​新能源汽車技（jì）術（shù）分類及三大核心（xīn）技術詳解

       為了使新能源愛好（hǎo）者和初級研發人員更好地了解（jiě）新能源（yuán）汽車的核心技術，筆者（zhě）結合研發過程中的經（jīng）驗總結，從新能源（yuán）汽車分類、模塊規劃、電控（kòng）技術和充電設施等方麵進行了分析。

　　1 新能源汽車分類

　　在（zài）新能源汽車分類中，“弱混、強混”與“串聯、並聯”不同分類方法令非（fēi）業內人士感到困惑，其實這些名稱是從不同角度給出的解（jiě）釋、並不矛盾。

　　1.1消費（fèi）者角度

　　消費者（zhě）角度通（tōng）常（cháng）按照混合度進（jìn）行劃分，可分為起停、弱混、中混、強混、插（chā）電和純電動，節油效果和成本增等指標加如表1所示（shì）。表中“-”表示無此（cǐ）功能或較弱、“+”個數（shù）越多表示（shì）效果越好，從表中可以看出隨著節油效果改善（shàn）、成本增加也較多。

　　1.2技術角度

　　1 技術角度分類

　　技術角度由簡到繁分為純電動、串聯混合動力（lì）、並聯混合（hé）動力及混（hún）聯混合動力，具體（tǐ）如1所示（shì）。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶（dài）傳動啟停裝置（zhì）)係統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動機（jī）和發電機一體化裝置)係統、電（diàn）機處（chù）於（yú）發（fā）動機和（hé）離（lí）合器之（zhī）間，P2中電機處於離合器和變速器（qì）輸入端之間（jiān），P3表示電機處於變速器輸出端或布置於後軸，P03表（biǎo）示P0和P3的組合。從統計表中可以看出，各種結構在國內外乘（chéng）用或商（shāng）用車中均得到廣（guǎng）泛應（yīng）用，相對來說P2在歐洲比較流行，行星排結構在日係和美係車輛中占主導地位，P03等組合結構在（zài）四驅車（chē）輛中應用較為普遍、歐藍德和標致3008均已實現量（liàng）產。新能源車型選擇應綜合考慮（lǜ）結構複雜性、節油效果（guǒ）和成本增（zēng）加，例（lì）如由通用、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三行星排（pái）雙模係統，盡管節油效果較好，但（dàn）由於結構複雜且成本較高，近十年（nián）間的市場（chǎng）表現不盡如人意。

2 新能源汽車模塊規劃

　　盡管新能源汽車分類（lèi）複雜，但其中共用的模塊較多（duō），在開發過程中可采用模塊化方法，共（gòng）享平台、提高開發速度。總體上講，整個新能源汽車（chē）可分為三級（jí）模塊體係、如（rú）2所（suǒ）示，一級模塊主（zhǔ）要是指執行係統，包括（kuò）充（chōng）電設備、電動附件、儲（chǔ）能係統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱（xiāng）。二級模塊分為執行係統和控製係（xì）統兩部分，執行部分包括充電（diàn）設備的（de）地麵充電機、集電器（qì）和車載充電（diàn）機，儲能係統的單體、電箱和PACK，發動機部分的氣體機、汽油機和（hé）柴油機，發電機的永磁（cí）同步和交流異步，離合器中（zhōng）的幹式和濕式，驅動電（diàn）機的永磁同步和交流異步，齒輪箱部分的（de）有級式自動變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二級模塊的控製係統包（bāo）括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示（shì）電池管理係統、發動機電子控製單元、發電（diàn）機控製器、離合器控製單元、電機控製器、變速器控製係（xì）統和整車控製器。三級模塊體係中，包括電池單體的功率型和能量型（xíng），永磁和異步電機（jī）的水冷和風冷（lěng）形式，控製係統的三級模塊主要包括（kuò）硬件、底層和（hé）應用層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根據功能和控製的相似性（xìng），三級模塊體係（xì）的（de）部（bù）分模塊可組成純電動(含增（zēng）程式（shì）)、插電並聯混動和插電混聯混動三種平台架構，例如純電動(含增程式)由充電設備、電（diàn）動附件、儲能係統、驅動電機和齒輪箱（xiāng）組成（chéng）。各平台模塊（kuài）的通用性較強，采用平台和模塊（kuài）的開發方法，可共享核心部件資源，提升新（xīn）能源係統的安全性和可靠性，縮短周（zhōu）期、降低（dī）研（yán）發及采購成本

