​新能源汽車技（jì）術分類及三大核心技術詳解

       為了使新能源愛好者（zhě）和初級研發人員更好地了解新能源汽車的核心技術，筆者結合研發過（guò）程中的經驗（yàn）總結，從新能源（yuán）汽車分類、模（mó）塊規劃（huá）、電控技術和充電設（shè）施等方麵進行了分析。

　　1 新能源汽（qì）車分類

　　在新能源汽車分類中，“弱混、強混”與“串聯、並聯”不同（tóng）分類（lèi）方法令非業內人士感到困惑，其實這些名稱（chēng）是從不同角度給出的解釋、並（bìng）不矛盾。

　　1.1消費者角（jiǎo）度（dù）

　　消費者角度（dù）通常按照混合度進行劃分，可分（fèn）為起停、弱混、中混、強混、插電和純電動（dòng），節油效果和成本增（zēng）等（děng）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（yuè）好，從表中可以看（kàn）出隨著節油效果改善、成本增加也較（jiào）多（duō）。

　　1.2技（jì）術角度

　　1 技術角度（dù）分類

　　技術（shù）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（lì），具體如（rú）1所示。其中P0表（biǎo）示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置)係（xì）統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動（dòng）機（jī）和發電（diàn）機一體化（huà）裝置（zhì）)係統（tǒng）、電機處於發（fā）動機和離合器之間（jiān），P2中電機處於離合器和變速器輸入端之間（jiān），P3表示電機處（chù）於變速器輸出端或布置於後軸，P03表示P0和（hé）P3的組合。從統計（jì）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泛應用，相對來說P2在歐洲比較流行，行星排（pái）結構在日係（xì）和美係（xì）車輛中占主導地（dì）位，P03等組合結（jié）構在四驅車輛中應用較為普遍、歐藍德和標致3008均已實（shí）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（běn）增（zēng）加，例如由通（tōng）用、克萊斯勒和寶馬聯合開發的（de）三行星排（pái）雙模係統，盡管節油效（xiào）果較好（hǎo），但由於（yú）結（jié）構複雜且成本（běn）較高，近十年間的市場表現不盡如人意。

2 新能源汽車模塊規劃（huá）

　　盡管新能源汽車分類（lèi）複雜，但其中共用的模塊較多，在開發過程中可采用模（mó）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（kě）分為三級（jí）模塊（kuài）體係、如2所示，一級模塊主要是指執行係統，包括充電設（shè）備、電（diàn）動附件、儲能係統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊分為執行係統和控製係統兩部分，執行部分（fèn）包括充電設（shè）備（bèi）的地麵充電機、集（jí）電（diàn）器和車（chē）載充電機，儲能係統的單體、電箱和PACK，發動機部分的氣體機（jī）、汽油機和柴油機，發電機的永磁同步和交流異步，離合器中的幹式和濕（shī）式，驅動（dòng）電機的（de）永磁同步和交流（liú）異步（bù），齒輪箱部分的有級式自動變速器(包括（kuò）AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二級模塊的控製係統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電池管理係統、發（fā）動機電子控製單元、發電機控製器、離合器控製（zhì）單元、電機控（kòng）製器、變速器控製係統和（hé）整車控製器。三級模塊體係中，包括電池單體的功率型和（hé）能量型，永磁和異步電機的水冷和風冷形（xíng）式，控製係統的三級模塊主要包括硬（yìng）件（jiàn）、底層和應用層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根據功能和控製的相似性，三級模塊（kuài）體（tǐ）係的（de）部分模塊可組成純電動(含增程式)、插電並聯混動和插電混聯混動三（sān）種平台（tái）架構，例如純電動(含增程式)由充（chōng）電設備、電動附件、儲能（néng）係統、驅動（dòng）電機和齒（chǐ）輪箱組成。各平台模塊的通用性較強，采用平（píng）台和模塊的開發方法，可共享核心（xīn）部件資源，提升新能源係統的安（ān）全性（xìng）和可靠性，縮短周期（qī）、降低（dī）研發及（jí）采購成本

