2颗电芯,应用于笔记本电脑、电动工具、吸尘器、电动自行车以及智能家居等产品中的电池,通常为多串电池组,由多颗电芯串并联组成,而动力电池和储能电池领域所用电池组远多于以上消费电池领域,技术门槛也更高。以一种比较典型的电动车电源组管理方案为例,该电源组包括6720个锂离子电池单元,由8个BMIC芯片实现监控,每个芯片可监控12个节点的电压等参数信息。

 

不过,近年来已经有越来越多的本土芯片厂商开始加快布局车规级BMS芯片,比如比亚迪等。近年来国家出台众多政策扶持汽车电子及电池管理相关芯片行业发展,自主芯片行业有望更上一层楼。此外,中国具备电池产业链优势,当本土自主品牌的电池PACK厂发展起来后,在供应链进行国产替代具备较强话语权。因此,车规BMS领域或将重演消费领域的国产替代之路。