​新能（néng）源汽車技術分類及三大核心技術詳解

       為了使新能源（yuán）愛好（hǎo）者（zhě）和初（chū）級研發人員更好地了解新能（néng）源汽（qì）車的核（hé）心技術，筆者結合研發過程中的經驗總結，從新能源汽車分類（lèi）、模（mó）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（yuán）汽車分類（lèi）

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

　　1.1消費者角度

　　消費者角度通常按照混合（hé）度（dù）進（jìn）行劃分，可（kě）分為起停、弱混、中混、強混、插電和純電動，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、“+”個數越多表示效果越好，從表中可以看出隨著節油效果改善、成本增加也較多（duō）。

　　1.2技術角度

　　1 技術角度分類

　　技術角度（dù）由簡到繁分為純電動、串聯混合動力、並（bìng）聯混合動力及混聯混合動力，具體如1所（suǒ）示。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳（chuán）動啟停裝置)係統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體化裝置)係統、電機處於發動（dòng）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表示電機處於變速器輸出端或布置於後軸，P03表（biǎo）示P0和P3的組合（hé）。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（dào）廣泛應用，相對來說P2在歐洲比較流行（háng），行星排結構在（zài）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（yòng）較為普遍、歐藍德和（hé）標致3008均已實現量產。新能源（yuán）車型選擇應綜合（hé）考慮結構複（fù）雜性、節油效（xiào）果和成本（běn）增加，例（lì）如由通用（yòng）、克萊斯勒和（hé）寶（bǎo）馬聯合開發的三行星排雙模係統，盡管節油效果較（jiào）好，但由於結構複（fù）雜且成本較高，近十年間的市場表現不盡如人意。

2 新能（néng）源汽車模塊規劃

　　盡管新（xīn）能源汽車分類複雜，但其中共用的模塊較（jiào）多，在開發過程中可（kě）采用（yòng）模塊化方法，共享平台、提高開（kāi）發速度。總體上講（jiǎng），整個新能源汽車可（kě）分為三級（jí）模（mó）塊體係（xì）、如（rú）2所示，一級模塊主要是指執行係統，包括（kuò）充電（diàn）設備、電動（dòng）附件、儲能（néng）係統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊分為執行（háng）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（jī）、集電器和車載（zǎi）充電機，儲能係統的單體、電（diàn）箱和（hé）PACK，發動機部分的氣體機、汽油機和柴油（yóu）機，發電機（jī）的（de）永磁同步和（hé）交流異步（bù），離合器中的幹式和濕式，驅動電機的永磁同步和（hé）交流異步（bù），齒輪箱部分的有級式（shì）自動變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒（chǐ）輪；二級（jí）模塊的控製係統包括（kuò）BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分（fèn）別表示電池管理係統、發動機（jī）電（diàn）子（zǐ）控製單元、發電機控製器、離合器控製（zhì）單元、電機（jī）控製器、變速器控製係統和整車控製器。三級模塊體（tǐ）係中（zhōng），包（bāo）括電池單體的功率型和能量型，永磁和（hé）異步（bù）電機的水冷和風冷形式，控製係統的三級模塊主要包括（kuò）硬件、底層和應用層軟件。

　　2三級（jí）模塊（kuài）體係

　　根據功能和（hé）控製（zhì）的相似性，三級模塊體係的部分模（mó）塊（kuài）可組成純電動(含增程式)、插電並聯（lián）混動（dòng）和插電混聯混動三（sān）種（zhǒng）平台架構，例如純電動(含增程式（shì）)由充電（diàn）設備、電動（dòng）附件、儲能係統、驅動電機和（hé）齒輪箱組成。各平台模塊的通用（yòng）性較強，采（cǎi）用平台和模塊的開發方（fāng）法，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（qī）、降低研發及采（cǎi）購成本

　　3 新能源（yuán）三大核心技術

　　在三級模塊體係（xì）和平台（tái）架構中，整車控製器(VCU)、電機控製（zhì）器(MCU)和電池管理係統(BMS)是最重要的核心技（jì）術，對整車的動力性、經濟性、可靠性和安全性等有著重要影響（xiǎng）。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製（zhì）決策的核心電（diàn）子控製單元，一般僅新能（néng）源汽車（chē）配備、傳統燃油車無需（xū）該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、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（děng）)信息，由（yóu）VCU判（pàn）斷處理後，向動力係統、動力電池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工作模式；VCU具有整車係統故障診斷保（bǎo）護與存儲（chǔ）功能。

