新能源汽車技術(shù)分類及三大關(guān)鍵技術(shù)詳解

1、新能源汽車三大核心技術(shù)-新能源汽車技術(shù)分類及三大關(guān)鍵技術(shù)詳解導(dǎo)讀為了使新能源愛好者和初級(jí)研發(fā)人員更好地了解新能源汽車的核心技術(shù)，筆者結(jié)合研發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從新能源汽車分類、模塊規(guī)劃、電控技術(shù)和充電設(shè)施等方面進(jìn)行了分析。#在三級(jí)模塊體系和平臺(tái)架卞中，整車控制器（VCU）、電機(jī)控制器（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）是最重要的核心技術(shù)。#充電設(shè)施不完善是阻礙新能源汽車市場(chǎng)推廣的重要因素，對(duì)特斯拉成功的解決方案進(jìn)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。關(guān)鍵詞：VCUBMS 特斯拉 MCU 新能源汽車3新能源汽車三大核心技術(shù)在三級(jí)模塊體系和平臺(tái)架卞中，整車控制器（VCU）、電機(jī)控

2、制器（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）是最重要的核心技術(shù)，對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等有著重要影響。3.1VCUVCU是實(shí)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(hào)來判斷駕駛員的駕駛意圖；通過監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)（車速、溫度等）信息，由VCU判斷處理后，向動(dòng)力系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)送車輛的運(yùn)行狀態(tài)控制指令，同時(shí)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(hù)與存儲(chǔ)功能。圖3為VCU的結(jié)構(gòu)組成，共包括外殼、硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件，硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件是VCU的關(guān)鍵核心技術(shù)。VCUVC

3、U圖3VCU組成VCU硬件采用標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路（32位主處理器、電源、存儲(chǔ)器、CAN）和VCU專用電路（傳感器采集等）設(shè)計(jì)；其中標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路可移植應(yīng)用在MCU和BMS,平臺(tái)化硬件將具有非常好的可移植性和擴(kuò)展性。隨著汽車級(jí)處理器技術(shù)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(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到電子控制單元（ECU）開發(fā)共平臺(tái)的發(fā)展目標(biāo)，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(fù)用為目標(biāo)，以有效提高軟件質(zhì)量、縮短軟件開發(fā)周期。應(yīng)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(tuán)隊(duì)協(xié)作和平臺(tái)拓展；采用快

4、速原型工具和模型在環(huán)（MIL）工具對(duì)軟件模型進(jìn)行驗(yàn)證，加快開發(fā)速度；策略文檔和軟件模型均采用專用版本工具進(jìn)行管理，增強(qiáng)可追溯性；駕駛員轉(zhuǎn)矩解析、換擋規(guī)律、模式切換、轉(zhuǎn)矩分配和故障診斷策略等是應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有著重要影響。表2為世界主流VCU供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著VCU的發(fā)展動(dòng)態(tài)。表2VCU技術(shù)參數(shù)國(guó)外主流廠商國(guó)外主流廠商1 1國(guó)外主該廠商國(guó)外主該廠商2 2尺寸尺寸（mmmm）185*127*65185*127*65220*220*1 170*4570*45CPLCPL架架構(gòu)構(gòu)FreescaiFreescaie e算位算位(MFC(MFC3642)3642)岸岸核

5、核120MHz120MHz, , DelphiASELCDelphiASELCFreescaJeFreescaJe立立(MPC3644(MPC3644單核單核IJOXIhzIJOXIhz- -FreescalegFreescaleg位位軟件架軟件架構(gòu)構(gòu)熱港熱港AmoSARAmoSAR非非AutoSARAutoSAR通訊方通訊方式式CAN.LINSPIFlexRayCAN.LINSPIFlexRayCANCAN、LINLIN、SFISFI工作電工作電壓壓（?。ㄐ〖娲鸺娲餤WZW系統(tǒng)）系統(tǒng)）爾爾E6VE6V（小小象象各各2424U U系統(tǒng)系統(tǒng)）功能安功能安全全可通過擴(kuò)展相關(guān)芯片薪足玲可通過擴(kuò)展相關(guān)

6、芯片薪足玲。2 2屋屋& &ASHCASHC符合符合ISO26262ASILCISO26262ASILC3.2MCUMCU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(dòng)機(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。實(shí)現(xiàn)把動(dòng)力電池的直流電能轉(zhuǎn)換為所需的高壓交流電、并驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體輸出機(jī)械能。同時(shí)，MCU具有電機(jī)系統(tǒng)故障診斷保護(hù)和存儲(chǔ)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(jié)構(gòu)如圖4所示。MCUMCU_控制底層控制算電路軟件法軟件圖4MCU組成MCU硬件電路采用模塊化、平臺(tái)化設(shè)計(jì)理念（核心模塊與VCU同平臺(tái)），功率