　　3 新能源三大核心技術

　　在（zài）三（sān）級模塊體係和（hé）平台架構中，整車控製器(VCU)、電機控製器(MCU)和電池管理係統(BMS)是最重要的核心技術，對整（zhěng）車（chē）的動力性、經濟性、可靠（kào）性和安全性等有著重要影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決策的核心電子控製單元，一般僅新能源汽車配備（bèi）、傳統燃油車無需該裝置。VCU通（tōng）過采集油門（mén）踏板、擋（dǎng）位、刹車踏（tà）板等信號來判斷駕（jià）駛（shǐ）員的駕駛意；通過監測車輛狀態(車速、溫度等（děng）)信息，由VCU判斷處理後，向動力係統、動力（lì）電（diàn）池係（xì）統發送車（chē）輛的運行狀態控製指令，同時控製車載（zǎi）附件電力係統的工作（zuò）模式；VCU具有（yǒu）整車係統故障診斷保護與存儲功能。

　　3為VCU的結（jié）構組成，共包括外殼、硬件電路、底層軟件和應（yīng）用層軟件，硬件電路、底（dǐ）層軟件和應用層軟件是VCU的關鍵核心技術。

　　3 VCU組成

　VCU硬件采用標準化核心模塊電路( 32位主處（chù）理器、電（diàn）源、存（cún）儲（chǔ）器、CAN )和VCU專用電路(傳感器采集等)設計；其中標準化（huà）核心模塊電路可移（yí）植（zhí）應用在（zài）MCU和（hé）BMS，平台化硬件將具有非常好的可移植性（xìng）和擴展性。隨著汽車級（jí）處理器技術的發展，VCU從基於16位向（xiàng）32位處理器芯（xīn）片逐步過渡，32位已成為業界的（de）主流產品。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式係統架構（gòu）為標準，達到電子（zǐ）控製（zhì）單元(ECU)開發共平台的發展目標，支持新能源汽車不同的控製係統；模塊化軟件組件以軟件複用為目標，以有效提（tí）高軟件質量（liàng）、縮短（duǎn）軟件開發周期。

　　應用層軟件按照V型（xíng）開發流程、基於模（mó）型開發完成，有利於團隊（duì）協作和平台拓（tuò）展；采用快速原型工具和模型在環(MIL)工具（jù）對軟件模型進行驗證，加快開發速（sù）度；策略文（wén）檔和（hé）軟件模型均采用（yòng）專用版（bǎn）本工（gōng）具進行管理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規律、模（mó）式切換、轉（zhuǎn）矩分配和故障診斷策略等是應用（yòng）層的關鍵技術，對車輛動力性、經濟性和可靠性有著重要影響。

　　表2為世界主流VCU供應商的技術參數，代表著VCU的發展動態。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車特有（yǒu）的核心功（gōng）率電子單元，通過接收VCU的車輛（liàng）行駛控製指令，控製電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅（qū）動車輛行駛。實現把動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電、並驅動電（diàn）機（jī）本體（tǐ）輸出機械能。同時，MCU具有電機係（xì）統故（gù）障診斷保護和存儲功能。

　　MCU由（yóu）外殼及冷卻係統、功率電子單元、控製電路、底層軟件和控製（zhì）算（suàn）法軟件組成，具體結構如4所示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路采用模（mó）塊化、平台化設計理念(核心模塊與VCU同（tóng）平台)，功率驅動部分采用多重診斷保護功能（néng）電路設計，功率回路部分采用汽車級IGBT模（mó）塊並聯技術、定（dìng）製母（mǔ）線電容和集成（chéng）母排設計；結（jié）構部分采用高防護等級（jí）、集成一體化液冷設計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式係統架構為標準，達到ECU開發共同平台的發展目標，模塊化軟件組件以軟件複用為目標。

　　應用層軟件按照功能設（shè）計一般可分為四個模塊：狀態控製、矢量算法、需求轉矩計（jì）算和診斷模塊。其中，矢量算法模（mó）塊分為MTPA控製和弱磁（cí）控製。

　　MCU關鍵技術方案包括：基於32位高性能雙核主處理器；汽車（chē）級並聯IGBT技術，定製薄膜母線電容及集成化功率回路設計，基於AutoSAR架構平台軟件及先進SVPWM PMSM控製算法；高防護等級殼體及集成一體化水冷散熱設計。

　　表3為世界主流 MCU硬件供應商的技術（shù）參數，代表著MCU的發展動態。

　　表3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和BMS

　　電池包是新能源汽車核心（xīn）能量源，為整車提供驅動電能，它主要通過金屬材質的（de）殼體包絡構成電池包主體。模塊化的結構設計實現了電芯的集成，通過熱管理設計與仿真優化電池包（bāo）熱管理性能，電器部件及線束實現了控製係統對（duì）電（diàn）池（chí）的安全（quán）保護及連接路徑；通過BMS實現對電芯的管理，以及與整車的通訊及（jí）信息交換。

　　電池包組（zǔ）成如5所示，包括電芯、模塊、電氣係統、熱管理係（xì）統、箱體和BMS。BMS能夠提高（gāo）電池的利用率，防止電池出現過充（chōng）電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀（zhuàng）態。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池包最關鍵的零部（bù）件（jiàn），與VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應用層軟件（jiàn）組成。但BMS硬件由（yóu）主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從版安裝（zhuāng）於模組內部，用於檢測單（dān）體電壓、電流和均衡（héng）控製（zhì）；主板（bǎn）安裝位置比較靈活，用於繼電器控製（zhì）、荷電狀態值(SOC)估計和電氣傷害保（bǎo）護等。

