​新能源汽（qì）車技術分類及三大核心技術詳解

       為了使新（xīn）能（néng）源愛好者和初級研發人員更好地了解新能（néng）源汽車的核心技術，筆者結合（hé）研發過程中的（de）經驗總結（jié），從新能源（yuán）汽車分類、模塊規劃、電控技術和充電設施等方麵進行了（le）分析。

　　1 新能源汽車分類

　　在新能源汽車分類中，“弱混（hún）、強混”與“串聯、並聯”不同分類方法令（lìng）非業內（nèi）人（rén）士感到困惑，其實這些名稱是從不同角（jiǎo）度給出的（de）解釋、並不矛盾。

　　1.1消費者角（jiǎo）度

　　消（xiāo）費者角度通常按（àn）照混合度進行劃分，可分為起停、弱混、中混、強混、插電（diàn）和純電動，節油效果（guǒ）和成本增（zēng）等指標加如表1所示。表（biǎo）中（zhōng）“-”表示無此（cǐ）功能或較（jiào）弱、“+”個數越多表示效果越（yuè）好，從表中可以看出隨著節油效果改善、成本增（zēng）加也較多。

　　1.2技術（shù）角度

　　1 技術角度分類

　　技術角度由（yóu）簡到繁分為純電動、串聯混合動力、並聯（lián）混合動力及混聯混（hún）合動力，具體（tǐ）如1所示。其（qí）中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置)係統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體化（huà）裝置)係統、電（diàn）機處於發動機和離合器之間，P2中電（diàn）機處於離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機（jī）處於變速器（qì）輸出端或布置於後軸，P03表示P0和P3的組合。從統計表中可以看出，各種結構在國內（nèi）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（hé）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（jiào）為普遍、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）慮結構複雜性、節油效果（guǒ）和成（chéng）本增加，例如由通（tōng）用、克萊斯勒和（hé）寶馬聯合開發的三行星排雙模係統，盡管節油效果較好，但由於結構（gòu）複雜且成本較高，近十年間（jiān）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（qì）車分類複雜，但其（qí）中共用的模塊較多（duō），在開發過程中可采（cǎi）用模（mó）塊化方法，共享平台、提高開發速度（dù）。總體上講，整（zhěng）個新能源汽（qì）車可分為三級模塊體係、如2所示，一級模塊主要是指執行係（xì）統，包括充電設備（bèi）、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（èr）級（jí）模塊分為執行係統和控製係統兩部分，執（zhí）行部分包括充電設（shè）備的地麵充電機、集電器和車載充電機，儲能係統的（de）單體、電箱和PACK，發（fā）動機部分的（de）氣體機、汽油機和柴油機，發電機（jī）的永磁同步（bù）和交流異步，離合器中的幹（gàn）式和濕（shī）式，驅動電機的永磁同步（bù）和（hé）交流異步，齒輪箱部（bù）分的（de）有（yǒu）級式（shì）自（zì）動（dòng）變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二級模（mó）塊的控製係統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電（diàn）池管（guǎn）理係統、發動機電子控製單元（yuán）、發電機控製器、離合器控製單元、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（lǜ）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（céng）和應用層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根據功能和控製的相似性，三級模塊體係的部分模塊可組成純電動(含增程式)、插電並聯混動和插（chā）電（diàn）混聯混（hún）動三種平台架構，例如純電動(含增程式)由充電設備、電動附件、儲能係（xì）統、驅動電（diàn）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（zī）源，提升新能源係統的安全性和可靠性，縮短周期、降低研發及采購成本（běn）

　　3 新（xīn）能源三大核心技（jì）術

　　在三（sān）級模塊（kuài）體係和平台（tái）架構（gòu）中，整車控製器(VCU)、電機（jī）控製器(MCU)和電池管理係（xì）統(BMS)是最（zuì）重要的核心技術，對整車的動力（lì）性、經濟性、可靠性和安全性等有著重要影響（xiǎng）。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決策的核心電子控製單元，一般僅新能源汽車（chē）配（pèi）備、傳統燃油車無需該裝置。VCU通過（guò）采集油（yóu）門踏板、擋位、刹車踏板等信號來判斷駕駛員（yuán）的駕駛意；通過（guò）監測車輛狀態(車速、溫（wēn）度等)信息，由VCU判斷處理後，向動力係統、動力電池係統發送車輛的運（yùn）行（háng）狀態控製（zhì）指令，同時（shí）控製車載附件電（diàn）力係統的工作模式；VCU具（jù）有整（zhěng）車係統故障診斷保護與存儲功能。

