电池管理系统（BMS）的产品开发理念和设计考量 --专访必易微电源管理总经理王轶

在最近由AspenCore主办的国际集成电路展览会暨研讨会（IIC）上，必易微电源管理总经理王轶在电源管理论坛上做了关于电池管理系统（BMS）和电池管理芯片的主题演讲。笔者为此专门采访了王轶，在BMS和电池管理及保护芯片产品的研发和设计方面进行了深入交流和探讨。王轶目前担任深圳市必易微电子股份有限公司电源管理总经理，主要负责DC-DC和BMS产品开发，之前曾在德州仪器（TI）工作多年，担任产品线总经理。

电池管理系统（BMS）的技术和市场趋势

电池管理系统（BMS）的主要功能是实现电池单元的智能化管理及维护，通过状态监测、异常故障保护等方式来监管电池状态，精确计算电池电量，从而在确保电子设备安全的同时还能够延长电池使用寿命，现已在各类锂电池供电的电子/电气设备中广泛应用。BMS可以说是电池“管家”或“保姆”，让电池单元更加“安全、高效、长时”地正常工作。

BMS主要包括电芯、电量计MCU、模拟前端AFE、DC-DC电源管理，以及通讯等功能模块。

电池管理系统的具体功能模块可以细分如下：

BMS 系统涉及算法、硬件电路和软件等，其中硬件包括电池管理芯片（BMIC）和隔离器件等。电池管理芯片主要包括电池计量（电量计）、电池安全、充电管理三大类芯片。电量计IC 负责采集电池信息并计算电量，与电池保护 IC 可以分立，也可以集成；充电管理IC主要负责电池的充放电管理。电池安全监测和保护芯片一般包括ADC等模拟前端采集模块、电压/电流/温度等多重保护机制，以及增强MOS驱动等。

据前瞻研究院和其它权威调研机构预测，全球 BMS 市场规模到2026年将达到131亿美元，电池管理芯片的市场规模到2024年将达到93亿美元，年增长超过6%。

必易微产品规划及高精度BMS芯片

最近成功在科创板上市的必易微主营业务为高性能模拟及数模混合集成电路的设计和销售，产品广泛应用于消费电子、工业控制、通讯、计算机等领域。目前该公司的主要营收来自通用光源类LED照明驱动控制芯片产品线，但这一细分市场的国产化率已经很高，主要供应商还有晶丰明源、士兰微和明微电子等，市场竞争激烈。也因此，必易微在经过了审慎的市场研究和考虑之后，决定大力拓展电源管理产品这一片更大的市场。

据王轶介绍，必易微的经营理念是，深入某一细分领域直到做到该市场的Top 3，比如公司目前的LED照明驱动产品线，然后再切入另一个细分市场并做到Top 3。王轶负责的电源管理产品线就是必易微主攻的下一个关键领域。

必易微的电源管理产品规划如下，现已量产的产品类别包括AC-DC、DC-DC、驱动IC和线性稳压器；设计中的产品类别包括保护芯片和电池管理；规划中的产品为多功能PMIC。

相较于同行企业，如晶丰明源主要聚焦在驱动IC 领域；力芯微主要聚焦在保护芯片和线性稳压器领域，芯朋微主要聚焦在AC-DC 领域，必易微是国内为数不多跨多领域电源管理芯片设计企业。其在电源管理芯片领域的发展规划，主要是基于公司发展历程的考虑：必易微在发展初期，优先选择了通用性更高的通用光源类LED 照明产品芯片，在快速获得市场认可后开始深耕AC-DC和驱动IC 等领域，包括智能照明和中大功率照明产品、通用电源、家电及IoT领域等。随着公司研发规模的不断扩大和经营业绩的持续好转，公司开始了电机驱动控制芯片产品的研发并已逐步实现量产，此外还启动了DC-DC 产品线的布局。

