汽車芯片的新戰(zhàn)場

作者：暢秋

在人們的日常生活中，電池的重要性越來越凸出，主要體現(xiàn)在兩大應(yīng)用領(lǐng)域：一是以手機(jī)、筆記本電腦、TWS耳機(jī)、智能手表為代表的消費(fèi)類電子產(chǎn)品；二是新能源汽車。特別是以純電動汽車為代表的新能源汽車，由于現(xiàn)階段補(bǔ)能系統(tǒng)不成熟，跟不上應(yīng)用需求的發(fā)展，因此，如何能更好地利用電池內(nèi)已有電能，提升能效，成為了車企和廣大消費(fèi)者關(guān)注的焦點(diǎn)。此時(shí)，電池管理系統(tǒng)（BMS）的重要性就凸顯出來。

在人們的日常生活，以及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，BMS都發(fā)揮著關(guān)鍵作用，總體來看，該系統(tǒng)主要服務(wù)于以下功能需求：通過監(jiān)測外部參數(shù)如電壓、電流、溫度等，實(shí)時(shí)檢測電池狀態(tài)，并通過算法對電池的電阻、最大容量等參數(shù)進(jìn)行估測；提升電池的能量利用率，為電池的使用和維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持；避免單節(jié)電芯的過充、過放電；確保用戶安全；延長電池壽命。

在BMS當(dāng)中，以上功能主要通過電池管理芯片（BMIC）來實(shí)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，研發(fā)BMIC是個(gè)跨多學(xué)科的復(fù)雜工作，需要在算法設(shè)計(jì)、模擬采樣電路設(shè)計(jì)、高壓BCD工藝、復(fù)雜數(shù)字電路設(shè)計(jì)、電路可靠性等方面具備深厚技術(shù)積累。

01、BMIC分類

BMIC分為通用和專用兩種類型，通用芯片包括 MCU、電源管理芯片、通訊接口等芯片，專用芯片則需要針對BMS應(yīng)用進(jìn)行專門開發(fā)，以滿足特定應(yīng)用的功能需求。

BMS專用芯片又可分為電池保護(hù)芯片、電量計(jì)量芯片、充電芯片、電池監(jiān)測芯片、電池認(rèn)證芯片等。下面簡單介紹一下這些BMIC。

電池保護(hù)芯片

電池保護(hù)芯片負(fù)責(zé)監(jiān)測電芯的充放電情況，保證不會因?yàn)橥獠康腻e(cuò)用或故障而對電池產(chǎn)生損害。當(dāng)檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，安全芯片可以及時(shí)切斷電路，以保障電池系統(tǒng)安全。目前，部分BMIC（充電芯片、電量計(jì)等）會集成保護(hù)功能，但為了實(shí)現(xiàn)更全面的保護(hù)，專用電池保護(hù)芯片仍然是很多應(yīng)用中不可缺少的組件。

電量計(jì)量芯片

電量計(jì)量芯片的作用是通過對電池外部特性（如電壓、電流、溫度等）的測量，采用特定算法對電池的SOC/SOH等參數(shù)進(jìn)行估測，并將結(jié)果反饋給控制芯片。

充電芯片

充電芯片主要實(shí)現(xiàn)電源路徑管理（PPM）和充放電控制這兩項(xiàng)功能。電源路徑管理是對電源路徑進(jìn)行控制，使外部電源的開關(guān)不影響系統(tǒng)正常工作；充放電控制是對電池的充放電進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂坪凸芾?，典型的電池充電過程通常分為涓流、恒流和恒壓階段，各階段間的切換控制由充電芯片完成。

受限于成本、體積和散熱要求，充電芯片一般僅用于小功率用電器的充電，對于大功率應(yīng)用（如電動汽車），一般采用由分立器件組成的專用大功率充電電路。

電池監(jiān)測芯片

電池監(jiān)測芯片的主要功能是對電池參數(shù)進(jìn)行高精度監(jiān)測，并通過通訊接口將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給主控芯片。與電量監(jiān)測芯片不同的是，電池監(jiān)測芯片僅具有參數(shù)監(jiān)測功能，一般用在高串?dāng)?shù)串聯(lián)場合（10串到上百串），此時(shí)，需要由多個(gè)監(jiān)測芯片級聯(lián)形成監(jiān)測系統(tǒng)。

