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汽车芯片的新战场

最新更新时间:2023-01-03
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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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