​新能源汽車技術分類及三大（dà）核心技術詳解

       為了使新能源愛（ài）好（hǎo）者（zhě）和初級研發人員更（gèng）好地了（le）解新能源汽車的核心（xīn）技術，筆（bǐ）者結合研發過程中的經驗總結，從新能源汽車分類、模塊規劃、電控技術和充電設施等方麵進行了分析。

　　1 新（xīn）能（néng）源汽車分類

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

　　1.1消費者角度

　　消費者角（jiǎo）度通常按照混合度進行劃分，可（kě）分為起停、弱混（hún）、中混、強混、插電和純電動，節油效果和成本增等（děng）指標加如表1所示。表（biǎo）中“-”表示無此功能（néng）或較弱、“+”個數越多表示效果越好，從表中可以看出隨著節（jiē）油效果改善、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、並（bìng）聯混合動力及混（hún）聯混合動力，具（jù）體如1所示（shì）。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停（tíng）裝置)係統，P1代表（biǎo）ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體化裝（zhuāng）置)係統、電機處於發動機和離合（hé）器之間，P2中電機處於離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機處於變速器輸出端或布置於後軸，P03表示P0和P3的組合。從統計表中可以看出，各種結構在國內外乘用或商用車中均得到廣（guǎng）泛應用，相對來說P2在歐洲比較流行，行星排結構在日係和美係車（chē）輛（liàng）中占（zhàn）主導地位，P03等組合（hé）結構在四驅車輛中應用較為普遍、歐藍德和標致3008均已實現量產（chǎn）。新（xīn）能源車型選（xuǎn）擇應綜合考慮結（jié）構複雜性（xìng）、節油效果和成本增加，例如由通用、克萊斯勒和寶（bǎo）馬聯合開發的三行星排雙模係統，盡管節油效果較好，但由於結構（gòu）複雜且成（chéng）本較高，近十年間的市場表現不盡（jìn）如人意。

2 新能（néng）源汽車模塊規劃

　　盡管新能源汽車分類複雜，但其中共用（yòng）的模塊較多，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，整個新能源汽車可分為三級模塊體係、如2所示（shì），一級模（mó）塊主要是指執行係（xì）統，包括充電設備、電動附件、儲能係統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊（kuài）分為執行係統和控製係統兩部分，執行部分包括充電設備的地麵充電機、集電器和車載充電機，儲能係統的單體、電箱和PACK，發動（dòng）機部分（fèn）的氣體機、汽油機和柴（chái）油（yóu）機，發電機的永磁同步和交流異步，離合器中的幹式和濕式（shì），驅動電機的永磁同步和交流異步，齒輪箱（xiāng）部分的有級式自動變速器(包括AMT、AT和DCT等（děng）)、行（háng）星排和減速齒輪；二級模塊的控製係統包括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、發電機控製器、離合器（qì）控製單元、電機控製（zhì）器、變速器控製係統（tǒng）和整車控製器。三（sān）級模（mó）塊體係中，包括電池單體的功率型和能量型，永磁和異步電機的水冷和風冷形式，控製係統的三級模塊主（zhǔ）要（yào）包括硬件、底層（céng）和應用層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根（gēn）據功能和控製（zhì）的相似性，三級模塊體係的部分模塊可（kě）組成純（chún）電動(含增程式)、插電並（bìng）聯混動和插電混聯混動三種平台架構，例如（rú）純電動(含增程式)由充電（diàn）設備、電動附件、儲（chǔ）能係統、驅動電機和（hé）齒輪箱（xiāng）組成。各平台模塊的通用性較強，采用平台和模塊的開發方法（fǎ），可共享核心部件資源，提升新能源係統的安全性和可靠性，縮短周期、降低（dī）研發及采購成本

　　3 新能源三大核心技術

　　在三級模塊體係和平台架構中，整車控製器(VCU)、電機控製器（qì）(MCU)和電池管（guǎn）理係統(BMS)是最重要的核心技術，對整車的動力性、經（jīng）濟性、可靠性和安全性等有著（zhe）重要影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控（kòng）製決策的核（hé）心電子（zǐ）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通過采集油門踏板、擋位（wèi）、刹車踏板等信號來判斷駕（jià）駛員的駕駛意；通過監測車輛狀態(車速、溫度等)信息，由VCU判斷處理後，向動力係統、動力電池（chí）係統發送車輛的運行狀態控製指令，同時控製車載附件電力係統的（de）工（gōng）作模式；VCU具有整車係（xì）統故障診斷保護（hù）與存儲功能。

