新能源機動車核心技術詳解-電池包和BMS-VCU-MCU

1、/新能源汽車核心技術詳解：電池包和BMS VCU MCU電子創(chuàng)新網(wǎng) I 2001-15-20 11:542014年國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷突破8萬輛，發(fā)展態(tài)勢喜人。為了使新能源愛好者 和初級研發(fā)人員更好地了解新能源汽車的核心技術，筆者結合研發(fā)過程中的經(jīng)驗總結，從新能源汽車分類、模塊規(guī)劃、電控技術和充電設施等方面進行了分析。1新能源汽車分類在新能源汽車分類中，弱混、強混”與串聯(lián)、并聯(lián)”不同分類方法令非業(yè)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、并不矛盾。1.1消費者角度消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 純電動，節(jié)油效果和成本增等指標加如表1所示。表中f表

2、示無此功能或較弱、“個數(shù)越多表示效果越好，從表中可以看出隨著節(jié)油效果改善、成本增加也較 多。Si消鞋者角度分類典型車型MBAS茱威 75OHybrid豐 ffllPriu.通用VoH曰廬Lmaf電功章比例*5%5-W%10-2096>30%>50%100%節(jié)油效果5-12%15-25%2'5-40%”50%100%起珈悟機¥+t再生制動4-I+ + 4發(fā)動機數(shù)¥優(yōu)北-+-十十+ + + 4純電動能力+ + f十+0J-O.512344&6-3121.2技術角度第一<亍上并聯(lián)：,申聯(lián)II1I-卩r:.b；!raIFl'F21 祁戟武

3、IiII,Mr IimTi 序liRFI廠 -yiPIJ磚ns1Vott1址俎;P031 PiiPUg F:«0 1【I rIfl m i1墓£湖I D i1 .1 EU 卜 tfUfhr1 - MeJ菁恫UK【l1 <1WBKAi)1Uj - r 1I 1外 SWrti=學沫 J 山IL r>' 匕託盤我雷一圖1技術角度分類技術角度由簡到繁分為純電動、串聯(lián)混合動力、并聯(lián)混合動力及混聯(lián)混合動力， 具體如圖1所示。其中P0表示BSG（Belt starter generator，帶傳動啟停裝置） 系統(tǒng)，P1代表ISG（Integrated starter

4、generator ，啟動機和發(fā)電機一體化裝置） 系統(tǒng)、電機處于發(fā)動機和離合器之間，P2中電機處于離合器和變速器輸入端之 間，P3表示電機處于變速器輸出端或布置于后軸，P03表示P0和P3的組合。從統(tǒng)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，行星排結構在日系和美系車輛中占主導地位，P03等組合結構在四驅車輛中應用較為普遍、歐藍德和標致3008均已實現(xiàn)量產(chǎn)。新能源車型選擇應綜合考慮結構復雜性、 節(jié)油效果和成本增加，例如由通用、克萊斯 勒和寶馬聯(lián)合開發(fā)的三行星排雙模系統(tǒng)，盡管節(jié)油效果較好，但由于結構復雜且成本較高，近十年間的市場表現(xiàn)不盡如人意。2新能

5、源汽車模塊規(guī)劃盡管新能源汽車分類復雜，但其中共用的模塊較多，在開發(fā)過程中可采用模塊化 方法，共享平臺、提高開發(fā)速度?？傮w上講，整個新能源汽車可分為三級模塊體 系、如圖2所示，一級模塊主要是指執(zhí)行系統(tǒng)，包括充電設備、電動附件、儲能 系統(tǒng)、發(fā)動機、發(fā)電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊分為執(zhí)行系統(tǒng)和 控制系統(tǒng)兩部分，執(zhí)行部分包括充電設備的地面充電機、集電器和車載充電機， 儲能系統(tǒng)的單體、電箱和PACK，發(fā)動機部分的氣體機、汽油機和柴油機，發(fā)電 機的永磁同步和交流異步，離合器中的干式和濕式，驅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

6、齒輪；二級模塊的控制系統(tǒng)包括 BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU 和VCU，分別表示電池管理系統(tǒng)、發(fā)動機電子控制單元、發(fā)電機控制器、離合 器控制單元、電機控制器、變速器控制系統(tǒng)和整車控制器。三級模塊體系中，包括電池單體的功率型和能量型，永磁和異步電機的水冷和風冷形式， 控制系統(tǒng)的 三級模塊主要包括硬件、底層和應用層軟件。tt.4ijhu電誦HR電動Rj"4*GTE驚扭ti科撓-廠圭馭 It '三須«翳P ( -E- 1 _/殆=- Jr H 一-"一_耒臨柚為- J -.X 干*- t；耀真 -一 廠一" T am t畀一- >

