动力电池行业之电池管理系统篇：动力电池的软实力，掌握“数据”方执牛耳

2022年09月29日 动力电池之电池管理系统篇—— 动力电池的软实力，掌握“数据”方执牛耳 ■空间：BMS重要性日益凸显，2025年市场规模超160亿。电气化进程加速， BMS（电池管理系统）的重要性日益凸显，主要体现在：①避免电池超“临界区域”工作，保障动力电池安全。②保障电池在“合理区域”工作，延长电池寿命。③尽可能缩小电芯间的“不一致”，提高电池系统的有效能量。受益于新能源汽车高增长红利，BMS行业有望迎来高增长，预计2025年市场规模将达160亿。 ■功能：BMS是动力电池的核心。BMS的功能包括：①感知，即电池物理参数 （电压、电流和温度）监测，是BMS的基本功能。②决策，即电池状态（SOx）估计，是BMS算法控制的核心。③执行，BMS主要的执行动作有：保障电池安全、控制电池充放电、热管理和故障预警。 ■趋势：高精度，被动均衡，分布式，无线化。磷酸铁锂电池占比提升，高精度算法（卡尔曼滤波法和神经网络法）是未来发展方向；出于电路结构和成本考虑，被动均衡仍是未来主流；随着新能源汽车不断向长续航、高电压和平台化方 面发展，分布式和无线化BMS将是未来主流方向。 ■格局：电池厂和整车厂将成为执牛耳者。BMS作为动力电池的“大脑”，产业链各个环节的主体均有参与布局，总体来说主要有三类：即动力电池企业（企业数量占比46%）、整车企业（企业数量占比21%）和第三方BMS企业（企业数量占比33%）。从资金、人员、客户、数据和研发等多种有形和无形资源的角度来考量，专业的第三方BMS企业虽然在软件研发上有一定优势，但在资金实力和客户粘性方面有所不足，容易沦为整车厂或动力电池企业的代工厂，甚至被其兼并收购。而动力电池企业和整车厂掌握“数据”这一核心竞争力，并在资金实力、研发人员、交付能力和成本控制等方面更有优势，若能进一步补强软件算法方面的 短板，未来将有望占据市场主导地位。 ■风险提示：关注芯片供应短缺的风险、关键原材料价格波动的风险、新能源汽车销量不及预期的风险和相关领域政策变化风险等。（本部分有删减，招商银行各部如需报告原文，请参照文末方式联系研究院） 潘伟行业研究员 ：0755-89271035 ：panwei94@cmbchina.com 相关研究报告 《动力电池之电池材料篇——辩趋势，谈供需，论格局》 2022.03.25 《碳中和碳达峰系列研究之动力电池篇（2021）——守得云开见 月明》 2021.08.27 《碳中和碳达峰系列研究之新能源汽车竞争格局演变篇——群雄 逐鹿，谁主沉浮？》 2021.04.30 目录 1.空间：BMS重要性日益凸显，2025年市场规模有望超过160亿1 1.1新能源汽车快速发展，BMS重要性日益凸显1 1.2受益于电动化红利，2025年BMS市场空间将达160亿3 2.功能：BMS是动力电池的核心4 2.1感知：电池参数监测，电池管理的基础4 2.2决策：电池状态（SOx）估计，电池管理的核心5 2.3执行：与其他零部件协同，整车企业差异化的关键6 3.趋势：高精度，被动均衡，分布式，无线化6 3.1高精度：高精度算法是BMS的核心6 3.2均衡管理：被动均衡仍是未来主流8 3.3拓扑结构：分布式BMS结构是未来主流10 3.4通信方式：CAN总线→菊花链→无线BMS12 4.格局：BMS行业三分天下，电池和整车为执牛耳者14 4.1行业呈现“三足鼎立”的竞争格局14 4.2电池厂和整车厂将执牛耳16 5.