锂电池管理芯片研究

郑宏达（SAC号码：S0850516050002）

华晋书（SAC号码：S0850521090001）

2023年01月16日

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》1．国内电池管理IC产业蓬勃发展，进口替代趋势明显。电池管理芯片属于电源管理芯片的细分领域，它能够确保电池安全稳定输出电能。电池管理芯片的国产化率显著低于电源管理芯片行业整体国产化率，德州仪器(TI)是行业龙头，国内企业深耕细分赛道，进口替代进程加快。

》2．下游应用场景逐渐拓宽，需求拉升，助推电池管理IC行业。据赛微微电招股书援引Mordor Intelligence统计数据，2024年全球电池管理芯片市场规模预计将增长至93亿美元。近年来，随着下游通讯、消费电子、工业、新能源汽车、储能等领域技术快速发展，对电池管理芯片产品的性能要求不断提升，推动电池管理芯片不断向高精度、低功耗、微型化、智能化方向不断发展，同时促进了全球电池管理芯片市场的持续增长。

投资建议：随着下游新应用场景出现，电池管理IC总量增长，国产厂商凭借国产替代趋势拥有更大增长空间。建议关注中颖电子、芯海科技、赛微微电等。

风险提示：经济和市场波动风险；下游需求不及预期风险；市场竞争加剧风险；产品研发不及预期；供应链风险。

1．行业概述：国外厂商全线布局，细分赛道国内厂商奋起直追

2．需求推动：消费、动力和储能三管齐下，共同发力拉动增长

1．行业概述：国外厂商全线布局，细分赛道国内厂商奋起直追

1.1什么是电池管理系统

1.2 市场规模与竞争格局

1.3 电池管理IC功能介绍

1.1什么是电池管理系统

》电池管理芯片针对电池提供电池计量、状态监控及电池保护、充电管理等功能。

电池安全芯片主要用于电池状态监控和电池单体均衡，通过实时监测每节电池或电池包，避免出现过充、过放、过流和短路等故障，从而使电芯在安全稳定的范围内工作，延长电池寿命，保障使用者的安全。

电池计量芯片可以提供电池的准确电压、电流、温度、健康度等信息，可以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。

》电池充电芯片是充电时控制和检测电流和电压的，电器以最佳的状态为电池充电。

电池管理产品示意图

? 电池认证芯片集成了专业的加密认证算法（比如SHA-1,SHA-256，ECC等）来标识电池是授权的。只有授权的、安全的电池才能使用或充电。

电池监测器（Monitor/AFE）：AFE为MCU和电量计提供电芯和模组的电压、温度和电流等信息。由于AFE在物理上离电池最近，AFE还可以控制断路器，如果触发任何故障，断路器会将电池与系统的其余部分断开。

均衡器（Balancer）：电池均衡是通过对多节串联电池进行容量最大化处理，确保各个电池单元能量可用，以此来延长电池使用寿命的技术。

1.2 市场规模与竞争格局

V 根据赛微微电招股书援引Mordor Intelligence统计数据，2020年全球电池管理芯片市场规模预计为74亿美元，2024年预计将增长至93亿美元。

电池管理IC 市场规模

1.2 市场规模与竞争格局

》德州仪器(TI)是行业龙头，TI的电池管理芯片产品包括充电器、电量监测计、监控器和保护IC，可用于工业、汽车和个人电子产品应用。

TI布局

资料来源：TI官网，海通证券研究所

》简单而言是充电时控制和检测电流和电压的，使得电器以最佳的状态为电池充电。

据知科技援引德州仪器(TI)电池管理产品(BMS)大中华区市场和应用部门经理文司华介绍，电池容量的突变并不在于电池密度是否有显著提高，而在于手机的屏幕变大了，所以电池容量、电池空间增大。另外，电池电压也在不断提高，原来都是4.2V电池，现在变成4.35V。电压提高的原因是：电芯每增加0.1V，能让电池续航时间提升5%\~8%左右。

