​新能源汽車技術分（fèn）類（lèi）及三大核心技術（shù）詳解

       為了使新能源愛好者（zhě）和初級研發人員更好（hǎo）地了解（jiě）新能源汽車的核心技術（shù），筆者結合研發過程中（zhōng）的經驗總結，從（cóng）新能源汽車分類（lèi）、模塊規劃、電控技（jì）術和充電設施等方麵進行了分析。

　　1 新能源汽車分類

　　在新能源（yuán）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（shì）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（dùn）。

　　1.1消費者角（jiǎo）度

　　消費者角度通常按照混（hún）合度進行劃分，可分為起停、弱混、中混、強混、插（chā）電和純電動，節油效果和成本（běn）增等指標加（jiā）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（gǎi）善（shàn）、成本增加也較多。

　　1.2技術角度

　　1 技術角度分類

　　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混合動力，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（biǎo）ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體化裝置)係（xì）統、電機處於發動機和離合器之間，P2中電（diàn）機處於離（lí）合（hé）器和變速器輸入端之間，P3表（biǎo）示電機處於變速器輸出端或布置於後軸，P03表示（shì）P0和P3的組合。從統計表中可以看出，各種結構（gòu）在國內外乘用或商用車中均得到廣泛應用，相對來（lái）說P2在歐洲比較流行（háng），行星（xīng）排結構在日係和（hé）美（měi）係車（chē）輛中占主導地位，P03等組（zǔ）合結構（gòu）在四驅車輛中應用較為（wéi）普遍、歐藍德和標致3008均已實現量產。新（xīn）能源車型選擇應綜合考慮結構複雜性、節油效（xiào）果和成本增加，例如由（yóu）通用、克萊斯勒和寶馬聯合開（kāi）發的三行星排雙模係統，盡管節油效果較好，但由於結構複雜且成本較高，近（jìn）十年間的市場表現不盡如人意。

2 新能源汽車模塊規（guī）劃

　　盡管新能源汽車分類複雜（zá），但其中共用的模塊較多，在（zài）開發（fā）過程中可采用模塊化方法，共享平台、提高開（kāi）發速度。總體上講（jiǎng），整個新能源汽車可分為三級模（mó）塊體係、如2所示（shì），一級模塊主要是指執行係（xì）統，包括充電設備、電動附件、儲能係統、發動機、發電機、離（lí）合器、驅動電機和齒輪箱。二級（jí）模塊分為執行（háng）係（xì）統和控製係統兩部分，執行部分包括充電（diàn）設備的地麵充電機、集電器和車載充電機，儲能係統的單體、電箱和PACK，發動機部（bù）分的氣體機、汽油機和柴油機，發電機（jī）的永磁同步和交流異（yì）步（bù），離合器中的幹式和濕式，驅動電機的永磁同（tóng）步和交流異步，齒輪箱部分的有級式自動（dòng）變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和（hé）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（guǎn）理係（xì）統、發動機電子控製（zhì）單元、發電機控（kòng）製器、離合器控製（zhì）單元、電機控（kòng）製器（qì）、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（bāo）括硬件、底層和（hé）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（chéng）純電動(含增程式)、插電並聯混動和插電混（hún）聯混動三種平台架構，例（lì）如純電動(含增程式)由（yóu）充電設備、電動（dòng）附件、儲能係統、驅動（dòng）電機和（hé）齒輪箱組成。各平台模塊的通（tōng）用性較強，采用平台和模塊的開發方法，可共（gòng）享核心（xīn）部件資源，提升新能源（yuán）係（xì）統的安（ān）全性（xìng）和（hé）可靠性，縮短周期（qī）、降低研發及采購成本

　　3 新能源三大核心技術

　　在（zài）三級模塊（kuài）體係和平（píng）台架構中，整車控製器(VCU)、電機（jī）控製器(MCU)和電池管（guǎn）理係（xì）統（tǒng）(BMS)是最重要的核心技術，對整車（chē）的動力（lì）性（xìng）、經濟性、可靠性和安全性等有著重要影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決（jué）策的核心電（diàn）子（zǐ）控製單元，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（xìn）號來判（pàn）斷駕駛員的駕駛意；通過監測車輛狀態(車速、溫度等)信（xìn）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（háng）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斷保護與存（cún）儲功能。

