电池管理系统 (BMS)是锂离子电池组的"大脑",对电芯(组)进行统一的监控、指挥及协调。从构成上看,电池管理系统包括电池管理芯片(BMIC)、模拟前端(AFE)、嵌入式微处理器,以及嵌入式软件等部分。BMS根据实时采集的电芯状态数据,通过特定算法来实现电池组的电压保护、温度保护、短路保护、过流保护、绝缘保护等功能,并实现电芯间的电压平衡管理和对外数据通讯。

现今的电子设备,小至TWS耳机和可穿戴设备,大至电动汽车,都离不开锂离子或聚合物电池的供电。依据电子设备所需电力的大小,电池组可能由多个电池单元(电芯)排列而成。电池组的充电和放电、输入/输出电压和电流等状态都需要精密监控和测量,以保证电子设备的安全供电。这就需要一种专门监控电池组运行状态的电池管理系统 (BMS) ,用于电池组的监控、计算、通信和保护。

  • 监控:BMS可监控电池组的各种状态指标,包括电压(单节电芯的电压、总电压,或介于二者之间的特定电压)、温度(平均温度、单个电芯的温度)、输入/输出电流、单节电芯的健康状况,以及电芯的均衡状态;
  • 计算:BMS可以计算出很多指标的量值,包括电压(最小和最大电芯电压)、表明充电处于什么水平的荷电状态(SoC)、衡量电池容量的健康状态(SoH)、安全状态(SOS)、最大充电电流即充电电流上限(CCL)、最大放电电流即放电电流上限(DCL)、决定开路电压的电芯内阻、所提供的总电能、总工作时间、温度监控等;
  • 通信:BMS内部的中心控制器可以与内部硬件通信,也可以通过各种方式进行外部通信(比如USB、CAN或无线通信协议);
  • 保护:BMS还可以对电池进行多种保护,以防止电池组状态超出安全工作区(SOA),比如充/放电过流、充/放电过压、过温、过压力,以及电流泄露等。

典型的锂电池充放电电流变化状态。(来源:Synopsys)

BMS能够密切监视、控制和分配整个电池系统在使用寿命期间的可靠充电和放电。精确监控电流和电压分布至关重要,因为电池过度充电可能会引起火灾或爆炸,而充电不足(或完全放电)则会导致电池失效。BMS的质量直接影响电子设备的续航能力,优质的电池管理系统能够较大限度地延长电池的整体使用寿命,从而降低总拥有成本。

Fabless技术和应用系列直播—电源管理芯片的设计、应用及市场趋势

BMS的主要组成

BMS是锂离子电池组的"大脑",对电芯(组)进行统一的监控、指挥及协调。从构成上看,电池管理系统包括电池管理芯片(BMIC)、模拟前端(AFE)、嵌入式微处理器,以及嵌入式软件等部分。BMS根据实时采集的电芯状态数据,通过特定算法来实现电池组的电压保护、温度保护、短路保护、过流保护、绝缘保护等功能,并实现电芯间的电压平衡管理和对外数据通讯。

电池管理芯片(BMIC)是电源管理芯片的重要细分领域,包括充电管理芯片、电池计量芯片和电池安全芯片。充电管理芯片可将外部电源转换为适合电芯的充电电压和电流,并在充电过程中实时监测电芯的充电状态,调整控制充电电压、电流,确保对电芯进行安全、高效的充电。根据锂电池的特性,充电管理芯片自动进行预充、恒流充电、恒压充电,有效控制充电各个阶段的充电状态。

充电管理芯片根据工作模式可分为开关模式、线性模式和开关电容模式。开关模式效率高,适用于大电流应用,且应用较灵活,可根据需要设计为降压、升压或升降压架构,常用的快充方案通常都是开关模式。线性模式适用于小功率便携电子产品,对充电电流、效率要求不高,通常不高于1A, 但对体积、成本则有较高要求。开关电容模式可以做到高达97%以上的效率,但由于架构的原因,其输出电压与输入电压通常成一个固定的比例关系,实际应用中通常与开关型充电管理芯片配合使用。

电荷泵(charge pump)充电管理芯片采用开关电容方式进行充电电压和电流转换控制,相较通用充电管理芯片,电荷泵芯片无需搭配电感,具有更高效率、更高功率密度、更低发热等优点,现已成为22.5W 以上手机大功率充电的主流方案之一。