7、 “承嚴國樂一- 空' r I(UecuItu 1丄！_>圖2三級模塊體系根據(jù)功能和控制的相似性，三級模塊體系的部分模塊可組成純電動（含增程式）、插電并聯(lián)混動和插電混聯(lián)混動三種平臺架構，例如純電動 （含增程式）由充電設備、 電動附件、儲能系統(tǒng)、驅動電機和齒輪箱組成。各平臺模塊的通用性較強，采用 平臺和模塊的開發(fā)方法，可共享核心部件資源，提升新能源系統(tǒng)的安全性和可靠 性，縮短周期、降低研發(fā)及采購成本。3新能源三大核心技術在三級模塊體系和平臺架構中，整車控制器（VCU）、電機控制器（MCU）和電池管 理系統(tǒng)（BMS）是最重要的核心技術，對整車的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和安全性 等有著重

8、要影響。3.1 VCUVCU是實現(xiàn)整車控制決策的核心電子控制單元，一般僅新能源汽車配備、傳統(tǒng) 燃油車無需該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、剎車踏板等信號來判斷駕 駛員的駕駛意圖；通過監(jiān)測車輛狀態(tài)（車速、溫度等）信息，由VCU判斷處理后， 向動力系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)發(fā)送車輛的運行狀態(tài)控制指令， 同時控制車載附件電 力系統(tǒng)的工作模式；VCU具有整車系統(tǒng)故障診斷保護與存儲功能。圖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、底層軟件和應用層軟件是 VCU的關鍵核心技術。外殼硬件電路vcu底層軟件圖3 vcu組成vcu硬件采用標準化核心模塊電路（32位主處理器、電源、

9、存儲器、CAN ）和 VCU專用電路（傳感器采集等）設計；其中標準化核心模塊電路可移植應用在MCU和BMS，平臺化硬件將具有非常好的可移植性和擴展性。 隨著汽車級處理 器技術的發(fā)展，VCU從基于16位向32位處理器芯片逐步過渡，32位已成為業(yè) 界的主流產(chǎn)品。底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式系統(tǒng)架構為標準，達到電子控制單元 （ECU）開發(fā)共平臺的發(fā)展目標，支持新能源汽車不同的控制系統(tǒng)；模塊化軟件組 件以軟件復用為目標，以有效提高軟件質量、縮短軟件開發(fā)周期。應用層軟件按照V型開發(fā)流程、基于模型開發(fā)完成，有利于團隊協(xié)作和平臺拓 展；采用快速原型工具和模型在環(huán)（MIL）工具對軟件模型進行驗證，加

10、快開發(fā)速 度；策略文檔和軟件模型均采用專用版本工具進行管理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規(guī)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(jīng)濟性和可靠性有著重要影響。II表2 VCU技術參數(shù)尺寸（mm>1S5*127*65220*r0*45CFI藤枸-Delphi ASK C單核liOMhz亠 Fifteecalfl S儻軟件架枸AiiToSAJt非 AutcSAR通訊方式CAN* LIN. SPI. FlesRivLIN. SPJ工作電壓dl6V （T*容;A茶統(tǒng)）嚴!穴不兼吝W嗪縊）國勺'主溢廠商1國外主流廠商1功能妄呈可通辿擴憊相關芯片籀足1

11、50血佬.皿C苻合IEO】岳M：於血C3.2 MCUMCU是新能源汽車特有的核心功率電子單元，通過接收 VCU的車輛行駛控制 指令，控制電動機輸出指定的扭矩和轉速， 驅動車輛行駛。實現(xiàn)把動力電池的直 流電能轉換為所需的高壓交流電、并驅動電機本體輸出機械能。同時，MCU具有電機系統(tǒng)故障診斷保護和存儲功能。MCU由外殼及冷卻系統(tǒng)、功率電子單元、控制電路、底層軟件和控制算法軟件 組成，具體結構如圖4所示。MCUJLttF:功率電子控制.zSL底層軟件圖4 MCU組成MCU硬件電路采用模塊化、平臺化設計理念(核心模塊與VCU同平臺)，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I

12、GBT模塊并 聯(lián)技術、定制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類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式系統(tǒng)架構為標準，達到 ECU 開發(fā)共同平臺的發(fā)展目標，模塊化軟件組件以軟件復用為目標。應用層軟件按照功能設計一般可分為四個模塊：狀態(tài)控制、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控制和弱磁控制。MCU關鍵技術方案包括：基于32位高性能雙核主處理器；汽車級并聯(lián)IGBT技 術，定制薄膜母線電容及集成化功率回路設計，基于 AutoSAR架構平臺軟件及 先進SVPWM PMSM控制算法；高防護等級殼體及集成一體化水冷散熱設計。表3為

