​新能源汽車技術分類及三大核心技術詳解

       為了使新能（néng）源愛好者和初級研發人員更好地了解（jiě）新能源（yuán）汽車的核心技術，筆者結合研發（fā）過（guò）程中的經驗總結，從新（xīn）能源汽車分類、模塊規劃、電控（kòng）技術和充（chōng）電設施等方麵進行（háng）了分析。

　　1 新能源（yuán）汽車分類

　　在新能源汽車（chē）分類中，“弱混、強混”與“串聯、並聯”不同分（fèn）類（lèi）方法令非業內（nèi）人士感到困惑，其實這些名稱是從不同角度給出的解釋、並不矛盾。

　　1.1消費者（zhě）角度

　　消費者角度通常按照混合（hé）度進行劃分，可分（fèn）為起停、弱混、中混（hún）、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（běn）增加也較多。

　　1.2技術角度

　　1 技術角度（dù）分類

　　技術角度由簡到繁分為純電動（dòng）、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（shì）。其中P0表（biǎo）示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置)係統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機（jī）一（yī）體化（huà）裝置)係統、電機處於發動機和離合器之間，P2中電機（jī）處於離合器和變速器輸入（rù）端之間，P3表示電機處於變速器輸出端或布置於後（hòu）軸，P03表（biǎo）示P0和P3的組合（hé）。從統（tǒng）計（jì）表中可以看出，各種（zhǒng）結構（gòu）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，行星排結構在（zài）日係和美係（xì）車輛中占（zhàn）主導地位，P03等組合結構在四驅車輛中（zhōng）應用較為普（pǔ）遍、歐（ōu）藍德和標（biāo）致3008均（jun1）已實現量（liàng）產。新能源車型（xíng）選擇（zé）應（yīng）綜合考慮結構複雜性、節（jiē）油效果和成本增（zēng）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，盡管節（jiē）油效果較好，但由於結構複雜且成本較高，近十年間的市場表現不盡如人意。

2 新能源汽車模塊規劃

　　盡管新能源汽車分類複雜，但其中共用的模塊較（jiào）多（duō），在開（kāi）發過程中可采用（yòng）模塊化方法，共享平台（tái）、提高開發速度。總體上講，整個新能源（yuán）汽車可分為三級模塊體係、如2所示，一級（jí）模塊主要（yào）是指執（zhí）行係統，包括充電設備、電動附件、儲能係統、發動機、發電機、離合器、驅動電（diàn）機和齒（chǐ）輪箱。二級模塊分為（wéi）執行係統和控製（zhì）係統兩部分，執（zhí）行部分包括充電設備的地麵充電機、集電器和車（chē）載（zǎi）充（chōng）電機，儲能係統的單體、電箱（xiāng）和PACK，發動機部分的氣體機、汽油機和（hé）柴油機，發電機的永磁（cí）同步和交流異（yì）步（bù），離（lí）合器中的幹式和濕式，驅動電（diàn）機（jī）的永磁同步和交流異步，齒輪箱（xiāng）部分的有級式自（zì）動變速（sù）器（qì）(包括AMT、AT和DCT等（děng）)、行星排和減（jiǎn）速齒（chǐ）輪；二級模塊的控製係統（tǒng）包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電池管理（lǐ）係統、發動（dòng）機電子控製單（dān）元、發電（diàn）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器。三級模塊體係中，包括電池單體的功率型和能（néng）量型，永磁（cí）和異步電機的水冷和風冷形式（shì），控製係（xì）統的三級模塊主要包括硬件（jiàn）、底層和應用層軟件。

　　2三級模（mó）塊體係

　　根據功能和控製的相似（sì）性，三（sān）級模（mó）塊體係（xì）的部分模塊可（kě）組成（chéng）純電動(含增程式)、插電並（bìng）聯混動和插電混聯混動三種平（píng）台架構，例如純電動(含增程式)由（yóu）充電設備、電動附件、儲能係統、驅動電機和齒輪（lún）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（xīn）能源係（xì）統的安全性和可靠性，縮（suō）短周期、降低研發及采購（gòu）成本

