汽车芯片的新战场

来源:电子工程世界发布时间:2023-01-031550浏览

在人们的日常生活中，电池的重要性越来越凸出，主要体现在两大应用领域：一是以手机、笔记本电脑、TWS耳机、智能手表为代表的消费类电子产品；二是新能源汽车。特别是以纯电动汽车为代表的新能源汽车，由于现阶段补能系统不成熟，跟不上应用需求的发展，因此，如何能更好地利用电池内已有电能，提升能效，成为了车企和广大消费者关注的焦点。此时，电池管理系统（BMS）的重要性就凸显出来。

在人们的日常生活，以及工业应用领域，BMS都发挥着关键作用，总体来看，该系统主要服务于以下功能需求：通过监测外部参数如电压、电流、温度等，实时检测电池状态，并通过算法对电池的电阻、最大容量等参数进行估测；提升电池的能量利用率，为电池的使用和维护提供数据支持；避免单节电芯的过充、过放电；确保用户安全；延长电池寿命。

在BMS当中，以上功能主要通过电池管理芯片（BMIC）来实现，为了实现这些功能，研发BMIC是个跨多学科的复杂工作，需要在算法设计、模拟采样电路设计、高压BCD工艺、复杂数字电路设计、电路可靠性等方面具备深厚技术积累。

BMIC分类

BMIC分为通用和专用两种类型，通用芯片包括 MCU、电源管理芯片、通讯接口等芯片，专用芯片则需要针对BMS应用进行专门开发，以满足特定应用的功能需求。

BMS专用芯片又可分为电池保护芯片、电量计量芯片、充电芯片、电池监测芯片、电池认证芯片等。下面简单介绍一下这些BMIC。

电池保护芯片

电池保护芯片负责监测电芯的充放电情况，保证不会因为外部的错用或故障而对电池产生损害。当检测到系统出现异常情况时，安全芯片可以及时切断电路，以保障电池系统安全。目前，部分BMIC（充电芯片、电量计等）会集成保护功能，但为了实现更全面的保护，专用电池保护芯片仍然是很多应用中不可缺少的组件。

电量计量芯片

电量计量芯片的作用是通过对电池外部特性（如电压、电流、温度等）的测量，采用特定算法对电池的SOC/SOH等参数进行估测，并将结果反馈给控制芯片。

充电芯片

充电芯片主要实现电源路径管理（PPM）和充放电控制这两项功能。电源路径管理是对电源路径进行控制，使外部电源的开关不影响系统正常工作；充放电控制是对电池的充放电进行恰当的控制和管理，典型的电池充电过程通常分为涓流、恒流和恒压阶段，各阶段间的切换控制由充电芯片完成。

受限于成本、体积和散热要求，充电芯片一般仅用于小功率用电器的充电，对于大功率应用（如电动汽车），一般采用由分立器件组成的专用大功率充电电路。

电池监测芯片

电池监测芯片的主要功能是对电池参数进行高精度监测，并通过通讯接口将相关数据发送给主控芯片。与电量监测芯片不同的是，电池监测芯片仅具有参数监测功能，一般用在高串数串联场合（10串到上百串），此时，需要由多个监测芯片级联形成监测系统。

电池认证芯片

为了避免不匹配的电池对设备或用户造成损害，会在电池包中集成一颗电池认证芯片，并在电池连接至系统时进行认证，只有验证通过的电池才能为系统供电。虽然很多系统的电池不可拆卸，但为了避免用户自行替换电池带来的潜在风险，厂商一般也会在设备内置电池中配置一颗认证芯片。

电动汽车BMIC发展提速

2021年，全球锂电池BMIC市场规模约为42.54亿美元，预计到2026年将增加至80.31亿美元，年均复合增长率（CAGR）为13.55%。其中，增速最快的市场是储能、汽车和消费类（手机、笔记本电脑、平板电脑、TWS耳机、智能手表等）市场，2021-2026年的CAGR 分别为72.34%、40.07%、14.50%。可以看出，在人们的日常生活应用中，汽车，特别是电动汽车用BMIC的增长速度非常可观，远远超过了消费类电子产品市场。

早期的电动汽车通常采用单体电池方案，随着2012年Tesla发布Model S，首次采用由7104 节18650电芯串联组成的电池包，之所以如此，主要是因为18650电芯产量大、价格便宜，可靠性和能量密度也不错。然而，由7000多节电芯串联+并联构成的系统中，电池簇之间极易出现电量不平衡，大量的电芯串联，对电芯之间的电量一致性提出了更高要求，因此，需要采用电池监测芯片对每一个电芯进行电压、电流检测，这对BMS的要求很高。当时，保障Model S电池系统正常、安全工作的是TI的BQ76PL5363-6S电池监控和保护芯片。