7、驅(qū)動(dòng)部分采用多重診斷保護(hù)功能電路設(shè)計(jì)，功率回路部分采用汽車級(jí)IGBT模塊并聯(lián)技術(shù)、定制母線電容和集成母排設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)部分采用高防護(hù)等級(jí)、集成一體化液冷設(shè)計(jì)。與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到ECU開發(fā)共同平臺(tái)的發(fā)展目標(biāo)，模塊化軟件組件以軟件復(fù)用為目標(biāo)。應(yīng)用層軟件按照功能設(shè)計(jì)一般可分為四個(gè)模塊：狀態(tài)控制、矢量算法、需求轉(zhuǎn)矩計(jì)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(guān)鍵技術(shù)方案包括：基于32位高性能雙核主處理器；汽車級(jí)并聯(lián)IGBT技術(shù)，定制薄膜母線電容及集成化功率回路設(shè)計(jì)，基于AutoSAR架構(gòu)平臺(tái)軟彳及先進(jìn)SVPWMPMSM控制算法；高

8、防護(hù)等級(jí)殼體及集成一體化水冷散熱設(shè)計(jì)。表3為世界主流MCU硬件供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著MCU的發(fā)展動(dòng)態(tài)。外殼及冷卻功率電子表3MCU技術(shù)參數(shù)國(guó)外主翁廠商國(guó)外主翁廠商1 1國(guó)外主淘一商國(guó)外主淘一商2 2尺寸尺寸(mm)(mm)475*245*108475*245*108411*454*183411*454*183幅值功率幅值功率18OKVA18OKVA320KVA320KVA幅值輸出電流幅值輸出電流32OA32OA45OA45OA主處理器主處理器TMS320F28336TMS320F28336InfineonInfineon防護(hù)等級(jí)防護(hù)等級(jí)IP67IP671P691P69通訊方式通訊方式CAP4

9、CAP4CANCAN轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制精度法足整主控制要求離足整至控制要求轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制精度法足整主控制要求離足整至控制要求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(qū)動(dòng)電能，它主要通過金屬材質(zhì)的殼體包絡(luò)構(gòu)成電池包主體。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯的集成，通過熱管理設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線束實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)電池的安全保護(hù)及連接路徑；通過BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)電池

10、的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。圖5電池包組成BMS是電池包最關(guān)鍵的零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應(yīng)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(cè)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(jì)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(cè)量，并通過高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸通道與BCU模塊進(jìn)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(gòu)的32位微處理器完成總電壓采集、絕緣檢測(cè)、繼電器驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。底層軟件架構(gòu)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)，模塊化開發(fā)容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和移植，提

11、高開發(fā)效率。應(yīng)用層軟件是BMS的控制核心，包括電池保護(hù)、電氣傷害保護(hù)、故障診斷管理、熱管理、繼電器控制、從板控制、均衡控制、SOC估計(jì)和通訊管理等模塊，應(yīng)用層軟件架構(gòu)如圖6所示。基礎(chǔ)軟件平臺(tái)圖6應(yīng)用層軟件架構(gòu)表4為國(guó)內(nèi)外主流BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著模式控制BSC充電管理CHM熱管理核心算法均衡控制BTMCORBAL電池保護(hù)電氣防護(hù)BPNBHP診斷管理DEM采集板控制 MCC繼電器控制CTC輸入處理 IPT輸出處理 OPTBMS的發(fā)展動(dòng)態(tài)。表4BMS技術(shù)參數(shù)國(guó)外主潦廠商國(guó)外主潦廠商國(guó)的主嫌廠商國(guó)的主嫌廠商配套方案配套方案主從結(jié)構(gòu)主從結(jié)構(gòu)主從結(jié)構(gòu)主從結(jié)構(gòu)盤度氾圉盤度氾圉-4OB5*C-4OB

12、5*C制。制。85*C85*C技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)i i1電壓則里精度電壓則里精度: :0,1%FS0,1%FS電流測(cè)量精度電流測(cè)量精度電流測(cè)里范國(guó)：電流測(cè)里范國(guó)：0-i600A0-i600ASOCSOC估算精度：估算精度：5%5%均衡均衡方式：主方式：主動(dòng)平衡動(dòng)平衡電壓哪里精度：電壓哪里精度：0-5%0-5%FSFS電流則量精度電流則量精度；0-5%0-5%FSFS溫度別里溫度別里顯顯圉，圉，C C）：）：溫度刎里精度溫度刎里精度/6/6：0.50.5匕匕S0CS0C刎魚精朦：刎魚精朦：5%5%；均衡方式：被動(dòng)平衡均衡方式：被動(dòng)平衡車型應(yīng)用戒圍純電動(dòng)車、鼎臺(tái)動(dòng)力車車型應(yīng)用戒圍純電動(dòng)車、鼎臺(tái)動(dòng)力車

