01、BMIC:类型和功能
我们将BMS中的芯片分为通用型和专用型。通用芯片包括MCU、电源管理芯片、通信接口芯片等。这些芯片可以是与非电池应用相同或相似的型号，不需要为BMS单独开发。专用芯片是专门为BMS应用开发的，以满足BMS在特定应用领域的功能需求。此外，BMS专用芯片可分为保护器芯片、充电器芯片、仪表芯片、监视器/AFE芯片、平衡器芯片、认证芯片等。充电芯片也可分为开关、线性和电荷泵，平衡芯片可分为主动平衡和被动平衡。按类别详细介绍了各芯片的功能。
1.1.电池保护器
电池保护芯片负责监控电芯的充放电，保证电池不会因为外界的滥用或故障而损坏。一般来说，需要电池保护芯片监控的异常情况有过压(OV)、过流(OV)、放电过流(OCD)、充电过流(OCC)、过热(OT)等等。当检测到异常情况时，电池安全芯片可以及时切断电路，保证电池系统的安全。目前，一些BMIC芯片(充电芯片、电表等。)会集成保护功能，但为了实现更全面的保护，特殊的电池保护芯片在某些应用中仍然是不可或缺的元件。
在结构上，电池保护芯片主要由采样电路、放大电路和逻辑电路组成。电池保护芯片与监控、电表等芯片相比，其测量参数只是用来与阈值进行比较，所以采样精度相对较低，逻辑电路部分主要是比较器，所以结构相对简单。
1.2.充电芯片(充电器)
充电芯片需要实现的功能有：1)电源路径管理(PPM):控制电源路径，使外部电源不影响系统正常工作；2)充放电控制：对电池的充放电进行适当的控制和管理。典型的电池充电过程通常分为涓流阶段、恒流阶段和恒压阶段，各阶段之间的切换控制需要由充电管理芯片完成。受芯片成本、体积和散热要求的限制，充电芯片一般只用于小功率电器的充电。对于大功率应用场景(如电动汽车)，一般采用分立器件搭建的专用大功率充电电路。根据电路拓扑结构的不同，电池充电芯片可以分为线性、开关和电荷泵类型。其中，线性电池充电芯片通常用于小功率充电场合，开关充电芯片应用最为广泛，可以支持几十到几百W的充电应用；电荷泵充电芯片主要用于快速充电的场合，可以有效提高恒流充电阶段的充电效率。
1.3.计量器(计量器)
电量计量芯片的作用是通过测量电池的外部特性(如电压、电流、温度等)来估算电池的SOC/SOH等参数。)并将结果反馈给控制器芯片。电池电量计量芯片的核心能力在于高精度采样电路和SOX算法的设计。为了实现高精度的SOX估算，高精度的电压和电流采样是必不可少的。SOX算法种类繁多，国外领先公司大多都有自己独特的算法，并受到专利保护。比如TI的阻抗示踪法，可以记忆电池特性随时间的变化，结合电池组的具体化学性质可以准确获知电池的充电状态，从而延长电池组的使用寿命。另外，常用的SOC估算算法有修正放电终止电压法和动态电压修正法。
1.4.电池监控和均衡器(监控器/AFE和平衡器)
电池监控器的主要功能是对电池参数进行高精度的监控，并将相关数据通过通信接口发送给主控制器。与电量监测芯片不同的是，电池监测芯片只有参数监测的功能，一般用在高级数的场合(~10到几百)。通常需要将多个监控芯片级联起来，形成一个完整的监控系统。
在高序列号系统中，为了保证电池单体电压和功率的平衡，需要采取功率平衡措施。目前常见的功率平衡方案有两种：主动平衡和被动平衡。在主动平衡方案中，利用开关管和隔离变压器等器件构建电池间的能量转换电路，实现电池间的能量流动。被动平衡方案使用被动组件，通过电阻将更多电能转化为热能，从而消耗电池上的多余能量。无源均衡方案需要较少的外部元件，在成本和可靠性上有优势，但会增加系统损耗；主动平衡方案需要更多的外部元件并且成本更高，但是它有助于减少损耗并且提高系统的可用容量。无源均衡方案通常集成在电池监控芯片中。
1.5.电池认证芯片(认证)
电池认证芯片早期主要用于可拆卸电池设备。为了避免电池不匹配对设备或用户造成的损害，一般选择在电池组中集成一个电池认证IC，在电池接入系统时对电池进行认证。只有经过验证的电池才能为系统供电。另外，虽然目前大部分手机电池都是不可拆卸的，但是为了避免用户自行更换电池带来的潜在风险，厂商一般会选择在设备的内置电池中配置一个认证芯片。