　　3為VCU的結構組成（chéng），共包括外殼、硬件電路、底層軟件和應用層軟（ruǎn）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

　VCU硬件采用標準化核（hé）心模塊電路( 32位主處理器、電源、存儲（chǔ）器、CAN )和VCU專用（yòng）電路(傳感器（qì）采集（jí）等)設計；其中標準化核心模塊電路可移植應用在MCU和BMS，平台化硬件將具有非常好的可移植性和擴展性。隨（suí）著汽車級處理器技術的發展，VCU從基於16位向32位處理器芯片逐步過渡，32位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構為標準（zhǔn），達到電子控製單（dān）元(ECU)開發（fā）共平台的發展目（mù）標，支持新能源汽（qì）車不同的控製係統；模塊（kuài）化軟件組件以軟件複用為目標，以有效提高（gāo）軟件質量、縮短軟件開（kāi）發周期。

　　應用層軟件按照V型開發流程、基於模型開發完成，有利於團隊協作和平台拓展；采用快速（sù）原型（xíng）工具和模型在環(MIL)工具對軟（ruǎn）件模型進行（háng）驗證，加快開發速度；策略文檔和軟件模（mó）型均采用（yòng）專用（yòng）版本工具（jù）進行管理，增強可追溯性；駕駛員轉矩（jǔ）解析、換擋規律、模式切換、轉矩分配和故障診（zhěn）斷策略等是應用層的關鍵技術，對車輛動力性、經濟性和（hé）可靠（kào）性有著重要影響。

　　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，通過接收VCU的車輛行駛控製指令，控製電動機輸出指定的扭矩（jǔ）和轉速，驅（qū）動車（chē）輛行駛。實現把動力電池的（de）直流電能轉（zhuǎn）換為所（suǒ）需的高壓交流電、並驅動電機本體（tǐ）輸出機（jī）械能。同時，MCU具有電機係統故障診斷保護和存儲功能。

　　MCU由外殼及冷卻係（xì）統、功率電子單元、控製（zhì）電路、底層軟件和控製算法軟件組成（chéng），具體結構如4所示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路采（cǎi）用模（mó）塊（kuài）化、平台（tái）化設計理念(核（hé）心模塊與（yǔ）VCU同平（píng）台)，功率驅動部分采用（yòng）多重（chóng）診斷保護功能電（diàn）路（lù）設計，功率回路部分采用汽（qì）車級IGBT模塊並聯技術、定製母線電容和（hé）集成母排設（shè）計；結（jié）構部分采用（yòng）高防護等級、集成一體（tǐ）化液冷設計。

　　與VCU類（lèi）似，MCU底層軟件以（yǐ）AUTOSAR開放式係統架構（gòu）為標準，達到ECU開發共同平台的發展目標，模塊化軟件組（zǔ）件以軟件複用為目標。

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

　　MCU關鍵技術方案包括（kuò）：基於（yú）32位（wèi）高性能雙核主處理（lǐ）器；汽車級並聯IGBT技術（shù），定製薄膜母線電容及集成化功率（lǜ）回路設計（jì），基於（yú）AutoSAR架構平台軟件（jiàn）及先進SVPWM PMSM控製（zhì）算法；高防護（hù）等級殼體及集成一體化（huà）水冷散熱設計（jì）。

　　表3為世界主流 MCU硬件供應商的技術參數，代表著MCU的發展動態。

　　表3 MCU技術（shù）參數

　　3.3 電池包和BMS

　　電池包是新能源汽（qì）車核心能量源，為整車提供驅動電能，它主（zhǔ）要通過金屬材（cái）質的殼體包絡構成電池包主（zhǔ）體（tǐ）。模塊化的（de）結構設計實現了電芯的集成，通（tōng）過熱管理設計與仿真優化（huà）電池包熱管理性能，電器部（bù）件及線（xiàn）束實現（xiàn）了控（kòng）製係統對電池的安全保護及（jí）連接路（lù）徑；通過BMS實（shí）現對電芯的管理，以及與整車的通（tōng）訊及信息交換。

