新能源汽車核心技術詳解：電池包和BMS、VCU、-MCU

新能源汽車核心技術詳解：電池包與ＢMS、VCU、MCＵ電子創(chuàng)新網

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２001—１5—20１1：54２0１4年國內新能源汽車產銷突破8萬輛，發(fā)展態(tài)勢喜人。為了使新能源愛好者與初級研發(fā)人員更好地了解新能源汽車得核心技術，筆者結合研發(fā)過程中得經驗總結，從新能源汽車分類、模塊規(guī)劃、電控技術與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)內人士感到困惑，其實這些名稱就是從不同角度給出得解釋、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、插電與純電動，節(jié)油效果與成本增等指標加如表1所示。表中“-”表示無此功能或較弱、“＋"個數(shù)越多表示效果越好，從表中可以瞧出隨著節(jié)油效果改善、成本增加也較多。1、2技術角度圖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（Beltsｔaｒteｒgenｅrator,帶傳動啟停裝置）系統(tǒng)，Ｐ1代表ＩSG(Iｎteｇｒaｔedstａrtergeｎerator，啟動機與發(fā)電機一體化裝置）系統(tǒng)、電機處于發(fā)動機與離合器之間,P２中電機處于離合器與變速器輸入端之間，P3表示電機處于變速器輸出端或布置于后軸，P03表示P0與P３得組合。從統(tǒng)計表中可以瞧出，各種結構在國內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，行星排結構在日系與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、歐藍德與標致300８均已實現(xiàn)量產.新能源車型選擇應綜合考慮結構復雜性、節(jié)油效果與成本增加,例如由通用、克萊斯勒與寶馬聯(lián)合開發(fā)得三行星排雙模系統(tǒng),盡管節(jié)油效果較好，但由于結構復雜且成本較高，近十年間得市場表現(xiàn)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復雜，但其中共用得模塊較多,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，一級模塊主要就是指執(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、驅動電機與齒輪箱。二級模塊分為執(zhí)行系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩部分，執(zhí)行部分包括充電設備得地面充電機、集電器與車載充電機，儲能系統(tǒng)得單體、電箱與ＰＡCK，發(fā)動機部分得氣體機、汽油機與柴油機，發(fā)電機得永磁同步與交流異步，離合器中得干式與濕式,驅動電機得永磁同步與交流異步,齒輪箱部分得有級式自動變速器(包括ＡMＴ、ＡT與ＤCT等）、行星排與減速齒輪；二級模塊得控制系統(tǒng)包括BＭＳ、ECU、GCＵ、CCU、MCU、TCU與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)與整車控制器。三級模塊體系中，包括電池單體得功率型與能量型,永磁與異步電機得水冷與風冷形式，控制系統(tǒng)得三級模塊主要包括硬件、底層與應用層軟件.圖2三級模塊體系根據功能與控制得相似性，三級模塊體系得部分模塊可組成純電動（含增程式）、插電并聯(lián)混動與插電混聯(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)、驅動電機與齒輪箱組成.各平臺模塊得通用性較強，采用平臺與模塊得開發(fā)方法，可共享核心部件資源,提升新能源系統(tǒng)得安全性與可靠性，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與平臺架構中,整車控制器(ＶCU)、電機控制器（MCU)與電池管理系統(tǒng)（BMＳ)就是最重要得核心技術，對整車得動力性、經濟性、可靠性與安全性等有著重要影響.3、1VCUVＣU就是實現(xiàn)整車控制決策得核心電子控制單元,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得駕駛意圖；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)送車輛得運行狀態(tài)控制指令,同時控制車載附件電力系統(tǒng)得工作模式；VCU具有整車系統(tǒng)故障診斷保護與存儲功能。圖3為VCU得結構組成,共包括外殼、硬件電路、底層軟件與應用層軟件，硬件電路、底層軟件與應用層軟件就是VCU得關鍵核心技術。圖3VCU組成ＶCU硬件采用標準化核心模塊電路（32位主處理器、電源、存儲器、CAN）與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與ＢMS，平臺化硬件將具有非常好得可移植性與擴展性。隨著汽車級處理器技術得發(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)界得主流產品。