电池管理系统是将上述保护、充电、电表、监控、平衡、认证六种芯片(全部或部分)及其外围电路集成在一块或几块PCB板上，连接起来形成完整的信号通路。根据欣旺达招股书数据，IC约占电池模组成本的5.38%。
02、需求方：BMIC需求增长迅速。
2.1.消费：未来3-5年最大的下游消费市场。主要下游应用包括手机、笔记本、平板、TWS耳机、智能手表等。其中手机/平板/TWS耳机/智能手表一般使用3.7V锂离子电池，笔记本电脑一般使用3串12.6V锂离子电池。目前，BMIC涉及的消费电子产品一般包括三种类型：充电器，仪表和电池保护器。另外，早期的手机使用可拆卸电池，所以除了充电芯片、保护芯片、电表之外，还需要额外的认证芯片。近年来，随着智能手机电池向不可拆卸技术方案的演进，认证芯片只能在一些高端智能手机上找到。计算假设：
在手机、笔记本电脑、TWS、平板电脑和智能手表的应用中，单个设备平均需要一个充电芯片、一个电表芯片和一个电池保护芯片。
对于中高端手机，平均需要增加一个电荷泵芯片和一个电池认证芯片。
IDC数据显示，2021年全球手机出货量达13.52亿部，平板电脑出货量达1.68亿部。根据CounterPoint的数据，2021年全球TWS耳机出货量达到2.9亿部。根据吉维咨询的数据，2021年全球笔记本电脑出货量达到2.62亿台。在计算中，我们假设手机/平板电脑/笔记本电脑全球出货量以3%/3%/3%的平均增长率稳步增长(2022年手机出货量下降6.50%)，TWS耳机全球出货量增长20%，手表全球出货量增长30%。
预计2021年全球手机BMIC市场规模约为15.88亿美元，2026年有望增长至18.52亿美元，2021-2026年CAGR=1.92%；2021年，BMIC泛在消费(笔记本电脑、平板电脑、TWS、手表)市场规模将为13.55亿美元，预计到2026年将增长到26.67亿美元，2021-2026年CAGR=14.50%。受益于可穿戴终端需求的快速增长，无处不在的消费BMIC需求快速增长。同时还需要指出的是，这个计算并没有考虑手机充电技术和架构的创新，也没有考虑AR/VR等新设备终端的潜在灵活性。总体来看，作为第一个采用锂电池方案的终端，消费领域在未来3-5年内仍将是BMIC最大的下游市场。
2.2.工具电池：锂离子两轮车普及率提高，电动工具销量增加。两轮电动车涉及的BMIC产品一般包括三个芯片：电表、电池检测和电池保护。BMIC涉及电动工具的产品一般包括三种：电池监控芯片、开关充电芯片和电池保护芯片。两轮电动车锂电池渗透率持续提高。锂电池由于能量密度高、重量轻，在两轮电动车领域比传统铅酸电池更具优势。2018年5月15日，两轮电动车新国标(GB 17761-2018)发布，规定整车最大重量不超过55 kg。传统铅酸电池能量密度低，续航里程有限。两轮电动车开始加速转向锂电池。根据艾瑞咨询的数据，2021年中国两轮锂电汽车的销量将达到23.4%，预计2022年将上升至27.3%。锂电池解决方案比重的增加带动了BMIC需求的持续增长。在传统的以铅酸蓄电池为储能装置的两轮电动车上，由于铅酸蓄电池的稳定性高，除了部分高端车型外，一般不使用带专用门的电池管理芯片。而锂电池的特点是活泼，对电池之间的均衡性要求提高，所以需要专门的监控芯片。新国标推荐两轮电动车电池电压为48V、60V、72V、84V、96V、144V，串联电池数量为16个以上。因此，两轮电动车领地内常用的监控芯片为16S和18S型号。在安全性要求较高的高端两轮电动车产品中，为了进一步保证电池的安全性，需要额外增加一个保护芯片。电动工具的电池架构和两轮电动车类似，同样需要电池监控芯片和电池保护芯片，同样需要一个充电芯片来满足电池充电要求。
计算假设：
电动工具：每个电动工具需要一个电池监控芯片，一个开关充电芯片和一个电池保护芯片。
两轮电动车：我们假设中国锂离子两轮电动车普及率与全球相同，预测22/23/24/25/26年全球锂离子两轮电动车普及率为27%/35%/50%/75%/100%。每辆锂离子两轮电动车都需要一个电量计量芯片、一个电池监控芯片和一个电池保护芯片。