》价格差距较大，TI现有产品线报价0.3-6.4美金。

充电电流特性

V 避免出现过充、过放、过流和短路等故障，从而使电芯在安全稳定的范围内工作，延长电池寿命，保障使用者的安全。

过充过放对电池的损害都是致命的，不同之处仅在于过充产生大量气体、易自燃和爆炸、表象剧烈，过放外观变化和缓、但失效速度却极快，在正常使用中都应严格避免出现。对于单体电池而言，在充放电的过程中，如果过充或者过放电都会造成电池内阻增大，负极析锂，容量减小等一系列问题，使电池在使用过程中存在安全和寿命缩短的问题。对于电池组而言，在成组之前就需要单体电池的电性能基本一致，在使用过程中也需要保持各个单体电池的性能一致性，这样电池才能尽量发挥1+1>1的效果。

》TI现有产品线报价0.15-5.31美金。

过充原理图

资料来源：先进电池之家公众号，电子工程世界企鹅号,海通证券研究所

电路示意图

1.3 电池管理IC功能介绍：计量IC

V 电量计功能模块负责记录流入和流出电池组的电荷。电荷是电流与时间之积。设计电量计时可使用多种不同的技术。测量电流的方法之一是使用电流感测放大器和带有嵌入式低分辨率ADC的MCU。电流运算放大器在高共模环境中工作，它负责放大分流器上差分信号，以支持更高的测量分辨率。这种设计技术以牺牲动态范围为代价。其他技术使用高分辨率ADC,或昂贵的电量计IC。了解负载行为的电流消耗-时间关系可确定电量计设计的最佳类型。

V SOH(State Of Health)主要表征当前电池的健康状态，为0-100%之间数值，一般认为低于80%以后电池便不可再用。可以用电池容量或内阻变化来表示，用容量时即通过电池运行过程数据估算出当前电池的实际容量，与额定容量的比值即为SOH。准确的SOH会提高电池衰减时其他模块的估算精度。

SOC(State Of Charge)属于BMS核心控制算法，表征当前的剩余容量状态，主要通过安时积分法和EKF（扩展卡尔曼滤波）算法，并结合修正策略（如开路电压修正，充满修正，充电末端修正，不同温度及SOH下的容量修正等）。安时积分法在保证电流采集精度条件下比较可靠，但鲁棒性不强，由于存在误差累计必须结合修正策略，而EKF鲁棒性较强，但算法比较复杂，实现难度大。国内主流厂家一般常温可以做到精度6%以内，在高低温和电池衰减时的估算是难点。

V SOE(State Of Energy)算法国内厂家现在开发的不多，或采用较为简单的算法，查表得到当前状态下剩余能量与最大可用能量的比值。该功能主要用于剩余续航里程估算。

》TI现有产品线报价0.51-11.56美金。

资料来源：TI官网，东莞钜大锂电官网，电子元件技术网,海通证券研究所

BMS的剩余容量估算一直是业界难点。首先这是一个根据电池组电压，电流，放电倍率，温度等因素经过算法计算的估算值，要求系统先要采集的足够准，足够快才能保证最后的结果准确。这又对主控芯片的处理速度，AFE的精度，采集电流的方案选择，温度传感器的精度提出新的要求，还有从系统整体考量采样频率的大小诸多因素有关。选用高处理速度高精度的芯片势必会增加成本，采样频率越快系统负荷也越大，所以在目前技术条件下，业界都是参考具体项目来权衡各方面因素。

V 电量计拥有电池的准确电压、电流、温度、健康度等信息，能够实时根据当前电池状态向主机充电器索取最合适的充电电压、充电电流，能够在安全的条件下实现多种形式充电需求，比如线损补偿、快充、降额充电等等。

SOC的状态示意图

1.3电池管理IC功能介绍：计量IC拓展

V 现行设备中有三种电量计，分别是：1）直接电池电压监控方法：电池电量的估计是通过简单地监控电池的电压得来的，尽管该方法精度较低和缺乏对电池的有效保护；2）电池建模方法，根据锂电池的放电曲线，建立一个数据表，每测量一个电压值，根据该电压去表中查出所对应的电量，测量精度可以达到5%；3）库仑计，在电池串入一个电流检测电阻。该电流与时间做积分就是变化的电量，因此其可以精确跟踪电池的电量变化，精度可达1%。

