无论是作为整车的动力来源,还是C端客户对其感知度的提升,动力电池的性能和寿命在一定程度上决定着整车的性能与终端市场。
而BMS作为动力电池的大脑,通过电流、温湿度、电压、位置等传感器收集数据、监控电池运行状态并据此进行告警、保护以及运行过程中的均衡管理等功能,对动力电池各方面指标的提升至关重要。
BMS构成
BMS包括硬件架构、底层软件以及应用软件三个部分。
其中,BMS硬件包含CPU、电源和采样IC、隔离变压器、CAN模块、EEPROM(读写存储器)和RCT等,主要有测量、算法和应用三大类功能。包括数据采集(电压、电流、温度等)、绝缘检测、高压互锁,电池状态监测及均衡控制,高压上下电与低压上下电、交流充电与直流充电、电池系统热管理、电池系统故障诊断等等细分功能。
硬件分为分布式与集中式,分布式包括主板和从板,根据采样芯片通道与从板采样电芯数量的匹配程度,匹配程度高通道利用率则高,匹配程度低采样通道会存在一定浪费;集中式则是将电气部件集中到主板中,采样芯片通道利用率最高,电路设计相对简单,但是对BMS的安全要求更高,菊花链通讯的稳定性上也存在问题。
目前采样芯片与主芯片之间信息的传递有CAN通讯和菊花链通讯两种方式,CAN通讯比较稳定,但是隔离电路成本较高,菊花链通讯成本低但稳定性相对较差。
基于AUTOSOR架构,BMS整个软件架构分成ASW、RTE、BSW三层。
应用软件层(Application Software Layer)包含多个SWC(Software Component),他们之间通过端口(Port)进行信息交互,每个SWC包含一个或多个运行实体(RE),主要负责产品功能策略的实现;基础软件层主要负责基础软件的开发,将软硬件进行结合,类似存储功能、通讯服务、操作系统等;RTE主要作用是数据传输,作为底层和应用层、层内模块与模块之间的数据接口。
而在这诸多部件中,芯片对于BMS来说又尤为重要。
BMS芯片及供应格局
BMS芯片主要分为AFE、MCU、ADC、SBC和隔离芯片几大类。
SBC(System Basis Chip),即系统基础芯片,是一种包含电源、通信、监控诊断、安全监控等特性以及GPIO(General-purpose input/output) 的独立芯片。作为集成电路,它将控制器局域网络(CAN)或本地互联网络(LIN)收发器与内、外部"功率器件”集成在一起,为整个系统提供电供应、通讯接口、开关和驱动、诊断和监控等最基础的功能支撑。
恩智浦系统基础芯片功能框架
汽车电子硬件设计中通常需要使用多个电路来实现电源、通信和监控功能,所以布局相对复杂,对可靠性、成本、PCB空间和功耗都有影响。SBC可以在内部高度集成电源、通信等基本硬件系统模块功能,极大程度简化外部电路。
在供应格局上,除了恩智浦、英飞凌、ST等外资供应商垄断,中科赛飞等国内企业相对较少,相较于MCU等热门芯片,SBC芯片要在掌握MCU、电源管理及通信接口等多种IP的基础上,接纳更高集成度要求,门槛高,涉足者较少。
AFE,即模拟前端(Analog Front End),主要进行电池信息采集、状态监测。AFE芯片般由采集模块、均衡模块和通讯模块等组成。采集模块采集电池模拟信号,然后经过 ADC 处理转换为相应的数字信号,通过通信模块中的各类接口将数据传输给MCU,同时均衡模块负责平衡电池组中不同电芯的容量。
AFE芯片技术壁垒高,加上车规认证要求高、难度大、周期长,国内企业起步比较晚,车规级AFE芯片供应有限,90%以上依赖进口,ADI、TI、NXP、ST、瑞萨等外资厂商占据主要市场。
国内车规级AFE芯片企业主要有比亚迪半导体、大唐恩智浦(合资)、琪埔维、赛微微电、集澈电子、新唐科技。目前已量产装车的主要是比亚迪半导体与大唐恩智浦,其它家处于小批量或者研发状态。
ADC芯片的主要作用主要将BMS中的模拟信号进行量化,生成能够用数字表征的信号幅值。主要有转换速率和转换精度两个指标,转换速率决定ADC能转换多大带宽的模拟信号,带宽决定了可处理模拟信号的最大频率,转换精度衡量转换出来的数字信号与原来模拟信号之前的误差。ADC的位数越多,精度就越高,速度就越慢,ADC芯片关键难度在于速率和精度难以兼得。除此之外,还需要考虑芯片的量程、ADC输出接口、通道数和封装等参数。
目前,该市场被TI、ADI、ST等外资企业垄断。
MCU作为计算单元,基本组成主要包括CPU(核心部件为运算器、控制器)、存储器(用于存储程序和数据)、输入/输出I/O接口、定时器/计数器与串行通信端口(和不同外设之间进行数据交换)等,用于实现包括计时,作为输入/输出口连接外部渠道、实施外部中断控制、提供通讯接口等功能。
MCU芯片主要功能就是控制和计算,在BMS中的作用就是根据AFE芯片获取的电芯电压、电流、温度数据进行计算(SOC、SOH等)和控制(MOS关断、导通等)。
在供应格局上,BMS领域MCU芯片虽然还是以外资企业为主,但是以杰发科技、芯驰科技、极海半导体、国芯科技等企业为代表的国产企业也正在供应落地及研发中。
隔离芯片主要用于保障数字通信时高低压电路之间的电气隔离,将输入信号进行转换并输出,以实现输入、输出两端电气隔离。比如在BMS主控板上的高压采样和MCU之间的SPI通信以及采样板AFE与MCU的SPI通信。
电气隔离的主要作用是安全隔离(保障人员和设备的安全)和功能隔离(提高电路的抗干扰能力)。目前市场上常用的隔离方式通常有:光耦、容耦、磁耦。
整体来看,汽车BMS芯片供应目前以外资为主,但是随着市场的扩张及研发的投入,比亚迪半导体、杰发科技、芯驰科技、芯旺微、纳芯微、云途等企业在MCU、AFE等芯片上均有不同程度的突破,未来会形成更多的国产化替代。