汽车模拟芯片系列报告（一）BMIC：模拟芯片皇冠，国产替代空间广阔
电池管理芯片（BMIC）在电池管理系统（BMS）中起到重要作用。经历数十年的发展，BMS系统从早期的无管理时代迈入全面管理时代，在电池系统中全面取代人工，是电池的大脑、管家和保镖。BMIC是BMS的关键部件，起到信号采集（电压、电流、温度等）、电池状态（SOC、SOH等）估计、电池保护等作用。 BMIC具有较高技术门槛，在数字和模拟两个维度均有较高要求。BMIC属于数模混合芯片，数字端，SOC/SOH算法等功能技术壁垒较高，对数字内核协调片内资源的能力亦有较高要求；模拟端，高精度低噪声采样电路、高压工艺等也有赖于企业在模拟电路设计方面的深厚积累。正由于技术门槛极高，BMIC也被称为“模拟芯片的皇冠”。 需求端：BMIC需求快速成长，市场空间广阔。根据我们测算，2021年全球主要下游领域BMIC市场规模达到42.54亿美元，预计到2026年增长至80.31亿美元，2021-2026年CAGR=13.55%。受限于复杂度和数据可得性，我们的测算中忽略了大量长尾市场（如玩具等），因而实际市场空间更大。分下游领域来看，储能、电动汽车、泛消费（可穿戴）等领域增速较快，2021-2026年CAGR分别为72.34%、40.07%、14.50%。 供给端：全球BMIC市场呈现双寡头格局，海外厂商垄断。根据Yole数据，2020年TI、ADI、高通、Maxim四家厂商占据全球BMIC市场约7成份额。2021年ADI收购Maxim后，TI和ADI占据全球BMIC市场约6成份额。BMIC市场呈现双寡头格局，全球市场被海外企业垄断。 BMIC行业国产替代趋势明确。根据GGII数据，中国企业在22H1全球动力电池装机量中占比超过5成。而根据我们测算，2021年BMIC全球市场国产份额不及10%。同时，布局BMIC（或处在规划论证阶段）的上市（拟上市）企业已超过10家。巨大的份额差距、高企的行业关注度和密集的资本投入，国产替代趋势已经明确，产业链变革正在孕育。 BMIC技术升级脚步不停。从最早的铅酸电池到锂电池，从消费电子到新能源汽车和储能，BMIC的技术要求不断提升。展望未来，BMIC行业具有无线化、智能化、高压高可靠、应用向电池全生命周期延伸等四大行业趋势，新技术突破一方面为相关企业带来成长机遇；另一方面亦有望不断为BMIC打开新应用场景，拓宽应用范围，持续助力市场规模的增长。 建议关注：中颖电子、赛微微电、必易微、希荻微、芯海科技、圣邦股份、英集芯、钜泉科技、南芯科技、BYD半导等。 风险提示：宏观需求不及预期；行业竞争加剧；新技术替代风险。 表1：重点公司投资评级 1.BMS：电池系统的大脑、管家、保镖 电池技术在200余年的时间里不断演进，并在近30年的时间里取得了飞速发展，从最早期的铜-锌电池、铅酸电池，到目前的锂电池、钠电池，电池能量密度从早期的~10Wh/kg飞速攀升至200Wh/kg。回顾历史上来看，电池管理系统的技术，也是伴随着电池技术的升级，在工程实践中不断得到提升的。 图1.电池技术发展路线图 1.1.无管理时代：自己动手，丰衣足食 早期的电池如镍镉电池等，以单体电池的形态出现，往往不需要电池间均衡，使用者一般通过测量电池端点电压实现SOC估计。后续随着电压和功率需求的增加，电池串联使用的出现（如12V铅蓄电池由6个单格铅蓄电池组成），人们发现传统的电池使用方法存在以下两个问题：1）传统SOC算法估计的准确度大大降低：由于各个单节电池特性存在差异，单一的拟合公式无法实现电量的准确估计；2）由于SOC估计误差，各个电池单节之间的电量均衡较差，单体电池时常处于过充/过放状态，导致电池组的使用寿命也大大降低。 为了解决以上两个问题，人们开始定期检查电池一致性，对电量比平均值多（少）的电芯及时地进行放电（充电）。同时，定期对所有电芯进行完全充放电测试以确定整体电池组的电池容量和使用状态，避免电池组在错误状态下长时间工作。这便是最早的BMS，依靠人的手动定期操作，实现电池错误检测、SOC和电池容量估计、保障充放电一致性。 