報告出品/作者：財通證券、張益敏

以下為報告原文節(jié)選

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1. BMS ：電池系統(tǒng)的大腦、管家、保鏢

電池技術在 200 余年的時間里不斷演進，并在近 30 年的時間里取得了飛速發(fā)展，從最早期的銅-鋅電池、鉛酸電池，到目前的鋰電池、鈉電池，電池能量密度從早期的~10Wh/kg 飛速攀升至 200Wh/kg?；仡櫄v史上來看，電池管理系統(tǒng)的技術，也是伴隨著電池技術的升級，在工程實踐中不斷得到提升的。

1.1. 無管理時代：自己動手，豐衣足食

早期的電池如鎳鎘電池等，以單體電池的形態(tài)出現(xiàn)，往往不需要電池間均衡，使用者一般通過測量電池端點電壓實現(xiàn) SOC 估計。后續(xù)隨著電壓和功率需求的增加，電池串聯(lián)使用的出現(xiàn)（如 12V 鉛蓄電池由 6 個單格鉛蓄電池組成），人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的電池使用方法存在以下兩個問題：1）傳統(tǒng) SOC 算法估計的準確度大大降低：由于各個單節(jié)電池特性存在差異，單一的擬合公式無法實現(xiàn)電量的準確估計；2）由于 SOC 估計誤差，各個電池單節(jié)之間的電量均衡較差，單體電池時常處于過充/過放狀態(tài)，導致電池組的使用壽命也大大降低。
為了解決以上兩個問題，人們開始定期檢查電池一致性，對電量比平均值多（少）的電芯及時地進行放電（充電）。同時，定期對所有電芯進行完全充放電測試以確定整體電池組的電池容量和使用狀態(tài)，避免電池組在錯誤狀態(tài)下長時間工作。這便是最早的 BMS ，依靠人的手動定期操作，實現(xiàn)電池錯誤檢測、SOC 和電池容量估計、保障充放電一致性。
1.2. 簡單管理：小米加步槍，自動化程度提升

無管理/手動管理的缺點顯而易見：無法實現(xiàn)實時檢測、維護繁瑣且需要耗費電池壽命。也正因此，從原始的手動電池管理，衍生出了現(xiàn)代 BMS 的雛形，通過搭建電路，對每個單體電芯的電壓、電流、SOC 狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，實現(xiàn)了傳統(tǒng)意義上需要通過人工手動完成的功能。這一類型的 BMS 產品最早出現(xiàn)時間已不可考，我們搜集到最早的資料是德國 Mentzer 公司于 1991 年設計的 Badicheq4000 型系統(tǒng)，對每個單體電芯，Badicheq4000 系統(tǒng)都使用一個采樣模塊進行監(jiān)控，并且通過現(xiàn)場總線將相關參數(shù)回傳給主 MCU。

1.3. 全面管理：SOC 估計精度提升，功能集成度提升

簡單的電池管理系統(tǒng)由分立的多個子模塊組成，盡管自動化程度大幅提升，但分立方案需要復雜的線路布置，占地面積大；同時模塊數(shù)的增加也降低了系統(tǒng)整體的可靠性。進入 21 世紀，伴隨著手機、筆記本、平板電腦需求的快速增長，鋰電池得到了廣泛應用。鋰是一種化學性質極為活潑的金屬，鋰電池過充、過放都將導致嚴重的后果。早期的 BMS 沿用了監(jiān)測電池兩端電壓進行 SOC 估計的方案，精度有限，對于鋰電池場景不再適用，也正是在這一時期，各類 SOC 估計算法開始出現(xiàn)，并一度成為學術界熱點。

