意法半导体预测，由传统燃油车转向电动汽车的过程中，作为新增的半导体需求，AFE/BMS芯片单车用量达到12颗，到2025年，其市场规模将达3亿美元。BMS（Battery management system）应用领域广阔，消费类下游市场是其最主要的应用，如手机、平板、笔记本等。但近几年，电动汽车起势迅猛，高压、高容量密度、快充等特性对BMS提出了更高的要求，也带动单车BMIC（电池管理芯片）需求翻倍增长。根据财通证券测算，2021年，全球新能源汽车领域BMIC市场规模约2.81亿美元，预计2026年将达到15.13亿美元，CAGR为40.07%，较手机BMIC市场规模的CAGR（1.92%），翻了20倍。BMS即电池管理系统（Battery management system）。顾名思义是管理电动汽车动力电池的一套系统。BMS扮演着整车电池系统的管家角色，主要功能是采样测量和评估管理，这两大功能由电池控制器单元（BatteryControl Unit，BCU）和电池管理单元（BatteryManagementUnit，BMU）构成。作为汽车三电系统之一，电池占整车成本的30%-40%左右，因此BMS对整车也是极其重要的一部分。但BMS也并不是电动汽车时代下的产物，它也跟随着电池技术的发展以及应用场景的复杂度不同而变化着。从铜锌电池到铅酸电池，再到现在的锂电池或钠离子电池，电池技术在近几十年取得了长足的进步。早期的电池如镍镉电池，往往以单体电池的形式出现，所以对电池的状态不需要严加看管。但到后面，电池以多节串联的形式出现后，问题就来了：每节电池的特性存在差异，电池之间的电量均衡也存在差异。“两人三足”大家都玩过吧，很考验团队配合能力，总有猪队友步子迈大了，三天两头鼻青脸肿，时间久了，身子垮了，人心散了，还能跑得动吗？换作电池也是一样，最终结果会导致某节电池经常处于过充或过放的状态，整体电池组的寿命大打折扣，因此人们便手动定期进行检查电池的一致性。传统意义上的手工活耗时费力并且无法做到实时监控，所以现代意义上的BMS由此诞生。现代BMS功能也是由俭入奢，从早期简单的电压、温度、电流等基本参数监控外，慢慢发展至多个功能如实时监控、电池均衡管理、防过充及过放等。BMS系统可以划分为硬件、底层软件和应用层软件三大部分，硬件部分包含BMIC、传感器等；底层软件基于汽车开放系统结构（AUTOSAR）将BMS划分为多个区块，实现对不同硬件进行配置；应用层软件主要功能包括充电管理、电池状态估算、均衡控制、故障管理等。虽然IC占整体动力电池成本的5%左右，但现在电动汽车动力电池讲究高能量密度与高可靠性，如特斯拉采用的18650电池，由7000多节电芯以串联+并联方式构成，如此多数量的电芯之间参数也不尽相同，对BMS更是提出了艰难的要求。特斯拉Model S依靠一颗TI的电池监控和保护芯片BQ76PL536实现了18650电池的管理，但BMIC可不止这些。在了解BMS芯片之前，我们先来了解下BMS的架构。BMS拓扑架构分为集中式与分布式。大家一看到集中式是不是认为这是主流？那就错了。集中式BMS结构紧凑，成本低，但线束多，通道数量有限，一般用于容量低、系统体积小且低压的场景中，比如电动两轮车、机器人、智能家居等。分布式BMS结构可以理解为主+从的关系，从控单元负责采集电池数据，均衡功能等，主控单元处理数据，判断电池运行情况，进行充电管理、热管理、故障管理等，并且与外部车载控制器等进行实时通信。
分布式结构示意图
电动汽车动力电池向高能量密度、高压及大体积方向发展，在混动和纯电动汽车上主要采用的是分布式BMS架构，如BMW i3/i8/X1、特斯拉Model S/X、比亚迪秦等。虽然控制复杂、成本较高，但胜在灵活性强、线束少。AFE（模拟前端）：AFE泛指电池监测芯片，主要配合各种传感器采集电芯电压、温度等信息，仅具有参数监测功能。此外，AFE一般集成被动均衡技术。这里提一下什么是电池均衡，如前文所述，一般高串数电池组中，每个电池的电压、电量会有所不同，为了保障之间的电量均衡，所以采取主动均衡或被动均衡。被动均衡通过无源器件将电量多的电芯通过电阻发热消耗掉多余电量，而主动均衡是将多余电量进行转移，实现电芯间的能量流动。被动均衡成本低，可靠性高但增加系统损耗。主动均衡所需元器件较多，成本高，但利于降低系统损耗。电量计量芯片：采集电池信息，并采用特定算法对电池的SOC（荷电状态，即剩余电量）和SOH（电池健康状态，即老化程度）等参数进行估算，并将结果传送给控制芯片。电池保护芯片：监测电池充放电情况，包括过压、过流、过热等，一旦发现异常情况可以及时切断电路，保护电池系统的安全。目前，部分计量和充电芯片会集成电池保护功能。充电管理芯片：主要负责充放电管理。根据锂电特性自动进行预充、恒流充电、恒压充电。充电管理芯片使电压、电流达到可控状态，可以有效的控制充电的各个阶段的充电状态，保护电池 过放电、过压、过充、过温，最终有利于电池的寿命延续。