​新能源汽車技術分（fèn）類及三大核心技術詳解

       為（wéi）了使新能源愛好者和初（chū）級研發人員更（gèng）好（hǎo）地了解新能源汽車的核心技術，筆者結合研發（fā）過程中的經驗總結，從（cóng）新能源汽車分類、模（mó）塊規劃、電控技術和充電（diàn）設施等方麵進行了分（fèn）析。

　　1 新能源汽車分類（lèi）

　　在新能源汽車分類中，“弱（ruò）混（hún）、強混”與“串聯、並聯”不（bú）同分類方法令非業內人（rén）士（shì）感到困惑，其實這些名稱是從不同角度給出的解釋、並不矛（máo）盾（dùn）。

　　1.1消費者（zhě）角度

　　消費（fèi）者角度通常按照混合度進行劃（huá）分，可分為起停、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（zhōng）“-”表示無此功能（néng）或較弱、“+”個數越多（duō）表（biǎo）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。

　　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、並聯混合動力及（jí）混聯混合動力，具體如1所示。其中P0表示（shì）BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置)係統（tǒng），P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體（tǐ）化裝置（zhì）)係統、電機處於發動（dòng）機和離合器之間（jiān），P2中電機處於離（lí）合器和變速器輸入端之間，P3表示電機處於變速器（qì）輸出端或布置於（yú）後軸，P03表示P0和P3的組合。從統（tǒng）計（jì）表中可以看出（chū），各種結構在國內外乘用或（huò）商（shāng）用車中均得到廣泛應用，相對來說P2在歐洲比較流行，行星排結構（gòu）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（yòng）較為普遍、歐藍德和標致3008均已實現量（liàng）產。新能源（yuán）車型選擇應綜合考慮結構複雜性、節油（yóu）效果和（hé）成本增加，例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三行星排雙模係統（tǒng），盡管節（jiē）油效果較好，但（dàn）由於結構複雜且（qiě）成本（běn）較高，近十（shí）年間的市場表現不盡如人意（yì）。

2 新能源汽車模塊規劃

　　盡管新能源汽車分類複雜，但其中共用的模塊較多，在開發過程中（zhōng）可采（cǎi）用模塊化方法，共享（xiǎng）平台、提（tí）高開發速度。總體上講，整個（gè）新能源汽車可分為（wéi）三級模塊體係、如2所示，一級模塊（kuài）主（zhǔ）要是指執行係統（tǒng），包括充電設備、電動附件、儲能係統、發動機、發電機、離合器、驅（qū）動（dòng）電機和齒輪箱。二級模塊分為執行係統和控製係統兩部分，執行部分（fèn）包括充電設備的地麵充電機、集電器和車（chē）載充電機，儲能係統的（de）單（dān）體、電箱和PACK，發動機部分的氣體機、汽油機和柴油（yóu）機，發（fā）電機（jī）的永磁同步和交流（liú）異步，離合器中的幹式和濕式，驅動電機的（de）永磁同（tóng）步和（hé）交流（liú）異步，齒輪箱部分的有級（jí）式自動（dòng）變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二（èr）級模塊的控製係統（tǒng）包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電（diàn）池管理係統、發動機電（diàn）子控製單（dān）元、發電機控製器、離合（hé）器控製單元、電機控製器、變速器控製係統和整車控製（zhì）器。三級模塊體係中，包括電池單（dān）體的功率型和能量型（xíng），永（yǒng）磁和異步（bù）電機的水冷和風冷形式，控製係統的三（sān）級模塊主要包括硬件（jiàn）、底層（céng）和應用層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根據功能和控（kòng）製的相似性，三級模塊體係的（de）部分模塊可組成純電（diàn）動(含增程式)、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（hán）增（zēng）程式)由充電設備、電動附件、儲能係統（tǒng）、驅動（dòng）電機和齒輪箱組成。各平台模塊的通用性較強，采用平台和模塊的開發方法，可共享核心部件資源，提升新能源係統的（de）安全性和可靠性，縮短周期、降低研發及采購成本