在這一時期，工業(yè)界也逐漸形成了對 BMS 系統(tǒng)功能要求的共識，具體包括以下 5個方面：

? 通過監(jiān)測外部參數(shù)如電壓、電流、溫度等，實時檢測電池狀態(tài)。并通過適當?shù)乃惴▽﹄姵氐?DC 電阻、最大容量、SOC 等進行估計。
? 提升電池的能量利用率，為電池的使用和維護提供數(shù)據(jù)支持。
? 避免單節(jié)電芯的過充、過放。
? 確保用戶安全。
? 延長電池壽命。
將以上功能集成進一顆或幾顆芯片中，便形成了電池管理芯片（BMIC）。為了實現(xiàn)以上功能，BMIC 的研發(fā)需要橫跨電、熱、化學等多個學科，在算法設計、模擬采樣電路設計、高壓 BCD 工藝、復雜數(shù)字電路設計、電路可靠性等方面具備深厚技術積累，因而 BMIC 也被業(yè)內人士稱為“模擬芯片的皇冠”。

2. BMIC ：種類及功能

我們把 BMS 中的芯片分為通用和專用兩種類型。通用芯片包括 MCU、電源管理芯片、通訊接口等芯片，此類芯片可以采用與非電池應用相同或相近的型號，無需針對 BMS 進行單獨開發(fā)；專用芯片針對 BMS 應用專門開發(fā)，滿足特定應用領域中 的 BMS 功能 需求。更進 一步， BMS 專用芯片 又可以 分為 保護芯片（Protector）、充電芯片（Charger）、電量計芯片（Gauge）、監(jiān)測芯片（Monitor/AFE）、均衡芯片（Balancer）、認證芯片（Authentication）等類型，充電芯片還可以分為開關、線性和電荷泵等類型，均衡芯片可以分為主動均衡和被動均衡兩種類型。下面分品類詳細介紹每一種芯片的作用。
2.1. 電池保護芯片（ Protector ）

電池保護芯片負責監(jiān)測電芯的充放電情況，保障不會因為外部的濫用或者故障而對電池產生損傷。通常來說，電池保護芯片需要監(jiān)測的異常情況包括過壓（ OV ）、過流（ OV ）、放電過流（ OCD ）、充電過流（ OCC ）、過熱（ OT ）等。當檢測到出現(xiàn)異常情況時，電池安全芯片可以及時切斷電路，保障電池系統(tǒng)的安全。目前部分 BMIC 芯片（充電芯片、電量計等）會集成保護功能，但為了實現(xiàn)更加全面的保護，專用電池保護芯片仍然是部分應用中不可缺少的組件。
從結構上來看，電池保護芯片主要由采樣電路、放大電路、邏輯電路組成 。相比監(jiān)測、電量計等芯片，由于電池保護芯片的測量參數(shù)僅用于與閾值進行比較，采樣精度要求相對較低，邏輯電路部分也以比較器為主，結構相對簡單。

2.2. 充電芯片（Charger ）

充電芯片需要實現(xiàn)的功能有：

1）電源路徑管理（PPM）：對電源路徑進行控制，使得外部電源的開斷不影響系統(tǒng)正常工作；

2）充放電控制：對電池的充放電進行恰當?shù)目刂坪凸芾恚湫偷碾姵爻潆娺^程通常分為涓流階段、恒流階段和恒壓階段，各個階段間的切換控制需要由充電管理芯片完成。
受限于芯片的成本、體積和散熱要求，充電芯片一般僅用于小功率用電器的充電，對于大功率應用場景（如電動汽車），一般采用由分立器件搭建的專用大功率充電電路。根據(jù)電路拓撲的不同，電池充電芯片又可以分為線性、開關和電荷泵等類型。
其中線性電池充電芯片通常應用于小功率充電場合，開關充電芯片應用最為廣泛，可支持數(shù)十至上百 W 的充電應用；而電荷泵充電芯片主要用于快充場合，在恒流充電階段可以有效提升充電效率。

