【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。
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。
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。
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。
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