王轶在IIC的电源管理论坛上推介的就是最近研发成功的多串锂电池的高精度监控和保护器，属于电池管理和保护产品系列的一部分。这种可以为3~18串锂电池提供高精度监控和保护的芯片目前有两款型号，分别是KP62010和KP62030。其主要特性包括：

• 数字采集模块：16 bit ΔΣ 电流采样 ADC；14 bit ΔΣ 电压温度采样 ADC；支持高达 18通道电压和6通道温度采样；10mV 电压采样精度 @25℃、0.5% 电流采样精度 @25℃；
• 增强 MOS 驱动：充电、放电低侧 NCH FET 驱动；预充电、预放电低侧 NCH FET 驱动；驱动状态 IO 输出；
• 多重保护机制：电压保护包括过压 (OV)和欠压 (UV)；电流保护包括充电过流 (OCC)、放电过流 (OCD1、 OCD2)、放电短路 (SCD)；开路检测 (OWD)；负载检测；
• 高集成度：集成电池内部均衡场效应晶体管；随机电池连接耐受；主机微处理器的警报中断；支持乱序上电；2.5V 或 3.3V 输出电压稳压器；I2C 兼容接口；通讯看门狗等。

该系列电池保护芯片的原理框图如上图所示，主要包括均衡电阻、电压测量、电流检测、温度测量、保护电路和充放电管理，以及通信功能。这种BMS保护芯片适用于12V，18V，24V，36V，48V，72V 电池组，主要应用领域包括无人机、电动车、平衡车、电动和园艺工具、不间断电源系统（UPS）、无线基站后备系统等。

BMS芯片的设计考量和产品研发理念

据王轶透露，必易微在开发这两款电池管理和保护芯片时，关键的设计考量包括如下四个方面。

1. 提高电池安全性。无论无人机还是电动车，凡是电池供电的设备，在设计时首先要考虑的就是电池以及整机系统的安全性。为了进一步提高安全性，必易微的BMS芯片采用了如下保护和监测机制。
2. 提高电池性能。在确保安全的基础上，需要进一步提升电池的性能，以提高电能转换效率并延长电池续航时间。具体包括高精度的电流采样、电压采用，以及多位温度采样。
3. 优化系统成本。BMS芯片只是自身的成本降低是不够的，还要使得基于其设计的应用方案在整体成本上有竞争优势。KP620X0芯片可以支持3-18串电池的监测和保护，在多节电池组和中大功率设计中具有更大的成本优势。具体设计措施包括：集成电池均衡控制功能，内置均衡 MOSFET 和 I2C 接口，让外围电路更加简单；随机电池连接耐受，减少热插拔所需外围器件；单芯片支持多达 18 串，减少高串数系统外围成本；最多支持 6 串温度检测，满足温度检测需求。
4. 易用性。对电源开发工程师来说，简单易用也是必不可少的。

在TI工作多年的王轶总结道，无论通用的DC-DC，还是BMS芯片，在做模拟和电源管理芯片的研发和设计时，都要以敬畏之心认真对待。这不光是因为电池管理涉及系统甚至人身安全问题，还有最根本的产品研发理念和市场竞争方面的考虑。电源管理是通用类芯片，种类繁多，应用十分广泛，而且竞争十分激烈。要想赢得客户信任，特别是国内和国际一线大客户的认可，单凭某一拳头产品是不够的，一定要有完整的平台型产品组合，才能为客户提供完整的应用解决方案，从而在性能、质量和成本等多方面达到最优，以综合竞争实力赢得市场和客户。

结语

必易微推出的高精度KP620x0系列电池管理产品体现了其“以敬畏之心对待”产品研发和设计理念，后续将有更多电池管理芯片产品推出，由此我们也可以看到国产电源管理芯片厂商正在从“国产替代”向“国产创新”转型。在模拟和电源管理芯片市场，将有更多像必易微这样的国产芯片厂商凸现出来，不但在本土市场，甚至在全球市场与TI和ADI等国际大厂同台竞争。