　　3 新能源三大核（hé）心技術

　　在三級（jí）模塊體係和平台（tái）架構中，整（zhěng）車控製器(VCU)、電機控製器(MCU)和電池管（guǎn）理係統(BMS)是最重要（yào）的核心技術，對（duì）整車（chē）的動力性、經濟性、可靠性和安全性（xìng）等有著重要影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決（jué）策的核心電子控製單（dān）元，一般僅新能源汽車配備、傳統燃油車無需該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、刹車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意；通過監測（cè）車輛狀態（tài）(車速、溫度等)信息，由（yóu）VCU判斷（duàn）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（zhěn）斷保（bǎo）護與存儲功能。

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

　VCU硬件采用標準（zhǔn）化核心模塊電路（lù）( 32位主處理器、電源、存儲器、CAN )和VCU專用電路(傳感器采集等)設計；其中標（biāo）準化核心模（mó）塊電路可移植應用（yòng）在MCU和BMS，平（píng）台化硬件將具有非常好的可移植性和擴（kuò）展性。隨著（zhe）汽車級（jí）處理器技術的發展，VCU從基（jī）於16位向32位處理器（qì）芯片逐步（bù）過渡，32位已成為業（yè）界的主流產品。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式係統架（jià）構為標準，達到（dào）電子控製單元(ECU)開發共平台的發展目標，支持新能（néng）源汽車不同（tóng）的控製係統；模塊（kuài）化軟件組件以（yǐ）軟（ruǎn）件複用為目標，以有效提高軟件（jiàn）質量、縮短軟件開發周期。

　　應用層軟（ruǎn）件按照（zhào）V型開發流（liú）程、基於（yú）模型開發完成，有利（lì）於團隊協作和平台拓展；采用快速原型工具和模（mó）型在環(MIL)工具（jù）對軟件模型進（jìn）行驗證，加快開發（fā）速度；策（cè）略文（wén）檔和（hé）軟件模型均采用專用版本工具進行管理，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（shì）應用層的關鍵技術，對車輛動力性、經濟性和可靠性有著重要（yào）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。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源（yuán）汽車特有的核心功率電子單元，通過接收VCU的車輛（liàng）行駛控製指令，控製電（diàn）動機（jī）輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行駛。實現把動（dòng）力電（diàn）池的直流電能轉換為所需（xū）的高壓交流電、並驅動電（diàn）機本體輸出（chū）機械能。同（tóng）時，MCU具有電機係統故障（zhàng）診斷保護和存儲功能。

　　MCU由外殼及冷（lěng）卻係統、功率電子單元、控製電路、底層軟件和控製（zhì）算法軟件組成（chéng），具（jù）體結（jié）構如（rú）4所示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路（lù）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斷保護功能電路設計，功率回路部分采用汽車級IGBT模塊並聯技術、定製母線電（diàn）容和集成（chéng）母排設計（jì）；結構部分采用高防護等級（jí）、集成一（yī）體化液冷設計。

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

　　應用層軟件（jiàn）按照功能設計一般可（kě）分為四（sì）個模（mó）塊：狀態控製、矢量算法、需求轉矩計算和診斷模塊。其中，矢量算法模塊分為（wéi）MTPA控製和弱磁控製。

　　MCU關鍵技術方（fāng）案包括：基於32位高性（xìng）能（néng）雙核主處理（lǐ）器；汽（qì）車級並聯IGBT技術，定製薄膜母線電容及集成化功率回路設（shè）計，基於AutoSAR架構平台軟件及先（xiān）進SVPWM PMSM控製算法；高防護等級殼體及集成一體化水冷散熱設計。

　　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技術參數

　　3.3 電池包（bāo）和BMS

　　電池包是新能源汽車核心能量源，為整車提供驅動（dòng）電能，它主要通過金（jīn）屬材質的殼（ké）體包絡構成電池（chí）包主體。模塊化的結構設計實現了電芯的集成，通過熱管理設計與仿真優化電池包熱管理性能，電器部件及線（xiàn）束實現了控製係統對電池（chí）的安全保護（hù）及連接路（lù）徑；通過BMS實現對電芯（xīn）的管理，以及與整車（chē）的通訊及信息交換。

　　電池包（bāo）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（zhǎng）電池的使用壽命（mìng），監控電池的狀態。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池包（bāo）最關鍵（jiàn）的零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路（lù）、底層軟件和應（yīng）用（yòng）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（yú）模組內部，用於檢（jiǎn）測單體電壓、電（diàn）流和（hé）均衡控製；主板安裝（zhuāng）位置（zhì）比較靈活，用於繼電（diàn）器控製、荷電狀態值(SOC)估計和電氣傷害保（bǎo）護等（děng）。