　　3為VCU的結構組成，共包括外殼、硬件電路、底層軟件（jiàn）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（shù）。

　　3 VCU組成

　VCU硬件（jiàn）采用標準化核心模塊電路( 32位主處理器、電源、存儲器（qì）、CAN )和VCU專用電路(傳感器采集等)設計；其中標準化核心模（mó）塊電（diàn）路可移植應用在MCU和BMS，平台化（huà）硬件將具有（yǒu）非常好的可移植性和擴（kuò）展性。隨著汽車級處理器技術的發展，VCU從（cóng）基於16位向32位處理（lǐ）器芯片逐步過渡，32位已成（chéng）為業界的主（zhǔ）流產（chǎn）品。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟（ruǎn）件開放式係統架構為標準，達到電子控製單元(ECU)開發共（gòng）平台的（de）發展目標，支持新（xīn）能源汽車（chē）不同的控製係統；模塊（kuài）化軟件組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。

　　應用層軟件按照V型開發流程、基於（yú）模型開發完成，有利於團隊協作和平台拓展（zhǎn）；采用快速原型工具和（hé）模型在環(MIL)工具對軟件模型（xíng）進行驗證，加快開發速度；策略文檔和軟件模型（xíng）均（jun1）采用專用版本工具進行管理，增強可（kě）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應用層的關鍵技術，對車輛動力性、經濟性和可靠性（xìng）有著重要影（yǐng）響。

　　表2為世界主（zhǔ）流VCU供（gòng）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）率電子單元（yuán），通過（guò）接收VCU的車（chē）輛行駛控製指令，控製（zhì）電動（dòng）機輸出指定的扭矩和轉速，驅（qū）動車輛行駛。實現（xiàn）把動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電、並驅動電機本體（tǐ）輸出機械（xiè）能。同時，MCU具（jù）有電機係統故障診斷保護和存儲功能。

　　MCU由外殼及冷卻係統、功率電子單元、控製電路、底層軟件和控製算法軟（ruǎn）件組成（chéng），具體結構如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（píng）台)，功率驅動部分采用多重診（zhěn）斷保護功能電路設計，功率回路部分采用汽車級IGBT模塊（kuài）並聯技術、定製母線電容和集成母排設（shè）計；結構部分采用高防護等級、集成一體（tǐ）化液冷設（shè）計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放（fàng）式係統架構為標準，達到ECU開發共（gòng）同平台的發展目標，模（mó）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般可分（fèn）為四個模塊：狀態控製、矢量算（suàn）法、需求轉矩計算和診斷模塊。其中，矢量（liàng）算法模（mó）塊分為（wéi）MTPA控製和弱磁控製。

　　MCU關鍵技術方（fāng）案（àn）包括：基（jī）於32位高性能雙核主處理器；汽車級並聯IGBT技術，定製薄膜（mó）母（mǔ）線電容及（jí）集（jí）成化功率回路設（shè）計，基於AutoSAR架構平台軟件及先進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（biǎo）3為世界主流 MCU硬件供應商的技（jì）術參（cān）數，代表著MCU的發展動（dòng）態。

　　表3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和（hé）BMS

　　電池包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。模塊化的（de）結構設計（jì）實現了電芯的集成，通過熱管理設計（jì）與仿真優（yōu）化電池（chí）包熱管理（lǐ）性能，電器部件及線束實現了控製係統對電池的安全保護（hù）及（jí）連接路徑；通過BMS實現對（duì）電芯（xīn）的管理，以及與整車的通訊（xùn）及信息交換。

　　電池包組成如5所示，包（bāo）括電芯、模塊、電氣係統、熱管理係統（tǒng）、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（hé）過放電，延長電池的使用（yòng）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VCU類似（sì），核心（xīn）部分由硬（yìng）件電路、底層軟件和應用層軟件（jiàn）組成。但BMS硬（yìng）件由主板(BCU)和從板（bǎn）(BMU)兩部分組成，從版安裝於模組（zǔ）內部，用於（yú）檢測單體電壓、電流和均衡控製；主（zhǔ）板安裝位置比較靈活，用於繼電器控製、荷電狀態（tài）值(SOC)估計（jì）和電氣傷害保護等。

