​新能源汽車（chē）技術分類及三（sān）大核（hé）心技術詳解

       為了使新能源愛好者和初（chū）級研發人員更好地（dì）了（le）解新能源汽車的核心技術，筆者結合研發過程中的經驗總結，從新能源汽車分類、模塊規劃、電控技術和充電設施等方麵進行了分析。

　　1 新能源汽（qì）車分類（lèi）

　　在新能源（yuán）汽車分類中，“弱混、強混”與“串聯、並聯”不（bú）同分類方法令非業內人士感（gǎn）到困惑，其實這些名稱是（shì）從不同角度給出的解（jiě）釋（shì）、並不矛盾。

　　1.1消費者角度

　　消費者角度通常按照混合度進行（háng）劃分，可分為起停（tíng）、弱混（hún）、中混、強混、插電和純電動，節油（yóu）效果和成本增等指標加如表（biǎo）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（biǎo）中（zhōng）可以看出隨著節油效果改善、成本增加也較多。

　　1.2技術角度（dù）

　　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、並聯混合動力及混聯混合動力，具體如1所示。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置)係統，P1代（dài）表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體化裝置)係統、電機處於發動機和離合器之（zhī）間，P2中電機處於離合器和變（biàn）速（sù）器輸（shū）入端之間，P3表示電機處於變速器輸出端或布置於（yú）後軸，P03表示P0和P3的組合。從統計（jì）表中可以看（kàn）出，各（gè）種結構在國內外乘用或商用車中均得到廣泛應用（yòng），相對來說P2在（zài）歐洲比較流行，行星排結（jié）構在日係和美係車輛中占主導地位，P03等組合結構（gòu）在四驅車輛中應用較為普遍（biàn）、歐藍德（dé）和標致3008均已實現量產。新能源車型選擇應綜合考（kǎo）慮結構複雜（zá）性、節（jiē）油效果和成本增加，例如由通用、克萊（lái）斯勒和寶馬聯合開發的三行星排雙（shuāng）模係統，盡管節（jiē）油效果（guǒ）較（jiào）好，但（dàn）由於結構（gòu）複雜（zá）且成本（běn）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（kuài）規劃

　　盡管新能源汽車分類複雜，但其（qí）中共用的模塊較多，在開發過程中可采用模塊化方法（fǎ），共享平台、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，一級模塊主要是指（zhǐ）執行（háng）係統，包括充電設備、電動附件、儲能係統、發動（dòng）機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二（èr）級模塊分（fèn）為執行（háng）係統和（hé）控製係統兩部分，執行部分包括充電設（shè）備的地麵充（chōng）電機、集電器和車載（zǎi）充電機，儲能係統的單（dān）體、電箱和PACK，發動（dòng）機（jī）部分（fèn）的氣體機、汽油機和柴油機，發（fā）電（diàn）機的永磁同步和（hé）交流異步，離合器中（zhōng）的幹式和濕式，驅動電機的（de）永磁同步和交流異步，齒輪箱部分（fèn）的有級式自動（dòng）變速（sù）器(包括AMT、AT和（hé）DCT等)、行星排（pái）和減速齒輪；二級模塊的控製係統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和（hé）VCU，分別表示（shì）電池管理係統、發（fā）動機電子控製（zhì）單元、發電機控製器、離合器控製單元、電（diàn）機（jī）控製（zhì）器、變速器控製係統和整車控製器。三級模塊體係中，包括（kuò）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要包括硬件、底層和應用層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根據（jù）功（gōng）能和控製（zhì）的相似性，三級模塊（kuài）體係的部（bù）分模（mó）塊可組成純電（diàn）動(含（hán）增程式)、插（chā）電並聯混動和插電混聯混動三種平（píng）台架構（gòu），例如純電動（dòng）(含增程式)由（yóu）充電設備、電動附件、儲能係統、驅動電機（jī）和齒輪箱組成。各平台模（mó）塊的通用性較強，采用平台和模塊的開發（fā）方法，可共（gòng）享核心（xīn）部件資源，提升新能源係統的安全性和可靠性，縮短周期、降低研發（fā）及采購成本（běn）

　　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（chí）管理係統(BMS)是最重（chóng）要的核心技術，對整車的動力性、經濟性、可靠性和安全性等有（yǒu）著重要影（yǐng）響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決策的核（hé）心電子控製單元，一般僅新能源汽車配（pèi）備、傳統燃油車無需該裝置。VCU通過（guò）采集（jí）油門踏板、擋位、刹車踏（tà）板等信號來判斷駕駛員（yuán）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、動力電池係（xì）統發送車輛（liàng）的運行狀態控製指令，同時（shí）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功能。