充电管理芯片根据工作模式不同可以分为开关、线性、开关电容。开关型适用于大电流应用，且具灵活性，常用的快充方案都是采用开关型；线性一般应用于小功率充电场景，如便携电子设备；开关电容型充电效率高，但架构受限，一般与开关型搭配使用。MCU：负责继电器控制、SOC/SOH估算、电池数据收集、存储等。需要满足AEC-Q100、ISO26262等认证。相较于消费级及工规MCU，车规级MCU壁垒更高，对可靠性、一致性、安全性、稳定性有着硬性要求。数字隔离器件：在BMS系统中，SOX（包含SOC、SOH等）算法一般在MCU中执行，因此在AFE与MCU间通常采用数字隔离器件来进行通信。
图为菊花链结构，来源：ADI
目前主流通讯架构为菊花链架构，每个AFE之间互相连接，然后通过一颗隔离通讯芯片连接到MCU，减少了通讯芯片的数量。相对于CAN总线，菊花链架构的优点在于一旦中间断开，后面的AFE芯片仍可以继续通讯。以下是小鹏BMS采样板、特斯拉Model S采样板和通用Ultium无线BMS中所用到的一些具体芯片信息：采用AFE+隔离+单片机+CAN的结构，电芯采样部分采用的AFE芯片是ADI LTC6811-1，隔离通讯器件采用的是ADI LTC6820。单片机采用的是NXP S9S12G128F0MLF，SBC芯片采用的是NXP UJA1167，内部集成高速CAN和LDO。AFE芯片采用的是TI BQ75PL536A，数字隔离器件采用的是Silicon Labs（芯科科技）SI8642ED，MCU采用的是Silicon Labs C8051F543。目前提供无线BMS解决方案的主要有德州仪器和ADI两家，上图使用的是ADI的方案，由伟世通提供设计和制造。无线BMS系统中，感知单元获取电池基本信息，通过2.4GHz通信传送至控制模块中。该系统中的核心芯片是ADI ADRF8850和TI TPS3850。ADRF8850是低功耗集成片上系统（SoC）其中包括一个2.4 GHz的ISM频段无线电和一个嵌入式微控制器单元（MCU）子系统。ADRF8850在电池单元监测芯片和电池管理系统（BMS）控制器之间提供无线通信。TPS3850是TI的电源和看门狗芯片。TI在无线BMS系统中提供的芯片是SimpleLink™ CC2662R-Q1和BQ79616-Q1，前者是无线MCU，后者是电池监控器和均衡器，两者均满足ASIL-D等级。
BMIC的研发横跨电、热、化学等多学科，被业内冠以“模拟芯片的皇冠”的称号。其中AFE的主要供应商有ADI、TI、ST、NXP、瑞萨等，ADI的产品主要来自收购的Linear Technology和美信，瑞萨的产品主要来自收购的Intersil。MCU的主要供应商有NXP、ST、TI、英飞凌等，目前国内也有不少MCU厂商都在积极布局车规级产品，比如兆易创新、芯旺微等。数字隔离器件的主要供应商有TI、ADI、Silicon Labs等。部分AFE芯片信息 来源：安信证券（截至2022年4月）整体来看，国产芯片在汽车动力电池领域仍在初步布局阶段，BMIC长期被 TI、ADI等欧美企业垄断。这其中主要原因在于车规级芯片认证要求严苛，技术门槛高。车规级认证规范包括AEC-Q100、ISO 26262和IATF 16949等。其中，ISO26262是汽车芯片功能安全认证。汽车功能安全从ASIL-A到ASIL-D分为四个等级，A最低，主要用在车身控制等与行驶安全关联度较低的系统中；D最高，主要用发动机等与行驶安全息息相关的系统中。功能安全要求较高，电路和系统设计难度较大，是目前车规芯片验证耗时最长的环节之一。另一方面，模拟器件利润较低，企业投产布局多持谨慎态度。BMS的下游应用领域主要包括消费电子、汽车动力电池、储能。其中，动力电池是BMS最大的应用领域，2020年份额达到54%。但是汽车动力电池相较于其他应用领域，要求绝对的高可靠性、安全性，因此BMS在汽车领域虽然有更为广阔的市场空间，但也更具有挑战性。芯片技术是BMS产业链的核心，据财通证券测算，2021年全球新能源车领域 BMIC市场规模约2.81亿美元，预计2026年将达到15.13亿美元，2021-2026年CAGR=40.07%。伴随着新能源汽车的发展，以及车用芯片的持续紧缺，我国BMS芯片需求持续增长，国产替代正当时。市场空间广阔，电池管理（BMS、BMIC）芯片国产替代进程加速，安信证券国内新能源汽车电池管理系统（BMS）的行业情况如何？知乎通用Ultium无线电池管理系统BMS拆解，佐思产研关于电池总体设计方案的探讨 三部曲 之三 电池管理系统（BMS）技术篇，汽车电子设计BMIC：模拟芯片皇冠，国产替代空间广阔，财通证券
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