在人们一天天的平常生活当中, 电池所具有的重要性变得越发凸显, 主要显现在两大专门进行应用的领域, 其一是以手机、笔记本电脑、TWS耳机、智能手表当作代表的消费类电子产品；其二是新能源汽车。尤其是以纯电动汽车当作代表的新能源汽车, 鉴于目前阶段补能系统还不成熟, 没办法跟得上应用需求的发展, 为此, 怎样才能够较好地运用电池内部已经存在的电能, 提高能效, 变成了车企以及广大消费者重点关注的要点。在这个时候, 电池管理系统（BMS）的重要性就突显显著了。
针对人们的日常生活, 以及工业应用领域, BMS起着关键作用, 总体而言, 该系统主要服务于这些功能需求: 监测外部参数像电压、电流、温度等, 从而实时检测电池状态, 依靠算法对电池的电阻、最大容量等参数予以估测；提升电池的能量利用率, 给电池的使用和维护提供数据支撑；防止单节电芯出现过充、过放电情况；保护用户安全；延长电池使用寿命。
于BMS里, 上述功能主要经由电池管理芯片（BMIC）予以达成, 为达成这些功能, 研发BMIC是一项跨越多个学科的繁杂工作, 需在算法设计方面, 具备深厚技术积累, 在模拟采样电路设计方面, 具备深厚技术积累, 在高压BCD工艺方面, 具备深厚技术积累, 在复杂数字电路设计方面, 具备深厚技术积累, 在电路可靠性等方面, 具备深厚技术积累。
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BMIC分类
BMIC分成通用、专用这两种类别, 通用芯片涵盖MCU、电源管理芯片、通讯接口等芯片，专用芯片得针对BMS应用开展专门研发制造, 用以契合特定应用的功能需求。
BMS专用芯片能被划分成电池保护芯片, 电量计量芯片, 充电芯片, 电池监测芯片, 电池认证芯片等类别, 下面针对这些BMIC展开简要介绍。
电池保护芯片
电芯的充放电情况由电池保护芯片负责监测, 确保不会因外部错用或故障对电池造成损害。安全芯片在检测到系统出现异常情况时, 能够及时切断电路, 以此保障电池系统安全。当下, 部分BMIC（诸如充电芯片、电量计等）会集成保护功能, 然而为实现更全面保护, 专用电池保护芯片依旧是诸多应用里不可或缺的组件。
电量计量芯片
通过对电池外部特性, 像电压、电流、温度等进行测量, 电量计量芯片发挥作用, 采用特定算法对电池的SOC／SOH等参数做估测, 然后反馈结果给控制芯片。
充电芯片
充电芯片主要达成两项功能, 一是电源路径管理（PPM）, 二是充放电控制。电源路径管理是针对电源路径予以控制, 从而让外部电源的开关不会对系统正常工作造成影响。充放电控制是对电池的充放电开展合理的控制与管理, 典型的电池充电过程一般划分成涓流、恒流以及恒压阶段, 各阶段之间的切换控制是由充电芯片来完成的。
受成本限制, 受体积制约, 因散热有要求, 充电芯片通常只用于小功率用电器充电, 对于大功率应用比如电动汽车, 一般采用由分立器件构成的专用大功率充电电路。
电池监测芯片
主要功能为对电池参数予以高精度监测的电池监测芯片, 会借助通讯接口把相关数据传送给主控芯片。和电量监测芯片不一样的是, 仅具备参数监测功能的电池监测芯片, 通常用于高串数串联的场合, 也就是从10串到上百串这样的情况, 在这个时候, 需要多个监测芯片级联起来构成监测系统。
电池认证芯片
为防止不匹配电池给设备或者用户招致损害, 会于电池包内集成一枚电池认证芯片, 且在电池连接到系统时予以认证, 唯有验证合格的电池方可给系统供电。尽管好多系统的电池不可拆卸, 然而为规避用户自行更换电池引发的潜在风险, 则厂商通常也会在设备内置电池里配备一枚认证芯片。
02
电动汽车BMIC发展提速
在2021年的时候, 全球锂电池BMIC市场规模大概是42．54亿美元, 预计到2026年这个规模将会增加到80．31亿美元, 年均复合增长率也就是CAGR为13．55％。其中, 增速最为快速的市场是储能市场、汽车市场 以及消费类电子市场（这里面包括手机、笔记本电脑、平板电脑、TWS耳机、智能手表等等）, 在2021－2026年期间它们各自的CAGR分别是72．34％、40．07％、14．50％。能够看得出, 在人们日常的生活运用当中, 汽车, 尤其是电动汽车所使用的BMIC, 其增长速率特别颇高可观, 远远地超出了消费类电子产品的市场。
最初的时候, 电动汽车常常运用单体电池方案, 在2012年, Tesla发布了Model S, 当时首次采用了由7104节18650电芯串联构成的电池包, 之所以会这样, 关键在于18650电芯产量多、价格较为低廉, 并且可靠性以及能量密度也还可以。然而, 在那种由总计数量处于七千多单位而且涉及到电芯基于若干进行串连以及再并联从而构成的系统里面, 电池簇相互之间极为容易出现电量呈现不平衡的状况, 大量的电芯进行串连操作, 针对电芯相互之间的电量一致性提出了更为高的要求, 是以, 需要借助采用电池监测芯片针对每一个电芯开展电压以及电流检测的行为, 这对于BMS的要求是很高的。当时, 保障Model S电池系统实现正常安全得以工作状态的是TI的BQ76PL5363－6S电池监控还有保护芯片。