此外,随着手机无线充电的流行,无线充电管理芯片也逐渐成为充电管理芯片产品的一个重要分支。无线充电包括无线发射端芯片和无线接收端芯片,在无线充电板、无线车充、无线移动电源及手机等终端产品中广泛采用。其中发射端芯片一般包括Tx模拟前端和Tx嵌入式芯片,可支持20W发射功率;接收端芯片为TRx 嵌入式芯片,主要应用于手机接收端,最大可支持50W接收功率。

电池计量芯片(电量计IC)主要用来采集电芯电压、温度、电流等信息,通过库仑积分和电池建模等方式计算电池电量、健康度等信息,并通过I2C/SMBUS/HDQ等通信端口与外部主机通信。电量计IC与电池保护IC既可分立,也可集成。一级保护IC可以控制充、放电 MOSFET,保护动作是可恢复的,即当发生过充、过放、过流、短路等安全事件时就会断开相应的充放电开关,安全事件解除后就会重新恢复闭合开关,电池可以继续使用。

硬件、算法和固件是电量计芯片的三大核心要素,硬件用来实现高精度采样和低功耗运行;算法用来对电池进行建模;固件用来实现算法编程,计算输出容量信息。在选择电量计芯片时,通常需要考虑到电芯化学类型、电芯串联数目、通信接口、电量计放在电池包内(Pack-side)还是放在系统板上(System-side)、电量计算法、是否集成电池保护均衡等功能、支持充放电电流大小,以及存储介质和封装形式等。

相比System-side 电量计,Pack-side 电量计芯片直接采样电芯电压,电压更准确,有利于提高电量计量、充电以及保护精度;Pack-side 采用可集成加密认证算法的电量计,综合成本更低;Pack-side 电池保护板PCM 电压、电流、温度校准更容易,项目开发周期更短;Pack-side 电量计面对可插拔电池时RAM 数据不丢失,数据更准确。

电池计量芯片属数模混合信号芯片,涉及计量算法、AFE/ADC及计算电路等,核心技术体现在计量精度、管理电池串数、平台电压、功耗水平等。其中AFE自带ADC,可以进行模数转换,但需要配合嵌入式微控制器(MCU)才能实现电量计功能。

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元。嵌入式处理器可以分为嵌入式微处理器(MPU)、嵌入式微控制器(MCU)、嵌入式DSP 处理器(EDSP)及嵌入式片上系统(SoC)。电池管理芯片通常以SoC的形式,直接在片内处理器中嵌入软件代码,通过软硬件无缝结合,灵活实现对电池状态的监测、计量、控制、通讯等功能,把过去许多需要系统设计解决的问题集中在芯片设计中解决,从而简化系统设计,提高集成度,降低系统功耗,提高可靠性。

BMS主要应用市场

BMS的芯片方案通常围绕电池管理IC构建,在一个封装中集成低功耗MCU和高性能模拟前端(AFE),并提供开发工具来支持开发安全可靠的锂电池管理系统。BMS的适用范围十分广泛,从最基础的消费类应用,如手机、笔记本电脑、电动工具、电动摩托车等,到通信基站、电动汽车、光伏备用电源、军事装备等工业应用。

其中,电动汽车产业的快速成长正在推动BMS 的快速发展。据前瞻产业研究院统计分析,2020年全球BMS下游应用中:动力电池应用占54%,消费电池占22%,储能及其它电池占24%。据Business Wire 估计、前瞻产业研究院整理,2021年全球BMS市场规模预计为65.12 亿美元,至2026 年预计可达131亿美元,CAGR高达15%。另据Mordor Intelligence,2024 年全球电池管理芯片市场规模预计达93亿美元,市场空间十分广阔。

汽车BMS

汽车动力电池BMS一端与电池相连,另一端与整车控制及电子系统相连,通过CAN 总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统实时通讯。相比消费电池和储能电池,动力电池需要在高温、震动的环境中工作,且一般为模组电池,一组具有多节电芯,需要处理电芯、碰撞、CAN、水泵、高压、绝缘等信号,对可靠性及稳定性要求更高。

汽车BMS 常见系统架构。(来源::CSDN,安信证券研究中心)