1.2.简单管理：小米加步枪，自动化程度提升 无管理/手动管理的缺点显而易见：无法实现实时检测、维护繁琐且需要耗费电池寿命。也正因此，从原始的手动电池管理，衍生出了现代BMS的雏形，通过搭建电路，对每个单体电芯的电压、电流、SOC状态进行实时在线监测，实现了传统意义上需要通过人工手动完成的功能。这一类型的BMS产品最早出现时间已不可考，我们搜集到最早的资料是德国Mentzer公司于1991年设计的Badicheq4000型系统，对每个单体电芯，Badicheq4000系统都使用一个采样模块进行监控，并且通过现场总线将相关参数回传给主MCU。 图2.Badicheq4000系统电池监控模块 图3.Badicheq4000系统架构 1.3.全面管理：SOC估计精度提升，功能集成度提升 简单的电池管理系统由分立的多个子模块组成，尽管自动化程度大幅提升，但分立方案需要复杂的线路布置，占地面积大；同时模块数的增加也降低了系统整体的可靠性。进入21世纪，伴随着手机、笔记本、平板电脑需求的快速增长，锂电池得到了广泛应用。锂是一种化学性质极为活泼的金属，锂电池过充、过放都将导致严重的后果。早期的BMS沿用了监测电池两端电压进行SOC估计的方案，精度有限，对于锂电池场景不再适用，也正是在这一时期，各类SOC估计算法开始出现，并一度成为学术界热点。 图4.锂电池过充过放导致鼓包 在这一时期，工业界也逐渐形成了对BMS系统功能要求的共识，具体包括以下5个方面： 通过监测外部参数如电压、电流、温度等，实时检测电池状态。并通过适当的算法对电池的DC电阻、最大容量、SOC等进行估计。 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。 确保用户安全。 延长电池寿命。 将以上功能集成进一颗或几颗芯片中，便形成了电池管理芯片（BMIC）。为了实现以上功能，BMIC的研发需要横跨电、热、化学等多个学科，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，因而BMIC也被业内人士称为“模拟芯片的皇冠”。 图5.BMS系统发展历程 2.BMIC：种类及功能 图6.BMIC芯片的分类 我们把BMS中的芯片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，此类芯片可以采用与非电池应用相同或相近的型号，无需针对BMS进行单独开发；专用芯片针对BMS应用专门开发，满足特定应用领域中的BMS功能需求 。 更进一步 ，BMS专用芯片又可以分为保护芯片（Protector） 、 充电芯片（Charger） 、电量计芯片（Gauge） 、 监测芯片（Monitor/AFE）、均衡芯片（Balancer）、认证芯片（Authentication）等类型，充电芯片还可以分为开关、线性和电荷泵等类型，均衡芯片可以分为主动均衡和被动均衡两种类型。下面分品类详细介绍每一种芯片的作用。 2.1.电池保护芯片（Protector） 电池保护芯片负责监测电芯的充放电情况，保障不会因为外部的滥用或者故障而对电池产生损伤。通常来说，电池保护芯片需要监测的异常情况包括过压（OV）、过流（OV）、放电过流（OCD）、充电过流（OCC）、过热（OT）等。当检测到出现异常情况时，电池安全芯片可以及时切断电路，保障电池系统的安全。目前部分BMIC芯片（充电芯片、电量计等）会集成保护功能，但为了实现更加全面的保护，专用电池保护芯片仍然是部分应用中不可缺少的组件。 从结构上来看，电池保护芯片主要由采样电路、放大电路、逻辑电路组成。相比监测、电量计等芯片，由于电池保护芯片的测量参数仅用于与阈值进行比较，采样精度要求相对较低，逻辑电路部分也以比较器为主，结构相对简单。 图7.TI电池保护芯片BQ77216功能框图 2.2.