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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,由于现阶段代理芯海补能系统不成熟,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:通过监测外部参代理芯海数如电压、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,代理芯海研发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,代理芯海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,安全芯片代理芯海可以及时切断电路,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代理芯海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、恒代理芯海流和恒压阶段,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代理芯海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,只有验证通过代理芯海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代理芯海%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代理芯海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,代理芯海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。
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当时,保障Model S电池系统正常、安全工作的是TI的BQ76PL5363-6S电池监控和保代理芯海护芯片近些年,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5代理芯海00V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代理芯海流电压配置由于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、 ISO2代理芯海6262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),避免造成人体代理芯海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AF代理芯海E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个代理芯海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2代理芯海0%,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、代理芯海瑞萨(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、代理芯海松下、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代理芯海规级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Ma代理芯海xim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BM代理芯海IC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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