​新能源汽車（chē）技術（shù）分類及三大核心技（jì）術詳（xiáng）解

       為了使新能源愛好者和初（chū）級研發人員更好（hǎo）地了解新能源汽車的核心技術，筆者結合研發過程中的經驗（yàn）總結，從新能源汽車分（fèn）類、模塊規劃、電控技術和充電設（shè）施等方麵進行（háng）了分析。

　　1 新能源汽車分類

　　在新能源汽車分類中，“弱混（hún）、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（shí）這些名稱是（shì）從不同角度給出的解釋、並不矛（máo）盾（dùn）。

　　1.1消費者角度

　　消（xiāo）費者角度通常按照混合度進行劃（huá）分，可分為起停、弱混（hún）、中（zhōng）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。表中“-”表示無此功能或較弱、“+”個（gè）數越多表示效果越好（hǎo），從表中可以看出（chū）隨著節油效果改善、成本（běn）增加也（yě）較多。

　　1.2技術角度

　　1 技術角度分（fèn）類

　　技術角度由簡到繁分為純電動、串聯混合動力（lì）、並聯混合動力（lì）及混聯混合（hé）動力，具體如1所示。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳（chuán）動啟停裝置)係統，P1代（dài）表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體（tǐ）化裝（zhuāng）置)係統、電機處於發動機和離合器之間，P2中電機處於離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機（jī）處於變速器輸（shū）出端（duān）或布置於後軸，P03表示P0和P3的組合。從統計表（biǎo）中可以看出（chū），各種結構（gòu）在國（guó）內外（wài）乘用或商用車中均得到廣泛應用，相對來說（shuō）P2在歐洲比較流行，行星（xīng）排結構在日係和美係車輛中占主導地位，P03等組合結構在四驅車輛中應用較（jiào）為普遍、歐藍德和標致（zhì）3008均已實現量產。新能源車型選擇應綜合考慮結構複雜性、節油效果和成本增加，例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三行（háng）星排雙（shuāng）模係統，盡管節油效果較好，但由於結構（gòu）複雜且成本較高，近十年間的市場（chǎng）表現不盡如（rú）人意。

2 新能源汽車模塊規劃

　　盡管新能源汽車分類複雜，但其中共用的模（mó）塊較多，在開發過程中可采用（yòng）模塊化方法（fǎ），共享平台、提高開發速度。總體（tǐ）上講，整個新能（néng）源汽車可分為三級（jí）模塊體（tǐ）係、如2所示，一級模塊主要是指（zhǐ）執行係統，包括充電設備、電動附件、儲能係統、發動機、發電（diàn）機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊分為執行係（xì）統和控製係統兩部（bù）分，執行部分包括充電設備（bèi）的地麵充電機、集（jí）電器和車載充（chōng）電機，儲能係統的（de）單體、電箱和PACK，發動（dòng）機部分的氣體機、汽（qì）油機（jī）和柴油機，發電機的永磁同步和交流異步，離合器中的幹式和濕式，驅動電機的永磁同步和交流異步，齒輪箱部（bù）分的有級式（shì）自動變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星（xīng）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，分別表示電池（chí）管理係統、發動機電子控製單元、發電機控製器、離合器控（kòng）製單元（yuán）、電（diàn）機控製器、變速器控製係統和整車控製器。三級（jí）模塊體係中，包括電池單（dān）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（kuài）主要包括（kuò）硬件、底層和應用層軟件。

　　2三級模（mó）塊體係

　　根據功（gōng）能和（hé）控製的相似性，三級模塊體係的部分模塊（kuài）可（kě）組成純電動(含增程式)、插電並聯混動和插電混聯混動三種（zhǒng）平台架構（gòu），例如純電動(含增程式)由充電（diàn）設備、電動（dòng）附件、儲（chǔ）能係統、驅動電機和齒輪箱組成。各平（píng）台模塊的通用性較強（qiáng），采用平台和模塊的開發（fā）方法，可（kě）共（gòng）享核心部件資源，提（tí）升新能源係統的安（ān）全性和可靠性，縮短周期、降低研發及采（cǎi）購成（chéng）本

　　3 新能源三大核心（xīn）技術

　　在三級模塊體係和平（píng）台架構中，整車控製器(VCU)、電（diàn）機控製器(MCU)和電池（chí）管理係統(BMS)是最重要的核心（xīn）技術，對整車的動力性、經濟性、可靠性和安全性等（děng）有（yǒu）著重要影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整（zhěng）車控製決策的核心（xīn）電子控製（zhì）單元，一般僅新能源汽車配備、傳統燃油車無需該裝置（zhì）。VCU通過采集油門踏板、擋位、刹車踏板等信號來（lái）判斷駕駛員的駕駛（shǐ）意；通過監（jiān）測車輛狀態(車速、溫度等)信息，由VCU判斷處理後，向動力係統、動力電池係統發送車輛（liàng）的運行狀態控（kòng）製指令，同時控製車載附件電力係統的工作（zuò）模式；VCU具有整車係統故障診斷保護與存儲（chǔ）功能。