业务建议及风险提示18 图目录 图1：2019~2020年新能源汽车起火事故月度数据2 图2：2019~2020年新能源汽车起火事故原因2 图3：锂离子电池工作的边界条件2 图4：BEV/PHEV/HEV/48V车型销量预测3 图5：动力电池管理系统（BMS）市场空间预测3 图6：动力电池管理系统的基本功能5 图7：高精度SOC算法是BMS的核心7 图8：磷酸铁锂电池的电压—SOC曲线8 图9：三元电池的电压—SOC曲线8 图10：主动均衡和被动均衡的工作原理9 图11：集中式BMS以分布BMS对比10 图12：48V微混车型电池系统中BMS类型统计11 图13：HEV车型电池系统中BMS类型统计11 图14：PHEV车型电池系统中BMS类型统计11 图15：EV车型电池系统中BMS类型统计11 图16：采用CAN总线通讯的BMS架构12 图17：采用菊花链通讯的BMS架构13 图18：采用有线（CAN或菊花链）通讯的BMS13 图19：采用无线通讯方式的BMS13 图20：各类动力电池BMS参与企业数量占比14 图21：宁德时代智能电池管理技术15 图22：蔚来汽车电池管理技术15 图23：2020年国内动力电池BMS配套格局17 图24：2021年国内动力电池BMS配套格局17 图25：2022年1-8月国内动力电池BMS配套格局18 图26：整车厂不断提升BMS的参与度（配套数）18 表目录 表1：不同应用领域的锂电池BMS的对比1 表2：BMS主动均衡与被动均衡管理模式对比9 表3：部分新能源车型采用的BMS拓扑类型11 表4：大部分新能源车企开始深度参与BMS开发15 表5：三类BMS玩家资源优势比较16 附录 附录1电气化（包含BEV、PHEV、HEV和48V）车型销量预测20 电池管理系统（BatteryManagementSystem，即BMS）是连接动力电池和新能源整车的重要纽带，通过监测电芯的状态参数，如电压、电流和温度等，来估算整个电池系统的状态，并根据计算得到的电池状态对动力电池系统进行相应的控制调整和策略实施，实现对动力电池系统及各单体电芯的充放电管理以保证动力电池系统安全稳定地运行。本文旨在通过梳理BMS的行业现状，市场空间，基本功能，技术趋势来研判BMS行业的竞争格局。 1.空间：BMS重要性日益凸显，2025年市场规模有望超过160亿 1.1新能源汽车快速发展，BMS重要性日益凸显 BMS的雏形是保护板。传统的锂电池保护板主要用于消费类电池，它的功能较为单一，主要实现电池状态监测和安全分析功能。随着新能源汽车的快速发展，复杂、大型的锂电池组被广泛应用，简单的保护板已经不能满足需求，BMS由此诞生。在满足保护板功能的基础上，BMS还加入了通信、均衡管理、电池剩余容量（StateofCharge）估计等功能。国外首先设计出BMS的是德国，国内清华大学在20世纪90年代启动相关研究，目前特斯拉代表了行业头部水 平，国内BMS相关企业正在努力追赶。 名称应用领域电芯数量功能要求价值量 表1：不同应用领域的锂电池BMS的对比 保护板一般消费电子、电动工具1~6 BMS智能手机、笔记本电脑1~8 电动自行车、平衡车等小 防止锂电池过充、过放、 过流等0.5~5元 防止过充、过放、过流、 充电管理、电量显示5~15元 防止过充、过放、过流、 BMS 10~30 型动力设备 充电管理、剩余电量显示、温度保护 全面监控电池电压、电流 实时状态和健康状况，精 30~60元 BMS新能源汽车、储能系统50~7000 资料来源：CSDN、招商银行研究院 确计算电量、进行主动均衡，提高效率、故障警示 300~10000元 新能源汽车快速发展，BMS重要性日益凸显，主要体现在以下三个方面: 图1：2019~2020年新能源汽车起火事故月度数据图2：2019~2020年新能源汽车起火事故原因 2019年2020年 1%7%电池自燃 3027 161716 17 14 11 14 12 9 10 9 10 7 5 5 6 33 4 21 2 3 25 20 15 10 5 3% 5% 5%38% 6% 7% 正常充电导致起火碰撞后短路起火零部件老化&短路 人为因素（改装、纵火）充电设备故障 电池包浸水 外部因素（被引燃） 过充电导致起火 0 1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月 14% 14% 原因不明 资料来源：新能源汽车国家大数据联盟、招商银行研究院资料来源：新能源汽车国家大数据联盟、招商银行研究院 避免电池越过“临界区域”工作，保障动力电池安全。