　　3 新能源三大核心（xīn）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(MCU)和電池管理係統(BMS)是最（zuì）重要的核心技術，對整車的動力（lì）性、經濟性、可（kě）靠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（de）核心電子控製（zhì）單（dān）元，一般僅新能源汽車配備、傳統燃（rán）油車無需（xū）該（gāi）裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、刹車踏板等（děng）信號來判斷駕駛員的駕駛意；通（tōng）過監測車（chē）輛（liàng）狀（zhuàng）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（fā）送車輛的運行狀態控製指令，同時（shí）控製車（chē）載附（fù）件電（diàn）力係統的工作模（mó）式；VCU具有整車係統（tǒng）故障（zhàng）診斷保護與存儲功（gōng）能。

　　3為VCU的（de）結（jié）構組成，共包括外殼、硬件電（diàn）路、底層軟件和應（yīng）用層軟件，硬件電路、底層軟件和應（yīng）用層（céng）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、存儲器、CAN )和VCU專用（yòng）電路(傳感器采集（jí）等)設計（jì）；其中標準化核心模塊電路可移植（zhí）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（zhǎn）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（gòu）為標準，達到電子控製單元(ECU)開發共平台的發展目標，支持（chí）新能源汽車不同的控（kòng）製係（xì）統；模塊化軟件組件（jiàn）以軟件複用為目（mù）標（biāo），以有效提高軟件質量、縮短軟件開發（fā）周期。

　　應用層軟件按照（zhào）V型開發流程（chéng）、基於模型開發完成，有利於團隊協作和平台拓展；采用（yòng）快速原型工具和模型在環(MIL)工具對軟件模型進行（háng）驗證，加快開發速度；策略文檔和軟件模型（xíng）均采用專（zhuān）用版本工具進行（háng）管理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規律、模式切換（huàn）、轉（zhuǎn）矩分配和故障診斷策略等是應用層的（de）關鍵（jiàn）技術，對車輛動（dòng）力性、經濟性和可靠性有著重要影響。

　　表2為世界主（zhǔ）流（liú）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（néng）源汽車特有的核心功率電子單元（yuán），通過接收（shōu）VCU的車輛行駛控製（zhì）指令，控製電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行駛。實（shí）現把動力電池的直流電能轉（zhuǎn）換（huàn）為（wéi）所需的高壓交流電、並驅動（dòng）電機本體輸出機械（xiè）能。同時，MCU具有電機係統故障診斷保（bǎo）護和存儲功能。

　　MCU由外殼及（jí）冷（lěng）卻係統、功率電子單元、控製電路、底層軟件和（hé）控製算法軟件（jiàn）組成，具體結構如4所示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路采用模塊化、平台化設計理念（niàn）(核心模塊與VCU同平台)，功率驅動部分采用多重診斷保護功能電路設計，功率（lǜ）回路部（bù）分采（cǎi）用汽車級（jí）IGBT模塊並聯技術、定製母線電（diàn）容和集成母排設計；結構部分采用（yòng）高防護等（děng）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）架構為標準，達到ECU開發共同平台的發展目標，模塊化（huà）軟件組件以軟（ruǎn）件複用為目標（biāo）。

　　應用層軟件按照功能設計一般可分為四個模塊：狀態控製、矢量算（suàn）法、需求轉矩計算和診斷模塊。其（qí）中，矢量算法（fǎ）模塊分為MTPA控製和弱磁（cí）控製。

　　MCU關鍵技術方案包括（kuò）：基於（yú）32位高性（xìng）能雙核（hé）主處（chù）理器；汽車級並聯IGBT技術，定（dìng）製（zhì）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（jí）成一（yī）體化水冷散（sàn）熱設計。

