后疫情时代,便携锂电BMS市场已悄然兴起......

发布时间:2022-09-16

【哔哥哔特导读】户外、家庭应急等用电需求的不断增加,让便携式储能市场随之扩大,同时也让便携锂电BMS的设计和应用成为行业热点。

前言

随着人们生活水平提高,后疫情时代户外活动普及,用电需求增长。便携式储能设备作为新兴消费品,让消费者在疫情的情况下发现了便携式储能在移动设备、户外用电等应用领域的使用价值,快速获得了市场青睐。

便携储能市场方面,2020年美国受益于较早起步的户外市场,便携储能销量占比接近 50%;日本受地震等灾害影响对应急电力设备需求较高,销售占比为29.6%;中国贡献全球便携储能91.9%出货量,销量占比4.9%。

《中国便携式储能产业发展研究报告(2021年)》指出,物联网技术更迭将进一步促进人均电力需求,扩大便携式储能产品的存量替换,激发新用户与新需求,预计到2026年全球及中国便携式储能设备的出货量将分别达到3110万台和2867万台,全球便携式储能的市场规模将会超过800亿元,中国市场总产值将超过700亿元。

后疫情时代,便携锂电BMS市场已悄然兴起...... (图1)

随着便携储能市场渗透率不断提高,总体市场规模不断上涨,便携锂电BMS也将迎来新的发展机遇。

便携锂电BMS的应用现状

不得不说,便携式储能是一个快速发展的市场。便携储能产品作为更加便携、安全、环保的小型储能系统,使用高能量密度的锂离子提供稳定的电流,是大型户外“充电宝”。它们的带电量一般为 0.2-2kWh,输出功率达 100-220w,配备有 Type-C、AC、DC 等接口,支持太阳能、汽车车充等多种充电方式,可应用于户外旅行场景,为照明灯、摄像机、电脑提供足够的电力。

目前,便携储能产品电池容量大,充电频繁和快充等需求对便携锂电BMS AFE产品设计精度和安全要求越来越高。按照BMS AFE驱动方式,可分为高边驱动,低边驱动和外置驱动三种,其中低边驱动占主流,但是随着对BMS安全性要求提高,高边驱动应用会越来越广泛。

MPS FAE主管丁元伟表示,高边驱动应用不仅省去了隔离信号,消除了隔离器件受噪声干扰而影响系统可靠性的问题,而且省去了隔离电源供电,整个BMS系统的静态电流也得以降低,从而延长了电池续航时间。

从芯片方案来看,便携锂电BMS主流组成架构是前端芯片配合MCU方案和硬件保护芯片方案。中颖电子动力电源事业部总监张圣就提到,当前便携锂电BMS主流组成架构以硬件保护芯片方案占比偏多,而前端芯片配合MCU方案的占比亦在逐年上升。中颖电子作为国内领先的MCU和锂电池管理芯片设计公司,其锂电产品线就包括硬件保护芯片、二次保护芯片、前端采集芯片、保护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,欣旺达研发部研发主管江平提到:“从产品的应用领域情况来看,目前还是手机终端的市场占比可能会大一点,像车载电池、户外露营电池的市场占比会相对少一点。”

便携锂电BMS存在哪些应用难点和挑战?

由于较好的安全特性,磷酸铁锂电池在便携式锂电上应用越来越广泛,但是磷酸铁锂的充放电曲线和三元锂电池差异很大。丁元伟认为,它在3.2V电压有一个很平坦的平台,电压微小的变化会引起容量巨大差异,这对电量计IC计算电量带来很大挑战,如何准确的计算电量同时易于设计,是一个难点。

同时,电量计作为快充功能的一个关键模块,参与快充控制,对电量计提出新的要求和调整,比如支持小阻值电流采样电阻以便支持较大的充电电流。

例如,手机BMS电量计主要包含实时动态检测电池参数,实现电池SoC和SOH评估等功能,主要用于实时检测电池的电压、电流、温度等各项参数,并将参数发送给控制系统,从而保障电池的高效、可靠的运行。因此,如何通过高精度ADC实现电池的模拟数据量采集的同时,大幅度降低采样电阻数值,持续提升测量高精度、低温漂等性能指标,是手机BMS电量计的关键核心能力。

芯海科技产品经理毛碧峰明确表示,BMS的核心在于测量和低功耗,因此需要高精度ADC和低功耗基准源支撑。据了解,芯海科技在ADC领域已耕耘19年,完全掌握了这些核心技术,其产品能做出新一代精度更高、基准温漂更低的BMS,市场进展速度非常快。

中颖电子也是国内较早布局锂电相关IC的设计公司,便携锂电BMS属于锂电管理产品应用之一。张圣认为,便携锂电BMS应用的难点主要集中在电池容量统计的精度和安规认证上。实际应用中,便携锂电BMS的容量统计精度除与电池电压采集精度,充放电电流采集精度以及环境温度的采集精度密切相关外,还需要大量的电芯模型参数用于修调。安规认证方面,要求系统方案具备高安全性和高稳定性。

产品在投入研发过程中需要参考多项因素,但用户的实际需求也不容忽视。在目前便携锂电BMS应用方面,江平也表达了自己的看法。他认为,便携锂电BMS在应用方面主要是快充速度快、能量密度大、续航时间长三方面比较有挑战性,特别是手机屏等便携式产品。相关的解决办法,他表示,像快充无非就是增大充电功率;续航主要是从电芯的材料上解决,针对基本的产品特性,进一步优化能源供应能力。

便携锂电BMS在设计方面有哪些因素考虑?