　　3 新能源三大（dà）核心技術

　　在三級模塊（kuài）體係和（hé）平台架（jià）構中，整車控製器(VCU)、電機（jī）控製器(MCU)和電池管理係統(BMS)是最重要的核心技術，對整車的動力性、經濟性、可靠性和安全性等有著重要（yào）影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製（zhì）決（jué）策的核（hé）心電子控製單元（yuán），一般僅新能源汽車配備、傳統（tǒng）燃油車無需該裝置。VCU通過采集油門（mén）踏板、擋位、刹車（chē）踏板等信（xìn）號來判斷駕駛員的駕駛意；通過監測車輛狀（zhuàng）態(車速、溫度等)信息（xī），由VCU判斷處理後，向動力係統、動（dòng）力電池係統發送車輛的運行狀（zhuàng）態控製指令，同時控製車載附件電力係統的工作模式；VCU具（jù）有（yǒu）整（zhěng）車係統故障診（zhěn）斷保護與存儲（chǔ）功能。

　　3為VCU的（de）結構組成，共包括外殼、硬件電路、底層軟件和應用層（céng）軟件（jiàn），硬件電路（lù）、底層軟件和應用（yòng）層軟件是VCU的關鍵核心技術。

　　3 VCU組成

　VCU硬件采用標（biāo）準化核心模塊電路( 32位主處理器、電源、存儲器、CAN )和VCU專用電路(傳感器采（cǎi）集（jí）等)設計（jì）；其中標準（zhǔn）化核心模塊（kuài）電（diàn）路可（kě）移（yí）植應用（yòng）在MCU和BMS，平台化（huà）硬件將具有非常（cháng）好的可移植性和擴展性。隨著汽（qì）車級（jí）處理器（qì）技術的（de）發展（zhǎn），VCU從基（jī）於（yú）16位向32位處理器芯（xīn）片逐步過渡，32位已成（chéng）為業界的主流（liú）產品（pǐn）。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟（ruǎn）件開放式係統（tǒng）架構為標準，達到電子控製單元(ECU)開發共平台的發展目標（biāo），支持新能源汽車不同的控製係統；模塊化軟件組（zǔ）件以軟件複用為目標，以有效提高軟件質量、縮短軟件開發周期。

　　應用層（céng）軟（ruǎn）件按照V型開發流程、基（jī）於模型開發完成，有利於團隊協作和平台拓展（zhǎn）；采用（yòng）快速原（yuán）型工具和模型在環(MIL)工具對軟件模（mó）型進行驗證，加快開發速度；策略文檔和軟（ruǎn）件模型均采用專（zhuān）用版（bǎn）本工具進行管理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換（huàn）擋規律（lǜ）、模（mó）式切換、轉矩分配和故（gù）障（zhàng）診斷策略等是應用層（céng）的關鍵技術，對車輛動（dòng）力性、經濟性和可靠性（xìng）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（de）發展（zhǎn）動態。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車特有的核心（xīn）功率電子單元，通過接收VCU的（de）車輛行駛控製指令，控製電動機輸出指定的扭矩和轉速（sù），驅動車輛行駛。實現把動（dòng）力電池的直流電能轉換為所需（xū）的高壓交流電、並驅動電機本體輸出（chū）機械能。同時（shí），MCU具有電機係統故障診斷保護和（hé）存儲功能（néng）。

　　MCU由外殼及（jí）冷卻係統、功率電子單元、控製電路（lù）、底（dǐ）層軟（ruǎn）件和控製算法軟件（jiàn）組成（chéng），具體（tǐ）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(核心模塊與VCU同平台（tái）)，功率驅動部分采用多重診斷保護功（gōng）能電路（lù）設（shè）計，功率回路部分采（cǎi）用汽車級IGBT模塊並（bìng）聯技術、定製母線電容和集成母排設計；結構部分采用高防護等級、集成一體化液冷設計。

　　與VCU類（lèi）似，MCU底層（céng）軟件以AUTOSAR開放式係統架構為（wéi）標準，達（dá）到（dào）ECU開發共同平台的發展目標，模塊（kuài）化軟件組件以軟（ruǎn）件複用為（wéi）目標。

　　應用層軟件按（àn）照功能設計一般可分為四個模塊：狀態控製、矢量算法、需（xū）求轉矩計算和診斷模塊。其中，矢量算法模塊分為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（hé）主處理器；汽車級並聯IGBT技術，定製薄膜母（mǔ）線電容及集（jí）成化功率（lǜ）回路設計，基於AutoSAR架（jià）構平台軟（ruǎn）件及先進SVPWM PMSM控製算（suàn）法；高防護（hù）等級殼體及集成（chéng）一體化水冷散熱設計。

　　表3為世界主（zhǔ）流 MCU硬件供應（yīng）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（diàn）池包和BMS

