新能源汽車BMS主要芯片及供應商分析-電子發燒友網

電子發燒友網報道（文/程文智）近年來，世界上許多國家和地區都出臺了“碳中和”的政策目標。聯合國秘書長古特雷斯甚至希望能在2050年之前，全球都實現“碳中和”。“碳中和”指的是每年的二氧化碳排放量與減排量互相抵消，為零排放。

為了實現“碳中和”目標，目前大部分國家的共識是希望通過大多數交通運輸系統的電氣化，來減少碳排放。因此，現在電動汽車（EV）大行其道，多數國家都在大力推行汽車電動化計劃。據Marklines統計，2020年全球電動汽車的總銷量為289.24萬輛，同比上升了45%。其中，中國區銷量最大，2020年全年銷售了120萬輛，緊隨其后的是德國的40.4萬輛和美國的32.4萬輛。這其中特斯拉貢獻最大，全年售出了45.9萬輛。

圖1：全球電動汽車2020年12月及全年銷量統計（單位：輛）。（數據來源：Marklines，東吳證券研究所）

有線BMS與無線BMS對比

目前在電動汽車當中，40%的成本來自電池，因此，電池的性能和壽命成為了電動汽車品牌取得成功的關鍵因素。而電池管理系統，即BMS（Battery Management System），能夠密切監視、控制和分配整個電池系統在使用壽命期間的可靠充電和放電，保證電池的安全性、耐久性和動力性。

隨著人們對電動汽車的需求越來越大，銷量越來越高，電動汽車制造商越來越關注如何通過既安全又具有成本效益的方式來提高汽車性能。他們尤為關注如何改進BMS，因為BMS能夠實時監控電動汽車中每個電池的性能。

一輛電動汽車中，往往有100個，甚至更多的鋰離子電池通過串并聯的方式連接后，來滿足汽車電機的負載要求，驅動汽車行駛。一般來說，電動汽車的內部電池組電壓不低于800V。那么該使用什么技術來保證電池組的安全可靠，以及性能呢？答案就是BMS解決方案。

圖2：基礎的新能源汽車高壓電池模塊架構。（來源:TI）

電池組組一般都多個電池模塊組成，每個電池模塊又包括多種傳感器、AFE(模擬前端)、主控/MCU、電流測量、以及充電/不充電開關等部分。其中，AFE專指電池采樣芯片，用來采集電芯電壓和溫度等信息。同時，它還要支持電池的均衡功能，通常來說芯片會集成被動均衡功能。MCU主要是用來處理AFE收集來的信息，計算SOC、SOH等參數，并將這些信息傳送給上一級VCU。充電/不充電開關由MCU控制，這個切換開關一般使用繼電器，很少使用MOS管。

圖3：適用于400V 至 800V 電動汽車的典型分布式電池組系統。

目前，新能源汽車中電池組的一種常見設計方法是采用分布式電池組系統，通過在不同的PCB上連接多個高精度電池監控器，支持包含多節電池的電池組。隨著技術的進步，如今的BMS解決方案主要有兩種：有線BMS解決方案和無線BMS解決方案。

這兩者的主要不同在于，在有線BMS解決方案中，通常利用雙絞線電纜，以菊花鏈方式連接電池監控器，以傳輸從每個電池模塊采集的數據；而無線BMS解決方案則是使用無線通信接口來傳輸這些數據。

圖4：有線BMS解決方案示例。

在圖4中，左側顯示了有線解決方案的電池管理或監測單元(BMU) 板，其中包括主機MCU和BQ79600-Q1通信橋接器件。此BMU連接MCU和單節電池監測單元(CMU)上其他BQ796xx監測器件，而CMU與實物電池連接。這些CMU通過雙絞線菊花鏈電纜在每個電池監控器件的高側和低側互聯，也可使用環形電纜，在電纜斷開時向任一方向傳輸數據。有線解決方案需要在菊花鏈電纜的任一端添加隔離元件，用來確保在高噪聲環境中可靠通信，并承受嚴格的汽車電磁干擾(EMI) 和電磁兼容性 (EMC) 限制。

圖5：無線BMS解決方案示例。（來源TI）

無線解決方案使用無線接口，通過無線收發器器件，將通用異步接收器/發送器(UART)數據從電池監控器傳輸到主機MCU。

兩種解決方案之間的重要區別在于，有線解決方案中的雙絞線電纜被替換為無線解決方案中每個BMU上的CC2662R-Q1器件。

從圖5中可以看出，與使用電纜相比，添加額外器件會提高復雜性和成本，但考慮到電纜的成本和重量，以及還需要在雙絞線接口任一側放置高性能隔離元件來確保通信穩定，添加額外器件是可以接受的。

圖6：有線BMS方案與無線BMS方案的有缺點對比。

圖：無線BMS方案。（來源：ADI）

目前無線BMS方案有TI的CC2642R-Q1、CC2662R-Q1，以及ADI的SmartMesh無線網格網絡系統與其電池組監視器的組合。

此外，2017年3月，英國一家名為Dukosi的BMS企業宣布融資200萬英鎊用于無線BMS技術的產品開發。該公司也是著眼于直接從電芯采集、處理和存儲數據，向PACK層面實時傳遞數據，以降低PACK的復雜度，改善測量精度。不過到目前為止，在其官網上還沒有發現他們有產品推出。

BMS方案的組成及供應商

我們知道BMS方案中主要的用的芯片有AFE、MCU、ADC、數字隔離器等，目前有哪些廠商可以提供這些芯片呢?我們依次來看。

首先是AFE，其實在汽車BMS方案中，可供我們選擇的AFE并不多。其實目前市面上可以接觸到的AFE內部結構基本都大同小異，最主要的不同點在于采樣通道數、內部ADC的數量、類型和架構。

AFE的主要供應商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞薩。其中ADI的產品線主要來自收購的凌力爾特和美信，瑞薩的產品主要來自收購來的Intersil。AFE產品的供應商主要是國外的企業，國內目前沒看到有哪家廠商提供AFE芯片。

表2：AFE主要供應商及產品型號。（來源：公司官網，公開信息）

從MCU方面來看，供應商主要有TI、ST、NXP、英飛凌、瑞薩等。目前國內也有不少MCU廠商都在積極布局車規級產品，比如兆易創新、芯旺微、比亞迪、杰發科等等。

表3：MCU主要供應商及產品型號。

在ADC方面，目前主要的供應商有TI、ADI、ST、瑞薩等，多數是美國廠商，ST雖然有，但產品系列比較少。國內可以提供車規級ADC的企業目前還沒發現。

在數字隔離方面，主要用在高低壓之間的數字通信，比如在BMS主控板上的高壓采樣與MCU之間的SPI通信，以及采樣板AFE與MCU的SPI通信。主要供應商有ADI、TI、SiliconLabs等。當然，除了使用數字隔離器外，也可以使用光耦、或者變壓器隔離方案。