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

　　3 VCU組成（chéng）

　VCU硬（yìng）件（jiàn）采用標準化核心模塊電路( 32位主處理器、電源（yuán）、存儲器、CAN )和VCU專用電路(傳感器采集（jí）等)設（shè）計；其中標準化核心模塊電路可移植應用在（zài）MCU和BMS，平台（tái）化硬件將具有非常好的可移植性和擴展性。隨著汽車級處理器技術的發展，VCU從（cóng）基於（yú）16位向32位處理器芯片逐步過渡（dù），32位已成為業界的主流（liú）產品。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放（fàng）式係統架構（gòu）為標準，達（dá）到電子控製單（dān）元(ECU)開（kāi）發共平台的發展目標，支持新（xīn）能源（yuán）汽車不同的控製係統；模塊化軟件組（zǔ）件以軟件複用為（wéi）目標，以有效提高軟件（jiàn）質量、縮短軟件開發周期。

　　應用層軟件（jiàn）按照V型開發流程、基於模型（xíng）開發完成，有利（lì）於團隊協作和平台拓展；采用快速（sù）原型工具和模型在環(MIL)工具對軟件模型進行驗證，加快開發速度；策略文檔和軟（ruǎn）件模型均采用專用版本工具進行管理，增強可追溯性；駕（jià）駛員轉（zhuǎn）矩解析、換擋規律、模式切換、轉矩分配和故障診斷策略等是應用層的關鍵技術，對車輛動力性（xìng）、經濟性和可靠性有著（zhe）重要影響。

　　表2為世界主流VCU供（gòng）應商（shāng）的（de）技術參數，代表著VCU的發展動（dòng）態。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車特有的核心功率電子單元，通過接（jiē）收VCU的車輛行駛控製指令，控（kòng）製電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行（háng）駛。實現把動力電池的直流電能（néng）轉換為所需的高壓交流電（diàn）、並驅（qū）動電機本體輸出機械能。同（tóng）時，MCU具有電（diàn）機係統故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（diàn）路、底層軟件和控製算法軟件組成，具體結構如4所（suǒ）示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路采用模塊化、平台化設計理念(核心模塊與VCU同平（píng）台)，功率驅動部分采（cǎi）用多重診斷保護功能電（diàn）路設計（jì），功率回路部分采用（yòng）汽（qì）車級IGBT模塊並聯技術、定製母線（xiàn）電容和集成母排設計；結構部分采用高防護等級、集成（chéng）一體化液冷設計。

　　與VCU類（lèi）似（sì），MCU底層軟（ruǎn）件以AUTOSAR開放式係（xì）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（jiàn）組件以軟件複用為目標。

　　應用層軟件按照功能設計一般可分為四個模塊：狀態控製（zhì）、矢量算法、需求轉矩（jǔ）計算和診（zhěn）斷模塊（kuài）。其中，矢量算法模塊分（fèn）為MTPA控製和弱磁控製。

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

　　表3為世界主流 MCU硬件供應（yīng）商的技術參數，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（qì）車核心能量源，為整車提供驅（qū）動電能，它主要通過金屬材質的殼體包（bāo）絡構成電池包主體。模塊化（huà）的結構設計實現（xiàn）了（le）電芯的集成，通過熱（rè）管理設計與仿真優化電池包熱（rè）管理性能（néng），電器部件及線束實（shí）現了控製係統對電池的（de）安全保護（hù）及連接路徑；通過BMS實現對電芯的管理，以及與整車（chē）的通訊及信息交換。

　　電池包組成如5所（suǒ）示，包括（kuò）電芯、模塊、電氣係統、熱管理係統、箱體和BMS。BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現（xiàn）過（guò）充電和過放電，延長（zhǎng）電池（chí）的使用壽命，監（jiān）控電池的狀態。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池包最關鍵的零部件，與VCU類似，核心部分（fèn）由硬件電路、底層軟件和（hé）應用層軟件組成。但BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從版安裝於模組內部，用於檢測單體電壓、電流和均衡控製；主板安裝位置比較靈活（huó），用於繼電器控製、荷電狀態值(SOC)估計和電氣傷害保護等。

