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电动车的心脏——BMS
电池管理系统（BMS）在电动新能源汽车的发展中扮演着至关重要的角色。这一系统的主要任务是确保电池组在整个使用周期内的安全、高效运行，它通过细致的监控和管理机制，实现对电动车电池的全面把控。特别对于使用锂离子电池的电动车而言，BMS不仅是性能优化的关键，更是安全保障的基石。
电动汽车的动力源头是由众多小电池单体通过串并联的方式组合而成的电池组，最终形成动力电池单元。这些单体电池在出厂时因电化学特性的差异，存在一定的性能不一致问题。充电时，整个电池组通过单一的充电口充电，如何保证每一块电池既能充满电，又不因过度充电造成损害，是BMS需要解决的核心问题之一。
BMS通过实时监控每个电池单元的工作状态，确保其处于安全的电压、电流和温度范围内。它计算电池的充电状态（SOC）和健康状态（SOH），分别提供电池的剩余电量信息和相对于新电池的最大容量评估，这对于评价电池的可用能量和预估寿命至关重要。电池芯平衡功能则通过减少单元间的性能差异来提升整体性能和延长寿命。
BMS在设计上高度重视安全性，采取多种措施防止电池状态超出安全工作区，包括但不限于过充、过放、过流、过温等保护措施。这些通过具体的技术手段如过压保护（OVP）、过流保护（OCP）、过温保护（OTP）、低压关闭（UVLO）等实现，保障电池的稳定与安全。
随着新能源汽车产业的快速发展，BMS的市场需求持续增长，技术门槛也相应提高。当前，国内外许多企业都在加紧研发，旨在推出更加高效、安全的BMS解决方案。国内企业虽面临技术积累和市场经验的双重挑战，但随着研发投入的增加，已开始逐渐缩小与国际先进水平的差距。
随着电动汽车向更高电压、更大容量电池组进发，BMS的设计和实现也将面临更高的技术要求。智能化、模块化将成为BMS发展的重要趋势，更高的数据处理能力、更精准的监控技术、更先进的故障预警和处理机制将成为研究的重点。此外，BMS的集成化发展将使其在新能源汽车的智能驾驶技术中发挥更加重要的作用，成为连接车载动力电池与电动汽车其他系统的关键枢纽。
BMS的核心技术包括模拟前端芯片（AFE）、微控制单元（MCU）、高精度模/数转换器（ADC）等。AFE监控电池电压和温度，支持均衡功能。MCU处理采集的数据，并进行SOC和SOH的计算。同时，BMS涉及到高级的通信和隔离技术，确保与车辆其他系统的有效信息交换，同时保护电池安全。
新能源汽车增长，全球AFE芯片市场需求飙升
在新能源汽车领域，半导体的需求随着行业的快速发展而激增。根据中国汽车工业协会的最新数据，与传统内燃机汽车相比，每辆新能源汽车所需的芯片数量从500-600颗显著增加至1000-2000颗。其中AFE芯片作为BMS的核心芯片，负责采集电池电压、电流、温度等关键信息，是BMS能够精确监控和控制电池状态的基础。随着新能源汽车市场的扩大和电池技术的进步，对AFE芯片的需求呈现出快速增长的趋势。根据QYR数据显示，2017年至2022年，新能源汽车单车使用的AFE芯片数量从10-12颗增加到12-15颗，预计到2028年将进一步增加到15-18颗。预计2022年至2028年间，年复合增长率达到35.6%。与此同时，全球前端模拟（AFE）市场的销售额也在稳步上升，2022年达到6.8亿美元，预计到2029年将增长至27亿美元。全球BMSAFE芯片市场在过去几年中增速显著。特别是在中国市场，预计到2028年，BMS AFE市场销售额的增速将达到45%，显示出中国在全球新能源汽车芯片市场中的重要地位和快速增长潜力。
全球模拟前端（AFE）市场销售额预测（百万美元），来源：QYR