　　BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測量，並通過高可（kě）靠性的數據傳輸通道（dào）與BCU 模（mó）塊進行指令及數據的（de）雙向（xiàng）傳輸。BCU 可選用基於汽車（chē）功能安全架構的32 位微處理器完成（chéng）總（zǒng）電（diàn）壓采集（jí）、絕緣檢測、繼電器驅動及狀態監（jiān）測等功能。

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

　　應用層軟件是BMS的控製核心，包括電池保護、電氣傷害保護、故障診斷（duàn）管理、熱管理、繼電器控製（zhì）、從板控製、均（jun1）衡控製、SOC估計和通訊管理等模塊（kuài），應（yīng）用層軟件架構如6所示。

　　6 應用層軟件（jiàn）架構

　　表4為國內外（wài）主流（liú） BMS供應商（shāng）的技術參數，代表著BMS的發（fā）展動態。

　　表4 BMS技術參數

　　4 充電設（shè）施

　　充電（diàn）設施不完善是阻礙新能源汽車市場推廣的重要因素，對特斯拉成功的解決方（fāng）案進行分析，並（bìng）提（tí）出新能源汽車的充電解決方（fāng）案、剖析（xī）充電係統（tǒng）組成。

　　4.1 特（tè）斯拉充電方案分析

　　特斯拉超級（jí）充電器代表了當今世界最先進的充電技（jì）術（shù），它為（wéi）MODEL S充電的速度遠高於（yú）大多數充電站，表（biǎo）5為特斯（sī）拉（lā）電池和充電參數。

　　表（biǎo）5電池和充電參數

　　特斯拉具有5種充電方式，采用（yòng）普通110/220V市電插座充電，30小（xiǎo）時充滿；集（jí）成的10kW充電器，10小時充滿；集（jí）成的20kW充電器，5小時充滿；一種快速充電器可以（yǐ）裝在家庭（tíng）牆壁或者停車場，充電時間（jiān）可（kě）縮短為5小時； 45分（fèn）鍾能充80%的（de）電（diàn）量、且電費全（quán）免，這種快充裝置僅在北美市（shì）場比較普遍。

　　特斯拉（lā）使用太陽能電池板遮陽棚的充電站，既可以抵消能源（yuán）消耗又（yòu）能夠遮陽（yáng）。與在加油站加（jiā）油需要付費不同，經過適當配置（zhì）的 MODEL S 可以在任（rèn）何開放充電站免費充電。

　　特斯拉充電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（néng）充電技術（shù），這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幹擾，國（guó）內這一技術也能實現。 2)特斯拉充電時間短也不足為奇（qí），特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一（yī）樣，並（bìng）沒有采用更大的充電（diàn）倍率（lǜ），所以不會影響電池壽命；20分鍾充到40%，就能滿足續航要求（qiú），主要原因是電池容（róng）量大。

　　4.2 充電解決（jué）方案

　　7充電（diàn）係統組成

　　7為一種可參考的新能源汽車充電解決方案（àn），充電（diàn）係統組成：配電係統(高壓配電櫃、變壓器、無功（gōng）補償裝置和低壓開關櫃)、充電係統(充電櫃和充電機終端)以及儲能係（xì）統(儲能電池與逆變器櫃)。無功補償裝置解決充電係統對（duì）電網功（gōng）率因數影響，充電櫃內（nèi）充電機一般都具（jù）備有源濾波功能、解決諧（xié）波電流和功率因數問題（tí）。儲能電池和逆變器櫃解決老（lǎo）舊配電係統無法滿足充電站容（róng）量要求、並起到削峰填穀作用，在不（bú）充電時候進行（háng）儲能，大容量充電（diàn）且配電係統容量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（guì）可以不選用（yòng）。風力發電和（hé）光伏發電為充電係統（tǒng）提供清潔能源，盡量（liàng）減少從電網取電。

　　5 總結（jié）

　　從消費者和技術角度分別對新能源汽車結構進行歸納分類，分（fèn）析各種結構的優勢，以及國內外各主機廠的應用情況。分析新能源汽車的（de）模塊組成和平台（tái）架構，詳細介紹了三級模塊體係中相關的執（zhí）行係統和控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結（jié）構組成及關鍵（jiàn）技術，以（yǐ）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方案進行分（fèn）析，並提出新能源汽車的充電解決方案（àn）。