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前言

隨著人們生活水平提高，后疫情時(shí)代戶(hù)外活動(dòng)普及，用電需求增長(zhǎng)。便攜式儲(chǔ)能設(shè)備作為新興消費(fèi)品，讓消費(fèi)者在疫情的情況下發(fā)現(xiàn)了便攜式儲(chǔ)能在移動(dòng)設(shè)備、戶(hù)外用電等應(yīng)用領(lǐng)域的使用價(jià)值，快速獲得了市場(chǎng)青睞。

便攜儲(chǔ)能市場(chǎng)方面，2020年美國(guó)受益于較早起步的戶(hù)外市場(chǎng)，便攜儲(chǔ)能銷(xiāo)量占比接近 50%；日本受地震等災(zāi)害影響對(duì)應(yīng)急電力設(shè)備需求較高，銷(xiāo)售占比為29.6%；中國(guó)貢獻(xiàn)全球便攜儲(chǔ)能91.9%出貨量，銷(xiāo)量占比4.9%。

《中國(guó)便攜式儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告(2021年)》指出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更迭將進(jìn)一步促進(jìn)人均電力需求，擴(kuò)大便攜式儲(chǔ)能產(chǎn)品的存量替換，激發(fā)新用戶(hù)與新需求，預(yù)計(jì)到2026年全球及中國(guó)便攜式儲(chǔ)能設(shè)備的出貨量將分別達(dá)到3110萬(wàn)臺(tái)和2867萬(wàn)臺(tái)，全球便攜式儲(chǔ)能的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)超過(guò)800億元，中國(guó)市場(chǎng)總產(chǎn)值將超過(guò)700億元。

隨著便攜儲(chǔ)能市場(chǎng)滲透率不斷提高，總體市場(chǎng)規(guī)模不斷上漲，便攜鋰電BMS也將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

便攜鋰電BMS的應(yīng)用現(xiàn)狀

不得不說(shuō)，便攜式儲(chǔ)能是一個(gè)快速發(fā)展的市場(chǎng)。便攜儲(chǔ)能產(chǎn)品作為更加便攜、安全、環(huán)保的小型儲(chǔ)能系統(tǒng)，使用高能量密度的鋰離子提供穩(wěn)定的電流，是大型戶(hù)外“充電寶”。它們的帶電量一般為 0.2-2kWh，輸出功率達(dá) 100-220w，配備有 Type-C、AC、DC 等接口，支持太陽(yáng)能、汽車(chē)車(chē)充等多種充電方式，可應(yīng)用于戶(hù)外旅行場(chǎng)景，為照明燈、攝像機(jī)、電腦提供足夠的電力。

目前，便攜儲(chǔ)能產(chǎn)品電池容量大，充電頻繁和快充等需求對(duì)便攜鋰電BMS AFE產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度和安全要求越來(lái)越高。按照BMS AFE驅(qū)動(dòng)方式，可分為高邊驅(qū)動(dòng)，低邊驅(qū)動(dòng)和外置驅(qū)動(dòng)三種，其中低邊驅(qū)動(dòng)占主流，但是隨著對(duì)BMS安全性要求提高，高邊驅(qū)動(dòng)應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

MPS FAE主管丁元偉表示，高邊驅(qū)動(dòng)應(yīng)用不僅省去了隔離信號(hào)，消除了隔離器件受噪聲干擾而影響系統(tǒng)可靠性的問(wèn)題，而且省去了隔離電源供電，整個(gè)BMS系統(tǒng)的靜態(tài)電流也得以降低，從而延長(zhǎng)了電池續(xù)航時(shí)間。

從芯片方案來(lái)看，便攜鋰電BMS主流組成架構(gòu)是前端芯片配合MCU方案和硬件保護(hù)芯片方案。中穎電子動(dòng)力電源事業(yè)部總監(jiān)張圣就提到，當(dāng)前便攜鋰電BMS主流組成架構(gòu)以硬件保護(hù)芯片方案占比偏多，而前端芯片配合MCU方案的占比亦在逐年上升。中穎電子作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的MCU和鋰電池管理芯片設(shè)計(jì)公司，其鋰電產(chǎn)品線就包括硬件保護(hù)芯片、二次保護(hù)芯片、前端采集芯片、保護(hù)前端芯片以及二合一(MCU+前端采集芯片)智能管理芯片等。

另外，欣旺達(dá)研發(fā)部研發(fā)主管江平提到：“從產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域情況來(lái)看，目前還是手機(jī)終端的市場(chǎng)占比可能會(huì)大一點(diǎn)，像車(chē)載電池、戶(hù)外露營(yíng)電池的市場(chǎng)占比會(huì)相對(duì)少一點(diǎn)。”

便攜鋰電BMS存在哪些應(yīng)用難點(diǎn)和挑戰(zhàn)？

由于較好的安全特性，磷酸鐵鋰電池在便攜式鋰電上應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是磷酸鐵鋰的充放電曲線和三元鋰電池差異很大。丁元偉認(rèn)為，它在3.2V電壓有一個(gè)很平坦的平臺(tái)，電壓微小的變化會(huì)引起容量巨大差異，這對(duì)電量計(jì)IC計(jì)算電量帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，如何準(zhǔn)確的計(jì)算電量同時(shí)易于設(shè)計(jì)，是一個(gè)難點(diǎn)。