　　3為VCU的結（jié）構組成，共（gòng）包括外殼（ké）、硬件電路、底層軟件和應（yīng）用層軟件（jiàn），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組成

　VCU硬（yìng）件采用標準化核心模塊電路( 32位主處理器、電（diàn）源、存儲器、CAN )和VCU專用電路(傳感器采集等)設計；其中標準（zhǔn）化核心模（mó）塊電路可移植應用在MCU和BMS，平台化（huà）硬件將具有非常好的可移（yí）植性和擴展性。隨著汽車級處理器技術的發展，VCU從基於16位（wèi）向32位處理器芯片逐步（bù）過渡，32位已（yǐ）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為標準，達到電子（zǐ）控製單元(ECU)開發共（gòng）平（píng）台的發展目標，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（wéi）目標，以有效提高軟（ruǎn）件質量、縮短軟件開發周期。

　　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（zuò）和平台拓展；采用快速原型工具和（hé）模型在環(MIL)工具（jù）對軟（ruǎn）件（jiàn）模型進行驗證，加快開發速度；策略文檔和軟件模型均采用（yòng）專（zhuān）用版本工具進行管理，增強可（kě）追溯（sù）性；駕駛員轉矩解析、換擋（dǎng）規律（lǜ）、模式切換、轉矩分配和故（gù）障（zhàng）診斷策略等是（shì）應用層的關鍵技術，對車輛動力性、經濟性（xìng）和可靠性有著重要影響。

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

　　3.2 MCU

　　MCU是新（xīn）能源（yuán）汽（qì）車特有的核心（xīn）功率電子單元，通（tōng）過接收VCU的車輛行駛控製指令，控製電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動（dòng）車輛行駛。實現把（bǎ）動力電池的直流電能（néng）轉換為所需的高壓交流（liú）電、並（bìng）驅動電機本體輸出機械能。同時（shí），MCU具有電機係統故（gù）障診斷保護和存儲功能。

　　MCU由外殼（ké）及冷卻係統、功率電子單元、控製電路、底層軟件（jiàn）和控（kòng）製算法軟件（jiàn）組成，具體結構如4所（suǒ）示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路采（cǎi）用模塊化、平台化設計理念(核（hé）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（lù）部分采用汽車級IGBT模塊並聯（lián）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（yǔ）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（de）發展目標，模塊化軟件組件以軟件複用為目標。

　　應用層軟件按照功能設計一（yī）般可分為四個模塊：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MTPA控（kòng）製和弱磁控製。

　　MCU關鍵技術方案包括（kuò）：基於32位高性能雙核主處理器；汽（qì）車級並聯IGBT技術（shù），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（píng）台（tái）軟件及先進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（biǎo）著MCU的發展動態。

　　表3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和（hé）BMS

　　電（diàn）池包（bāo）是新能源汽車（chē）核心能量（liàng）源，為整車提供（gòng）驅動（dòng）電能，它（tā）主要通過金屬（shǔ）材質的殼體包絡構成電池包主（zhǔ）體。模塊化的（de）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（néng），電器部件及線束實現了控製係（xì）統對電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實（shí）現對（duì）電芯的管理，以（yǐ）及與（yǔ）整車的通訊及信息交換。

　　電池包組（zǔ）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能夠提高電池的利用率，防止電池（chí）出現（xiàn）過充電和過放電（diàn），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（chí）包最關鍵的零部件（jiàn），與VCU類似，核心部（bù）分由硬件電（diàn）路、底層軟件和（hé）應用層軟件（jiàn）組成（chéng）。但BMS硬件由主板（bǎn）(BCU)和從板(BMU)兩部（bù）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（bǐ）較靈活，用於繼電器控製、荷電狀（zhuàng）態值(SOC)估計和電氣傷害保護（hù）等。