　　BMU硬件部分完（wán）成電池單體電壓和溫度測（cè）量，並通過高可（kě）靠性的（de）數據傳輸通（tōng）道與BCU 模塊進行指令及（jí）數據的雙向傳輸。BCU 可選用基於汽車（chē）功能安全架構的（de）32 位（wèi）微處理器完成總電壓（yā）采集、絕緣檢測、繼電器（qì）驅動（dòng）及狀態監測（cè）等功能。

　　底層軟件架構符合AUTOSAR標（biāo）準，模塊化開發容易實現擴展和（hé）移植，提高開發效率。

　　應用層軟件是BMS的控製核（hé）心，包括電池（chí）保護、電氣傷害保護、故（gù）障診（zhěn）斷管理（lǐ）、熱管理、繼電器控製、從板控製（zhì）、均衡控製、SOC估計和通訊管理等模塊，應用層軟件架構如（rú）6所示。

　　6 應用層（céng）軟件架構

　　表4為（wéi）國內外主流 BMS供應商的技（jì）術參數，代表著BMS的發展（zhǎn）動態。

　　表4 BMS技術參數

　　4 充電設施

　　充電設施不（bú）完善是（shì）阻礙新能（néng）源汽車市場推廣的重要因素，對特斯拉成功的解（jiě）決方案進行分析，並提出新能源（yuán）汽（qì）車的充（chōng）電解決方案、剖析充電係統組成。

　　4.1 特斯拉充電方案分析

　　特斯拉（lā）超級充電器（qì）代表了（le）當今世界最先進的（de）充電（diàn）技術，它為MODEL S充電的速度遠高（gāo）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（chōng）電（diàn）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小時充滿；集成的20kW充電器，5小時充滿；一種快速充電器可以裝在家庭牆壁或者停車場，充電時間可縮短為5小時（shí）； 45分鍾能充80%的電量、且電費全免，這種快充（chōng）裝置僅在北美（měi）市場比較普遍。

　　特斯拉使（shǐ）用太陽能電池板遮陽棚的充（chōng）電站，既可以抵消能源消耗又能夠遮陽。與在加油站加油需要付費不同，經過適當配置的 MODEL S 可以在任何開（kāi）放（fàng）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)特斯拉充電站加入了太陽能充電技術，這一技術使充電站盡可能使（shǐ）用清潔能源，減少對電網（wǎng）的依賴，同時也減少了對電網的幹擾，國內這（zhè）一技術（shù）也能實現。 2)特斯拉充電時間短也不足為奇，特斯拉的充電機（jī）容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通（tōng）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分鍾充到（dào）40%，就能滿足續航要求，主要原因是電池容量大。

　　4.2 充電解決方案

　　7充電係統組成

　　7為一種可參考的新能源汽車充電解決方案，充電係統（tǒng）組成：配電係統(高壓配電櫃、變壓器、無功補（bǔ）償裝置和低壓開關櫃)、充電係統（tǒng）(充電櫃和充電機終端)以及（jí）儲能係統(儲能電池與逆變器櫃)。無（wú）功（gōng）補償（cháng）裝置解決充電係統對電網功率因數影響，充（chōng）電櫃內（nèi）充電機（jī）一（yī）般都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率因數問題。儲能電池和逆變器櫃解決老（lǎo）舊配電係統（tǒng）無法滿足（zú）充電站容量要求、並起到削峰填穀作用，在不（bú）充電時候進行儲能，大容量充電且配電係統容量不足時釋放（fàng）所儲能量進行充電（diàn）。如果新建配電（diàn）係統容量足（zú）夠，儲能電池（chí）和逆變器櫃可以不選用。風力發（fā）電和光伏發電為充電係統提供清潔（jié）能源，盡量減少從電網取（qǔ）電。

　　5 總結

　　從消費者和技（jì）術角度分別對新能源汽車結構進行歸納分類（lèi），分析各（gè）種結構的優勢，以及國內外各主機廠的應用情況。分析（xī）新能（néng）源汽車的模塊組成和平台（tái）架構，詳細介紹了三級模（mó）塊體係中相關的執行係統和控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成（chéng）及關鍵技術，以及世界主流供應商的技術（shù）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（xīn）能源汽車的充（chōng）電解（jiě）決方案。