新能源機(jī)動(dòng)車核心技術(shù)詳解-電池包和BMS-VCU-MCU

//新能源汽車核心技術(shù)詳解：電池包和BMS、VCU、MCU|2014年國(guó)內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷突破8萬輛，發(fā)展態(tài)勢(shì)喜人。為了使新能源愛好者總結(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。1新能源汽車分類在新能源汽車分類中，弱混、強(qiáng)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(shí)這些名稱是從不同角度給出的解釋、并不矛盾。1.1消費(fèi)者角度消費(fèi)者角度通常按照混合度進(jìn)行劃分，可分為起停、弱混、中混、強(qiáng)混、插電和純電動(dòng)，節(jié)油效果和成本增等指標(biāo)加如表1所示。表中表示無此功能或較弱、個(gè)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。1.2技術(shù)角度圖1技術(shù)角度分類技術(shù)角度由簡(jiǎn)到繁分為純電動(dòng)、串聯(lián)混合動(dòng)力、并聯(lián)混合動(dòng)力及混聯(lián)混合動(dòng)力，具體如圖1所示。其中P0表示BSG(Beltstartergenerator帶傳動(dòng)啟停裝置)系統(tǒng)，P1代表ISG(Integratedstartergenerator動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)一體化裝置)系統(tǒng)、電機(jī)處于發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器之間，P2中電機(jī)處于離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機(jī)處于變速器輸出端或布置于后軸，P03表示P0和P3的組合。來說P2P03等組合結(jié)構(gòu)在四驅(qū)車輛中應(yīng)用較為普遍、歐藍(lán)德和標(biāo)致3008均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。新能成本較高，近十年間的市場(chǎng)表現(xiàn)不盡如人意。2新能源汽車模塊規(guī)劃方法，共享平臺(tái)、提高開發(fā)速度?？傮w上講，整個(gè)新能源汽車可分為三級(jí)模塊體系、如圖2所示，一級(jí)模塊主要是指執(zhí)行系統(tǒng)，包括充電設(shè)備、電動(dòng)附件、儲(chǔ)能系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、離合器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪箱。二級(jí)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(shè)備的地面充電機(jī)、集電器和車載充電機(jī)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的單體、電箱和PACK，發(fā)動(dòng)機(jī)部分的氣體機(jī)、汽油機(jī)和柴油機(jī)，發(fā)電異步，齒輪箱部分的有級(jí)式自動(dòng)變速器包括AMT、AT和DCT等、行星排和減速齒輪；二級(jí)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(dòng)機(jī)電子控制單元、發(fā)電機(jī)控制器、離合器控制單元、電機(jī)控制器、變速器控制系統(tǒng)和整車控制器。三級(jí)模塊體系中，包三級(jí)模塊主要包括硬件、底層和應(yīng)用層軟件。圖2三級(jí)模塊體系根據(jù)功能和控制的相似性，三級(jí)模塊體系的部分模塊可組成純電動(dòng)含增程式、含增程式由充電設(shè)備、電動(dòng)附件、儲(chǔ)能系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪箱組成。各平臺(tái)模塊的通用性較強(qiáng)，采用性，縮短周期、降低研發(fā)及采購成本。3新能源三大核心技術(shù)(VCU)(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VCU判斷處理后，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)。圖3VCU組成VCU硬件采用標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路(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。3.2MCUMCU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。圖4MCU組成MCU核心模塊與VCU同平臺(tái)，功率驅(qū)IGBT模塊并液冷設(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)。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。MCU32IGBT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)軟件及先進(jìn)SVPWMPMSM控制算法；高防護(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)。3.3電池包和BMSBMS電池包組成如圖5BMS。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)電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。圖5電池包組成BMSVCU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，提高開發(fā)效率。應(yīng)用層軟件是BMS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。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BMS的發(fā)展動(dòng)態(tài)。4充電設(shè)施案進(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。4.1特斯拉充電方案分析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)。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10kW10小時(shí)充滿；集成的20kW5小時(shí)充滿；一種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。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能充電技術(shù)，網(wǎng)的干擾，國(guó)內(nèi)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90~120kWh0.8C20分鐘充到40%主要原因是電池容量大。4.2充電解決方案//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)功率因風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)