　　BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測量，並通過高可靠性的數據傳輸通道與BCU 模塊進行指令及數據的（de）雙向（xiàng）傳輸。BCU 可選用基於汽車功能安全架構的32 位微處理器完成總（zǒng）電壓采集、絕（jué）緣檢測、繼電器驅動及狀（zhuàng）態監測等功能。

　　底層軟（ruǎn）件架構符合AUTOSAR標準（zhǔn），模塊化開發（fā）容易實現擴展和移植，提高（gāo）開發效率。

　　應用層軟件是BMS的控製核心，包括電池保護、電氣傷害保護（hù）、故障（zhàng）診斷管理、熱管理、繼電器控（kòng）製、從板控製、均衡（héng）控（kòng）製、SOC估計和通訊管理等模塊，應用層軟件架（jià）構如6所示。

　　6 應用層軟件（jiàn）架構（gòu）

　　表4為國內外主流 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（diàn）設施

　　充電設（shè）施不完善是（shì）阻礙新（xīn）能源汽車市場推廣的重（chóng）要因素，對特斯拉成功的解決（jué）方案進行分析，並提（tí）出新能源汽車的（de）充電解（jiě）決方案、剖析充電係統（tǒng）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（jīn）世界最先進（jìn）的充電技術，它為MODEL S充（chōng）電（diàn）的速度遠高於大多數充電站，表5為（wéi）特（tè）斯拉電池（chí）和充電參數。

　　表5電池和充電參數

　　特斯拉具（jù）有5種充電方式，采用普通110/220V市電插座充電，30小（xiǎo）時充滿；集成的10kW充電器，10小時充滿（mǎn）；集成（chéng）的20kW充電（diàn）器，5小時充滿；一種快（kuài）速充電器（qì）可以裝在家庭牆壁（bì）或者停（tíng）車場，充電時間可（kě）縮短為（wéi）5小時； 45分鍾能充80%的電量、且（qiě）電費全免（miǎn），這種快充裝置（zhì）僅在北美市場比較普遍。

　　特斯拉使用太陽能（néng）電池（chí）板遮陽棚的充電站（zhàn），既可以抵消能（néng）源消耗又能夠遮（zhē）陽。與在加油站加油需要付費不同（tóng），經（jīng）過適當配置的 MODEL S 可以在（zài）任何開放充電站免費（fèi）充電。

　　特斯拉充電技術（shù）特點可總結如下兩點：1)特斯拉充電（diàn）站加入了太陽能充電技術，這一技術使充電（diàn）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擾，國內這一（yī）技術也能實現。 2)特斯拉充電時間短也（yě）不（bú）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，所以不會影響電池壽命；20分（fèn）鍾充到40%，就（jiù）能滿足續航要（yào）求，主要（yào）原因是電池容量大。

　　4.2 充電解決方案

　　7充電係統組（zǔ）成（chéng）

　　7為一種可參考的新能源汽車充電解決方案，充電係統組成：配（pèi）電係統(高壓配電櫃、變壓器、無功補償裝置和低壓開關櫃)、充（chōng）電係統(充電櫃（guì）和充電（diàn）機（jī）終端)以及（jí）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數影響（xiǎng），充電櫃內充電（diàn）機一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（jiě）決老舊配電係統（tǒng）無法滿足充電站容量要求、並起到削峰填穀作用，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（shì）放（fàng）所儲能量（liàng）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（guāng）伏發電為充電係統提供清（qīng）潔能源，盡量減（jiǎn）少從電網取電。

　　5 總（zǒng）結

　　從消費者（zhě）和（hé）技術角度分別對（duì）新能源汽車結構進行歸納分類，分析（xī）各種結構的優勢（shì），以及國內外（wài）各主機廠的應用（yòng）情況。分析新能源汽車的模塊組成和平台架構，詳細介紹了三（sān）級模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（jué）方案進行分（fèn）析，並提出新（xīn）能源汽（qì）車的（de）充電解決方案。