标签: 国产BMS芯片

完整的电化学储能系统主要包括以下组成部分： 1. 电池组：这是储能系统的核心部分，负责储存和释放能量。 2. 电池管理系统（BMS）：该系统负责对电池组进行监控、管理和保护，确保其正常运行和安全性。 3. 能量管理系统（EMS）：该系统负责整个储能系统的能量调度和管理，实现能源的有效利用。 4. 储能变流器（PCS）：该设备负责能量的转换和传输，可以将电池输出的直流电转换为交流电，或者将交流电转换为直流电。 5. 其他电气设备：这包括一些支持系统运行的其他电气设备，例如充电器、放电设备等。 图1、电化学储能系统结构简图 在一套完整的电化学储能系统中，各部分成本占比如下：电池组成本最高，达到60%；其次是储能逆变器，占20%；能量管理系统成本占比为10%；电池管理系统和其他电气设备的成本各占5%。 图2、储能系统成本和技术简况 电池组是储能系统最重要的组成部分。通常，电池组采用模块化的结构，由电芯组成模组，然后将模组放置在电箱内，再由多个电箱组成电池柜，形成一个储能单元。能量型电池是储能系统所使用的电池类型，其特点是能量密度高，因此一次充电可以提供更长的使用时间。此外，能量型电池的寿命较长，这对储能系统而言非常重要。消除昼夜峰谷差是储能系统的主要应用场景。产品的使用时间直接影响到项目的收益。一些主要的电池组供应商包括宁德时代、比亚迪、LG新能源、松下、三星SDI、SK On、中创新航、亿纬锂能、国轩高科、欣旺达等。 图3、电池组结构简图 储能变流器可以控制储能电池组的充电和放电过程，进行交直流的变换。 图4、储能变流器工作流 能量管理系统(EMS)，即Energy Management System，主要功能包括储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)数据采集、数据分析展示以及能量调度(主要体现为运行经济运行策略及安全保护策略)。能量管理系统负责数据采集、网络监控和能量调度等，是电池组、电池管理系统以及储能变流器之间的连接纽带，还负责电池管理系统(BMS)与配电网调度系统接口，接受调度指令，完成诸如蓄电池充放电控制、独立离网系统支持、削峰填谷以及新能源发电平滑输出等电网实际应用。EMS主要用于微电网内部能量控制，维持微电网功率平衡，保证微电网正常运行；需求和应用场景多种多样，软件系统的工作量极大；可满足中小型商用级储能系统的现场能量调度需求，大型储能系统会涉及到电网侧的调度。 图5、决策层的EMS 电池管理系统(BMS)负责电池的监测、评估、保护以及均衡等，通过通讯的方式上传电池相关信息和状态，防止电池的过充与过放，占整套电化学储能系统的成本比例约为5%，由于这个环节比较独立，可以做到单体利润最大化，颇具市场潜力。BMS在整个电化学储能系统中起至关重要作用。储能的BMS还需要与电网进行通讯，控制谐波、频率等关键参数，并实现与储能变流器(PCS)以及能量管理系统(EMS)的信息交互，PCS控制器通过CAN接口与BMS通讯获取电池组状态信息，可实现对电池的保护性充放电，确保电池运行安全。 图5、BMS的三层架构 BMS主要由电池阵列管理单元（BAMS）、电池蔟管理单元(BCMS)以及电池管理单元（BMU）组成。电池阵列管理单元是BMS中的“上位机”，负责对整个BMS系统的数据进行收集和分析判断、控制，具备完善的事件记录及历史数据存储，包括电池系统充放电、运行参数设定等。电池簇管理单元负责对电池管理单元进行监测、控制，包括电池故障诊断，均衡控制策略、剩余电量预估等。电池管理单元负责对电池模组的电压、温度进行采集和上传，并实现电池单体间电量双向高效主动平衡。 图6、BMS的结构组成简图 BMS中的核心器件之一是电池管理芯片，属于电源管理细分赛道，电池计量芯片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；电池安全芯片主要分为电池监测、电池保护和电池均衡芯片，避免出现过充、过放、过流和短路等故障；充电管理类芯片用于完成电压转换、调节，电池充电管理以及过压过流保护等功能。假设每个电池簇参数为48V/280Ah，对应需要一颗16颗AFE采样芯片。储能电站均采用主动均衡策略，每个电池簇需要16颗主动均衡芯片。在旺盛的市场需求驱动下，2023年预计能实现在储能应用领域量产电池均衡芯片、电池计量芯片的企业出货量会增加明显。各个电池簇的信息再经由隔离通讯接口上传至中枢MCU，进行统一调配。