電池認(rèn)證芯片

為了避免不匹配的電池對設(shè)備或用戶造成損害，會在電池包中集成一顆電池認(rèn)證芯片，并在電池連接至系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行認(rèn)證，只有驗(yàn)證通過的電池才能為系統(tǒng)供電。雖然很多系統(tǒng)的電池不可拆卸，但為了避免用戶自行替換電池帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)，廠商一般也會在設(shè)備內(nèi)置電池中配置一顆認(rèn)證芯片。

02、電動汽車BMIC發(fā)展提速

2021年，全球鋰電池BMIC市場規(guī)模約為42.54億美元，預(yù)計(jì)到2026年將增加至80.31億美元，年均復(fù)合增長率（CAGR）為13.55%。其中，增速最快的市場是儲能、汽車和消費(fèi)類（手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、TWS耳機(jī)、智能手表等）市場，2021-2026年的CAGR 分別為72.34%、40.07%、14.50%。可以看出，在人們的日常生活應(yīng)用中，汽車，特別是電動汽車用BMIC的增長速度非?？捎^，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場。

早期的電動汽車通常采用單體電池方案，隨著2012年Tesla發(fā)布Model S，首次采用由7104 節(jié)18650電芯串聯(lián)組成的電池包，之所以如此，主要是因?yàn)?8650電芯產(chǎn)量大、價(jià)格便宜，可靠性和能量密度也不錯(cuò)。然而，由7000多節(jié)電芯串聯(lián)+并聯(lián)構(gòu)成的系統(tǒng)中，電池簇之間極易出現(xiàn)電量不平衡，大量的電芯串聯(lián)，對電芯之間的電量一致性提出了更高要求，因此，需要采用電池監(jiān)測芯片對每一個(gè)電芯進(jìn)行電壓、電流檢測，這對BMS的要求很高。當(dāng)時(shí)，保障Model S電池系統(tǒng)正常、安全工作的是TI的BQ76PL5363-6S電池監(jiān)控和保護(hù)芯片。

近些年，電動汽車發(fā)展迅速，特別是在中國，其市占率在相對短的時(shí)間內(nèi)快速提升，與此同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，各種問題也顯現(xiàn)出來，對電池系統(tǒng)提出了更高要求，例如電池技術(shù)快速迭代，以及高壓、快速充電等。

目前，電動汽車電池電壓普遍在400V左右，例如，理想One的動力電池額定電壓為350.4V，比亞迪秦的在500V左右。相同功率下，電壓越大，電流越小，電流在傳導(dǎo)過程中產(chǎn)生的熱損耗也越小。因此，目前的主流車企均布局高壓平臺。電壓升高而電流減小，在這種情況下，IGBT在功耗上不再具有優(yōu)勢，SiC器件則成為了高壓平臺的理想選擇。常見SiC器件的擊穿電壓一般為1200V，考慮到安全裕量，800V成為了車企高壓平臺的主流電壓配置。由于AFE（Active Front End）芯片的需求與電壓成正比，因此，平臺電壓從400V升至800V時(shí)，將帶動AFE需求翻倍增長。

與工業(yè)、消費(fèi)類電子等應(yīng)用不同，電動汽車BMIC與乘員安全息息相關(guān)，因此對芯片可靠性、安全性、一致性提出了更高要求，主要規(guī)范包括AEC-Q100、 ISO26262和IATF16949等。

AEC-Q100 是一種基于故障機(jī)制的集成電路應(yīng)力測試方法，包括了一系列應(yīng)力測試，芯片需要通過高溫高濕、振動、靜電放電等場景的測試才能取得認(rèn)證。ISO26262 是汽車芯片功能安全認(rèn)證，旨在確保系統(tǒng)對外界輸入和干擾能夠正確響應(yīng)（哪怕在部分電路失效的情況下），避免造成人體健康損害或人身損傷。IATF16949 是汽車生產(chǎn)質(zhì)量管理體系認(rèn)證，涵蓋產(chǎn)品安全、風(fēng)險(xiǎn)管理和應(yīng)急計(jì)劃、嵌入式軟件要求、變更和質(zhì)保管理、次級供應(yīng)商管理等。