　　表3為世界主流 MCU硬（yìng）件供（gòng）應商的技術參數，代表著MCU的發展動態（tài）。

　　表3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和BMS

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

　　電（diàn）池包組成如5所示，包（bāo）括電芯、模（mó）塊、電氣係統、熱管理係統、箱體和（hé）BMS。BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，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，核心部分由硬件電路、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，用於繼電器控製、荷（hé）電狀（zhuàng）態值(SOC)估計和電氣傷害保護等。

　　BMU硬（yìng）件部分完成電池單體電壓和溫度（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（quán）架構的32 位微（wēi）處理（lǐ）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，模塊化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（bāo）括電（diàn）池保護、電氣傷害（hài）保護、故障診斷管理（lǐ）、熱（rè）管理、繼電器控製、從（cóng）板控製（zhì）、均衡控（kòng）製、SOC估計和通訊管理等模塊，應用層軟件架構如6所示。

　　6 應用層軟件架構

　　表4為（wéi）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（chōng）電設施不完善是阻礙新能源汽車市場推廣的重要因素（sù），對特斯拉成功的解決方案進行分析，並提（tí）出新能源汽車（chē）的充電解決方案、剖析（xī）充電係（xì）統組成。

　　4.1 特斯拉充電方案分（fèn）析

　　特斯拉超級充電器代表了當（dāng）今世界最先進的充（chōng）電技術，它為MODEL S充電（diàn）的速度遠（yuǎn）高於（yú）大多數充（chōng）電（diàn）站，表5為特（tè）斯拉電池和（hé）充電參數（shù）。

　　表5電（diàn）池和充（chōng）電參數

　　特（tè）斯拉具有5種充電方式，采用普通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（de）20kW充電器，5小時充滿；一種快速（sù）充電器可以（yǐ）裝在（zài）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（kuài）充裝置僅在北（běi）美市場比較普遍。

　　特斯拉使用太陽能電池板遮陽棚的充電站，既可以抵消能源消耗（hào）又能夠遮陽。與在加油站加油需要付費不同，經過（guò）適當配置的 MODEL S 可以在任何（hé）開（kāi）放充（chōng）電站免費充電。

　　特斯拉充電技（jì）術特點可總結如下兩點：1)特斯拉（lā）充電站加（jiā）入了太陽能充電技術，這一技（jì）術（shù）使充電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的幹（gàn）擾（rǎo），國內這一技術也能實現。 2)特斯拉充（chōng）電時間短也不足為奇，特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充（chōng）電倍率0.8C，跟普通快充一樣，並沒有采用更大的充電倍率，所以不會影響電池壽命；20分鍾（zhōng）充到40%，就能滿足續航要（yào）求，主要原因是電池容量大。

　　4.2 充電解決方案

　　7充電係（xì）統組成

　　7為一種可參考（kǎo）的新能源（yuán）汽車充電解決方案，充電係統組成：配電（diàn）係統(高壓配（pèi）電櫃、變（biàn）壓器、無功補償裝置和低壓（yā）開關櫃)、充電係（xì）統(充電櫃和充（chōng）電機終端)以（yǐ）及儲能係統(儲能電池（chí）與逆變器櫃)。無功補償裝置（zhì）解決充電係統（tǒng）對電網功（gōng）率因數影（yǐng）響，充電櫃內充電機一般（bān）都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率（lǜ）因數問題。儲能電池和逆變器（qì）櫃解決老舊配電係（xì）統無法滿足充電站容量要求、並起到（dào）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，儲能電池和逆變（biàn）器櫃可以不選用。風力發電和光伏發電為充（chōng）電係（xì）統提（tí）供（gòng）清潔能源，盡量減少從電網（wǎng）取電。

　　5 總結

　　從消費者和（hé）技術角度分別對新能源汽（qì）車結構進行歸納分類（lèi），分（fèn）析各（gè）種結構的優勢（shì），以及（jí）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（xì）介紹了三級模塊體係中相關的執行係統和（hé）控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構（gòu）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。