锂电池管理芯片行业专题研究
（报告出品方/作者：海通证券，郑宏达、华晋书）
1. 行业概述：国外厂商全线布局，细分赛道国内厂商奋起直追
什么是电池管理系统
电池管理芯片针对电池提供电池计量、状态监控及电池保护、充电管理等功能。
电池安全芯片主要用于电池状态监控和电池单体均衡，通过实时监测每节电池或电池包，避 免出现过充、过放、过流和短路等故障，从而使电芯在安全稳定的范围内工作，延长电池寿 命，保障使用者的安全。
电池计量芯片可以提供电池的准确电压、电流、温度、健康度等信息，可以用于确定电池的 电量状态(SoC)和健康状态(SoH)，进行电池荷电状态估算。
电池充电芯片是充电时控制和检测电流和电压的，电器以最佳的状态为电池充电。
电池认证芯片集成了专业的加密认证算法（比如SHA-1, SHA-256, ECC等）来标识电池是授权的。只有授权的、安 全的电池才能使用或充电。
电池监测器（Monitor/AFE）：AFE为MCU和电量计提供电 芯和模组的电压、温度和电流等信息。由于AFE在物理上离 电池最近，AFE还可以控制断路器，如果触发任何故障，断 路器会将电池与系统的其余部分断开。
均衡器（Balancer）：电池均衡是通过对多节串联电池进行 容量最大化处理，确保各个电池单元能量可用，以此来延长 电池使用寿命的技术。
市场规模与竞争格局
根据赛微微电招股书援引Mordor Intelligence统计数据，2020年全球电池管理芯片市场规模 预计为74亿美元，2024年预计将增长至93亿美元。
德州仪器(TI)是行业龙头，TI的电池管理芯片产品包括充电器、电量监测计、监控器和保护 IC，可用于工业、汽车和个人电子产品应用。
电池管理IC 功能介绍：充电IC
简单而言是充电时控制和检测电流和电压的，使得电器以最佳的状态为电池充电。据知科技援引德州仪器(TI)电池管理产品(BMS)大中华区市场和应用部门经理文司华介绍， 电池容量的突变并不在于电池密度是否有显著提高，而在于手机的屏幕变大了，所以电池容 量、电池空间增大。另外，电池电压也在不断提高，原来都是4.2V电池，现在变成4.35V。电压提高的原因是：电芯每增加0.1V，能让电池续航时间提升5%~8%左右。价格差距较大，TI现有产品线报价0.3-6.4美金。
避免出现过充、过放、过流和短路等故障，从而使电芯在安全稳定的范围内工作，延长电池 寿命，保障使用者的安全。过充过放对电池的损害都是致命的，不同之处仅在于过充产生大量气体、易自燃和爆炸、表 象剧烈，过放外观变化和缓、但失效速度却极快，在正常使用中都应严格避免出现。对于单 体电池而言，在充放电的过程中，如果过充或者过放电都会造成电池内阻增大，负极析锂， 容量减小等一系列问题，使电池在使用过程中存在安全和寿命缩短的问题。对于电池组而言， 在成组之前就需要单体电池的电性能基本一致，在使用过程中也需要保持各个单体电池的性 能一致性，这样电池才能尽量发挥1+1>1的效果。TI现有产品线报价0.15-5.31美金。
电池管理IC 功能介绍：计量IC
电量计功能模块负责记录流入和流出电池组的电荷。电荷是电流与时间之积。设计电量计时 可使用多种不同的技术。测量电流的方法之一是使用电流感测放大器和带有嵌入式低分辨率 ADC的MCU。电流运算放大器在高共模环境中工作，它负责放大分流器上差分信号，以支 持更高的测量分辨率。这种设计技术以牺牲动态范围为代价。其他技术使用高分辨率ADC， 或昂贵的电量计 IC。了解负载行为的电流消耗-时间关系可确定电量计设计的最佳类型。SOH(State Of Health)主要表征当前电池的健康状态，为0-100%之间数值，一般认为低于 80%以后电池便不可再用。可以用电池容量或内阻变化来表示，用容量时即通过电池运行过 程数据估算出当前电池的实际容量，与额定容量的比值即为SOH。准确的SOH会提高电池 衰减时其他模块的估算精度。
SOC(State Of Charge)属于BMS核心控制算法，表征当前的剩余容量状态，主要通过安时 积分法和EKF（扩展卡尔曼滤波）算法，并结合修正策略（如开路电压修正，充满修正，充 电末端修正，不同温度及SOH下的容量修正等）。安时积分法在保证电流采集精度条件下 比较可靠，但鲁棒性不强，由于存在误差累计必须结合修正策略，而EKF鲁棒性较强，但算 法比较复杂，实现难度大。国内主流厂家一般常温可以做到精度6%以内，在高低温和电池 衰减时的估算是难点。SOE(State Of Energy)算法国内厂家现在开发的不多，或采用较为简单的算法，查表得到当 前状态下剩余能量与最大可用能量的比值。该功能主要用于剩余续航里程估算。TI现有产品线报价0.51-11.56美金。
电池管理IC 功能介绍：计量IC难点所在
BMS的剩余容量估算一直是业界难点。首先这是一个根据电池组电压，电流，放电倍率， 温度等因素经过算法计算的估算值，要求系统先要采集的足够准，足够快才能保证最后的结 果准确。这又对主控芯片的处理速度，AFE的精度，采集电流的方案选择，温度传感器的精 度提出新的要求，还有从系统整体考量采样频率的大小诸多因素有关。选用高处理速度高精 度的芯片势必会增加成本，采样频率越快系统负荷也越大，所以在目前技术条件下，业界都 是参考具体项目来权衡各方面因素。