為了滿足功能安全需求，在汽車BMS系統(tǒng)中，SOX算法一般由主控MCU完成，因此，需要構(gòu)建AFE到MCU之間的通訊鏈路，早期，一般采用星型架構(gòu)，每個(gè)AFE芯片都需要配備單獨(dú)的隔離通訊芯片，并單獨(dú)連接至MCU。隨著技術(shù)的發(fā)展，菊花鏈架構(gòu)逐漸成為主流，每個(gè)AFE芯片之間通過差分信號線和隔離電容（或隔離變壓器）串聯(lián)，并通過一顆單獨(dú)的隔離通訊芯片連接到MCU。對于400V系統(tǒng)電動汽車，大約需要8個(gè)AFE 芯片和1個(gè)隔離通訊芯片，對于800V系統(tǒng)，約需要16個(gè)AFE芯片和1個(gè)隔離通訊芯片。因此，隨著電動汽車的普及，對相應(yīng)芯片的需求量會大增。

03、國產(chǎn)BMIC發(fā)力

目前，全球BMIC，特別是車用市場主要被TI、ADI、瑞薩等國際巨頭把持著，其中，TI和ADI（含Maxim）占據(jù)了近60%全球市場份額。

目前，中國大陸B(tài)MIC市場規(guī)模為每年數(shù)十億個(gè)，國產(chǎn)品牌市占率僅有20%，細(xì)分到電動汽車BMIC領(lǐng)域，國產(chǎn)品牌份額更少。目前，電動汽車BMIC產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案大多被國外廠商壟斷，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)大多在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，包括軟硬件設(shè)計(jì)。能提供車規(guī)級BMIC完整解決方案的供應(yīng)商主要有 ADI（AFE 產(chǎn)品主要來自于收購的Maxim和Linear產(chǎn)品線）、TI、英飛凌、NXP、瑞薩（AFE產(chǎn)品主要來自于收購的Intersil產(chǎn)品線）、ST和安森美等。

車規(guī)級ADC芯片市場，主要被TI和ADI把持著，中國本土鮮有提供車規(guī)級ADC的企業(yè)。汽車BMS采用的AFE芯片，主要區(qū)別在于采樣通道數(shù)、內(nèi)部ADC的數(shù)量等，且AFE芯片技術(shù)難度很高，附加值也高，主要供應(yīng)商包括ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩，中國本土幾乎沒有能夠生產(chǎn)車規(guī)級AFE芯片的企業(yè)。

雖然中國本土企業(yè)與國際大廠之間存在明顯差距，但經(jīng)過多年的積累，在研發(fā)消費(fèi)類電子設(shè)備用BMIC的基礎(chǔ)上，國內(nèi)企業(yè)，如中穎電子、賽微微電、比亞迪半導(dǎo)體、琪埔維（CHIPWAYS）、芯?？萍肌⑹グ钗?、南芯科技、納思達(dá)等企業(yè)已經(jīng)在積極布局車規(guī)級BMIC產(chǎn)品了。比亞迪半導(dǎo)體曾推出過一款滿足AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的車規(guī)級AFE芯片。琪埔維則專注于汽車智能核心芯片的研發(fā)與銷售，主要產(chǎn)品包括汽車級電源管理芯片、傳感器等。

作為高增長、高技術(shù)門檻產(chǎn)品，BMIC龍頭企業(yè)地位相對穩(wěn)固。不過，隨著企業(yè)之間的并購整合，行業(yè)格局正在走向集中，特別是ADI對Maxim的收購，以及瑞薩對Dialog的收購，正在加速這一進(jìn)程。

據(jù)GGII統(tǒng)計(jì)，2022上半年，中國大陸鋰電池廠商動力電池裝機(jī)量占比超過50%，而中國本土BMIC企業(yè)在全球市場占比不到10%，且中國BMIC企業(yè)下游主要面向消費(fèi)、電動工具等應(yīng)用領(lǐng)域，在動力電池領(lǐng)域占比幾乎為零。如此大的份額差距，為中國BMIC企業(yè)提供了巨大的發(fā)展機(jī)會，需要相關(guān)企業(yè)不斷加大研發(fā)投入，以在未來的競爭中占據(jù)有利位置。