同時(shí)，電量計(jì)作為快充功能的一個(gè)關(guān)鍵模塊，參與快充控制，對(duì)電量計(jì)提出新的要求和調(diào)整，比如支持小阻值電流采樣電阻以便支持較大的充電電流。

例如，手機(jī)BMS電量計(jì)主要包含實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)電池參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電池SoC和SOH評(píng)估等功能，主要用于實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的電壓、電流、溫度等各項(xiàng)參數(shù)，并將參數(shù)發(fā)送給控制系統(tǒng)，從而保障電池的高效、可靠的運(yùn)行。因此，如何通過(guò)高精度ADC實(shí)現(xiàn)電池的模擬數(shù)據(jù)量采集的同時(shí)，大幅度降低采樣電阻數(shù)值，持續(xù)提升測(cè)量高精度、低溫漂等性能指標(biāo)，是手機(jī)BMS電量計(jì)的關(guān)鍵核心能力。

芯?？萍籍a(chǎn)品經(jīng)理毛碧峰明確表示，BMS的核心在于測(cè)量和低功耗，因此需要高精度ADC和低功耗基準(zhǔn)源支撐。據(jù)了解，芯?？萍荚贏DC領(lǐng)域已耕耘19年，完全掌握了這些核心技術(shù)，其產(chǎn)品能做出新一代精度更高、基準(zhǔn)溫漂更低的BMS，市場(chǎng)進(jìn)展速度非?？?。

中穎電子也是國(guó)內(nèi)較早布局鋰電相關(guān)IC的設(shè)計(jì)公司，便攜鋰電BMS屬于鋰電管理產(chǎn)品應(yīng)用之一。張圣認(rèn)為，便攜鋰電BMS應(yīng)用的難點(diǎn)主要集中在電池容量統(tǒng)計(jì)的精度和安規(guī)認(rèn)證上。實(shí)際應(yīng)用中，便攜鋰電BMS的容量統(tǒng)計(jì)精度除與電池電壓采集精度，充放電電流采集精度以及環(huán)境溫度的采集精度密切相關(guān)外，還需要大量的電芯模型參數(shù)用于修調(diào)。安規(guī)認(rèn)證方面，要求系統(tǒng)方案具備高安全性和高穩(wěn)定性。

產(chǎn)品在投入研發(fā)過(guò)程中需要參考多項(xiàng)因素，但用戶(hù)的實(shí)際需求也不容忽視。在目前便攜鋰電BMS應(yīng)用方面，江平也表達(dá)了自己的看法。他認(rèn)為，便攜鋰電BMS在應(yīng)用方面主要是快充速度快、能量密度大、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)三方面比較有挑戰(zhàn)性，特別是手機(jī)屏等便攜式產(chǎn)品。相關(guān)的解決辦法，他表示，像快充無(wú)非就是增大充電功率；續(xù)航主要是從電芯的材料上解決，針對(duì)基本的產(chǎn)品特性，進(jìn)一步優(yōu)化能源供應(yīng)能力。

便攜鋰電BMS在設(shè)計(jì)方面有哪些因素考慮？

便攜鋰電BMS不僅要符合便攜儲(chǔ)能產(chǎn)品的外觀特性，滿(mǎn)足便攜儲(chǔ)能產(chǎn)品的優(yōu)異性能，而且要適應(yīng)家庭、戶(hù)外等不同的工作環(huán)境等，因此在設(shè)計(jì)方面需要結(jié)合內(nèi)外部的多重因素進(jìn)行綜合考慮。

圖片來(lái)源：華寶新能招股說(shuō)明書(shū)

具體來(lái)看，便攜儲(chǔ)能設(shè)備經(jīng)常工作在復(fù)雜的野外環(huán)境中，溫度范圍可能低于-20℃或超過(guò)60℃，這對(duì)AFE ADC的電壓/電流采樣精度提出了較高要求。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)如何實(shí)現(xiàn)較小的溫漂，以保證OV/UV準(zhǔn)確性和電量計(jì)算精度，這也是一個(gè)難點(diǎn)。

此外，倘若便攜儲(chǔ)能電池容量超過(guò)100AH，那么極低的電池內(nèi)阻和放電環(huán)路阻抗在負(fù)載側(cè)短路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生超過(guò)1000A的短路電流。AFE如何快速有效的關(guān)斷Mosfet，對(duì)其驅(qū)動(dòng)能力也提出了較高要求。

而且市場(chǎng)上輸出逆變器功率呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大到3KW，逆變器端電容容量會(huì)超過(guò)5mF，直接啟動(dòng)容易造成Mosfet過(guò)流損壞, AFE必須考慮容性啟動(dòng)帶來(lái)的大浪涌電流沖擊問(wèn)題。

