新能源汽车技术分类及三大关键技术详解.docx

新能源汽车技术分类及三大关键技术详解新能源汽车技术分类及三大关键技术详解来源：第一电动网 作者：杨伟斌2015年01月12日 14:03［导读］为了使新能源爱好者和初级研发人员更好地了解新能源汽车的核心技术，笔者结 合研发过程中的经验总结，从新能源汽车分类、模块规划、电控技术和充电设施等方面进 行了分析在三级模块体系和平台架构中，整车控制器（VCU ）、电机控制器（MCU ）和电池管理系统（BMS ）是最重要的核心技术充电设施不完善是阻碍新能 源汽车市场推广的重要因素，对特斯拉成功的解决方案进行分析，并提出新能源汽车的充 电解决方案、剖析充电系统组成关键词：VCUBMS特斯拉MCU新能源汽车2014 年国内新能源汽车产销突破8 万辆，发展态势喜人为了使新能源爱好者和初级研发人员更好地了解新能源汽车的核心技术，笔者结合研发过程中的经验总结，从新能 源汽车分类、模块规划、电控技术和充电设施等方面进行了分析1新能源汽车分类在新能源汽车分类中，“弱混、强混”与“串联、并联”不同分类方法令非业内人士 感到困惑，其实这些名称是从不同角度给出的解释、并不矛盾1.1消费者角度消费者角度通常按照混合度进行划分，可分为起停、弱混、中混、强混、插电和纯电动，节油效果和成本增等指标加如表1 所示。

表中“-”表示无此功能或较弱、“+”个数 越多表示效果越好，从表中可以看出随着节油效果改善、成本增加也较多表1 消费者角度分类功能起惇弱混中混强混纯劇动曲幵||尢剜f S mJLb 1奇瑞跖就通用:B AS荣威750J{ybrid丰田 Ei：Lij£通用咒n日产Le狂电功率比例<5%5-1 OUiio-e™>30^>50%100%节油效果5-1^100%起动丿惇机卜++++再生制动++++++++++++岌动机敷率优化+4++++ +4纯电动能力-■ ■++ +++¥¥械本増加05兀〕巾.旷0 5|1 说 1ke fc 8 |h 11.2技术角度L農合唐1■ 「1 wn .iT. 5 1 T\iib ］| VcH ：［思犠 1 fob .1 P12 .! pia |枸.KKi-P0P1P-2nt你 ft巴诵t?也胡v&trKAHM3PHF112••宝臂■■■•・ba^AI•H査1郢|■丘+丙画■煎箍WJB■•■•■［邮中H■■fl?■■• 1 •图1 技术角度分类技术角度由简到繁分为纯电动、串联混合动力、并联混合动力及混联混合动力，具体 如图1所示其中P0表示BSG （ Belt starter generator，带传动启停装置）系统，P1 代表ISG（ Integrated starter generator，启动机和发电机一体化装置）系统、电机处于 发动机和离合器之间，P2中电机处于离合器和变速器输入端之间，P3表示电机处于变速 器输出端或布置于后轴，P03表示P0和P3的组合。

从统计表中可以看出，各种结构在国 内外乘用或商用车中均得到广泛应用，相对来说P2在欧洲比较流行，行星排结构在日系 和美系车辆中占主导地位，P03等组合结构在四驱车辆中应用较为普遍、欧蓝德和标致 3008 均已实现量产新能源车型选择应综合考虑结构复杂性、节油效果和成本增加，例 如由通用、克莱斯勒和宝马联合开发的三行星排双模系统，尽管节油效果较好，但由于结 构复杂且成本较高，近十年间的市场表现不尽如人意2新能源汽车模块规划尽管新能源汽车分类复杂，但其中共用的模块较多，在开发过程中可采用模块化方 法，共享平台、提高开发速度总体上讲，整个新能源汽车可分为三级模块体系、如图2 所示，一级模块主要是指执行系统，包括充电设备、电动附件、储能系统、发动机、发电 机、离合器、驱动电机和齿轮箱二级模块分为执行系统和控制系统两部分，执行部分包 括充电设备的地面充电机、集电器和车载充电机，储能系统的单体、电箱和PACK，发动 机部分的气体机、汽油机和柴油机，发电机的永磁同步和交流异步，离合器中的干式和湿 式，驱动电机的永磁同步和交流异步，齿轮箱部分的有级式自动变速器（包括AMT、AT 和DCT等）、行星排和减速齿轮；二级模块的控制系统包括BMS、ECU、GCU、CCU、 MCU、TCU和VCU，分别表示电池管理系统、发动机电子控制单元、发电机控制器、离 合器控制单元、电机控制器、变速器控制系统和整车控制器。

三级模块体系中，包括电池 单体的功率型和能量型，永磁和异步电机的水冷和风冷形式，控制系统的三级模块主要包 括硬件、底层和应用层软件VCU*4图 2 三级模块体系根据功能和控制的相似性，三级模块体系的部分模块可组成纯电动（含增程式）、插 电并联混动和插电混联混动三种平台架构，例如纯电动（含增程式）由充电设备、电动附 件、储能系统、驱动电机和齿轮箱组成各平台模块的通用性较强，采用平台和模块的开 发方法，可共享核心部件资源，提升新能源系统的安全性和可靠性，缩短周期、降低研发 及采购成本3新能源汽车三大核心技术在三级模块体系和平台架构中，整车控制器（VCU）、电机控制器（MCU ）和电池管 理系统（BMS ）是最重要的核心技术，对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着 重要影响3.1VCUVCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元，一般仅新能源汽车配备、传统燃油车 无需该装置VCU通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图； 通过监测车辆状态（车速、温度等）信息，由VCU判断处理后，向动力系统、动力电池 系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载附件电力系统的工作模式；VCU具有整 车系统故障诊断保护与存储功能。

