電池管理芯片是指能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止其出現(xiàn)過充、過放、過壓、過流、過溫的狀況出現(xiàn)，以達(dá)到保證電池系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行并延長電池使用壽命的目的。
BMS市場規(guī)模高達(dá)65億美元，分布式架構(gòu)BMS成為未來發(fā)展趨勢
技術(shù)構(gòu)成方面，BMS主要涉及BMS核心芯片技術(shù)、BMS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、嵌入式硬件開發(fā)和測試、 嵌入式軟件開發(fā)和測試、軟硬件集成測試、功能安全技術(shù)等。
從硬件來看，BMS硬件為BMIC，主要包含AFE、MCU、ADC、數(shù)字隔離器等芯片。其中，AFE模擬前端芯片用來采集電芯電壓和溫度等信息，同時(shí)還要支持電池的均衡功能，通常來說該芯片會集成被動均衡功能；BMS中的MCU芯片起到處理BMS AFE芯片采集的信息并計(jì)算荷電狀態(tài)(SOC)的作用；而數(shù)字隔離器主要用在高低壓之間的數(shù)字通信，以實(shí)現(xiàn)高低壓模塊間的電氣隔離功能。
電池管理芯片主要品類
資料來源：網(wǎng)絡(luò)
從拓?fù)浼軜?gòu)上看，BMS根據(jù)不同項(xiàng)目需求可分為集中式、分布式和半集中式三類。
其中，集中式BMS能將所有電芯統(tǒng)一用一個(gè)BMS硬件采集，具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，一般常見于容量低、總壓低、電池系統(tǒng)體積小的小電池包場景中；分布式BMS采用一主多從結(jié)構(gòu)，電壓、溫度采集及均衡等功能由從控完成，一個(gè)從控管理若干電池，主控與從控總線通信采用BMU(電池管理控制器)+多個(gè)CSC(單體管理單元)的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)㈦姵啬＝M的功能獨(dú)立分離；而半集中BMS則采用BMU+少量大CSC方式，屬于集中式和分布式的組合運(yùn)用，用于模組排布奇特的電池包上。
資料來源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院
近年來，隨著動力電池系統(tǒng)不斷向高容量、高總壓、大體積的方面發(fā)展，分布式架構(gòu)的BMS已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用在大電池包等較為復(fù)雜的場景中，成為BMS未來發(fā)展的趨勢。而菊花鏈連接的分布式BMS系統(tǒng),在成本上有較高的優(yōu)勢，未來會有越來越廣泛的應(yīng)用。
市場規(guī)模方面，受益于近年來儲能、新能源汽車等行業(yè)的高速發(fā)展，帶動了 BMS市場規(guī)�？焖僭鲩L。
據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2021年全球BMS市場規(guī)模預(yù)計(jì)為65.12億美元，至2026年預(yù)計(jì)可達(dá)131億美元，CAGR為15%。我國BMS 2021年市場需求規(guī)模為100億元，未來隨著電動汽車市場規(guī)模擴(kuò)大和電池效率要求提高，BMS市場規(guī)模有望實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增長。
資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
BMS呈現(xiàn)三分天下格局，主要廠商相關(guān)業(yè)務(wù)呈高速發(fā)展態(tài)勢
目前，BMS 市場主要有整車廠商、電池廠商、第三方廠商三類企業(yè)參與。三者各有優(yōu)劣和側(cè)重，都希望抓住“雙碳”背景下，能源轉(zhuǎn)型帶來的巨大的發(fā)展機(jī)會。
具體來看，以比亞迪、特斯拉、吉利、北汽、小鵬為代表的整車廠商由于綜合實(shí)力較強(qiáng)，通過向上游吸收人才、收購和戰(zhàn)略合作等方式將包括 BMS 在內(nèi)的動力電池系統(tǒng)業(yè)務(wù)進(jìn)行整合。整合以后，通過自主研發(fā)，將核心技術(shù)運(yùn)用到自己產(chǎn)品中，以提高車輛動力電池的安全性能。
資料來源：芯八哥整理
以寧德時(shí)代、欣旺達(dá)、德賽電池、中航鋰電、國軒高科代表的電池廠商，通常主營業(yè)務(wù)覆蓋電芯、BMS和PACK 等多個(gè)環(huán)節(jié)。這些企業(yè)技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)，并且擁有多年積累的核心電池?cái)?shù)據(jù)，能夠?qū)MS運(yùn)用到電芯包，并且整體銷售給下游終端客戶。