V 最准确和经济的解决方案是使用具有低漂移和高共模额定值的 16 位或更高分辨率ADC来测量感测电阻器上的电压。高分辨率ADC提供大的动态范围，但以牺牲速度为代价。AFE模拟前端芯片直接连着电芯，面临抗大量浪涌脉冲冲击、更高精度采样、更高安全等级等多种高难度技术门槛的芯片设计要求。如果没有了AFE模拟前端芯片，BMS电池管理系统也就成了无根之木。核心在建模或者ADC

资料来源：《TI电量计应用指导》，海通证券研究所

1.3 电池管理IC功能介绍：多电芯均衡

V 什么是电池的一致性？简单的说就是同型号单个电池之间的重量、电压、内阻等关键指标的偏差程度，偏差越大，一致性越差。事实上，新能源汽车电池是把大量的单个电池通过串联和并联的方式组成电池组，串联得越多，不一致性放大倍数越多，电池寿命越短。这也是我们日常生活中不同品牌、新旧程度不一的电池不要混用的原因。

V 但在当前技术现状下，要求电池包内所有电芯完全一致是几乎不可能的事情，这就意味着各电芯间会存在着不一致的工作条件（内阻/发热量/SOC区间）及不同的老化率，所以需要均衡管理。BMS有被动均衡管理和主动均衡管理两种方式。

主动均衡与被动均衡

资料来源：恩智测控NGI公众号，海通证券研究所

2．需求推动：消费、动力和储能三管齐下，共同发力拉动增长

2.1消费电子常见的电池管理系统

2.2 双轮电动车端常见的电池管理系统

2.3 电动汽车端常见的电池管理系统

2.4 储能与动力电池管理系统的不同之处

2.1消费电子常见的电池管理系统

随着通信市场逐渐向高能耗的5G手机迭代，续航焦虑催生出对大功率快充的需求，不断升级的终端设备也对电池管理提出了更高的技术要求。其中，用于评估电池剩余容量和健康状态的BMS电量计芯片，亦随之迎来新的挑战。

V 而电量计作为快充功能的一个关键模块，如果要参与到快充控制，就需要支持小阻值电流采样电阻，以便支持较大的充电电流。

荣耀50手机
资料来源：南方Plus网易号，eWiseTech微信公众号，海通证券研究所

2.1消费电子常见的电池管理系统

V 据IT之家百家号援引Aksje Bloggen数据，全球笔记本电脑出货量在2020年达到2.2亿台。时代周报百家号援引Strategy Analytics，2021年同比增长19%，再次达到创纪录的2.68亿台。联想居第一，2021年全年共出货6340万台，年增长率达到16%，市场份额占比达24%。惠普5900万台，yoy14%，份额22%；戴尔4570万台，y0y29%，份额17%。

V 每日经济新闻百家号援引IDC，2021年全球共计出货平板电脑1.69亿台，较2020年增长3.2%。其中苹果以34.2%的市场份额稳居第一，出货量达到了5780万台。三星18.3%的市场份额排名第二，出货量为3090万台。

笔记本电池

资料来源：百度百科，IT之家百家号援引Strategy Analytics,海通证券研究所

2021年全球笔记本电脑市场格局

Shipments(M Units)	MarketShare (%)	Y-O-YGrowth (%)
63.4m	24%	16%
59.0m	22%	14%
45.7m	17%	29%
24.4m	9%	26%
20.1m	7%	23%
55.7m	21%	16%
268.3m	100%	19%

Shipments(MUnits)	MarketShare(%)	Y-O-YGrowth (%)
16.2m	24%	-9%
14.5m	21%	-4%
13.2m	19%	14%
6.6m	10%	11%
5.2m	8%	-6%
12.3m	18%	-3%
68.0m	100%	-1%

2.1消费电子常见的电池管理系统

小米手表

紫米充电宝

MOMA猛玛LARK150便携式领夹麦克风

华为FreeBuds4E耳机

资料来源：充电头网搜狐号，新浪财经援引充电头网，我爱音频网，我爱音频网企鹅号，海通证券研究所

2.2 双轮电动车端常见的电池管理系统

V 据赛微微电招股书援引EV TANK和QY Research数据，2020年中国轻型电动车辆出货量为2429万辆，其中锂电电动两轮车1136万辆，电动平衡车929万辆，电动滑板车产量364万辆。