　　3為VCU的結構（gòu）組成，共包（bāo）括外殼、硬件電路、底（dǐ）層（céng）軟件和應用（yòng）層軟件，硬件電路、底層軟件和應用（yòng）層軟件是（shì）VCU的關鍵核心技術。

　　3 VCU組成

　VCU硬件（jiàn）采用標準（zhǔn）化核心模（mó）塊電路( 32位主處理器、電源、存儲器、CAN )和VCU專（zhuān）用電路（lù）(傳感器（qì）采集等)設（shè）計；其中標準化（huà）核心模塊電路可移植應用在MCU和BMS，平台化硬件（jiàn）將具有（yǒu）非常好的可移植性和擴展性。隨著汽車級處理器技術的發（fā）展，VCU從基於16位（wèi）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（yǐ）AUTOSAR汽車軟（ruǎn）件開放式係統架構為標準，達到電子控製單元(ECU)開發共平台的（de）發展（zhǎn）目標，支持新能源汽車不同的控製係統（tǒng）；模塊化軟件組件以軟件複用為目標，以有效提高（gāo）軟件質量、縮短軟件開發周期（qī）。

　　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（hé）平台拓展；采用快速原型工（gōng）具和模型在環（huán）(MIL)工（gōng）具對軟件模型進（jìn）行驗證，加快開發速度；策略文（wén）檔和軟件模型均采用專用版本工具進行管（guǎn）理，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的關鍵技術，對車輛動力（lì）性、經濟性和可（kě）靠性有（yǒu）著重要影響。

　　表2為世界主流VCU供應商的（de）技術參數，代表著VCU的（de）發展動態。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車特有（yǒu）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（zhì）電（diàn）動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動（dòng）車（chē）輛行駛（shǐ）。實現把動力電池的直流電能轉換為所需的高壓（yā）交流電、並驅動電機本體輸出機械能（néng）。同時，MCU具有電機係統故障診斷保護和（hé）存（cún）儲功能。

　　MCU由外殼及冷卻係統、功率電子單（dān）元、控製電路、底層軟件和控製算法軟件組成，具（jù）體（tǐ）結構（gòu）如4所示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路（lù）采（cǎi）用模塊化、平台化設計理念(核心模塊與VCU同平（píng）台（tái）)，功率驅動部分（fèn）采用多（duō）重診斷保護功能電路設計，功率回路（lù）部分采用汽車級IGBT模塊並聯技術、定製母線電容和集成母排設（shè）計；結構（gòu）部分（fèn）采用高防護等級、集（jí）成一體化液冷設計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式係統（tǒng）架（jià）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（jiàn）以（yǐ）軟件（jiàn）複用為目標（biāo）。

　　應（yīng）用層軟件（jiàn）按照功能設計一般可分為四個模（mó）塊：狀態控製（zhì）、矢量算法、需（xū）求轉矩計算和診斷模塊。其（qí）中，矢（shǐ）量算法模塊分為MTPA控製和弱磁控製（zhì）。

　　MCU關鍵技術方案包括：基於32位高性能雙核（hé）主處理（lǐ）器；汽車級並聯IGBT技術，定（dìng）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（huà）水（shuǐ）冷（lěng）散熱設計。

　　表3為（wéi）世界主流 MCU硬件供（gòng）應（yīng）商的技術參（cān）數，代表著MCU的發展動態（tài）。

　　表3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和BMS

　　電池包是新能（néng）源汽車核心能（néng）量源（yuán），為整車提供驅動電（diàn）能，它主要通過金屬材質的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（jí）成，通過熱管理設計與仿真優化電池包熱管理性能，電器部（bù）件及線束實現（xiàn）了控製係統對電池（chí）的安全保護及連接路徑；通過BMS實現（xiàn）對電芯的管理，以及（jí）與整車的通訊及信息交換。

　　電池包組成如5所示，包括電芯（xīn）、模（mó）塊、電氣係統、熱管理係統、箱體和BMS。BMS能夠提高電（diàn）池的利用率，防止電池出現過充電和（hé）過放電，延長電池的使用（yòng）壽命，監控電池的狀態。