此外，以德州儀器、亞德諾、英飛凌、恩智浦、瑞薩電子、意法半導(dǎo)體、科列技術(shù)、超思維、協(xié)能科技、華泰半導(dǎo)體、矽力杰、圣邦股份、杰華特、賽微微、中穎電子等為代表的第三方廠商擁有非常專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，技術(shù)實(shí)力強(qiáng)，并且擁有快速的產(chǎn)品迭代能力，主要通過向下游電池廠商及終端廠商出售BMS 產(chǎn)品、方案和服務(wù)盈利，但與終端客戶關(guān)系相對不穩(wěn)定。
競爭格局方面，根據(jù)NE時(shí)代統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年弗迪電池（比亞迪子公司）、寧德時(shí)代、特斯拉、華霆動力、力高技術(shù)分別以1,611,724 、659,503 、441,651 、392,025 、358,588套的裝機(jī)量位于行業(yè)前五，市占率合計(jì)為66.20%。
資料來源:NE時(shí)代
從增長率來看，受益于新能源汽車的高速發(fā)展，前十廠商在2022年都取得了不錯(cuò)的成績，其中弗迪電池、力高技術(shù)、威睿電動3家公司同比增長率都超過1倍以上。
資料來源：NE時(shí)代
值得一提的是，在諸多廠家的BMS中，特斯拉的 BMS 系統(tǒng)是復(fù)雜度和技術(shù)難度最高的之一，這主要是由于特斯拉獨(dú)特的大量小圓柱電池成組設(shè)計(jì)造成的。
在 model S 時(shí)代，特斯拉全車使用了7104節(jié)電池，每 74 節(jié)電池并聯(lián)檢測一次電壓，每 444 節(jié)電池設(shè)置 2 個(gè)溫度探測點(diǎn)，整個(gè)電池組共有 16*6=96 個(gè)電壓采樣點(diǎn)，以及 32 個(gè)溫度采樣點(diǎn)。可以看到眾多的采樣數(shù)據(jù)為電池管理增加了難度，最終依靠高性能的BMS將這些數(shù)據(jù)設(shè)置合理的控制策略。
特斯拉Model-S使用的BMS
資料來源:特斯拉
高復(fù)雜度的電池組也讓特斯拉在 BMS 領(lǐng)域積累了相當(dāng)強(qiáng)的實(shí)力。與之相對，其他廠商的 BMS 復(fù)雜度就遠(yuǎn)不如特斯拉高，例如大眾MEB平臺的首款電動車 ID.3 采用最多 12 個(gè)電池組模塊，其電池管理算法相對會比較簡單。
消費(fèi)領(lǐng)域BMS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，工業(yè)、新能源車未來空間廣闊
在新能源時(shí)代，基本上所有使用鋰電池的終端，都需要安裝BMS進(jìn)行電池保護(hù)，已漸成剛需。
從下游應(yīng)用來看，BMS下游應(yīng)用主要包括消費(fèi)電子、工業(yè)及新能源車等領(lǐng)域。其中，在新能源車動力電池應(yīng)用占比達(dá)54%，消費(fèi)電子電池占比22%，工業(yè)及其他電池占比24%。從國內(nèi)BMS發(fā)展情況來看，目前在消費(fèi)電子和工業(yè)控制領(lǐng)域，市場上已經(jīng)涌現(xiàn)出非常多的國產(chǎn)品牌電池管理芯片，但在應(yīng)用于新能源汽車的動力電池領(lǐng)域，BMS芯片仍舊依賴進(jìn)口芯片，國產(chǎn)芯片寥寥無幾。
資料來源：安信證券，芯八哥整理
（一）消費(fèi)電子市場
在消費(fèi)電子市場，手機(jī)、PC、PAD、手表、耳機(jī)等產(chǎn)品以低串?dāng)?shù)（1-4串）的產(chǎn)品為主，BMS在其中發(fā)揮計(jì)量、安全、充電管理等功能，硬件產(chǎn)品形態(tài)以SoC居多。
由于技術(shù)難度相對較低，國內(nèi)在最近幾年在消費(fèi)電子BMS領(lǐng)域涌現(xiàn)出了一大批玩家，逐漸在主流手機(jī)市場完成了國產(chǎn)替代，并在TWS耳機(jī)等新興消費(fèi)電子市場上占據(jù)優(yōu)勢地位。不過，仍需指出的是，國內(nèi)廠商雖然發(fā)展很快，但現(xiàn)階段技術(shù)水平與TI、ADI等國際大廠仍存在一定的差距。
以TI為例，2022年TI面向平板電腦、筆記本電腦等應(yīng)用領(lǐng)域推出了BMS新品BQ294534。這是一款用于兩到三節(jié)串聯(lián)電池二級保護(hù)的電池管理芯片，過電壓保護(hù)精度±10mV，低功耗1μA�，F(xiàn)在中穎電子、賽微微電、穩(wěn)先微等國產(chǎn)廠商，它們的電池保護(hù)芯片在保護(hù)精度上一般做到的是±20mV的水平，TI推出的這款電池保護(hù)芯片BQ294534具有更高的保護(hù)精度，競爭優(yōu)勢更強(qiáng)。
（二）工業(yè)市場
在工業(yè)控制市場，電池管理芯片的終端應(yīng)用主要包括電動工具、無人機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、儲能等。工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品具備電池串?dāng)?shù)多、工作電壓高、電流強(qiáng)等特點(diǎn)，因而對電源和電池管理芯片技術(shù)要求較高，國際主要玩家為TI、羅姆，國內(nèi)玩家以芯唐、中穎電子等為主。