图3为VCU的结构组成，共包括外壳、硬件电路、底层软件和应用层软件，硬件电 路、底层软件和应用层软件是VCU的关键核心技术应用层硬件倉层外壳电路软件软件图3 VCU组成VCU硬件采用标准化核心模块电路（32位主处理器、电源、存储器、CAN ）和VCU专用电路（传感器采集等）设计；其中标准化核心模块电路可移植应用在MCU和BMS，平台化硬件将具有非常好的可移植性和扩展性随着汽车级处理器技术的发展，VCU从基于16位向32位处理器芯片逐步过渡，32位已成为业界的主流产品底层软件以AUTOSAR汽车软件开放式系统架构为标准，达到电子控制单元（ECU ） 开发共平台的发展目标，支持新能源汽车不同的控制系统；模块化软件组件以软件复用为 目标，以有效提高软件质量、缩短软件开发周期应用层软件按照V型开发流程、基于模型开发完成，有利于团队协作和平台拓展；采 用快速原型工具和模型在环（MIL ）工具对软件模型进行验证，加快开发速度；策略文档 和软件模型均采用专用版本工具进行管理，增强可追溯性；驾驶员转矩解析、换挡规律、 模式切换、转矩分配和故障诊断策略等是应用层的关键技术，对车辆动力性、经济性和可 靠性有着重要影响。

表2为世界主流VCU供应商的技术参数，代表着VCU的发展动态表2 VCU技术参数国外主痣厂商1国外主盛厂商2冗寸135*127^5220^170^45Freejcale 32位少圮丙64耳：单核IZDLIHzFreestale 32(立tMPCT却)；CPU架枸十Delphi &SIL C单檢llOMhi〒 Freascale Sfe (S^SOSDZfiO)软件架构参考曲itoSAR^AuioSAJ?.CAN> LINySPI. FleKRayCAN> LZN y SPI工作电压1"1的*不蕪容241猱统）44詢丫不兼咨24V系统』功龍去全可通过扩展相关芯片嘉定I和逓M2 ASE. C^150262152 ASELC3.2MCUMCU是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接收VCU的车辆行驶控制指令， 控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶实现把动力电池的直流电能转换为所 需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能同时JMCU具有电机系统故障诊断保护 和存储功能MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组 成，具体结构如图4所示图4 MCU组成MCU硬件电路采用模块化、平台化设计理念（核心模块与VCU同平台），功率驱动 部分采用多重诊断保护功能电路设计，功率回路部分采用汽车级IGBT模块并联技术、定 制母线电容和集成母排设计；结构部分采用高防护等级、集成一体化液冷设计。

与VCU类似，MCU底层软件以AUTOSAR开放式系统架构为标准，达到ECU开发 共同平台的发展目标，模块化软件组件以软件复用为目标应用层软件按照功能设计一般可分为四个模块：状态控制、矢量算法、需求转矩计算 和诊断模块其中，矢量算法模块分为MTPA控制和弱磁控制MCU关键技术方案包括：基于32位高性能双核主处理器；汽车级并联IGBT技术， 定制薄膜母线电容及集成化功率回路设计，基于AutoSAR架构平台软件及先进SVPWM PMSM控制算法；高防护等级壳体及集成一体化水冷散热设计表3为世界主流MCU硬件供应商的技术参数，代表着MCU的发展动态表3 MCU技术参数国外主誌厂商斗国处主凉厂商2卜寸＜ mm)475*245*1081S0Kk^i20KVA320 A45 OA主处理尋TMS^0F283-35Infineon磴护等级IP67IP69通讯方式CANGAN辑矩和转谨响应时间？祷矩和转谨控制辎滾蒜足整车控制要求蒜足整车控制要求3.3电池包和 BMS电池包是新能源汽车核心能量源，为整车提供驱动电能，它主要通过金属材质的壳体 包络构成电池包主体模块化的结构设计实现了电芯的集成，通过热管理设计与仿真优化 电池包热管理性能，电器部件及线束实现了控制系统对电池的安全保护及连接路径；通过 BMS实现对电芯的管理，以及与整车的通讯及信息交换。

电池包组成如图5所示，包括电芯、模块、电气系统、热管理系统、箱体和BMSBMS 能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态图 5 电池包组成BMS是电池包最关键的零部件，与VCU类似，核心部分由硬件电路、底层软件和应 用层软件组成但BMS硬件由主板（BCU ）和从板（BMU ）两部分组成，从版安装于模 组内部，用于检测单体电压、电流和均衡控制；主板安装位置比较灵活，用于继电器控 制、荷电状态值（SOC ）估计和电气伤害保护等BMU 硬件部分完成电池单体电压和温度测量，并通过高可靠性的数据传输通道与BCU模块。