据赛微微电招股书显示，业内一辆锂电电动两轮车通常使用4-8颗电池安全芯片，一辆电动平衡车或电动滑板车通常使用2-4颗电池安全芯片，外加1颗电量计和1颗充电管理芯片。

小牛电动车电池保护板图

资料来源：电动车讯息公众号，海通证券研究所

2.3电动汽车端常见的电池管理系统

根据市界百家号，目前在电动汽车中40%的成本来自电池，因此，电池的性能和寿命成为了电动汽车品牌取得成功的关键因素。

集中式BMS：集中式BMS具有成本低、结构紧凑、可靠性高的优点，一般常见于容量低、总压低、电池系统体积小的场景中。

》分布式BMS：分布式的BMS架构能较好的实现模块级和系统级的分级管理。

电动车BMS框图

2.3电动汽车端常见的电池管理系统

捷豹 IPace-EV400 BMS

资料来源：汽车ECU开发公众号，海通证券研究所

2.3电动汽车端常见的电池管理系统

Model3 BMS系统

资料来源：汽车ECU开发公众号，海通证券研究所

e-tron BMS系统

2.3电动汽车端常见的电池管理系统

资料来源：汽车ECU开发公众号，海通证券研究所

2.4 储能与动力电池管理系统的不同之处

V 储能电池管理系统，与动力电池管理系统非常类似。但动力电池系统处于高速运动的电动汽车上，对电池的功率响应速度和功率特性、SOC估算精度、状态参数计算数量，都有更高的要求。

在各自系统里的位置有所不同：在储能系统中，储能电池在高压上只与储能变流器发生交互，变流器从交流电网取电，给电池组充电；或者电池组给变流器供电，电能通过变流器转换成交流发送到交流电网上去。电池管理系统主要与变流器和储能电站调度系统有信息交互关系。电动汽车的BMS，在高压上，与电动机和充电机都有能量交换关系；在通讯方面，与充电机在充电过程中有信息交互，在全部应用过程中，与整车控制器有最为详尽的信息交互。

硬件逻辑结构不同：储能管理系统，硬件一般采用两层或者三层的模式，规模比较大的倾向于三层管理系统。储能电池管理系统与内部的通讯基本都采用CAN协议，但其与外部通讯,外部主要指储能电站调度系统PCS，往往采用互联网协议格式TCP/IP协议。储能电池模组的规模比较大，多串电池串联，较大的单体电压差将造成整个箱体的容量下降，串联电池越多，其损失的容量越多。从经济效率角度考虑，储能电站很需要充分的均衡。动力电池管理系统，只有一层集中式或者两分布式。所在的电动汽车大环境都采用CAN协议，只是按照电池包内部组件之间使用内部CAN，电池包与整车之间使用整车CAN做区分。

经济和市场波动风险；下游需求不及预期风险；市场竞争加剧风险；产品研发不及预期；供应链风险。

分析师声明

郑宏达，华晋书

本人具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格，以勤勉的职业态度，独立、客观地出具本报告。本报告所采用的数据和信息均来自市场公开信息，本人不保证该等信息的准确性或完整性。分析逻辑基于作者的职业理解，清晰准确地反映了作者的研究观点，结论不受任何第三方的授意或影响，特此声明。

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1．投资评级的比较和评级标准：以报告发布后的6个月内的市场表现为比较标准，报告发布日后6个月内的公司股价（或行业指数）的涨跌幅相对同期市场基准指数的涨跌幅;2．市场基准指数的比较标准:A股市场以海通综指为基准;香港市场以恒生指数为基准；美国市场以标普 500或纳斯达克综合指数为基准。	类别	评级	说明
	股票投资评级	优于大市	预期个股相对基准指数涨幅在10%以上;
		中性	预期个股相对基准指数涨幅介于-10%与10%之间;
		弱于大市	预期个股相对基准指数涨幅低于-10%及以下;
		无评级	对于个股未来6个月市场表现与基准指数相比无明确观点。
	行业投资评级	优于大市	预期行业整体回报高于基准指数整体水平10%以上;
		中性	预期行业整体回报介于基准指数整体水平-10%与10%之间;
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锂电池行业：锂电池管理芯片研究-20230116-海通证券-26页