​新能源汽車技術分類及三大核心技術詳（xiáng）解

       為了使（shǐ）新能源（yuán）愛好者和初級研發人員更（gèng）好地（dì）了解新能源汽車的核心技術，筆者結合研發過程（chéng）中的經驗總（zǒng）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（miàn）進行了分析。

　　1 新（xīn）能源汽車分類

　　在新能源汽車分類中，“弱混、強混”與“串（chuàn）聯、並聯”不同分類方法令非業內（nèi）人士感到困惑，其實這些名稱是從不同（tóng）角度給出的解釋、並不矛盾（dùn）。

　　1.1消費者角（jiǎo）度

　　消（xiāo）費者角度通常按照混合度進行劃分，可分為起停、弱混、中混、強混、插電和（hé）純電動，節油效果（guǒ）和成本增等指標加如表1所示（shì）。表（biǎo）中“-”表示無此功能或較弱、“+”個數（shù）越多表示效果（guǒ）越（yuè）好，從表中可以看出隨著節（jiē）油（yóu）效果（guǒ）改（gǎi）善、成本增加（jiā）也較多（duō）。

　　1.2技術角度

　　1 技術角（jiǎo）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（lián）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代表ISG(Integrated starter generator，啟動機和（hé）發電（diàn）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（hé）器和變速器輸入端之間，P3表示（shì）電機處於變速器輸出端或布置（zhì）於後軸，P03表示P0和P3的組合。從統計表中（zhōng）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，行星排結構在日係和美係車輛（liàng）中（zhōng）占主導（dǎo）地位，P03等組合結構在四驅（qū）車輛中應用較（jiào）為普遍、歐藍德和標致3008均已實現量產。新能源車型選擇應綜合（hé）考慮結構複雜性、節油效果和成本增加，例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯合開發（fā）的三行星排雙模係統，盡管（guǎn）節油效果較好，但由於結構複雜且成本較高（gāo），近十年間的市場表（biǎo）現（xiàn）不盡如人意。

2 新能源汽車模塊規劃

　　盡管新能源汽車（chē）分類複雜，但其中共用的模塊較多，在開發過程中可采用模塊化（huà）方法，共享平台、提高開發速度。總體上講，整個新（xīn）能源汽車可（kě）分（fèn）為三（sān）級模塊（kuài）體係（xì）、如2所示，一級（jí）模塊主要是指執行係統（tǒng），包括充（chōng）電設備、電動附（fù）件（jiàn）、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（xì）統（tǒng）和控製係統兩部分，執行部分包括充電設備的地（dì）麵充電機、集（jí）電器和車載充電機，儲能係統的單體、電（diàn）箱和PACK，發動（dòng）機部分的氣體機、汽油機和柴油機（jī），發電（diàn）機的永磁同步和交流異步，離合器中的幹式和濕式，驅（qū）動電機的永磁同步和交流異步，齒輪箱部分的有級式自動變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二級模（mó）塊的控製係統（tǒng）包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電池（chí）管理係統、發（fā）動機（jī）電子控製（zhì）單元、發電機控製器（qì）、離合器控製單元（yuán）、電機控製器（qì）、變（biàn）速器控製係統和整車控（kòng）製器。三級模塊體係中，包括電池單體的功率型和能量型，永磁和異步（bù）電機的水冷和風冷形式，控（kòng）製係統的三級模（mó）塊主要包括硬件、底層和應用層軟（ruǎn）件。

　　2三（sān）級模塊體係

　　根據功能和控製的相似性，三級（jí）模塊體係（xì）的部分（fèn）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種平台架構，例如純電（diàn）動(含增程式)由充電設備、電動附件、儲能係統、驅動電機和齒輪箱組成。各平台模塊的通用性較強，采（cǎi）用平台和模塊的開發方法，可（kě）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（duǎn）周期、降低（dī）研發及采（cǎi）購（gòu）成本（běn）