　　BMU硬件部分完成電池單體電壓和（hé）溫度測量，並通過高可（kě）靠性的數據傳輸通道與BCU 模塊進（jìn）行指令及數據的（de）雙向傳輸。BCU 可選用基於（yú）汽車功能安全架構（gòu）的32 位微處理器完成總電壓采（cǎi）集、絕緣檢測、繼電器驅（qū）動及狀態（tài）監測等功能。

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

　　應用層軟件是BMS的控製核心，包括電池保護、電氣傷害保護、故障診斷管理、熱管（guǎn）理、繼電器控（kòng）製、從板控製、均（jun1）衡控製、SOC估計和通訊管理等（děng）模塊，應用（yòng）層軟（ruǎn）件架構如6所示。

　　6 應用層（céng）軟件架構

　　表4為國內外主流 BMS供應商的技術參數，代表著BMS的發展動態。

　　表4 BMS技術參數

　　4 充電（diàn）設施

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

　　4.1 特斯拉充電方案（àn）分析

　　特斯拉超級充電器代表了當今（jīn）世界最先進的充電技術，它為MODEL S充電的速度遠高於大（dà）多數充電站，表5為特斯拉電池和充電參數（shù）。

　　表5電池（chí）和充（chōng）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（de）10kW充電器（qì），10小時充滿；集成（chéng）的20kW充電器，5小時充滿；一種快速充電器可以裝在家庭（tíng）牆壁或（huò）者停車場，充電時間可縮短為5小時； 45分（fèn）鍾（zhōng）能（néng）充80%的電量、且電費全免，這種快充裝置僅在北美市場比較普遍。

　　特斯拉使用（yòng）太陽能電池板遮（zhē）陽棚的充電站（zhàn），既可（kě）以抵消能源消耗又能夠遮陽。與在（zài）加油站加油需要付費不同，經過適當配置的 MODEL S 可以（yǐ）在任何開放充電站免費充電。

　　特斯拉充電技術特點可總結如（rú）下兩點：1)特斯拉充（chōng）電（diàn）站加入了太陽能充電技術，這一技（jì）術使充電站盡可能使用清潔能源，減少對電（diàn）網的依賴，同時也減少了對電網的幹擾，國（guó）內這（zhè）一技術也能實現。 2)特斯拉（lā）充（chōng）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（chōng）一樣，並沒有采用更大的充電倍率，所（suǒ）以不會影響電池壽命；20分鍾充到40%，就能滿（mǎn）足續航要求，主要原因是電池容（róng）量大。

　　4.2 充電解決方（fāng）案

　　7充電係統組成

　　7為一種可參考（kǎo）的新能源汽車充（chōng）電解決方案，充（chōng）電係統組成：配電係統（tǒng）(高壓配電櫃、變壓器、無功補償裝置和低壓開關櫃)、充電係統（tǒng）(充電櫃（guì）和充電機終端)以及（jí）儲能係統(儲能電池與逆變器（qì）櫃)。無功補償裝置解決充電係統對電網功率因數影響，充電櫃內充電機一般都具備有源濾（lǜ）波功能、解決諧波電流和（hé）功率因數問題。儲能電池（chí）和逆變器櫃（guì）解決老（lǎo）舊配電係統無法（fǎ）滿足充（chōng）電站容量（liàng）要求（qiú）、並起到削峰填穀作用，在不（bú）充電時候進行儲能，大容量充電且配（pèi）電係統容量（liàng）不足時釋放所儲能量進行充電。如果新建配電係統容（róng）量足夠，儲能電池和逆變器櫃可以不選用。風力（lì）發電和光伏發電為充電係統提供清潔能源，盡量減少從（cóng）電網取電。

　　5 總結

　　從消費者和技術角度分別對新能源汽（qì）車結構進（jìn）行歸納分類（lèi），分析各種結構的優勢，以及（jí）國內外各主機廠的應用（yòng）情況。分析新（xīn）能源汽車的模塊組成和平台架（jià）構，詳細介紹了三級模塊體（tǐ）係中相關的執行係統和（hé）控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及關鍵技術，以及世界（jiè）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進行分析，並提出新能源汽車的充電解決方案。