汽车BMS涉及多项核心技术,主要包括电池温度与电压电流采集、SOX 估算、充电控制、热管理、继电器诊断、高压安全、故障诊断等。电池温度、电压是电池的关键参数,BMS 的控制是基于该参数基础上进行分析和控制,通过温度传感器采集的温度判断电池是否处于过温状态。电池总压的采集可以使用高压盒,电流的采集可以使用霍尔电流传感器、分流器。SOX估算统指电池状态估计,包括SOC、SOH 和SOP 估计,是BMS 最核心的技术。据盖世汽车研究院统计,目前部分领先BMS企业的精度水平最高可达3%左右,国内一线BMS 厂家达5%左右,国内二线BMS 厂家为5~10%左右。

BMS的系统结构分为集中式、分布式、半集中式结构,由于分布式管理架构可复制性高,可应用于多种不同的车型电池包,有望助力新能源汽车持续发展。此外,BMS的均衡模式分为主动均衡(能量转移式均衡)和被动均衡(能量耗散式均衡)。被动均衡管理由于成本低、复杂度和故障率低,被国内外企业广泛运用,但主动均衡管理效率较高,均衡电流大,能量耗散少,随着热风险和电路复杂逐渐克服,BMS 有望向主动均衡管理过渡。因此,分布式管理架构和主动均衡管理将是汽车BMS的未来技术趋势。

此外,随着技术的进步和BMS市场的发展,市场上逐渐出现有线BMS和无线BMS两种方案。在有线BMS 解决方案中,通常利用双绞线电缆,以菊花链方式连接电池监控器,以传输从每个电池模块采集的数据;而无线BMS 解决方案则使用无线通信接口来传输这些数据。

2019 年,ADI 公司收购凌力尔特公司,并和通用汽车等整车企业合作研发无线BMS,推出了无线BMS系统与平台,在电池生产至回收的全周期内检测电池数据并分析,使动力电池价值最大化。2021年,TI宣布推出获得TÜV SÜD 功能安全认证的无线BMS解决方案,实现电池数据和控制命令传输的无线化,其SimpleLink CC2662R-Q1 无线MCU 符合AEC-Q100标准,基于Arm Cortex-M4,片上集成了丰富模拟外设,以及射频子系统,并集成了专用的无线BMS协议栈,采用2.4GHz 频段并内置TI-RTOS,从而支持快速组网。

汽车BMS中的电池管理模块主要硬件电路包括:主动均衡、AFE、MCU、隔离电路等。其中AFE是包含传感器接口、模拟信号调理(Conditioning,包括阻抗变换、程控增益放大、滤波和极性转换等)电路、模拟多路开关、采样保持器、ADC、数据缓存以及控制逻辑等部件的集成组件。有些AFE还带有MCU、DAC和多种驱动电路。

电池不均衡会影响电池续航时间和电池循环寿命。均衡电路主要包括主动均衡、被动均衡。主动均衡是把电量最多的那节电芯多出来的电量转移给电量最少的那节电芯,或者转移给整串电池,实现能量回收。被动均衡是把电量最多的那节电芯多出来的电量通过电阻发热消耗掉。

MCU 作为计算平台,需要满足AEC-Q100、ISO26262 等认证。以ADI 48V 油电混合BMS系统为例,MCU 起到继电器控制、SOC/SOH 估计、均衡控制、电芯电压、电流、温度数据收集、数据存储等作用。相较于消费级和工业级MCU,车规级MCU 行业壁垒更高。

隔离器件实现高低压模块间的电气隔离,包括光耦隔离和数字隔离。电气隔离能够保证强电电路和弱电电路之间信号传输的安全性,如果没有进行电气隔离,一旦发生故障,强电电路的电流将直接流到弱电电路,对电路及设备造成损害。

纳芯微高压储能BMS 隔离产品示意图。(来源:纳芯微)

随着汽车四化不断发展渗透,动力电池中的BMS 不再只是简单的充放电保护功能,逐渐提供脉冲放电平稳、多电芯平衡管理等管理功能,BMS开始从“保护型BMS”向“智能型BMS“转变。

参考资料:

  • 安信证券研究中心:电池管理BMS/BMIC芯片国产替代进程加速
  • 维基百科:https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_management_system
  • Synopsys: What is a Battery Management System?
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