　　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（yìng）件電路、底層軟件和應用層軟件組成。但BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從（cóng）版安裝於模組內（nèi）部，用於檢測單體（tǐ）電壓、電流和均衡控製；主板安裝位置比（bǐ）較靈活，用於繼電器控製、荷電狀態值(SOC)估計和電（diàn）氣（qì）傷（shāng）害保（bǎo）護等。

　　BMU硬件部分完成電池單體電壓和（hé）溫度測量（liàng），並通過高（gāo）可靠性的（de）數據傳輸通道（dào）與BCU 模塊（kuài）進行指令（lìng）及數據的（de）雙向傳輸。BCU 可選（xuǎn）用基於汽車功能安全架構（gòu）的32 位微處理器完成（chéng）總電壓采集、絕緣檢測、繼電器驅動及（jí）狀態（tài）監測等功能。

　　底層軟件架構符（fú）合AUTOSAR標準，模塊化開發容易實現擴展（zhǎn）和移植，提高（gāo）開發（fā）效率。

　　應用層軟件（jiàn）是BMS的控製核心，包括電池保護、電氣傷害保護、故（gù）障診斷管理、熱（rè）管（guǎn）理、繼電（diàn）器控製、從板控製、均衡控製、SOC估計和通（tōng）訊管理等（děng）模塊，應用層軟件架構如6所示。

　　6 應用層軟件架構

　　表4為國（guó）內外主流 BMS供應商的技術參數，代表著（zhe）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市場推廣的重（chóng）要因素，對特斯拉成功的解決方案（àn）進行分析，並提出新能源汽（qì）車的充電（diàn）解（jiě）決方案、剖析充（chōng）電（diàn）係統組成。

　　4.1 特斯拉充電方案分析

　　特斯拉超級充電器代表了當今世界最先進的（de）充電技術（shù），它為MODEL S充電的（de）速度遠高於大多數充電站，表5為特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（chōng）滿；集成（chéng）的10kW充電（diàn）器，10小（xiǎo）時充滿；集（jí）成的20kW充電器，5小時充滿；一種快速充電器可（kě）以（yǐ）裝在家庭牆壁（bì）或者停車場，充電時間可縮短為（wéi）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（běi）美市場比較普（pǔ）遍。

　　特斯拉使用太陽能電池板遮陽棚的（de）充電站，既可以抵消能源消（xiāo）耗又能夠遮陽。與在加油站加（jiā）油需要付費不（bú）同，經過適當配置的（de） MODEL S 可以在任何開放充電站免費充電。

　　特斯（sī）拉（lā）充電技術特點可總結如下兩點：1)特斯拉充電站加（jiā）入了（le）太陽能（néng）充電技術（shù），這（zhè）一技術（shù）使充電站盡可能使用清潔能源，減少（shǎo）對電網的依賴，同時也減少了對（duì）電網的（de）幹擾，國（guó）內這一技術也能實（shí）現。 2)特斯拉充電時（shí）間短也不足（zú）為奇，特斯拉的充電機容量大（dà）90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一樣，並沒有采用更大的充電倍率，所以不（bú）會影響電池壽命；20分鍾充到40%，就能滿足（zú）續航要求，主要原因是電池容量大。

　　4.2 充電解決方案（àn）

　　7充電係統組成

　　7為一種可參考的新（xīn）能源汽車（chē）充電解（jiě）決方案，充（chōng）電（diàn）係統組成：配電（diàn）係統(高壓配電（diàn）櫃、變壓器、無功補償裝置和低（dī）壓開關櫃)、充電係統(充電（diàn）櫃（guì）和充（chōng）電（diàn）機終端)以及儲能係統（tǒng）(儲能電池與逆變器櫃（guì）)。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波功能、解決諧波（bō）電流和功率因數問題。儲能電池和逆變（biàn）器（qì）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（gǔ）作用，在不充電時候進行儲能，大容量充電且配電係統容量不足時釋放所儲能量進行充電。如（rú）果新建配電係統容量足夠，儲能電池（chí）和逆變器櫃可以不選用。風力（lì）發電和（hé）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（zǒng）結

　　從消費者和技術角度分別（bié）對（duì）新能源汽車結構進行歸納分類，分析各種結構的優勢，以及（jí）國內外（wài）各主機廠的應用情況。分析新能源汽車的模塊組成和（hé）平台架構，詳細介（jiè）紹（shào）了三級模塊體係中相關的執（zhí）行係統和控製係統（tǒng）。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及關鍵技術，以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進行分析（xī），並提出新能源汽車的充電解決方案。