　　BMU硬（yìng）件部分完成電池單體電（diàn）壓和溫度測（cè）量，並通過高可靠性的數據傳輸通道（dào）與BCU 模塊（kuài）進行指令及數據（jù）的雙向傳輸。BCU 可（kě）選用基於汽車功能安（ān）全架構的32 位微處理器完成總電（diàn）壓采集、絕緣檢（jiǎn）測、繼電器驅動及狀態監測等功能。

　　底層軟件架構符合AUTOSAR標準，模塊化開（kāi）發容易實現擴展（zhǎn）和移植，提高開發效率。

　　應用層軟件是BMS的控製（zhì）核心，包括電池保護、電（diàn）氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼（jì）電器控（kòng）製（zhì）、從板控製、均衡控製、SOC估計和通訊管理等模塊，應用層軟（ruǎn）件架構如6所示。

　　6 應用層軟件架構

　　表4為國內外主流 BMS供應商的技術參（cān）數，代表著BMS的發展動態。

　　表4 BMS技術參（cān）數

　　4 充電設施

　　充電（diàn）設施不完善是阻礙新能源汽車市場（chǎng）推廣的重要因素，對特（tè）斯拉成功的解決方案進行分析，並提出新能源汽車的充電解決方案（àn）、剖析充電係統組成（chéng）。

　　4.1 特（tè）斯拉充電方案分析

　　特斯拉超級充電器代表了當今世界（jiè）最（zuì）先進的充（chōng）電技術，它為MODEL S充電的速度遠高於大多數充電（diàn）站，表5為特（tè）斯拉電池和充電參數。

　　表5電池和充電參數

　　特斯拉具有5種充電方式，采用普通110/220V市電插座充電，30小時充滿；集成的10kW充電器，10小（xiǎo）時充滿；集成的20kW充電器，5小時（shí）充滿；一種快速充電器可以裝在家庭牆壁或者停車場，充電時間可縮短為5小時； 45分鍾能充80%的電量、且電費全免，這種快充裝置僅在北美市場（chǎng）比（bǐ）較普遍。

　　特斯（sī）拉使用太（tài）陽能電池（chí）板遮陽（yáng）棚的（de）充電站，既可以抵消能源消耗又能夠遮陽。與在加油站加油需要付（fù）費不同，經過（guò）適當配置的 MODEL S 可以在任何開放充電（diàn）站免費充電。

　　特斯拉充電技術特點可總結（jié）如下兩點：1)特斯拉（lā）充電站加入了太陽能充電技術，這一技術使充電站盡可能使用清潔能（néng）源，減少對電網（wǎng）的依賴，同時也減少了對電網的幹擾，國內這一技術也能實現。 2)特斯拉充電時間短也不（bú）足為奇，特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一樣，並沒有采用更大的（de）充電倍率，所以不會影響電池（chí）壽命；20分鍾充到40%，就能滿足續航要求，主要原因是電池容量大。

　　4.2 充（chōng）電解決（jué）方案

　　7充電係統組成

　　7為一種可參考的新能源汽（qì）車（chē）充電解決方案，充電係統組成（chéng）：配電係統(高壓（yā）配電櫃、變壓（yā）器（qì）、無功補償裝置和低壓開關櫃)、充電係統(充電櫃和充電機終端)以及儲能係統(儲能（néng）電池與逆變器櫃)。無功補償裝置解決充電係統對電網功率（lǜ）因數影響，充電櫃內（nèi）充電（diàn）機一般都具備有源濾波功能、解決諧（xié）波電流和功（gōng）率因數問題。儲能電池和逆變器櫃解決老舊（jiù）配（pèi）電係統無法滿足充電站容量要求、並起到削峰（fēng）填穀作（zuò）用，在不充電（diàn）時候進行儲能，大容（róng）量（liàng）充電且配電係統容量不足時釋放所儲能量進行充電。如果新建配電係統容量足夠，儲（chǔ）能電池和逆變器櫃可以不選（xuǎn）用。風力發電和光伏發電為充電係統提供清潔能源，盡量減少從電網取電。

　　5 總結

　　從消費者和技術角度分別（bié）對新（xīn）能源汽車結構進行歸（guī）納（nà）分類，分析各種結構的優勢，以（yǐ）及國內外各主機廠的應用情況。分析新能源汽車的模塊組成和平台架構，詳細介紹了三級模塊體係中相關的執行係（xì）統和控（kòng）製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及關鍵技術，以（yǐ）及世界主流供應商的技術參數和發展動態。對特斯拉成功的解決方案（àn）進行分析（xī），並提（tí）出新（xīn）能源汽車的充電解決方案。