电池管理芯片原厂有德州仪器、亚德诺/凌力尔特、亚德诺/美信、微芯/爱特梅尔、英飞凌、恩智浦、瑞萨/英特矽尔、松下、意法半导体、安森美、罗姆、TELECHIPS、Dukosi、MPS、凹凸科技、航天民芯、必易微、中微半导、赛微微电、圣邦、微源、南芯、集澈、纳芯微、创芯微、赛芯电子、猿芯半导体、钰泰、杰华特、华泰半导体、矽力杰、稳先微、比亚迪半导体、琪埔维、上海博通、中颖、芯海、禹创、英锐芯、芯朋、英集芯、思瑞浦、希荻微、鸿翼芯、力芯微、意瑞、中科阿尔法、芯进等。 图7、AFE采样芯片主要型号和市场价格 BMS中的另一个核心器件是MCU，负责电流采集和电池包的总压采集、充放电逻辑控制、电池健康状态计算、对外通信 (通常需要CAN通信隔离收发器)等。MCU的供电一般采用隔离供电，电池经过隔离DC-DC降压变换器给MCU供电以及控制充放电MOS电路进行电池包的充放电管理。MCU芯片供应商主要有德州仪器、意法半导体、恩智浦、英飞凌、瑞萨、中颖、雅特力、兆易创新、君正、芯海、国民技术、紫光国微、极海、新唐、乐鑫、航芯、博通集成、复微、锐能微等。 图8、BMS硬件简图 BMS中的电池电流采集后，需要使用ADC芯片将模拟信号转换成数字信号。ADC芯片供应商包括德州仪器、意法半导体、亚德诺、瑞萨、贝岭、思瑞浦、圣邦微、芯海、必易微、晶华微、芯佰微、迅芯微、治精微、类比、智毅聚芯等。 数字隔离方面，主要应用于高低压之间的数字通信，例如BMS主控板上的高压采样与MCU之间的SPI通信，以及采样板AFE与MCU的SPI通信。数字隔离芯片可以分为数字隔离器、隔离通讯接口（如CAN、LIN、485等）。数字隔离器主要用于将输入信号传递到与输入隔离的输出端口，隔离通讯接口则加入了通讯协议的解析功能，可以将通讯链路上的信号转化成MCU/SoC易处理的格式。等。 除了使用数字隔离器外，还可以使用光耦、或者变压器隔离方案。光耦厂商包括安森美、东芝、博通、ISOCOM、亿光、光宝、奥伦德、先进光半导体、国晶微、华联等；变压器原厂有国巨/普思、TDK、胜美达、田村、台达、光宝、京泉华、可立克、顺络电子、铭普光磁、麦捷科技、伊戈尔、永创星科技、中富电路、阿图姆、维胜科技、柔性磁电、格利尔、菲力克斯、云创电子、大忠、慧华电子、利通、鸿华、贝塔、麦新、辉烨、海能达、普奥、立一、星火电子、中策亿特、舜大、裕正、立强、三盛源、达鑫、经纬达、宜兴文达、恒升、德珑、安登利、科德电子、联泰兴、创世富尔、鸿润恒一、雅玛西等。 BMS中使用了CAN、LIN、485等通讯方式，这些通讯方式需要芯片支持。相关芯片供应商包括微芯、 英飞凌 、亚德诺、恩智浦、意法半导体、芯力特、思瑞浦、纳芯微、川土微、致远、金升阳、维安、格励微、贝岭、中微爱芯等。

电池系统由可充电电池（如锂离子电池）和电池管理系统组成。电池管理系统包括多个子系统，旨在显著提高电池的利用率并确保其安全性。 在电池管理芯片领域，存在三大类芯片：电池计量芯片、电池安全芯片和充电管理芯片。电池计量芯片负责采集电池的信息并计算电量，能够测量和报告电池组的关键参数，如电压、温度、充/放电电流以及剩余容量预测。这类芯片可以独立使用，也可以与电池保护IC进行集成。 BMS计量芯片的关键之处 计量系统的核心包括硬件、算法和固件，三者缺一不可。算法用于电池建模，常见算法有电压查表法、库仑计数法、CEDV算法、阻抗跟踪算法和DVC算法。固件将算法实现为计算输出容量信息的过程。 计量系统的输入是电池的电压、电流和温度，通过对电池进行建模来计算输出容量信息。其中，硬件是基础前提，需要具备性能优异的硬件以实现高精度采样和低功耗运行，确保准确的计量。 ​ （计量芯片测量和建模过程，TI） 为了计算基本的电池组信息，计量系统需要测量充放电过程、电池组电压和温度。以纯库仑计数计量系统为例，这种系统主要依赖充放电集成来确定充电状态。模数转换器的分辨率和精度至关重要。使用这种类型的计量芯片，转换器必须整合所有充放电活动，包括在系统处于睡眠、待机或关闭状态时发生的活动。如果系统关闭和放电频率很低，而计量芯片没有精确集成低放电水平的范围，随着时间推移，可能会出现显著的流量误差。因此，需要高鲁棒性和高分辨率的器件来确保整个流程的可靠性和准确性。 在BMS类芯片领域，欧美企业长期占据主导地位，计量芯片市场也基本呈现类似格局。在动力电池领域，国内厂商仍处于初步布局阶段，但在消费电子领域，国产化替代发展迅速。 欧美主要厂商BMS计量芯片 ADI：20位ADC计量的车规级芯片 ADI（Analog Devices）提供了20位ADC计量的车规级芯片。