目前，AFE芯片市场主要由国际大厂如亚德诺半导体、德州仪器、微芯科技、意法半导体等在全球模拟前端市场占据主导地位，这些企业拥有先进的技术和广泛的产品线，能够满足不同客户的需求。北美地区作为全球最大的前端模拟（AFE）生产地区，占有约70%的市场份额，其次是欧洲，这进一步加大了国内企业的竞争压力。
尽管面临诸多挑战，国内企业也在积极布局BMS芯片领域，试图通过技术创新和产业升级来突破国际厂商的市场垄断。例如，中颖电子的BMS方案已成功占据市场的60%-70%份额，表明其产品性能已达到甚至超过了国际品牌的标准，得到了终端客户的广泛认可和支持。
近年来，随着中国电动汽车和储能市场的快速发展，国产AFE芯片企业迅速发展。在新能源汽车领域，车规级BMSAFE芯片需求不断上升，尤其是18通道的产品成为市场上的主要需求，如TI的BQ79718-Q1和ADI的LTC6813都支持高达18通道。这类AFE芯片的成本和售价近年来有显著下降，从原先的8美元以上降至2美元左右，预计将进一步减至2美元以下。尽管ADI、TI、NXP和瑞萨这四大厂商几乎占据了市场的90%份额，限制了国产BMSAFE产品的市场空间，但近两年来，国内厂商如MPS、矽力杰、拓尔微等50多家企业加入了BMS芯片的竞争，显示出国产厂商进入该领域的决心和势头。比亚迪、琪埔维等公司在车规级BMSAFE芯片设计和生产方面取得了突破，提供了模拟前端采样芯片、数字隔离通讯接口芯片和微控制器等系列产品，并助力国产化进程。
案例分析
近年来，随着技术的进步，市场上出现了多款高性能的AFE芯片。多节电芯采集芯片目前市面上主要有4串的、7串的、8串的、12串的、14串的、16串的。其中以12串、14串的居多。其中比较典型的是ADI的LTC6803HG以及NXP的MC33771A还有TI的BQ76930、BQ79616等产品。
这里与非研究院特别整理了几个典型的AFE芯片方案作为案例展示：
ADI LTC6813，来源：芯智联
ADI LTC6813版图架构，来源：芯智联
比亚迪4串的BM3451采集芯片方案
ADI 12串的LTC6803HG的采集方案
ADI的LTC6813是一款具有64管脚QFP封装的高精度锂电池电芯采样芯片，采用0.18um 1P4M BCD工艺，支持广泛的电池配置需求。其设计考虑了功能安全要求，能够适应不同的电池模组配置，满足采样精度和温度点数量等详细要求。LTC6813能够对并联电芯进行高效采样，支持复杂的串并组合，适应不同电芯数量的模组，且能够承受负压采样，为BMS提供了灵活而强大的解决方案。
TI的BQ76930和BQ79616则代表了TI在AFE领域的先进技术。BQ76930特别适用于较小规模的电池模组采集，而BQ79616则更适合于高电压、多电池串的应用场景。它们均提供了高精度的电压和温度采集能力，以及强大的电流检测功能，支持复杂的电池管理需求。
在实际应用中，电芯采集方案需要考虑多个方面，包括电芯的串并配置、采样通道的数量、采样精度、以及温度采集能力等。例如，英飞凌的TLE9018DQK采集方案就能同时监控18串电池，具有高达120V的最高电压耐受能力和强大的ESD功能，能够在无外部保护的条件下支持热插拔。此外，TLE9018DQK还集成了带有数字补偿算法的应力感应器和温度补偿，能够在复杂环境下保持高采集精度，适合应用在各种新能源车及储能产品上。
无线、高精度，AFE芯片技术趋势
BMS的关键参数包括电池串数的支持、采集精度、功耗以及异常状态保护输出时间等。