便携锂电BMS不仅要符合便携储能产品的外观特性,满足便携储能产品的优异性能,而且要适应家庭、户外等不同的工作环境等,因此在设计方面需要结合内外部的多重因素进行综合考虑。

后疫情时代,便携锂电BMS市场已悄然兴起...... (图2)

具体来看,便携储能设备经常工作在复杂的野外环境中,温度范围可能低于-20℃或超过60℃,这对AFE ADC的电压/电流采样精度提出了较高要求。因此,在设计时如何实现较小的温漂,以保证OV/UV准确性和电量计算精度,这也是一个难点。

此外,倘若便携储能电池容量超过100AH,那么极低的电池内阻和放电环路阻抗在负载侧短路时,会产生超过1000A的短路电流。AFE如何快速有效的关断Mosfet,对其驱动能力也提出了较高要求。

而且市场上输出逆变器功率呈现逐渐增长趋势,最大到3KW,逆变器端电容容量会超过5mF,直接启动容易造成Mosfet过流损坏, AFE必须考虑容性启动带来的大浪涌电流冲击问题。

除了以上可能出现的问题考虑,针对便携锂电BMS在设计方面另外需要考虑的主要因素,张圣也总结出了几个维度,比如针对电芯的各类保护及其时效性,尤其是短路保护的可靠性;ESD和EFT等抗干扰能力的设计;生产和运行过程中滥用防护的设计;静态功耗的设计等。

江平还补充道:“设计方面,第一个是温度管理,包括高温、低温、充电、放电时候的热实控管理,或者充电电流管理,避免出现安全方面的问题。另一个是电量管理,充电要尽量精准,不要老是跳来跳去,续航还是要稳定。”

便携锂电BMS的市场前景

根据《中国便携式储能产业发展研究报告(2021年)》,2020年美国成为全球最大的便携储能消费市场,日本位列第二,而中国便携储能消费发展较晚,户外市场刚刚起步,90%以上产品销往海外。

后疫情时代,便携锂电BMS市场已悄然兴起...... (图2)

便携锂电BMS随着市场需求增加而快速发展,各种新技术,新工艺脱颖而出,但其发展始终围绕着如何提高锂电池系统的安全性,提升采样电压/电流以及电量的精度和简化设计,降低整体Bom成本为核心。这是一个蓬勃发展但也竞争激烈的市场。

江平表示,便携锂电BMS未来的发展趋势还是从快充和电量管理两方面去考量。平时的电量管理做得更精准,要与电池实际应用更加匹配,以提高快充速度。第二是热量,热量越来越小,设备充电速度就会越来越快。

我们知道,随着快充的发展,电池功率加大,从20W左右到60W,甚至达到100W以上。因为功率越大,BMS对芯片的精度、稳定性和宽温度范围的精度要求更高。芯海科技抢占国产替代市占份额的进程也就这样加快了。

但江平认为,目前技术已经发展到瓶颈期。除非有新的电池能出现,具备体积小、能量密度高等特征,同时可能不需要充电,或者外传的时间很短,类似于双吸电池,几分钟即可充满。他说道:“后面的发展可能还是要看市场的应用。如果没有市场,那就没什么希望了。”据了解,欣旺达目前便携锂电BMS在消费电子和汽车动力等领域均有布局。

对于便携锂电BMS的发展前景,张圣也提出了自己的看法。他认为,便携锂电BMS未来市场空间巨大!随着5G和AI时代的到来,电子设备的数据化和移动化的趋势逐步落地,便携锂电是各类电子设备户外供电的首选。小型化、智能化和定制化是未来便携储能的未来发展方向。

目前,芯海科技、圣邦微、中颖电子、必易微等国内半导体企业在便携锂电BMS领域均已投入研发,并拥有成熟的市场产品。在便携锂电BMS市场需求整体向好的趋势下,国产替代的市场份额也会进一步加大。

结语

后疫情时代下,人们户外露营、手机终端等方面的用电需求日益明显,便携式储能设备成为理想的选择。伴随着便携式储能市场的持续增长,便携锂电BMS应用空间也会逐渐扩大。虽然目前便携锂电BMS在研发设计中面临着诸多挑战,但正因为这些挑战,让其成为企业快速抢占市场的重要条件。便携式储能设备需求增大,那么便携锂电BMS市场发展可期可待,轻量化、定制化、安全快充的市场需求也会成为未来的发展方向。 

2022

09-16

BMS电池管理系统