13、世界主流MCU硬件供應商的技術參數(shù)，代表著 MCU的發(fā)展動態(tài)。S3 MCU扌支術參數(shù)國畀主淙廠商T國外主養(yǎng)廠SR尺寸(mm)475*245-1054llM5nS3幀值功率180KVA320KVAiiiri輸出電流320A450A主處遲罄TMS120F2e335tntin&on防護尊級IP 67IP&9a訊方式CAN轉拒和轄速響應時間，播拒和無速控制精度満足壘車掩制裏求藕足整車痙制姜求3.3電池包和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。模塊化的結構設計實現(xiàn)了電芯的集成，通過熱管理設 計與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電

14、器部件及線束實現(xiàn)了控制系統(tǒng)對電池的安全 保護及連接路徑；通過BMS實現(xiàn)對電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。電池包組成如圖5所示，包括電芯、模塊、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、箱體和BMS。 BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用 壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。電芯電弋系統(tǒng)電.= 二 _籀休結構圖5電池包組成底層軟件BMS是電池包最關鍵的零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路、 和應用層軟件組成。但BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從版 安裝于模組內(nèi)部，用于檢測單體電壓、電流和均衡控制；主板安裝位置比較靈活， 用于繼電器控制、荷電狀態(tài)值(SOC)估計和

15、電氣傷害保護等。旦BMS的控制核心，包括電池保護、電氣傷害保護、故障診斷管理、 SOC估計和通訊管理等模塊，應BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測量，并通過高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸通道 與BCU模塊進行指令及數(shù)據(jù)的雙向傳輸。BCU可選用基于汽車功能安全架構 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(tài)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(xiàn)擴展和移植，提高開 發(fā)效率。應用層軟件是 熱管理、繼電器控制、從板控制、均衡控制、 用層軟件架構如圖6所示。模式控制'BSC感管理核心算法BTHCOR均衡控制BAL采集板控制MCC充電管理CHM電池保護BPN電氣

16、防護BHP診斷管理DEU繼電器控制CTC輸入處理IPT輸出處9 OPT基礎軟件平臺/圖6應用層軟件架構表4為國內(nèi)外主流BMS供應商的技術參數(shù)，代表著 BMS的發(fā)展動態(tài)。表4 SMS技術參數(shù)車型應用范B純電動車、混合動力車光電動牟、混苔動力車功能旨全 電過過克過啟、溫升保護、電迪過充、迥鎖、爲升保護、鰹繁絕*象防護、高壓互鎖、預充電防護國外主S廠商國內(nèi)主療廠S配£方案主從結構埶結拘溫度范H一豹估C技術指標電壓蒯WS度：C.IFS電壓測量箱虞：0-5% FS電謊測®IJIQ你F3電弼IH翔1： 0 5%F3電療則重范圍：0-±600A謐慝則重范UlfCh 4XJ2hC

17、SOC估慕精度：54溫度測KtJie： o.sr均衡方式：主動平衢M也S清團5沿均衡方式：S動平筒適用電芯SBa酸鋰、三元村W鉛酸電辿、謀氫電迤、a電®等動力電池4充電設施充電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案進行分析，并提出新能源汽車的充電解決方案、剖析充電系統(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世界最先進的充電技術，它為MODEL S充電的速度遠高于大多數(shù)充電站，表5為特斯拉電池和充電參數(shù)。表5電池充電參數(shù)眩泄婁型頷定電壓電壓范團"總吝ftII功率NCA 424,aV324.5-495.6V 200,lAh500V1

18、60Aaokw改進相CA 356.4V375.25-4l!5.ay|238.?Ab42W1Q'2A 1誌力電應總廣爹數(shù)OKOft充華數(shù)t aokwfe電）特斯拉具有5種充電方式，采用普通 集成的10kW充電器，10小時充滿； 快速充電器可以裝在家庭墻壁或者停車場，110/220V市電插座充電，30小時充滿；集成的20kW充電器，5小時充滿；一種 充電時間可縮短為5小時；45分鐘能充80%的電量、且電費全免，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，既可以抵消能源消耗又能夠遮陽。與在加油站加油需要付費不同，經(jīng)過適當配置的MODEL S可以在任何開放充電站免費充電。特斯拉充電技術特點可總結如下兩點：1）特斯拉充電站加入了太陽能充電技術， 這一技術使充電站盡可能使用清潔能源，減少對電網(wǎng)的依賴，同時也減少了對電網(wǎng)的干擾，國內(nèi)這一技術也能實現(xiàn)。2）特斯拉充電時間短也不足為奇，特斯拉的充電機容量大90120kWh，充電倍率0.8C,跟普通快充一樣，并沒有采用更 大的充電倍率，所以不會影響電池壽命；20分鐘充到40%，就能滿足續(xù)航要求， 主要原因是電池