电量计拥有电池的准确电压、电流、温度、健康度等信息，能够实时根据当前电池状态向主 机充电器索取最合适的充电电压、充电电流，能够在安全的条件下实现多种形式充电需求， 比如线损补偿、快充、降额充电等等。
电池管理IC 功能介绍：计量IC拓展
现行设备中有三种电量计，分别是：1）直接电池电压监控方法：电池电量的估计是通过简 单地监控电池的电压得来的，尽管该方法精度较低和缺乏对电池的有效保护；2）电池建模 方法，根据锂电池的放电曲线，建立一个数据表，每测量一个电压值，根据该电压去表中查 出所对应的电量，测量精度可以达到5%；3）库仑计，在电池串入一个电流检测电阻。该电 流与时间做积分就是变化的电量，因此其可以精确跟踪电池的电量变化，精度可达1%。
最准确和经济的解决方案是使用具有低漂移和高共模额定值的 16 位或更高分辨率ADC来测 量感测电阻器上的电压。高分辨率ADC提供大的动态范围，但以牺牲速度为代价。AFE模拟 前端芯片直接连着电芯，面临抗大量浪涌脉冲冲击、更高精度采样、更高安全等级等多种高 难度技术门槛的芯片设计要求。如果没有了AFE模拟前端芯片，BMS电池管理系统也就成了 无根之木。
电池管理IC 功能介绍：多电芯均衡
什么是电池的一致性？简单的说就是同型号单个电池之间的重量、电压、内阻等关键指标的 偏差程度，偏差越大，一致性越差。事实上，新能源汽车电池是把大量的单个电池通过串联 和并联的方式组成电池组，串联得越多，不一致性放大倍数越多，电池寿命越短。这也是我 们日常生活中不同品牌、新旧程度不一的电池不要混用的原因。
但在当前技术现状下，要求电池包内所有电芯完全一致是几乎不可能的事情，这就意味着各 电芯间会存在着不一致的工作条件（内阻/发热量/SOC区间）及不同的老化率，所以需要均 衡管理。BMS有被动均衡管理和主动均衡管理两种方式。
2. 需求推动：消费、动力和储能三管齐下，共同发力拉动增长
消费电子常见的电池管理系统
随着通信市场逐渐向高能耗的5G手机迭代，续航焦虑催生出对大功率快充的需求，不断升 级的终端设备也对电池管理提出了更高的技术要求。其中，用于评估电池剩余容量和健康状 态的BMS电量计芯片，亦随之迎来新的挑战。而电量计作为快充功能的一个关键模块，如果要参与到快充控制，就需要支持小阻值电流采 样电阻，以便支持较大的充电电流。
据IT之家百家号援引Aksje Bloggen数据，全球笔记本电脑出货量在2020年达到2.2亿台。时 代周报百家号援引Strategy Analytics，2021年同比增长19%，再次达到创纪录的2.68亿台。联想居第一，2021年全年共出货6340万台，年增长率达到16%，市场份额占比达24%。惠 普5900万台，yoy14%，份额22%；戴尔4570万台，yoy29%，份额17%。每日经济新闻百家号援引IDC，2021年全球共计出货平板电脑1.69亿台，较2020年增长 3.2%。其中苹果以34.2%的市场份额稳居第一，出货量达到了5780万台。三星18.3%的市场 份额排名第二，出货量为3090万台。
双轮电动车端常见的电池管理系统
据赛微微电招股书援引EV TANK和QY Research数据，2020年中国轻型电动车辆出货量为 2429万辆，其中锂电电动两轮车1136万辆，电动平衡车929万辆，电动滑板车产量364万辆。据赛微微电招股书显示，业内一辆锂电电动两轮车通常使用4-8颗电池安全芯片，一辆电动 平衡车或电动滑板车通常使用2-4颗电池安全芯片，外加1颗电量计和1颗充电管理芯片。
电动汽车端常见的电池管理系统
根据市界百家号，目前在电动汽车中40%的成本来自电池，因此，电池的性能和寿命成为了 电动汽车品牌取得成功的关键因素。集中式BMS：集中式BMS具有成本低、结构紧凑、可靠性高的优点，一般常见于容量低、 总压低、电池系统体积小的场景中。分布式BMS ：分布式的BMS架构能较好的实现模块级和系统级的分级管理。
储能与动力电池管理系统的不同之处
储能电池管理系统，与动力电池管理系统非常类似。但动力电池系统处于高速运动的电动汽 车上，对电池的功率响应速度和功率特性、SOC估算精度、状态参数计算数量，都有更高 的要求。
在各自系统里的位臵有所不同：在储能系统中，储能电池在高压上只与储能变流器发生交互， 变流器从交流电网取电，给电池组充电；或者电池组给变流器供电，电能通过变流器转换成 交流发送到交流电网上去。电池管理系统主要与变流器和储能电站调度系统有信息交互关系。电动汽车的BMS，在高压上，与电动机和充电机都有能量交换关系；在通讯方面，与充电 机在充电过程中有信息交互，在全部应用过程中，与整车控制器有最为详尽的信息交互。
硬件逻辑结构不同：储能管理系统，硬件一般采用两层或者三层的模式，规模比较大的倾向 于三层管理系统。储能电池管理系统与内部的通讯基本都采用CAN协议，但其与外部通讯， 外部主要指储能电站调度系统PCS，往往采用互联网协议格式TCP/IP协议。储能电池模组 的规模比较大，多串电池串联，较大的单体电压差将造成整个箱体的容量下降，串联电池越 多，其损失的容量越多。从经济效率角度考虑，储能电站很需要充分的均衡。动力电池管理 系统，只有一层集中式或者两分布式。所在的电动汽车大环境都采用CAN协议，只是按照电 池包内部组件之间使用内部CAN，电池包与整车之间使用整车CAN做区分。
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