2.3. 電量計量芯片（ Gauge ）

電量計量芯片的作用是通過對電池外部特性（如電壓、電流、溫度等）的測量，采用特定算法對電池的 SOC /SOH 等參數(shù)進行估計，并將結果反饋給控制器芯片。
電池電量計量芯片的核心能力在于高精度采樣電路的設計和 SOX 算法 。要實現(xiàn)高精度的 SOX 估計，高精度的電壓電流采樣必不可少。SOX 算法種類多樣，海外龍頭大多有自己獨特的、受到專利保護的算法。例如 TI 的阻抗追蹤法可以記住電池特性隨時間的變化情況，結合電池組具體的化學屬性可以準確地知道電池的充電狀態(tài)，從而延長電池組使用壽命。除此之外，常用的 SOC 估計算法還有修正放電終止電壓法、動態(tài)電壓修正法等。

2.4. 電池監(jiān)測與均衡器（ Monitor /AFE 和 和 Balancer ）

電池監(jiān)測器的主要功能是對電池參數(shù)進行高精度監(jiān)測，并通過通訊接口將相關數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器。與電量監(jiān)測芯片不同的是，電池監(jiān)測芯片僅具有參數(shù)監(jiān)測功能，一般用在高串數(shù)串聯(lián)的場合（~10 串到上百串）。通常，需要由多個監(jiān)測芯片級聯(lián)以形成完整的監(jiān)測系統(tǒng)。

在高串數(shù)系統(tǒng)中，為了保障電芯電壓、電量的均衡，需要采取電量均衡措施。
目前電量 均衡有兩種常見的方案：主動均衡和被動均衡。主動均衡方案使用開關管和隔離變壓器等器件在電芯之間構建能量變換電路，從而實現(xiàn)能量在電芯之間的流動；被動均衡方案則采用無源元件，將電量較多的電芯上多余的能量通過電阻耗散成為熱能。被動均衡方案所需外部元器件較少，在成本和可靠性方面具有優(yōu)勢，但會增加系統(tǒng)損耗；主動均衡方案所需外部元器件較多，成本較高，但有助于降低損耗、提升系統(tǒng)可用容量。 無源均衡方案一般集成在電池監(jiān)測芯片中。

2.5. 電池認證芯片（ Authen tication ）

電池認證芯片 早期 主要用在可拆卸電池設備中。為了避免不匹配的電池對設備或用戶造成傷害，一般選擇在電池 Pack 中集成一顆電池認證 IC，并在電池連接至系統(tǒng)時進行認證，只有驗證通過的電池才能為系統(tǒng)供電。此外，盡管目前手機電池大多不可拆卸，為了避免用戶自行替換電池帶來的潛在風險，廠商一般也會選擇在設備內置電池中配置一顆認證芯片。

將以上保護、充電、電量計、監(jiān)測、均衡、認證六類芯片（全部或部分）及其外圍電路集成在一塊或幾塊 PCB 上，并互相連接構成完整的信號通路，即構成了電池管理系統(tǒng)。 根據(jù)欣旺達招股書數(shù)據(jù)，電池模組成本中 IC 占比約為 5 .38%。

3. 需求端：B MIC 需求快速增長

3.1. 消費 ：未來 3-5 年的最大下游領域

消費市場下游主要應用包括手機、筆記本、平板電腦、TWS 耳機、智能手表等。其中手機/平板電腦/TWS 耳機/智能手表一般采用 3.7V 鋰離子電池，筆記本電腦一般采用 3 串 12.6V 鋰離子電池。
目前 消費電子產品中的 所涉及的 BC MIC 一般包括 充電芯片（ Charger）、 電量 計（ Gauge ）、 電池保護（ Protector ） 三 種類型。此外，早期手機采用可拆卸電池，因此除了充電芯片、保護芯片、電量計以外，還需要一顆額外的認證芯片。
而近年來，隨著智能手機電池向不可拆卸的技術方案演變，僅在部分高端智能手機上才能發(fā)現(xiàn)認證芯片的身影。
測算假設：

? 在手機、 筆記本電腦、 TWS 、 平板電腦、智能 手表 應用中 ，單臺設備平均需要 1 顆充電芯片、1 顆電量計芯片、1 顆電池保護芯片。
? 對于中高端手機，平均額外需要 1 顆電荷泵芯片、1 顆電池認證芯片。

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