目前，市场上的最大需求细分正在从A00/A0级逐步转向A/B级汽车。这一趋势不仅推动了电池技术的快速发展，电池包的串数也在逐步增加，从而引发了一系列设计和管理挑战。例如，电池包的串数正向100串、200串乃至更多串数过渡，这就对电池本身的设计和电池管理系统（BMS）的安全特性提出了更高的要求。因为电池串联后电压会升高，因此，BMSAFE芯片的设计及制造都需要采用中高压芯片的工艺。这种变化意味着我们必须面对更高电压带来的耐压、绝缘安全挑战，同时还要高效管理电池的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）。
除了电池串数以外，还有安全的要求越来越高。目前，高端的电化学阻抗谱（EIS）设备通常价值数十万，主要用于实验室研究，并不能直接应用于车载或储能领域。然而，大唐恩智浦半导体创新地将EIS功能集成到体积仅为半个指甲盖大小的电池管理芯片中，成功地实现了该技术在车载和储能系统中的在线应用。通过集成EIS技术，BMS能够提前预知电池风险，有效减少问题电池的发生，从根本上降低安全风险。例如，大唐恩智浦推广的单节电芯采样芯片DNB1168，它专门针对单节电芯进行采样，并具备EIS功能。
另一个技术趋势，是从有线的菊花链通信转向无线通信。随着无线BMS方案的出现，例如TI的CC2662方案，采集板可以去除网络变压器、信号连接器及线束，从而简化系统设计，减少成本。无线BMS技术的发展，尤其是标准化的无线协议的推广，预示着未来BMS系统设计将更加灵活和高效。无线BMS方案的厂家已经有很多，如TI、ADI、伟世通等。这种方案的优势在于能够减少通信线束的规模，特别是当应用需要对每一节电芯都配置单独的采集板时，无线BMS的优势将完全体现出来。
其它的关键参数包括采集电压、电流，以及温度的精度，这决定了保护的精度，电池容量估算的精度。据与非研究院了解，《电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范》（GB/T34131-2017）已更新为2023版（GB/T34131-2023），新的国标规定了BMS的工作环境、技术要求、试验方法和检验规则等内容。新国标对电流、电压、温度的采集误差和采样周期进行了更为精细化和科学化的规定。例如，针对磷酸铁锂电池（电压5V以下），新国标要求采集精度控制在5mV以内，相比旧国标的要求提升了一倍。这对BMS系统的设计和性能提出了更高的要求。比如TI目前主推的BQ79718-Q1异常检测精度可以高达1mV的数量级，并具备300mA电流能力的被动式电池平衡功能。
例如，TI的BQ79718-Q1不仅能提供高达1mV的采集精度，还集成了300mA电流能力的被动电池平衡功能，这些技术进步对提高BMS性能和电池安全性至关重要。
此外，在国际市场上，《欧盟新电池法》规定了动力电池和工业电池必须具备碳足迹声明和数字电池护照。大唐恩智浦的DNB系列AFE芯片可在电池生产阶段嵌入电池内，实现电池全生命周期的健康管理及碳足迹追踪，这对于提升电池的环境友好性和市场竞争力至关重要。
AFE芯片国内外主要玩家介绍
随着电动汽车和可再生能源市场的快速发展，对AFE芯片的需求也在不断增加。厂商们不仅在提高产品的性能和可靠性上不断努力，同时也在创新设计上寻求突破，以满足更严苛的应用要求和安全标准。根据与非研究院整理，目前主要的国外AFE芯片厂商包括德州仪器(TI)、ADI、美信(Maxim)、Linear Technology、ONSEMI、NXP、STMicroelectronics(ST)、Monolithic Power Systems(MPS)、Infineon(英飞凌)、Microchip、瑞萨科技、罗姆以及日清纺微电子等。这些厂商提供的产品涵盖从几串到多达18串电池的电池监控解决方案，满足不同应用场景的需求。
这些AFE芯片具有多项共同特点，例如高精度电压和电流测量、低功耗设计、多种通信接口支持、集成的电池保护和平衡功能、以及通过AEC-Q100汽车认证等。此外，某些芯片特别强调其独特功能，如德州仪器的ImpedanceTrack™技术、ADI的isoSPI通信技术、以及英飞凌的高级端到端安全机制。