　　3為VCU的結構組成，共包括外殼、硬件電（diàn）路、底層軟件和應用層軟件，硬件電路、底層軟件和應用層軟件（jiàn）是VCU的關鍵核心（xīn）技術。

　　3 VCU組成

　VCU硬件采用（yòng）標（biāo）準化核心（xīn）模塊（kuài）電路（lù）( 32位（wèi）主處理器、電（diàn）源、存儲器、CAN )和VCU專（zhuān）用電路(傳感器（qì）采集等)設計；其中標準化核心模塊電（diàn）路可移植應用在MCU和BMS，平台化硬（yìng）件將具有（yǒu）非常好的可移植性和擴展性。隨著汽車級處理（lǐ）器技術的發展，VCU從基於16位向32位處理器芯片（piàn）逐步過渡，32位（wèi）已成為業界的主流產品。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式係統架（jià）構為（wéi）標準，達到電子控製單元(ECU)開（kāi）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（fù）用為目（mù）標，以有效提高軟件質量、縮短軟件開發周期。

　　應（yīng）用層軟（ruǎn）件按照V型開發流程、基（jī）於模型開發完成，有利於團隊協作（zuò）和（hé）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（mó）型進行驗證，加快（kuài）開發速度；策略文（wén）檔和軟件模型均（jun1）采用專用版本工具進行管理（lǐ），增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規律、模式切換、轉矩分配和故障診斷策略等是應用層（céng）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（tài）。

　　3.2 MCU

　　MCU是（shì）新能源（yuán）汽（qì）車特有的核心（xīn）功率（lǜ）電子單元，通過接收VCU的車（chē）輛行駛控製指令，控製電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅（qū）動車（chē）輛行駛。實現把動力（lì）電池的直流電能轉換（huàn）為所需的高壓交流電、並驅動電機本體（tǐ）輸出機械能。同時，MCU具有電機係統故障診（zhěn）斷（duàn）保護和存儲功能。

　　MCU由外殼及冷卻係統、功（gōng）率（lǜ）電子單元、控製電路、底層軟件和控製算法軟件組成，具體結構如（rú）4所示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件（jiàn）電路采用模塊化、平台化設計理念(核心模塊與VCU同平台)，功率驅動部分采用多重診（zhěn）斷保護功能（néng）電路設計，功（gōng）率回路部分采用汽車（chē）級（jí）IGBT模塊並（bìng）聯技術（shù）、定製（zhì）母線電容和集成母排設計；結構部分采（cǎi）用高防護等級、集成一體化液冷設計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以（yǐ）AUTOSAR開放式係統架構為標準，達到ECU開發共（gòng）同（tóng）平台的發展目標，模塊（kuài）化軟件（jiàn）組件以軟件複用為（wéi）目（mù）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、矢（shǐ）量算法、需求轉矩計算和診斷模塊（kuài）。其中，矢量算法模（mó）塊分為MTPA控製和弱磁控製。

　　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（ruǎn）件及先進SVPWM PMSM控製（zhì）算法；高防護等級殼體及集（jí）成一體化（huà）水（shuǐ）冷散熱設計。

　　表3為世界主流 MCU硬件供應商的技術參（cān）數，代表著（zhe）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（hé）心（xīn）能量源，為整車提供驅動電能，它（tā）主（zhǔ）要通過金屬材質的殼體包絡構成電池（chí）包主（zhǔ）體。模塊化的結構設計實現了電芯（xīn）的集成，通過熱管理設計與仿真優化電池包熱管（guǎn）理性能，電器部件及線束實現了控（kòng）製係統對電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實現對電（diàn）芯（xīn）的管理，以及與整車的通（tōng）訊及信息交換。

　　電池包組成如5所示，包（bāo）括電芯、模塊、電氣係統、熱管理係統、箱體和BMS。BMS能（néng）夠提高電池（chí）的（de）利用率，防止電池出現過充電（diàn）和過放電（diàn），延（yán）長（zhǎng）電池的使用壽命，監控電池的狀態。

　　5 電池包組成（chéng）

　　BMS是電池包最關鍵的（de）零部件，與VCU類（lèi）似，核心部（bù）分由硬件電路、底層軟件和應（yīng）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（yā）、電流和均衡控製；主板（bǎn）安裝位置比（bǐ）較靈（líng）活，用於繼電器控製、荷電（diàn）狀態值(SOC)估計和電氣傷害保護等。