预计2021年，BMIC在电动自行车和电动工具领域的市场规模将分别为1.9亿美元和8.7亿美元。据预测，2026年BMIC在电动自行车和电动工具领域的市场规模将分别达到8.9亿美元和12.2亿美元，2021-2026年CAGR将为36.45%/7.00%。
2.3.电动汽车：BMIC，最苛刻的赛道，是电动汽车电池安全的核心部件，早期的电动汽车通常采用单电池方案。特斯拉Model S于2012年发布，首次采用了由7104节电池和18650节电池串联而成的电池组。18650电池产量大，价格低，在可靠性和能量密度上有优势。但是，在由7000多个电池单体串并联组成的系统中，电池群容易出现功率不平衡，对BMS提出了很大的挑战。支撑特斯拉Model S完成这样一个工业壮举的是TI的BQ76PL5363-6SBMS监控保护芯片。以磷酸铁锂电池为例，单体电池电压范围一般为3.2-3.6V(标称电压为3.2V)，400V系统电动车电池电压一般在360V左右。为了达到相应的电压水平，需要串联大约120个电池。如此大量的电池串联在一起，对电池之间电量的一致性提出了更高的要求，因此需要使用电池监测芯片来检测每个电池的电压和电流。如果串联120节电池(并联的电池数量取决于电池容量)，使用常见的12- 16S AFE芯片，大约需要8-10个AFE芯片。
在电动汽车的电池系统中，我们关注两个重要的趋势：一是高压系统的渗透性提高；二是电池技术体系的更新迭代。下面我们分别讨论这两大技术趋势给BMS系统带来的变化。详细介绍了汽车BMIC芯片相对于消费级和工业级BMIC芯片的附加要求。
2.3.1.高压系统渗透率的增加将使自行车BMIC的需求翻倍。
目前新能源汽车的电池电压一般在400V V左右，如李One动力电池额定电压为350.4V，比亚迪秦在500V V左右.根据电路原理，功率P=电压U电流I，在相同的功率下，电压越大，电流越小，相应地电流在传导过程中产生的热损耗也越小。所以目前主流车企纷纷布局高压平台。随着电压的提高和电流的降低，传统的IGBT器件在功耗上不再具有优势，因此SiC器件成为了高压平台的主流。常见的SiC器件击穿电压一般为1200V V，考虑到安全裕度，800V成为汽车企业高压平台电压的主流选择。按照我们之前的计算流程，AFE芯片的需求基本上与电压成正比，那么平台电压从400V提升到800V，AFE的需求就会翻倍。
2.3.2.电池技术系统的升级对AFE的使用影响不大。
目前通常讨论的动力电池技术体系分为锂离子电池和钠离子电池两种，其中锂离子电池又可分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂(LFP)、三元锂等。早期锂电池主要用于3C产品，主要是钴酸锂。随着新能源公交车的普及，磷酸亚铁锂(LFP)电池的需求快速增长。近年来，随着新能源乘用车的普及，锂电池系统呈现出LFP和三元锂电池并存的局面。未来，随着钠离子电池技术的发展，钠离子电池的需求也有望迎来快速增长。对比电芯额定电压，很容易发现不同技术体系的电芯额定电压基本相同，范围在3.00-3.80V V，因此很容易判断，电池技术体系升级对AFE使用影响不大。
2.3.3.车规的应用场景对BMIC芯片提出了更高的要求。
不同于工业和消费应用场景，电动汽车BMIC芯片与乘员安全密切相关，因此在芯片可靠性、安全性和一致性方面提出了更高的要求。主要规格包括AEC-Q100、ISO26262和IATF16949。AEC-Q100是一种基于故障机理的集成电路应力测试方法，包括一系列应力测试。芯片需要通过高温高湿、振动、静电放电等场景的测试，才能获得认证。ISO26262是汽车芯片的功能安全认证，旨在保证整个系统能够正确响应外部输入和干扰(即使部分电路失效)，避免造成人体健康损害或人身伤害。功能安全从ASIL-A到ASIL-D分为四个等级，A是最低的，主要用于与行车安全关联度较低的系统，如车身控制系统。d最高，主要用于与行车安全密切相关的系统，如发动机。功能安全要求高，电路和系统的设计难度大，是车辆仪表芯片验证中最耗时的环节之一。