国际AFE芯片厂商汇总表（部分），来源：与非研究院整理
国产AFE（Analog Front End）芯片领域近年来迅速崛起，伴随技术的持续进步和市场的不断扩大，多个国内厂商凭借其创新能力和技术积累，在高端模拟芯片研发上取得显著成就，逐渐缩小与国际先进水平的差距，为国内新能源汽车、储能、工业等领域提供了高性能、高可靠性的解决方案。
其中车规领域值得重点关注的是琪埔维CHIPWAY，是国内较早专注于汽车半导体芯片设计的公司，其产品线覆盖了从BMS核心芯片到多节电池组监控芯片等多个系列，特别是XL8812和XL8814/XL8816/XL8818系列产品，不仅满足了AEC-Q100和ISO26262的汽车安全标准，还在电池监控串数、测量精度、通讯速率等方面进行了显著提升。
另一家比亚迪半导体作为国内领先的新型半导体企业，不仅在功率半导体、智能控制IC等领域有深入研究，其车规级AFE芯片BF8915A-1的量产也标志着比亚迪在汽车半导体领域的深耕细作，为新能源汽车提供了更高精度和可靠性的电池管理解决方案。
集澈电子等国产企业展现了其在电池管理系统领域的专业水平和技术创新能力，推出的BMSAFE DVC10XX系列产品能满足从3节到36节电池的管理需求。同时，代表性企业如航天民芯、矽力杰、杰华特、大唐恩智浦、芯海科技等，通过其独特的AFE产品系列，在低功耗、高精度监控、多样化保护功能等方面满足了市场的广泛需求。
除了上述企业，凹凸科技、鹏申科技、华泰半导体等新兴力量，通过不断的技术创新和产品优化，展示了强大的竞争力和技术实力。这些企业的成长，不仅反映了国内半导体产业在自主创新和技术积累方面取得的显著进步，而且为“中国芯”的发展打下了坚实的基础。例如，航天民芯的MT9818产品以低功耗和高集成度著称，适合于工业级和汽车级应用。矽力杰的SY689x0系列产品以高性能、高精度被市场广泛认可，而杰华特微电子的JW3376产品则在电动汽车、储能系统等应用场景中展现出了极高的价值。
国产AFE芯片厂商汇总表（部分），来源：与非研究院整理
国产AFE芯片如何挑战TI、ADI？
总的来看，在动力电池和储能电池领域，BMS的市场正持续扩大，为寻求增量市场的国产芯片厂商提供了新的突破机会。随着电动化和智能化的不断进步，对BMS AFE芯片的需求将更倾向于更高的精度和更多的串数。
这一次与非研究院统计了25家国产AFE芯片厂商（包括台系），其中号称要做车规级AFE的在5~8家左右，不过大多在研发阶段，真正量产上车的目前仅已知的包括琪埔维CHIPWAY、比亚迪半导体量级。可见车规级的门槛还是很高，让不少国产厂商望而却步，将重点投入串数更低的电动摩托车等市场。
事实上，近年来随着国产半导体的崛起，在设计和制造的成本上，本土企业已经不低于国际厂商。因此在车规级的市场，不能单纯的拼价格，而应该通过技术创新来竞争。琪埔维是目前少数专注于车规级AFE芯片设计的先驱之一，其产品XL8818系列展示了国产车规级芯片在性能指标上的卓越表现，符合甚至超过了新国标的严格要求。这标志着国产车规级芯片正逐步缩小与国际厂商的差距，向高端市场迈进。而大唐恩智浦则结合锂电池电化学阻抗谱（EIS）技术的发展，开发了与电池阻抗相匹配的AFE芯片，这也为国产AFE的发展打开了另一条思路。随着技术的进步和产业链的完善，预期未来将有更多高性能、高集成度的AFE产品出现，进一步推动新能源汽车、智能电网等行业的发展。希望国产AEF芯片能够加速产品迭代，探索与电池技术结合的新方向，并优化成本控制，在强手如云的车规级领域占据一席之地。
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