近些年，电动汽车发展迅速，特别是在中国，其市占率在相对短的时间内快速提升，与此同时，在实际应用中，各种问题也显现出来，对电池系统提出了更高要求，例如电池技术快速迭代，以及高压、快速充电等。

目前，电动汽车电池电压普遍在400V左右，例如，理想One的动力电池额定电压为350.4V，比亚迪秦的在500V左右。相同功率下，电压越大，电流越小，电流在传导过程中产生的热损耗也越小。因此，目前的主流车企均布局高压平台。电压升高而电流减小，在这种情况下，IGBT在功耗上不再具有优势，SiC器件则成为了高压平台的理想选择。常见SiC器件的击穿电压一般为1200V，考虑到安全裕量，800V成为了车企高压平台的主流电压配置。由于AFE（Active Front End）芯片的需求与电压成正比，因此，平台电压从400V升至800V时，将带动AFE需求翻倍增长。

与工业、消费类电子等应用不同，电动汽车BMIC与乘员安全息息相关，因此对芯片可靠性、安全性、一致性提出了更高要求，主要规范包括AEC-Q100、 ISO26262和IATF16949等。

AEC-Q100 是一种基于故障机制的集成电路应力测试方法，包括了一系列应力测试，芯片需要通过高温高湿、振动、静电放电等场景的测试才能取得认证。ISO26262 是汽车芯片功能安全认证，旨在确保系统对外界输入和干扰能够正确响应（哪怕在部分电路失效的情况下），避免造成人体健康损害或人身损伤。IATF16949 是汽车生产质量管理体系认证，涵盖产品安全、风险管理和应急计划、嵌入式软件要求、变更和质保管理、次级供应商管理等。

为了满足功能安全需求，在汽车BMS系统中，SOX算法一般由主控MCU完成，因此，需要构建AFE到MCU之间的通讯链路，早期，一般采用星型架构，每个AFE芯片都需要配备单独的隔离通讯芯片，并单独连接至MCU。随着技术的发展，菊花链架构逐渐成为主流，每个AFE芯片之间通过差分信号线和隔离电容（或隔离变压器）串联，并通过一颗单独的隔离通讯芯片连接到MCU。对于400V系统电动汽车，大约需要8个AFE 芯片和1个隔离通讯芯片，对于800V系统，约需要16个AFE芯片和1个隔离通讯芯片。因此，随着电动汽车的普及，对相应芯片的需求量会大增。

国产BMIC发力

目前，全球BMIC，特别是车用市场主要被TI、ADI、瑞萨等国际巨头把持着，其中，TI和ADI（含Maxim）占据了近60%全球市场份额。

目前，中国大陆BMIC市场规模为每年数十亿个，国产品牌市占率仅有20%，细分到电动汽车BMIC领域，国产品牌份额更少。目前，电动汽车BMIC产品设计方案大多被国外厂商垄断，国内相关企业大多在此基础上进行二次开发，包括软硬件设计。能提供车规级BMIC完整解决方案的供应商主要有 ADI（AFE 产品主要来自于收购的Maxim和Linear产品线）、TI、英飞凌、NXP、瑞萨（AFE产品主要来自于收购的Intersil产品线）、ST和安森美等。

车规级ADC芯片市场，主要被TI和ADI把持着，中国本土鲜有提供车规级ADC的企业。汽车BMS采用的AFE芯片，主要区别在于采样通道数、内部ADC的数量等，且AFE芯片技术难度很高，附加值也高，主要供应商包括ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞萨，中国本土几乎没有能够生产车规级AFE芯片的企业。

虽然中国本土企业与国际大厂之间存在明显差距，但经过多年的积累，在研发消费类电子设备用BMIC的基础上，国内企业，如中颖电子、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、纳思达等企业已经在积极布局车规级BMIC产品了。比亚迪半导体曾推出过一款满足AEC-Q100 标准的车规级AFE芯片。琪埔维则专注于汽车智能核心芯片的研发与销售，主要产品包括汽车级电源管理芯片、传感器等。

作为高增长、高技术门槛产品，BMIC龙头企业地位相对稳固。不过，随着企业之间的并购整合，行业格局正在走向集中，特别是ADI对Maxim的收购，以及瑞萨对Dialog的收购，正在加速这一进程。

据GGII统计，2022上半年，中国大陆锂电池厂商动力电池装机量占比超过50%，而中国本土BMIC企业在全球市场占比不到10%，且中国BMIC企业下游主要面向消费、电动工具等应用领域，在动力电池领域占比几乎为零。如此大的份额差距，为中国BMIC企业提供了巨大的发展机会，需要相关企业不断加大研发投入，以在未来的竞争中占据有利位置。

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