近些年, 电动汽车发展得快, 尤其在中国, 它的市占率在比较短的时间里迅速提高, 与此同时, 在具体的应用之际, 各种各样的问题暴露出来, 这对电池系统提出了更严要求, 比如电池技术快速更新替代, 还有高压、快速充电之类的。
目前, 电动汽车电池电压一般处在400V左右, 像理想One的动力电池额定电压是350.4V, 比亚迪秦的电压大概在500V左右。相同功率时, 电压越大, 电流越小, 电流在传导期间产生的热损耗也越小。所以, 当前的主流车企都布局高压平台。电压升高致使电流减小, 在这种状况下, IGBT在功耗方面不再具备优势, SiC器件便成了高压平台的理想选择。见到的碳化硅器件, 其击穿电压通常是1200V, 把安全裕量考虑进去后, 800V成了车企高压平台的主要电压配置。因为有源前端芯片的需求跟电压成正比例关系, 所以, 当平台电压从400V提升到800V时, 就会促使有源前端芯片需求翻倍地增长。
跟工业、消费类电子等应用不一样, 电动汽车的BMIC和乘员安全紧密相连, 所以对芯片的可靠性、安全性、一致性提出了更高的要求, 主要的规范涵盖AEC－Q100、 ISO26262以及IATF16949等。
AEC－Q100 是一种集成电路应力测试方法, 它基于故障机制, 包含一系列应力测试, 芯片要通过高温高湿、振动、静电放电等场景的测试, 才可取得认证。ISO26262 是汽车芯片功能安全认证, 其目的在于确保系统对外界输入和干扰能正确响应, 即便在部分电路失效的情形下, 也要避免造成人体健康损害或人身损伤。IATF16949属于汽车生产质量管理体系认证, 它包含产品安全方面, 有风险管理和应急计划, 涉及嵌入式软件要求, 有关乎变更和质保管理, 还包括次级供应商管理等。
在汽车BMS系统里, 为了达成功能安全需求, SOX算法通常是由主控MCU来完成的, 所以, 要构建起AFE到MCU之间的通讯链路。在早期的时候呢, 普遍采用的是星型架构, 此时每个AFE芯片都得配备单独的隔离通讯芯片? 而且要单独连接至MCU。随着技术不断发展, 菊花链架构渐渐成了主流, 这时每个AFE芯片之间借助差分信号线和隔离电容（或者隔离变压器）串联起来, 并且通过一颗单独的隔离通讯芯片连接到MCU。在400V系统的电动汽车当中, 大概需要8个AFE芯片和1个隔离通讯芯片, 在800V系统里, 大约需要16个AFE芯片和1个隔离通讯芯片, 所以, 伴随电动汽车的不断普及, 对于相应芯片的需求数量将会大幅增加。
03
国产BMIC发力
当下, 全球BMIC领域, 尤其是车子应用的市场, 主要是被TI、ADI、瑞萨等国际上的巨头把控着, 这种情况下, TI和ADI（这个ADI包含Maxim）占据了将近60％的全球市场的份额。
当下, 中国大陆地区的BMIC市场规模是每一年有数十亿个, 国产品牌所占据的市场比率仅仅只占到了20％, 向着电动汽车BMIC这个领域细分下去, 国产品牌所占据的份额就更少了。当下, 电动汽车BMIC产品的设计方案大多都是由国外厂商垄断着的, 国内相关的企业大多是在这样的基础之上展开二次开发的, 这其中涵盖了软硬件的设计。能够提供车规级BMIC完整解决办法的供应商家主要有ADI, 其AFE产品依靠收购的Maxim和Linear产品线, 还有TI, 英飞凌, NXP, 瑞萨, 其AFE产品源于收购的Intersil产品线, ST以及安森美等。
车规级ADC芯片的市场, 关键是被TI以及ADI掌控着, 中国本土少见有提供车规级ADC的企业, 汽车BMS所采用的AFE芯片, 主要的差异所在采样通道数、内部ADC的数目等, 并且AFE芯片的技术难度是很高的, 附加值同样高, 主要的供应商涵盖ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞萨, 中国本土基本上没有可以制造车规级AFE芯片的企业。
本土企业与国际大厂有明显差距, 不过经多年积累, 在研发消费 Electronics 设备用 BMIC 后, 国内企业像中颖电子、赛微微电、比亚迪半导体、琪埔维（CHIPWAYS）、芯海科技、圣邦微、南芯科技、纳思达等已积极布局车規级 BMIC 产品, 比亚迪半导体还推出过一款符合 AEC－Q100 标准的车規级 AFE 芯片。琪埔维则专心致力于汽车智能核心芯片的研究开发以及售卖, 重点产品涵盖汽车级电源管理芯片, 还有传感器等等。
作为具有高增长特性、高技术门槛的产品, BMIC领域的龙头企业地位相对处在较为稳固的状态。然而, 在企业之间收购且进行整合的情况下, 行业格局正朝着趋向于集中的方向迈进, 特别是ADI针对Maxim实施的收购行为, 以及瑞萨对Dialog展开的收购举动, 正在促使加快这一发展进程。
据GGII统计, 在2022年上半年的时候, 中国大陆锂电池厂商的动力电池装机量占比, 超过了50％, 然而中国本土BMIC企业, 在全球市场的占比, 却不到10％, 并且中国BMIC企业的下游。主要是面向消费、电动工具等应用的领域, 在动力电池领域的占比, 几乎是零。像这样大的份额差距, 给中国BMIC企业, 提供了巨大的发展机会, 这就需要相关企业, 不断加大研发投入, 从而在未来的竞争当中, 占据有利的位置。
原文标题 : 汽车芯片的新战场