　　BMU硬件部分完成電池單（dān）體電壓和溫度測量，並通過（guò）高可靠性的數據傳輸通道與BCU 模塊進行指令及數據的雙向傳輸。BCU 可選用基於汽車功能安全（quán）架構的32 位（wèi）微處理器完成總電壓采集（jí）、絕緣檢測、繼電器驅動及狀態監測等功能。

　　底層軟件架構符合AUTOSAR標準，模塊化開發容易（yì）實現擴展和移植（zhí），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、熱管理、繼電器控製、從板控製、均衡控製、SOC估計和通訊管理等模塊，應（yīng）用層軟件架構（gòu）如6所示。

　　6 應用層軟件架構（gòu）

　　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 充電設施

　　充電設（shè）施不完善是阻礙新能源汽車市場推廣的重（chóng）要因（yīn）素，對（duì）特斯拉（lā）成功的解（jiě）決方案進行分析，並提出新（xīn）能源汽車的充（chōng）電解決方案、剖析充電係統組成。

　　4.1 特斯拉充電（diàn）方案分（fèn）析

　　特斯（sī）拉超級充電器代表（biǎo）了當今世界（jiè）最先進的（de）充電技術，它為MODEL S充電的速度遠高於大多數充電（diàn）站，表5為特斯拉電池和（hé）充電參數。

　　表5電池和充電參數

　　特斯（sī）拉具有5種充電方式，采（cǎi）用普通110/220V市電（diàn）插座充電，30小時充滿；集成的10kW充電器，10小時充滿；集成的20kW充電器，5小時充滿（mǎn）；一種（zhǒng）快速充電器（qì）可以裝在家庭牆壁或者（zhě）停（tíng）車場，充（chōng）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（zhuāng）置僅在北美（měi）市場比較普（pǔ）遍。

　　特斯拉使用太陽能（néng）電池板遮陽棚（péng）的（de）充（chōng）電站，既可以抵消（xiāo）能源消耗又（yòu）能夠遮陽。與在加油站加（jiā）油需要付費不同，經過適（shì）當配置的 MODEL S 可以在任何開（kāi）放充電站免費充電。

　　特（tè）斯（sī）拉充電技術特點可總（zǒng）結如下兩點：1)特斯（sī）拉充電站加入了太陽能充電技（jì）術（shù），這一技術使充電（diàn）站盡可能使用清潔能源，減少對電網的依賴，同時也減少了對電網（wǎng）的幹擾，國內這一技術也能實現。 2)特斯拉充電時間短也不足為奇，特（tè）斯拉（lā）的充電（diàn）機容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一（yī）樣，並沒有采（cǎi）用更大的充電倍率，所以不會影響電池壽命；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 充電解決方（fāng）案

　　7充電係統組成

　　7為一種可參（cān）考的新能源汽車充（chōng）電解決方案，充電係統組成：配（pèi）電係（xì）統(高（gāo）壓配電櫃、變壓器、無（wú）功補償裝置和低壓開關櫃（guì）)、充電係統(充電櫃和充電機終端)以（yǐ）及儲能係（xì）統(儲能電池與逆（nì）變器櫃)。無功補（bǔ）償裝置解決充電係統對電網功率因數（shù）影響，充電櫃內充電機（jī）一般都（dōu）具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率因數問題（tí）。儲能電池和逆變器櫃解決老舊配電係統無法滿足充電站容量要求、並起到削峰填穀作用，在不充電時候進行儲能，大容量充電且（qiě）配電係統容（róng）量不（bú）足時釋放所儲能量進行充電。如果新建（jiàn）配電係統容量足夠，儲能電池和逆變器櫃可以不選用。風力發電和光（guāng）伏發電（diàn）為充（chōng）電係統（tǒng）提供清潔能源，盡量減（jiǎn）少從電網取電。

　　5 總結（jié）

　　從消費者（zhě）和技術角度分別對新能源（yuán）汽車結構進行歸納分類（lèi），分析各種結構的優勢，以及國內外各主機（jī）廠的（de）應用情況。分析新能源汽車的模塊組成和平（píng）台架構（gòu），詳細介紹（shào）了三級模塊體係中相關的執行係統和控製（zhì）係統。分析VCU、MCU和（hé）BMS的結構組（zǔ）成及關鍵技術（shù），以及世界主（zhǔ）流供應商的技（jì）術參數和發展動態。對特（tè）斯拉成功的解決方（fāng）案進（jìn）行分析，並提出新能源汽車的充電解決方案。