　　電池包組成如5所示，包括電芯、模塊（kuài）、電（diàn）氣係統、熱管理係統、箱體和BMS。BMS能夠提高電池的利（lì）用率，防止電（diàn）池出（chū）現過充電和過放（fàng）電，延（yán）長電池的使用壽命，監控電池（chí）的（de）狀態。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池包最關鍵的零（líng）部件，與VCU類（lèi）似，核心（xīn）部分由硬件電（diàn）路（lù）、底層軟件和應用層軟件組（zǔ）成。但BMS硬件由主板(BCU)和（hé）從板(BMU)兩部（bù）分（fèn）組成，從版安（ān）裝於模組內部，用於檢測單體電壓、電流（liú）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（chí）單體電壓（yā）和溫度（dù）測量，並通過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架構的32 位微處（chù）理器完成總電壓采集、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（zhǔn），模塊化開發容易實現擴展和移植（zhí），提高開發效率。

　　應用層軟件是BMS的控製核（hé）心，包括電池保護、電氣傷害（hài）保護、故障診斷管理、熱管理、繼電（diàn）器（qì）控製、從板控製、均衡控（kòng）製、SOC估計（jì）和通訊管理等模（mó）塊，應用層軟件架構如6所示。

　　6 應（yīng）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（dài）表（biǎo）著BMS的發展動態。

　　表4 BMS技術參數

　　4 充電設施

　　充電設施不完善是阻礙新能源汽車（chē）市場推廣的重要因素，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、剖析充電係統組成。

　　4.1 特斯拉充電方案分析（xī）

　　特斯拉超級充電（diàn）器代表了當今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（diàn）站，表5為特斯拉電（diàn）池和（hé）充電參數。

　　表5電池和充電參數

　　特斯拉具有5種（zhǒng）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小時（shí）充滿；集成的20kW充電器，5小時充滿；一種快速（sù）充電（diàn）器可以裝在家庭牆壁或者停車（chē）場，充電時間可縮短為5小時； 45分鍾能充80%的電量、且電（diàn）費（fèi）全免，這種快充裝置僅在北美市場比較普遍。

　　特斯拉使（shǐ）用太陽能電（diàn）池板遮陽棚的充電站，既可以抵消能源消耗又能夠遮陽。與在加油站加油需（xū）要付（fù）費不同，經過適（shì）當配置的 MODEL S 可以在任何開放充電站免費充電。

　　特（tè）斯拉充（chōng）電技術特點可總（zǒng）結如下兩（liǎng）點：1)特斯拉充電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，減少對電網的依賴（lài），同時也減少了（le）對電網的幹擾，國內這一技術也能實（shí）現。 2)特斯拉充電時間短也不足為奇，特斯拉的充電機容（róng）量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一樣，並沒（méi）有（yǒu）采用更（gèng）大的（de）充電（diàn）倍率，所以不（bú）會影響電池壽命；20分（fèn）鍾充到40%，就能滿（mǎn）足續航要求（qiú），主要原因是（shì）電池容量大。

　　4.2 充電解決方案

　　7充電（diàn）係統組成

　　7為一種（zhǒng）可參考的新能源（yuán）汽車充電（diàn）解決方案（àn），充電係統組成：配電係統(高壓配電櫃、變壓器、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(儲能電池與逆變器櫃)。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（nèi）充電機（jī）一般都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率（lǜ）因數問題。儲能電（diàn）池（chí）和（hé）逆變器櫃解（jiě）決（jué）老舊配電係統無法滿足充電站容量要求（qiú）、並起到削峰填穀作用，在不充（chōng）電時候進行儲能，大容量充電且配電係統（tǒng）容（róng）量不足時（shí）釋放所儲能量進行充電。如果新建配電係統容量足夠，儲能電池（chí）和逆變（biàn）器櫃可以不選用（yòng）。風力發電和光伏（fú）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（zhě）和技術（shù）角度分別對新能源汽車結構進行（háng）歸納分類，分析（xī）各種（zhǒng）結構的優勢，以及（jí）國內（nèi）外各（gè）主機廠的應（yīng）用情況。分析新能源汽車的模塊組成和平台架構，詳細介（jiè）紹了三級（jí）模塊體係中相關的執行係統和控製係統（tǒng）。分析VCU、MCU和BMS的（de）結（jié）構組成及（jí）關鍵技術，以（yǐ）及世界（jiè）主流供應（yīng）商的技術參數和發（fā）展動態。對特斯拉成功的解決方案進行分析，並提出新能源（yuán）汽車的充電解決方案。