　　3 新能源三大核心技術

　　在三級模塊體係和平台架構中，整車控製器(VCU)、電機（jī）控製器(MCU)和電池管理係統（tǒng）(BMS)是最重要的核心技術，對整（zhěng）車的（de）動力性、經（jīng）濟性（xìng）、可靠性和安全性等有著重要影（yǐng）響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決策的核心電子控製單（dān）元（yuán），一般僅新能源汽車配（pèi）備、傳統燃油車無需該裝置。VCU通（tōng）過采集（jí）油門踏板、擋位、刹車踏板等信號來判斷駕駛員（yuán）的駕駛意；通（tōng）過監測（cè）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）統發送車輛的運行狀態控製（zhì）指令，同時控製車載附件電力係統（tǒng）的工（gōng）作模（mó）式；VCU具有整車係統故障診斷保（bǎo）護與存儲功能。

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

　　3 VCU組成

　VCU硬件（jiàn）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專用電路（lù）(傳感器采集等)設計；其中標準化核心模塊電路可（kě）移植應用在MCU和（hé）BMS，平台化硬件將具有非常好的可移植性（xìng）和擴展性。隨著汽車級處理器技術的發展，VCU從基於16位向32位處理（lǐ）器芯片逐步過渡，32位已成為業界的主流產品。

　　底層（céng）軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式係統架構為標準，達到（dào）電子控製單元（yuán）(ECU)開發共平台的發展目標，支持（chí）新能（néng）源汽車不同的控製係統；模塊化軟件組件（jiàn）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。

　　應（yīng）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（tuò）展；采用快速原型工（gōng）具（jù）和模型在環(MIL)工（gōng）具對軟件模型進行（háng）驗證（zhèng），加快開發速度；策略文檔和軟（ruǎn）件模型（xíng）均采用專用版本工具進行管理，增（zēng）強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規律、模式（shì）切換（huàn）、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、經濟性和可靠性有著重要影響。

　　表2為世界主流VCU供應商的技術參數，代表著VCU的發展動態。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車特有的核心功（gōng）率（lǜ）電子單元，通過（guò）接（jiē）收VCU的車輛行（háng）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。實現把（bǎ）動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電（diàn）、並驅動電機本體輸出機械能。同時，MCU具有電機係統故障診斷保護和存儲功能。

　　MCU由外（wài）殼及冷卻係統、功率電子單元（yuán）、控製電路、底層軟件和控製算法軟件組成，具體結構如4所示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路采用模（mó）塊化、平台化設計理念(核心模塊（kuài）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（mó）塊並聯技術、定製母線電（diàn）容和集成母排設計（jì）；結構部分采用高防護（hù）等級（jí）、集（jí）成一體化液冷設計（jì）。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式係統架構為標準，達到（dào）ECU開發共同平台的發展目（mù）標，模（mó）塊化軟件組件（jiàn）以軟件複用為目標。

　　應用層軟件按照功能設計一般可分為四個模（mó）塊：狀態控製、矢量算法、需求轉矩計算和診斷模塊。其中（zhōng），矢量算法模塊分為MTPA控製（zhì）和弱磁控製。

　　MCU關鍵技術方（fāng）案包括：基於32位高性（xìng）能雙核主處理器；汽車級並聯IGBT技術，定製薄膜母線電容及集（jí）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（fáng）護等級殼體（tǐ）及集成一體化水冷散熱設計。

　　表3為世界主流 MCU硬件供（gòng）應商的技（jì）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（bāo）是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絡構成電池包主體。模（mó）塊化的結構設計實現（xiàn）了電（diàn）芯的集成，通過熱（rè）管理設計與仿真優（yōu）化（huà）電池包熱管理性能，電器部（bù）件及線束實現了控製（zhì）係統（tǒng）對電池的安全保護及連接路（lù）徑；通過BMS實現對電芯的管理，以及與整車的通訊（xùn）及信息（xī）交換。

