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        《電子技術應用》
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        這點做不好,談什么國產電動車彎道超越

        2022-08-02
        作者: 李堅
        來源:與非網eefocus
        關鍵詞: 新能源汽車 BMS芯片

          在電動汽車當中,40%的成本來自電池,后者就像是為電動汽車提供“泵血功能”的心臟。而電池的性能和壽命則是衡量電動汽車性能的重要指標。如何掌握這些指標并保證每顆電池的運行狀態達到最優?全靠電池管理系統BMS(battery management system),它在電池運作系統中充當 “電池保姆”的角色。它處理的信號足夠豐富,包括:電芯、碰撞、CAN、充電、水泵、高壓、絕緣等等。

          BMS系統通常由電池控制器單元(Battery Control Unit,BCU)和電池管理單元(Battery Management Unit,BMU)組成。電池模組中的BMU主要任務包括:負責采樣模組中的電芯的電壓,執行電芯的電壓平衡,采樣和管理電芯的溫度,通過CAN總線跟外部其余相關單元進行通訊等。而BCU的主要任務包括:測量電池包的總電壓、總電流和絕緣狀態等,管理充電和放電,評估電池荷電狀態SOC/SOH/SOP值,此外它也是VCU與電池包之間的通訊中介橋梁。

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        特斯拉純電動平臺

        來源:特斯拉官網

          

          車用國產BMS芯片

          市場空缺巨大

          BMS系統以電池管理 IC 為基礎構建, 芯片技術是 BMS 產業鏈核心。BMS的核心是BMS芯片,針對不同的行業采用集成或分立的方案。比如消費電子領域通常采用 SoC 方案,動力電池中因 AFE(高壓工藝)、 MCU 采用不同工藝,采用分立芯片形式。

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          動力電源BMS所需芯片種類

          來源:安信證券

          目前國內BMS芯片市場規模為每年數十億顆,其中來自國內品牌的份額僅有兩成,能夠用于電動汽車的更是少之又少。

          據 Business Wire 估計、前瞻產業研究院整理,2021 年全球 BMS 市場規模預計為 65.12 億美元,至 2026 年預計可達 131 億美元,CAGR 為 15%。據 Mordor Intelligence,2024 年全球電池管理芯片市場規模預計 達 93 億美元,市場空間廣闊。

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             全球電池管理芯片市場規模(億美元)

          來源:Mordor Intelligence

          部分國內企業已開始車用多節電池管理類產品的研發布局,但該市場仍被歐美等模擬龍頭企業壟斷,如 ADI、 TI、 ST、英飛凌、 NXP、瑞薩、松下等。國內的BMS企業僅僅在此基礎上進行二次開發,包括硬件設計、軟件的搭建。

          

          車用BMS芯片有哪些?

          常見的BMS 芯片方案主要涉及計算單元(如 MCU)、AFE(模擬前端芯片)、數字隔離器等。其實現原理是AFE 芯片(模擬前端芯片)負責采集電池電壓后通過模數轉換器(ADC)轉換為數字值,并送入計算單元(如 MCU) 進行計算荷電狀態, 計算單元(如MCU) 主用來處理 AFE 收集的信息,計算 SOC、 SOH 等參數,并將這些信息傳送給上一級 VCU。數字隔離器主要用在高低壓之間的數字通信,比如在 BMS 主控板上的高壓采樣與MCU 之間的 SPI 通信及采樣板 AFE 與 MCU 的 SPI 通信,除了使用數字隔離器外,也可以使用光耦、或者變壓器隔離方案。

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          BMIC 配備 MCU 和 AFE 芯片

          來源:中印云端官網

          

          AFE 芯片

         ?。M前端芯片)

          AFE(模擬前端,Analog Front End Front End)是包含傳感器接口、模擬信號調理(Conditioning,包括阻抗變換、程控增益放大、濾波和極性轉換等)電路、模擬多路開關、采樣保持器、ADC、數據緩存以及控制邏輯等部件的存以及控制邏輯等部件的集成組件。有些 AFE 還帶有 MCU、DAC 和多種驅動電路和多種驅動電路。

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          ADI 典型 12 節 BMIC-AFE 芯片電路圖(芯片型號 MAX17843)

          來源:ADI官網

          

          電池均衡模塊

          電池不均衡會影響電池續航時間和電池循環壽命。電池不均衡表現為多節電池串聯時各節電池電壓不相等,尤其在充電末端和放電末端時表現明顯。當滿充容量不同的電池配組串聯在 一起時,串聯充電電流相同,但滿充容量小的那個電池會先充到更高電壓,從而表現為各節 電池電壓不相等。即使滿充容量相同,但 SOC 不同的電池配組串聯在一起時,SOC 高的 那節電池的電壓偏高,從而表現為各節電池電壓不相等。即使滿充容量相同、SOC 相同, 但各節電池的內阻 R 不同,則在充放電時 IR 壓差不同,也會導致電池端電壓不同。此外,一些外部因素(比如電池組局部受溫或個體電池之間熱不均衡)也會導致個體電池老化速率 不同從而內阻不均衡。最終都可能表現為各節電池電壓不相等。

          均衡電路主要包括主動均衡、被動均衡。主動均衡是把電量最多的那節電芯多出來的電量轉 移給電量最少的那節電芯,或者轉移給整串電池,實現能量回收。被動均衡是把電量最多的 那節電芯多出來的電量通過電阻發熱消耗掉。

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        ADI 主動均衡電路框圖

          來源:ADI

          計算單元(MCU 等)