　　電（diàn）池包（bāo）是（shì）新能源汽車核心能量源，為整車提供驅動電能，它主要通過金屬材質的殼體包（bāo）絡構成電（diàn）池包（bāo）主體。模塊化的結構設計實現（xiàn）了電芯的集成，通過熱管理設計與仿真優化電池包熱管理（lǐ）性能，電器（qì）部件及線束實現了控製係統對（duì）電池的安全保（bǎo）護及連接路徑；通過BMS實現對電芯的管理，以及與整車的通訊（xùn）及（jí）信息交換。

　　電池包組成如5所（suǒ）示，包括電芯（xīn）、模塊、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（xiàn）過充電和過（guò）放電（diàn），延（yán）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（zuì）關鍵的零部件，與VCU類似（sì），核（hé）心部分由硬件電（diàn）路、底層軟件和應用層軟件組成（chéng）。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（zhì）；主板安裝位置比較靈（líng）活，用於繼電（diàn）器控製、荷電狀態值(SOC)估計（jì）和（hé）電氣傷害保（bǎo）護等。

　　BMU硬件部分完成（chéng）電池（chí）單（dān）體電壓和溫度（dù）測量，並（bìng）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（jī）於汽（qì）車功能安全架構的32 位微處理器完成總電壓采集、絕緣檢（jiǎn）測、繼電器驅動（dòng）及狀態監測等功能。

　　底層軟（ruǎn）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（fā）效率。

　　應用層軟件是BMS的控製核心（xīn），包括電（diàn）池保護、電（diàn）氣傷害保（bǎo）護、故障診斷管理（lǐ）、熱管理（lǐ）、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（kuài），應用層軟件架構如6所示。

　　6 應（yīng）用層軟件架構

　　表4為（wéi）國內外主（zhǔ）流 BMS供應商的技術參數（shù），代表著BMS的發展動態。

　　表4 BMS技術參數（shù）

　　4 充電設施

　　充電設施不完善是阻（zǔ）礙新能源汽車市場推廣的重（chóng）要因素，對特斯拉成（chéng）功的解（jiě）決方（fāng）案進行分析（xī），並提出新能（néng）源汽車的充電（diàn）解決方案（àn）、剖析充電係統組成。

　　4.1 特斯拉充電方案分（fèn）析

　　特斯拉超級充（chōng）電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多數充（chōng）電站，表5為特斯拉（lā）電池（chí）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小時充滿；集成的10kW充電器，10小時充滿；集（jí）成（chéng）的20kW充電器，5小時充滿；一種快速（sù）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； 45分鍾能充80%的電量、且電費全免，這種快（kuài）充裝置（zhì）僅在北美市場比較普遍。

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

　　特斯拉充電（diàn）技術特點可總結如下（xià）兩點：1)特斯拉充電站加入了太陽能充電技術，這（zhè）一技術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（de）幹擾，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，充電倍率0.8C，跟普通快充（chōng）一樣，並沒有采用更大的充電倍率，所以（yǐ）不會影響電（diàn）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（liàng）大。

　　4.2 充電解決方（fāng）案

　　7充電係統組成（chéng）

　　7為（wéi）一種可參（cān）考的新能源（yuán）汽（qì）車充電解決方案，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（yā）開關櫃)、充電（diàn）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（yīn）數影響，充電櫃內充電機（jī）一般都具備有源濾波功能、解決諧（xié）波電流（liú）和功率因（yīn）數問題。儲能電池和逆變器櫃解決老舊配電係統無（wú）法滿足充電站容量要求、並起到削峰填穀作用，在（zài）不充電時候進行儲能，大容量充電且配電係統容量（liàng）不足時釋放所儲能量進行充電。如果新建配電係統容量足夠，儲能電池和逆變器櫃可以不選用。風力發電和光伏發（fā）電為充電係統提供清潔能（néng）源，盡量減少從（cóng）電網取電。

　　5 總結

　　從消費者和技術角度分別對新能源汽車結構（gòu）進（jìn）行歸納分類，分析（xī）各種結構的優勢，以及國內（nèi）外各主機廠的應（yīng）用情（qíng）況（kuàng）。分析新（xīn）能源汽車的模塊組成（chéng）和（hé）平台架（jià）構，詳細介紹了三級模塊體係（xì）中相（xiàng）關的（de）執行係統和控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組（zǔ）成及關（guān）鍵技術，以及世界主（zhǔ）流供應商的技（jì）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。