除了以上可能出現(xiàn)的問(wèn)題考慮，針對(duì)便攜鋰電BMS在設(shè)計(jì)方面另外需要考慮的主要因素，張圣也總結(jié)出了幾個(gè)維度，比如針對(duì)電芯的各類(lèi)保護(hù)及其時(shí)效性，尤其是短路保護(hù)的可靠性；ESD和EFT等抗干擾能力的設(shè)計(jì);生產(chǎn)和運(yùn)行過(guò)程中濫用防護(hù)的設(shè)計(jì);靜態(tài)功耗的設(shè)計(jì)等。

江平還補(bǔ)充道：“設(shè)計(jì)方面，第一個(gè)是溫度管理，包括高溫、低溫、充電、放電時(shí)候的熱實(shí)控管理，或者充電電流管理，避免出現(xiàn)安全方面的問(wèn)題。另一個(gè)是電量管理，充電要盡量精準(zhǔn)，不要老是跳來(lái)跳去，續(xù)航還是要穩(wěn)定。”

便攜鋰電BMS的市場(chǎng)前景

根據(jù)《中國(guó)便攜式儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告(2021年)》，2020年美國(guó)成為全球最大的便攜儲(chǔ)能消費(fèi)市場(chǎng)，日本位列第二，而中國(guó)便攜儲(chǔ)能消費(fèi)發(fā)展較晚，戶(hù)外市場(chǎng)剛剛起步，90%以上產(chǎn)品銷(xiāo)往海外。

圖片來(lái)源：東方證券研究所

便攜鋰電BMS隨著市場(chǎng)需求增加而快速發(fā)展，各種新技術(shù)，新工藝脫穎而出，但其發(fā)展始終圍繞著如何提高鋰電池系統(tǒng)的安全性，提升采樣電壓/電流以及電量的精度和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，降低整體Bom成本為核心。這是一個(gè)蓬勃發(fā)展但也競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)。

江平表示，便攜鋰電BMS未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)還是從快充和電量管理兩方面去考量。平時(shí)的電量管理做得更精準(zhǔn)，要與電池實(shí)際應(yīng)用更加匹配，以提高快充速度。第二是熱量，熱量越來(lái)越小，設(shè)備充電速度就會(huì)越來(lái)越快。

我們知道，隨著快充的發(fā)展，電池功率加大，從20W左右到60W，甚至達(dá)到100W以上。因?yàn)楣β试酱螅珺MS對(duì)芯片的精度、穩(wěn)定性和寬溫度范圍的精度要求更高。芯?？萍紦屨紘?guó)產(chǎn)替代市占份額的進(jìn)程也就這樣加快了。

但江平認(rèn)為，目前技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到瓶頸期。除非有新的電池能出現(xiàn)，具備體積小、能量密度高等特征，同時(shí)可能不需要充電，或者外傳的時(shí)間很短，類(lèi)似于雙吸電池，幾分鐘即可充滿(mǎn)。他說(shuō)道：“后面的發(fā)展可能還是要看市場(chǎng)的應(yīng)用。如果沒(méi)有市場(chǎng)，那就沒(méi)什么希望了。”據(jù)了解，欣旺達(dá)目前便攜鋰電BMS在消費(fèi)電子和汽車(chē)動(dòng)力等領(lǐng)域均有布局。

對(duì)于便攜鋰電BMS的發(fā)展前景，張圣也提出了自己的看法。他認(rèn)為，便攜鋰電BMS未來(lái)市場(chǎng)空間巨大！隨著5G和AI時(shí)代的到來(lái)，電子設(shè)備的數(shù)據(jù)化和移動(dòng)化的趨勢(shì)逐步落地，便攜鋰電是各類(lèi)電子設(shè)備戶(hù)外供電的首選。小型化、智能化和定制化是未來(lái)便攜儲(chǔ)能的未來(lái)發(fā)展方向。

目前，芯?？萍?、圣邦微、中穎電子、必易微等國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在便攜鋰電BMS領(lǐng)域均已投入研發(fā)，并擁有成熟的市場(chǎng)產(chǎn)品。在便攜鋰電BMS市場(chǎng)需求整體向好的趨勢(shì)下，國(guó)產(chǎn)替代的市場(chǎng)份額也會(huì)進(jìn)一步加大。

結(jié)語(yǔ)

后疫情時(shí)代下，人們戶(hù)外露營(yíng)、手機(jī)終端等方面的用電需求日益明顯，便攜式儲(chǔ)能設(shè)備成為理想的選擇。伴隨著便攜式儲(chǔ)能市場(chǎng)的持續(xù)增長(zhǎng)，便攜鋰電BMS應(yīng)用空間也會(huì)逐漸擴(kuò)大。雖然目前便攜鋰電BMS在研發(fā)設(shè)計(jì)中面臨著諸多挑戰(zhàn)，但正因?yàn)檫@些挑戰(zhàn)，讓其成為企業(yè)快速搶占市場(chǎng)的重要條件。便攜式儲(chǔ)能設(shè)備需求增大，那么便攜鋰電BMS市場(chǎng)發(fā)展可期可待，輕量化、定制化、安全快充的市場(chǎng)需求也會(huì)成為未來(lái)的發(fā)展方向。