          MCU 作為計算平臺,需要滿足 AEC-Q100、ISO26262 等認證。以 ADI 48V 油電混合 BMS 系統為例,MCU 起到繼電器控制、SOC/SOH 估計、均衡控制、電芯電壓、電流、溫度數據 收集、數據存儲等作用。相較于消費級和工業級 MCU,車規級 MCU 行業壁壘更高。車規級半導體對產品的可靠性、一致性、安全性、穩定性和長效性要求較高,研發難度較大:汽車行駛的外部溫差較大,對芯片的寬溫控制性能有較高要求;在產品壽命方面,整車設計壽命通常在 15 年及以上,遠高于消費電子產品的壽命需求;在失效率方面,整車 廠對車規級半導體的要求通常是零失效;在安全性方面,汽車電子的高功能安全標準給復雜 性日益增長的電子系統量產化 提供了足夠的安全保障。車規級半導體的供應周期需要覆蓋 整車的全生命周期,供應需要可靠、一致且穩定,對企業供應鏈配臵和管理方面提出了較高要求。

          

          隔離電路

          隔離器件實現高低壓模塊間的電氣隔離,技術路線包括光耦隔離和數字隔離。隔離器件是可 以將輸入信號進行轉換并輸出,以實現輸入、輸出兩端電氣隔離的一種安規器件。電氣隔離 能夠保證強電電路和弱電電路之間信號傳輸的安全性,如果沒有進行電氣隔離,一旦發生故 障,強電電路的電流將直接流到弱電電路,對電路及設備造成損害。另外,電氣隔離去除了兩個電路之間的接地環路,可以阻斷共模、浪涌等干擾信號的傳播,讓電子系統具有更高的 安全性和可靠性。高電壓(強電)和低電壓(弱電)之間信號傳輸的設備大都需要進行電氣 隔離并通過安規認證。廣泛應用于信息通訊、電力電表、工業控制、電動汽車等各個領域。

          

          車用BMS芯片玩家有哪些?

          在BMS芯片領域,可供選擇的AFE供應商并不多。

          AFE的主要供應商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩。其中ADI的產品線主要來自收購的凌力爾特和美信(2019年,ADI收購凌力爾特后,和通用汽車等整車企業合作研發無線 BMS,推出了無線 BMS 系統與平臺,在電池生產至回收的全周期內檢測電池數據并分析,使動力電池價值最大化),瑞薩的產品主要來自收購來的Intersil。國產供應商中,比亞迪半導體曾推出過一款滿足 AEC-Q100 標準的車規級 AFE 芯片。

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          部分 AFE 芯片產品采樣通道數及價格統計(截至 2022 年 4 月)

          來源:各公司官網

          在ADC方面,目前主要的供應商有TI、ADI、ST、瑞薩等,多數是美國廠商,ST雖然有,但產品系列比較少。國內主要有上海貝嶺、思瑞浦、圣邦股份、芯??萍?。

          在MCU方面來看,供應商主要有TI、ST、NXP、英飛凌、瑞薩等。目前國內也有很多MCU廠商都在積極布局車規級產品,如中穎電子、兆易創新、北京君正、芯??萍?、國民技術、紫光國微、納思達、樂鑫科技、博通集成、復旦微電、上海貝嶺、晶豐明源等等。AFE 自帶 ADC庫侖計等能測電流等數據,但沒有處理器核,無法處理電流數據,一般需要配合 MCU 等實現電量計功能,這是中穎電子(模擬+MCU)、芯??萍迹ˋDC+MCU)等為代表的數?;旌?IC 企業切入電池計量賽道的邏輯,同時中穎電子具備電池安全芯片產品。

          在數字隔離方面,主要用在高低壓之間的數字通信,比如在BMS主控板上的高壓采樣與MCU之間的SPI通信,以及采樣板AFE與MCU的SPI通信。主要供應商有ADI、TI、Silicon Labs等。當然,除了使用數字隔離器外,也可以使用光耦、或者變壓器隔離方案。納芯微隔離與接口芯片應用于汽車BMS,已經實現了國內主流廠商批量供貨。

          點評

          車規BMS芯片國產化道路將重演

          近期, 全球主流 BMS 芯片供應商 TI 產品陷入缺貨漲價狀態, 其 BQ 系列芯片訂貨交期已延伸至 2023 年, 造成較大的市場缺口,也讓市場期待國產供應商的出現??傮w來看,國產BMS芯片在消費電子領域已經取得突破。但針對汽車動力電池領域,要挑戰歐美企業的壟斷還有很長的路要走。

          以消費類設備為例,通常為單串電池組,僅 1 至 2 顆電芯,應用于筆記本電腦、電動工具、吸塵器、電動自行車以及智能家居等產品中的電池,通常為多串電池組,由多顆電芯串并聯組成,而動力電池和儲能電池領域所用電池組遠多于以上消費電池領域, 技術門檻也更高。以一種比較典型的電動車電源組管理方案為例,該電源組包括 6720 個鋰離子電池單元,由 8 個 BMIC 芯片實現監控,每個芯片可監控 12個節點的電壓等參數信息。

          不過,近年來已經有越來越多的本土芯片廠商開始加快布局車規級BMS芯片,比如比亞迪等。近年來國家出臺眾多政策扶持汽車電子及電池管理相關芯片行業發展,自主芯片行業有望更上一層樓。此外,中國具備電池產業鏈優勢,當本土自主品牌的電池PACK廠發展起來后,在供應鏈進行國產替代具備較強話語權。因此,車規BMS芯片領域或將重演消費領域的國產替代之路。

          最后,筆者認為,新能源汽車與傳統汽車最大的區別是用電池作為動力驅動汽車。所以動力電池是新能源汽車的核心,而BMS系統則是核心中的核心。如果在車規級BMS芯片領域,我們無法做到替代或超越,那么就很難提到在新能源汽車領域的彎道超車。



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