從硬件產(chǎn)品形態(tài)來看，電動工具BMS主要以AFE+MCU+主動均衡+隔離/通信/保護(hù)芯片等組合形式為主，而儲能領(lǐng)域BMS則以AFE+保護(hù)芯片方案為主。
以電動工具為例，近年來采用鋰電池供電的無線電動工具因輕便、操作舒適、易于攜帶等優(yōu)勢受到廣大歡迎，光2021年我國的電動工具銷量為2.2億臺，市場空間巨大。在這一塊市場，除了中穎電子、芯�？萍嫉壬鲜衅髽I(yè)有所布局外，近年來也涌現(xiàn)除了華泰半導(dǎo)體、禹創(chuàng)半導(dǎo)體等眾多新興玩家。
（三）新能源車市場
在新能源車市場，電池本身在成本和性能上已成為整車廠致勝的關(guān)鍵點(diǎn)，而電池的續(xù)航里程、快充、成本等均與BMS的優(yōu)化息息相關(guān)。
兩輪車市場方面，主要以6-16串的產(chǎn)品為主，技術(shù)難度相對較高，BMS所需芯片種類安全為必須，但大多不需計(jì)量。
以華泰半導(dǎo)體為例，公司此前針對兩輪車市場的應(yīng)用推出了HTL6310/6314—內(nèi)置均衡的8~14節(jié)鋰電池保護(hù)芯片。該系列芯片具有高精度的電壓檢測和電流檢測電路，能夠?qū)崿F(xiàn)過壓(OV)保護(hù)、欠壓(UV)保護(hù)、放電過流(DOC)保護(hù)、短路(SC)保護(hù)，充電過流(COC)保護(hù)、高溫(OT)保護(hù)和低溫(UT)保護(hù)等功能，且集成了均衡驅(qū)動電路，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部小電流均衡，也可外部擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)大電流均衡。
電動兩輪車
資料來源：華泰半導(dǎo)體
比兩輪車BMS研發(fā)難度更高的是新能源汽車BMS系統(tǒng)。
據(jù)了解，車規(guī)級BMS系統(tǒng)的核心芯片主要包括車規(guī)級BMS AFE、MCU、數(shù)字隔離通訊接口芯片等。因?yàn)樯婕暗杰囕v動力系統(tǒng)，車規(guī)級BMS AFE芯片產(chǎn)品僅驗(yàn)證周期就將達(dá)到1.5至2年，從產(chǎn)品定義到成型至少需要4年。此外，針對苛刻的汽車應(yīng)用環(huán)境，除了可靠性需要滿足 AEC Q100 Grade1 品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外，還需要滿足ISO 26262汽車安全完整性等級ASIL-D級認(rèn)證，可見車規(guī)AFE芯片的綜合門檻非常之高。因此，截至目前新能源汽車BMS市場仍被ADI、TI、ST、英飛凌、NXP、瑞薩、松下等等模擬龍頭企業(yè)壟斷。
TI車規(guī)電池管理芯片新品BQ79652-Q1
資料來源：TI
在這一輪缺芯的背景下，恰逢新能源車銷量爆發(fā)，國內(nèi)終端廠商、鋰電廠商都對芯片的國產(chǎn)替代有著強(qiáng)烈需求，正從不同角度切入動力BMS，并且部分廠商的產(chǎn)品及技術(shù)已經(jīng)得到了一定的突破。
比如在車規(guī)級MCU方面，包括杰發(fā)科技、全志科技、兆易創(chuàng)新、芯旺微、賽騰微、小華半導(dǎo)體、芯�？萍�、云途半導(dǎo)體、芯旺微電子等國內(nèi)廠商已有產(chǎn)品陸續(xù)通過車規(guī)級AEC-Q100認(rèn)證；而在BMS AFE 芯片方面，亞迪半導(dǎo)體、Chipways等廠商也已經(jīng)在該領(lǐng)域推出了能夠滿足AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級AFE芯片。
未來，隨著國家“碳中和”戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)將迎來黃金5年，有望為BMS芯片的應(yīng)用提供廣闊的市場藍(lán)海空間。
寫在最后
BMS芯片市場長期被TI、ADI、NXP等歐美企業(yè)壟斷。不管是消費(fèi)級、工業(yè)級還是車規(guī)級，90%多為進(jìn)口，國產(chǎn)化率不高，國產(chǎn)化突破非常重要。
受益于終端整機(jī)及電池產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，中國在發(fā)展自主品牌BMS方面具有較強(qiáng)話語權(quán)，且國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)勁需求將成為BMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要動力。可以期待的是，在國內(nèi)半導(dǎo)體蓬勃發(fā)展的背景下，電池管理芯片有望在未來3-5年進(jìn)一步突破，以實(shí)現(xiàn)新能源汽車等高端BMS等關(guān)鍵領(lǐng)域的國產(chǎn)替代。 |