　　電池包組成如5所示，包括電芯、模塊（kuài）、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過（guò）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（bù）件，與（yǔ）VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應用（yòng）層軟件（jiàn）組成。但BMS硬件（jiàn）由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從版安裝（zhuāng）於模（mó）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（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（bù）分完成電池單體電壓和溫（wēn）度測量，並通過高可靠性的數據傳輸通道與BCU 模塊進行指令及數（shù）據的雙向（xiàng）傳輸。BCU 可選用基於汽（qì）車（chē）功能安全架構的32 位微處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，模塊化開發容易實現擴展和移植，提（tí）高開發效率。

　　應用層軟件是BMS的控製核心，包括（kuò）電池保護、電氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控製、從板控製、均衡控製、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（wài）主（zhǔ）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

　　充電設施不完善是阻（zǔ）礙新（xīn）能源汽車（chē）市場推廣的重（chóng）要（yào）因（yīn）素，對特斯拉成功的（de）解決方案進行分析，並提（tí）出新能源汽車的充（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

　　特斯拉超級充電器代（dài）表（biǎo）了當今世界最先進的充電技術，它（tā）為MODEL S充電（diàn）的速度遠高於大多數充電站（zhàn），表5為特斯拉電池和充電參數。

　　表5電池和充（chōng）電參數

　　特斯拉具有5種充電方式，采用普通（tōng）110/220V市電插座充電，30小時充滿；集成的10kW充電器，10小時充（chōng）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（chē）場，充電時間可縮短（duǎn）為5小時； 45分（fèn）鍾能充80%的電量、且電費（fèi）全免，這種快充裝置僅在北美市場比較普遍。

　　特斯拉使用太陽能電池板遮陽棚的充電站，既可以（yǐ）抵消能源（yuán）消耗又能夠遮陽。與在加油站加（jiā）油需要付費不同，經過適當配置的 MODEL S 可以在任何開放充電站（zhàn）免費（fèi）充電。

　　特（tè）斯拉（lā）充電技術特點可總結如下兩（liǎng）點：1)特斯（sī）拉充電站加入了太陽能充電技術，這一技術使充電（diàn）站盡可能使（shǐ）用清潔能源，減（jiǎn）少對電網的依賴，同時也減少了對電網的幹擾，國內這一（yī）技術也能實現。 2)特斯拉充電時間短也不足為奇，特斯拉的充電機容（róng）量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通（tōng）快充一樣，並沒有采用更（gèng）大（dà）的充電倍（bèi）率，所以（yǐ）不會影響電池壽命；20分（fèn）鍾充到40%，就（jiù）能滿足續航（háng）要求，主（zhǔ）要原（yuán）因是電池容量大。

　　4.2 充電解決（jué）方（fāng）案

　　7充電係統組成

　　7為一（yī）種可參考的新能源汽車充電解決方案，充電係統組（zǔ）成：配電係統(高（gāo）壓（yā）配電櫃、變壓器、無功補償裝置和低壓（yā）開關櫃（guì）)、充（chōng）電係統(充（chōng）電櫃和充電機終端)以及儲能係統(儲（chǔ）能電（diàn）池與逆（nì）變器櫃)。無功補償裝置解決充電係（xì）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（jiě）決諧波電（diàn）流和功率（lǜ）因數問題。儲能電池（chí）和逆變器櫃解決老舊配電係統無法滿足充電站容量要求、並（bìng）起到削峰填穀作用（yòng），在不充電時候進行儲能，大（dà）容量充電且配電係統（tǒng）容量不足時釋（shì）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（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（diàn）。

　　5 總結

　　從消費者和技術角（jiǎo）度（dù）分別對（duì）新（xīn）能源汽車結構進行歸納分類，分析各種結構的優勢，以（yǐ）及國內外各主機（jī）廠的應用情況。分析新能源汽車的模（mó）塊組成和平台架構，詳細介紹了三級模塊體係中相關的（de）執行係統和控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及關鍵（jiàn）技術，以（yǐ）及世界主流供應商（shāng）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，並（bìng）提出新能（néng）源汽車的充電解決方案。