这些计量芯片采用无缝的独特检测技术，具有出色的精度。其中，LTC2949是一款车规级计量芯片，具备高压、高精度和低功耗特性。它能够实现<1μV的失调电压的20位电流测量，并提供0.3%的电流和电压精度，以及1%的电能和电量精度。另外，ADI的计量芯片在ADC方面拥有深厚的技术积累，使用低偏置ΔΣ ADC进行精确的电压和电流测量，能够无损跟踪电池组所传递或接收的电量和电能。 ​ (车规级计量芯片LTC2949，ADI) TI：品类俱全的计量芯片系列 TI（Texas Instruments）提供了品类俱全的计量芯片系列，总计113种料号。以BQ27Z746为例，该芯片采用具有连续采样功能的积分转换器进行测量，并针对库仑计数进行优化。它具有优于3-nVh的分辨率和小于1-µV的偏移测量误差，同时还采用了TI专利的Impedance Track技术来准确建模电池放电曲线。在非车规应用中，TI的计量芯片同样对功耗把控非常严格。例如，BQ27Z746在关断模式下具有超低功耗，小于0.2μA。 ​ (BQ系列，TI) 在车规级应用上，TI的BQ34210-Q1提供了0.3%的电流和电压精度，同样具备极高的精准度。该芯片通过使用电压、电流和温度数据以及补偿放电结束电压（CEDV）技术来提供电池的荷电状态和运行状况数据，以预测电池的情况，并自动调整老化、温度和速率对电池的影响。 需要注意的是，在动力电池和储能电池领域，电池组通常由多串电池组成，并且技术门槛较高，目前被少数龙头企业垄断。然而，在消费类市场，特别是手机市场上，国产厂商已经逐渐完成了对BMS计量芯片的国产替代。 国产厂商BMS计量芯片 赛微微电子：性能突出的消费类计量芯片 赛微微电子是一家提供性能突出的消费类计量芯片的公司。他们的计量芯片已广泛应用于各种电子产品中，受到好评。赛微微电子的CW221xB系列计量芯片共有5个料号，其中CW2015和CW2017采用14位模数转换器，其余3个料号采用14位模数转换器进行温度和电压检测，以及16位模数转换器进行电流检测，并运行独特的FastCali电量计算法。例如，CW2217B支持低至1mΩ的检流电阻，可以有效降低充电路径中的电压损耗，减少系统发热，提高充电效率。另外，CW2215B具有工作模式下的低功耗（5μA），全系列在休眠模式下都具有0.5μA的低功耗。总体而言，这些芯片具有约3%左右的电量整体精度。 ​ (CW2217,赛微微电子) 中颖电子：自研计量SOC 中颖电子则提供了SH79F系列电能计量SOC芯片，共有8个料号，配置不同的闪存、随机存储器和CPU时钟。每个料号所配置的ADC也各不相同，包括3×10位、5×10位、5×14位和8×14位等。在低功耗计量模式下，例如SH79F7019A的功耗可以低至800uA（3路ADC，掉零线模式）。而配置8×14位ADC的SH79F7011A，在电压和电流测量方面的误差小于0.5%，有功电能计量方面整体误差小于3%。这些SOC芯片集成了单相电能计量、日历时钟、温度传感器、LCD驱动器和增强型8051核等功能，是中颖电子多年研发的成果，在国内市场表现出色。 矽力杰：车规级计量芯片 ​ (SA59202DAA，矽力杰) 矽力杰的SA59202DAA是一款获得AEC-Q100认证的车规级应用多节电池计量芯片。它采用12位ADC测量电压和电流，并采用高精度库仑计数器测量电池累积充电和放电。该芯片的电流ADC具有±64mV的感应电压范围和低值的外部电流检测电阻，能够实现1%的电压、电流和充电精度。 上海贝岭（锐能微） 上海贝岭旗下的锐能微公司专注于智能电表计量芯片的研发，并具备6个料号。其中，RN821X电能计量SOC芯片在有功计量方面的误差小于5%。另一款单相多功能计量芯片RN7302具备两路高精度测量ADC，在电流和电压测量方面有效值误差小于1%。 芯海科技 芯海科技的CSE77xx系列有2个料号，其中的CSE7761电能计量芯片内部集成了3路sigma-delta ADC，提供高速的电压、电流波形数据以及电压有效值、电流有效值、有功功率和视在功率的瞬时数据，并支持2路有功能量计量。该芯片在电压和电流有效值测量方面的误差小于1%，而在有功电能计量方面的整体误差小于5%。 ​ (芯海科技) 国内厂商已经在非汽车应用领域取得了显著突破。通过持续的研发投入和实际应用，国内企业在电池管理系统（BMS）技术领域取得了重要进展，使非车规级应用的产品性能不逊于欧美大厂，逐渐实现国产替代。然而，在技术门槛更高的动力电源BMS芯片方面，国内仍有待进一步发展。