根据新能源汽车国家大数据联盟的数据，2020年新能源汽车起火事故共发生124起，与2019年相比增幅达47%。其中电池自燃的占比为38%，充电过程起火占比14%，充电设备故障占比5%，过充电占比1%，另外发生起火的原因还有零部件老化以及违规改装等。而在2019~2020年发生的事故中，70%以上是可以通过有效的电池管理系统减少或者避免的。动力电池在工作时都有一定的使用条件——充电电流限制、放电电流限制、工作温度限制、单体电压限制等等。电池工作条件分“合理区域”和“临界区域”，当电池工作条件越过“临界区域”时，发生安全事故的概率就会大增。这时，BMS就必须果断采取措施，以避免事故的 发生。 图3：锂离子电池工作的边界条件 资料来源：招商银行研究院 保障电池在“合理区域”工作，延长电池寿命。当电池工作状态位于“合理区域”时，电池寿命最长。进入“临界区域”寿命会显著降低，越过了“临 界区域”则有安全隐患。为了提高电池的使用寿命尽量让电池工作在“合理区域”，当电池越过“合理区域”后要给用户报警提示，或是执行保护功能（如冷却，限制功率等）让电池回归“合理区域”。 缩小电芯间的“不一致”，提高电池系统的使用效率。单个电池的能量有限，所以大多是N个电池串联在一起使用，我们称串在一起的电池为电池串。由于电池之间总是存在差异，存储的能量也有区别。而电池的过放和过充是电池的两种极度危险状态。放电时，当某个电池达到放电下限时，即使其他电池仍有能量，放电也不得不结束。反之，充电时，当某个电池电压已经达到上限，即使其他电池尚未充足，充电不得不中止。因而，放电受限于串联中电压最低 的电池，充电受限于电压最高的电池。可见，“有效储能”小于“理论储能”。在没有BMS情况下，电池间的差异化会越来越大，因而“有效储能”会越来越少。电池价值就在于其“有效储能”。如果BMS能抑制电池“一致性”变差的趋势，就意味着“有效能量”更加接近“理论能量”，从而能够提高电池系统的使用效率。 1.2受益于电动化红利，2025年BMS市场空间将达160亿 图4：BEV/PHEV/HEV/48V车型销量预测图5：动力电池管理系统（BMS）市场空间预测 1,400 1,200 BEV乘用车BEV商用车PHEV乘用车PHEV商用车HEV48V 180 160 140 160 1,000 800 600 400 200 120 138 119 102 79 46 3536 100 80 60 40 20 0 2018A2019A2020A2021A2022E2023E2024E2025E 0 2018A2019A2020A2021A2022E2023E2024E2025E 资料来源：中汽协、招商银行研究院资料来源：中汽协、招商银行研究院 受益于新能源汽车高增长红利，BMS有望形成百亿级市场。BMS单车价值量与电池的类型、数量、电压等因素有关，在不计算电池封装的情况下，结合目前市场现状看，通常每辆车BMS价格在400-10000元不等。客车电池容量大，电压等级高，单套BMS价格较贵；乘用车和专用车电压等级较低，价格也相对便宜。预计到2025年，中国电气化车型销量将达到1275万辆，其中BEV车型销量预计达到925万辆，PHEV车型销量预计达到204万辆，HEV车型销量预计达到90万台，48V车型销量预计为55万辆。对于市场空间测算，2021年BEV乘用车BMS单车价值量为1760元/辆，BEV商用车为5960元/辆，PHEV乘用车为1727元/辆，PHEV商用车为2725元/辆，HEV乘用车为1168 元/辆，48V乘用车为447元/辆。我们假设随着未来电气化车型放量下，单车BMS价格呈现逐年下降的趋势，到2025年BMS行业有望达到160亿的市场规模。 2.功能：BMS是动力电池的核心 以分布式电池管