IATF16949是汽车生产质量管理体系认证，涵盖产品安全、风险管理和应急预案、嵌入式软件需求、变更和质量保证管理、分供应商管理五个方面。认证主要针对企业和生产线。获得IATF 16949认证可以证明公司符合在供应链中建立持续改进过程，强调预防缺陷，减少变质和浪费的质量管理体系要求。本技术规范适用于所有产品或生产材料、热处理或镀锌等服务以及汽车客户指定的其他产品的制造商和供应商。为了满足功能安全的要求，SOX算法一般在汽车BMS系统的主控MCU中完成，因此需要在AFE和MCU之间建立通信链路。在早期的方案中，一般采用星型的框架结构，每个AFE芯片需要配备单独的隔离通信芯片，单独连接到MCU。随着技术的发展，菊花链架构逐渐成为主流。每个AFE芯片通过差分信号线串联一个隔离电容(或隔离变压器)，通过单个隔离通信芯片连接到MCU，大大减少了通信芯片的数量。
2.3.4.计算假设和结果由此我们可以做出以下计算假设：
对于400V系统新能源汽车，假设需要8个AFE芯片和1个隔离通信芯片。
对于800V系统新能源汽车，假设需要16个AFE芯片和1个隔离通信芯片。
22/23/24/25/26年新能源汽车全球销量分别为1200/1500/1900/2240/2500万辆。
监控芯片单价5美元左右，通讯芯片单价0.5美元左右。
预计2021年全球新能源汽车领域BMIC市场规模约为2.81亿美元，2026年有望达到15.13亿美元，2021-2026年CAGR=40.07%。
2.4.储能：最有弹性的BMIC轨道。
新能源发电是近年来能源领域的主要发展趋势，风电、光伏等新能源具有出力不稳定、电网支撑差的特点。随着新能源发电装机容量的增加，传统电网的调频调峰能力受到了挑战。电化学储能是提高电网调峰调频能力的重要手段，也是匹配输出负荷曲线、实现家庭场景全天候用电的重要工具。随着新能源发电装机容量的增加，对电化学储能的需求也在增加。据集邦咨询数据显示，2025年全球储能年装机容量有望达到450GWh。
储能涉及的BMIC一般包括三种：电池监控芯片、电池均衡芯片、隔离通信芯片。BMIC在储能领域的应用主要是储能电站。随着新能源比例的增加，为了保证电网的稳定运行，储能电站的配套建设已经迫在眉睫
电池容量升级，280Ah及更大容量电池正在成为行业主流。在储能系统中，容量更大的电池具有以下优点：1)在电池组端，可以减少零部件的使用，成本更低，体积能量密度更高；2)系统方面，在相同容量下，减少电池组数量，提高可靠性和安全性；3)在建造端，大型电芯可以简化组装过程，大大节省陆地基础设施和集装箱的成本。因此，目前在风光发电侧、电网侧、共享储能侧以及一些大型移动储能应用等追求低成本、大容量、安全性的场景下，280Ah电池正在加速取代传统的50Ah和100Ah电池产品。据GGII不完全统计，已有超过10家国内电池企业销售了其280Ah磷酸铁锂电池产品。
关键假设：
每个电池组的参数是48V/280Ah，需要16AFE芯片。
储能电站全部采用主动平衡策略，每个电池组需要16个主动平衡芯片。
预计2021年储能BMIC的全球市场规模约为4500万美元，预计2026年储能BMIC的市场规模将达到6.91亿美元，2021-2026年CAGR=72.34%。还需要指出的是，我们假设2026年全球储能电池装机容量将达到450GWh，但从储能电池的产能规划来看，全球储能BMIC市场的潜在规模可能更大。根据高科锂电池的数据，2022年第一季度中国宣布扩张的储能电池项目总规模将达到166GWh，未来储能市场对BMIC的需求预计将超出我们的预估范围，具有潜在的弹性。
2.5.摘要
预计2021年锂电池BMIC全球市场规模约为42.54亿美元，预计2026年市场规模将增至80.31亿美元，2021-2026年CAGR=13.55%。其中，增长最快的市场是储能、汽车和可穿戴(泛消费)市场，2021-2026年CAGR分别为72.34%、40.07%和14.50%。需要指出的是，大量的长尾场景(如UPS、玩具等。)在此计算中被忽略。也忽略了2021年以来芯片短缺带来的价格弹性。如果考虑以上两个因素，潜在市场规模应该大于我们的计算结果。
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