13、純電動(dòng)車純電動(dòng)車、混合動(dòng)力車混合動(dòng)力車功能安全功能安全1 1電池過充電池過充、過地過地、溫升保護(hù)溫升保護(hù)、電電池過充池過充、過放過放、溫溫升保護(hù)升保護(hù)、絕絕猥猥絕密防護(hù)高壓互鎖絕密防護(hù)高壓互鎖、預(yù)充電防護(hù)預(yù)充電防護(hù)適用電芯范圍鎰酸鋰、三元材料適用電芯范圍鎰酸鋰、三元材料鉛酸電迫鉛酸電迫 銀銀氫電池氫電池、 鋰電地等動(dòng)鋰電地等動(dòng)力電池力電池充電設(shè)施及充電解決方案-新能源汽車技術(shù)分類及三大關(guān)鍵技術(shù)詳解來源：第一電動(dòng)網(wǎng)作者：楊偉斌 2015 年 01 月 12 日 14:031分享訂閱導(dǎo)讀為了使新能源愛好者和初級(jí)研發(fā)人員更好地了解新能源汽車的核心技術(shù)，筆者結(jié)合研發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從新能源汽車分類、

14、模塊規(guī)劃、電控技術(shù)和充電設(shè)施等方面進(jìn)行了分析。#在三級(jí)模塊體系和平臺(tái)架卞中，整車控制器（VCU）、電機(jī)控制器（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）是最重要的核心技術(shù)。#充電設(shè)施不完善是阻礙新能源汽車市場(chǎng)推廣的重要因素，對(duì)特斯拉成功的解決方案進(jìn)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充電設(shè)施充電設(shè)施不完善是阻礙新能源汽車市場(chǎng)推廣的重要因素， 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。對(duì)特斯拉成功的解決方案進(jìn)行4.1特斯拉充電方案分析特斯拉超級(jí)充電器代表了當(dāng)今世界最先進(jìn)的充電技術(shù)，它為MODELS充電的速度遠(yuǎn)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電池和充電

15、參數(shù)特斯拉具有5種充電方式， 采用普通110/220V市電插座充電，30小時(shí)充滿； 集成的10kW充電器，10小時(shí)充滿；集成的20kW充電器,5小時(shí)充滿；一種快速充電器可以裝在家庭墻壁或者停車場(chǎng)，充電時(shí)間可縮短為5小時(shí)；45分鐘能充80%的電量、且電費(fèi)全免,這種快充裝置僅在北美市場(chǎng)比較普遍。特斯拉使用太陽(yáng)能電池板遮陽(yáng)棚的充電站，既可以抵消能源消耗又能夠遮陽(yáng)。與在加油站加油需要付費(fèi)不同，經(jīng)過適當(dāng)配置的MODELS可以在任何開放充電站免費(fèi)充電。特斯拉充電技術(shù)特點(diǎn)可總結(jié)如下兩點(diǎn)：1）特斯拉充電站加入了太陽(yáng)能充電技術(shù)，這一技術(shù)使充電站盡可能使用清潔能源，減少對(duì)電網(wǎng)的依賴，同時(shí)也減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾，國(guó)內(nèi)

16、這一技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)。2）特斯拉充電時(shí)間短也不足為奇，特斯拉的充電機(jī)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(huì)影響電池壽命；20分鐘充到40%,就能滿足續(xù)航要求，主要原因是電池容量大。4.2充電解決方案充電機(jī)弊電池類型額定電壓電壓范困電池類型額定電壓電壓范困總?cè)萘靠側(cè)萘侩妷弘妷弘婁綦婁艄β使β蔔CANCA424.BV424.BV324.5-495.6324.5-495.6V V200.1AH500V200.1AH500V1 160A60A80kW80kW改進(jìn)改進(jìn)NCA556.4VNCA556.4V27225-415-8V23SJAH420V27225-415-8V23SJAH420V192A192ABOkWBOkW動(dòng)力電池總成參數(shù)動(dòng)力電池總成參數(shù)0.8C0.8C快充參救快充參救（90kW90kW充電）充電）圖7充電系統(tǒng)組成圖7為一種可參考的新能源汽車充電解決方案，充電系統(tǒng)組成：配電系統(tǒng)（高壓配電柜、變壓器、無功補(bǔ)償裝置和低壓開關(guān)柜）、充電系統(tǒng)（充電柜和充電機(jī)終端）以及儲(chǔ)能系統(tǒng)（儲(chǔ)能電池與逆變器柜）。無功補(bǔ)償裝置解決充電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)影響，充電柜內(nèi)充電機(jī)一般都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率因數(shù)問題。儲(chǔ)能電池和逆變器柜解決老舊配電系統(tǒng)無法滿足充電站容量要求、并起到削峰填谷作用，在不