充电芯片（Charger） 充电芯片需要实现的功能有： 1）电源路径管理（PPM）：对电源路径进行控制，使得外部电源的开断不影响系统正常工作； 2）充放电控制：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阶段、恒流阶段和恒压阶段，各个阶段间的切换控制需要由充电管理芯片完成。 受限于芯片的成本、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，对于大功率应用场景（如电动汽车），一般采用由分立器件搭建的专用大功率充电电路。根据电路拓扑的不同，电池充电芯片又可以分为线性、开关和电荷泵等类型。 其中线性电池充电芯片通常应用于小功率充电场合，开关充电芯片应用最为广泛，可支持数十至上百W的充电应用；而电荷泵充电芯片主要用于快充场合，在恒流充电阶段可以有效提升充电效率。 图8.锂电池充电曲线 图9.主要应用于小功率场合的线性充电芯片 图10.采用电荷泵的充电系统 图11.采用电荷泵可以在充电阶段倍增电流 2.3.电量计量芯片（Gauge） 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等参数进行估计，并将结果反馈给控制器芯片。 电池电量计量芯片的核心能力在于高精度采样电路的设计和SOX算法。要实现高精度的SOX估计，高精度的电压电流采样必不可少。SOX算法种类多样，海外龙头大多有自己独特的、受到专利保护的算法。例如TI的阻抗追踪法可以记住电池特性随时间的变化情况，结合电池组具体的化学属性可以准确地知道电池的充电状态，从而延长电池组使用寿命。除此之外，常用的SOC估计算法还有修正放电终止电压法、动态电压修正法等。 图12.电池电量监测芯片框图 图13.放电终止电压法估计SOC示意图 2.4.电池监测与均衡器（Monitor/AFE和Balancer） 电池监测器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制器。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的场合（~10串到上百串）。通常，需要由多个监测芯片级联以形成完整的监测系统。 图14.汽车电池监测芯片示意图 在高串数系统中，为了保障电芯电压、电量的均衡，需要采取电量均衡措施。 目前电量均衡有两种常见的方案：主动均衡和被动均衡。主动均衡方案使用开关管和隔离变压器等器件在电芯之间构建能量变换电路，从而实现能量在电芯之间的流动；被动均衡方案则采用无源元件，将电量较多的电芯上多余的能量通过电阻耗散成为热能。被动均衡方案所需外部元器件较少，在成本和可靠性方面具有优势，但会增加系统损耗；主动均衡方案所需外部元器件较多，成本较高，但有助于降低损耗、提升系统可用容量。无源均衡方案一般集成在电池监测芯片中。 图15.主动均衡方案 图16.被动均衡方案 2.5.电池认证芯片（Authentication） 电池认证芯片早期主要用在可拆卸电池设备中。为了避免不匹配的电池对设备或用户造成伤害，一般选择在电池Pack中集成一颗电池认证IC，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。此外，尽管目前手机电池大多不可拆卸，为了避免用户自行替换电池带来的潜在风险，厂商一般也会选择在设备内置电池中配置一颗认证芯片。 图17.可拆卸电池架构 图18.电池认证过程 将以上保护、充电、电量计、监测、均衡、认证六类芯片（全部或部分）及其外围电路集成在一块或几块PCB上，并互相连接构成完整的信号通路，即构成了电池管理系统。根据欣旺达招股书数据，电池模组成本中IC占比约为5.38%。 图19.锂离子电池模组结构示意图 图20.锂离子电池模组成本占比 3.需求端：BMIC需求快速增长 3.1.消费：未来3-5年的最大下游领域 消费市场下游主要应用包括手机、笔记本、平板电脑、TWS耳机、智能手表等。其中手机/平板电脑/TWS耳机/智能手表一般采用3.7V锂离子电池，笔记本电脑一般采用3串12.