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)共平臺得發(fā)展目標，支持新能源汽車不同得控制系統(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)作與平臺拓展;采用快速原型工具與模型在環(huán)(MＩL）工具對軟件模型進行驗證，加快開發(fā)速度；策略文檔與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、轉矩分配與故障診斷策略等就是應用層得關鍵技術，對車輛動力性、經濟性與可靠性有著重要影響.3、2MCUＭCU就是新能源汽車特有得核心功率電子單元，通過接收VCU得車輛行駛控制指令，控制電動機輸出指定得扭矩與轉速,驅動車輛行駛。實現(xiàn)把動力電池得直流電能轉換為所需得高壓交流電、并驅動電機本體輸出機械能。同時,ＭCＵ具有電機系統(tǒng)故障診斷保護與存儲功能。MCU由外殼及冷卻系統(tǒng)、功率電子單元、控制電路、底層軟件與控制算法軟件組成，具體結構如圖４所示。圖4ＭCＵ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IＧBＴ模塊并聯(lián)技術、定制母線電容與集成母排設計;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)共同平臺得發(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、需求轉矩計算與診斷模塊.其中，矢量算法模塊分為MＴPＡ控制與弱磁控制。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SVＰWMPMSＭ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為世界主流MCU硬件供應商得技術參數(shù),代表著MＣU得發(fā)展動態(tài)。3、3電池包與BMS電池包就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得殼體包絡構成電池包主體。模塊化得結構設計實現(xiàn)了電芯得集成，通過熱管理設計與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能,電器部件及線束實現(xiàn)了控制系統(tǒng)對電池得安全保護及連接路徑；通過BMS實現(xiàn)對電芯得管理，以及與整車得通訊及信息交換。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)、箱體與BMＳ。BMS能夠提高電池得利用率，防止電池出現(xiàn)過充電與過放電,延長電池得使用壽命,監(jiān)控電池得狀態(tài)。圖5電池包組成BMS就是電池包最關鍵得零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件與應用層軟件組成。但BＭS硬件由主板(BCＵ）與從板(BMＵ）兩部分組成,從版安裝于模組內部,用于檢測單體電壓、電流與均衡控制；主板安裝位置比較靈活，用于繼電器控制、荷電狀態(tài)值（SOC）估計與電氣傷害保護等。ＢMU硬件部分完成電池單體電壓與溫度測量，并通過高可靠性得數(shù)據傳輸通道與BCU模塊進行指令及數(shù)據得雙向傳輸。BCU可選用基于汽車功能安全架構得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)擴展與移植，提高開發(fā)效率.應用層軟件就是BMS得控制核心,包括電池保護、電氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控制、從板控制、均衡控制、SOC估計與通訊管理等模塊，應用層軟件架構如圖6所示.圖６應用層軟件架構表4為國內外主流ＢMS供應商得技術參數(shù),代表著BMＳ得發(fā)展動態(tài)。４充電設施充電設施不完善就是阻礙新能源汽車市場推廣得重要因素,對特斯拉成功得解決方案進行分析,并提出新能源汽車得充電解決方案、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得充電技術,它為MOＤＥＬS充電得速度遠高于大多數(shù)充電站，表5為特斯拉電池與充電參數(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小時充滿；集成得1０kＷ充電器,10小時充滿；集成得20kW充電器，５小時充滿；一種快速充電器可以裝在家庭墻壁或者停車場，充電時間可縮短為5小時；４5分鐘能充８０%得電量、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得充電站,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，經過適當配置得MＯＤELＳ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，減少對電網得依賴,同時也減少了對電網得干擾，國內這一技術也能實現(xiàn)。２）特斯拉充電時間短也不足為奇，特斯拉得充電機容量大９0~120ｋWh，充電倍率0、8C，跟普通快充一樣,并沒有采用更大得充電倍率，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，主要原因就是電池容量大。４、2充電解決方案圖7充電系統(tǒng)組成圖7為一種可參考得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、無功補償裝置與低壓開關柜)、充電系統(tǒng)（充電柜與充電機終端)以及儲能系統(tǒng)（儲能電池與逆變器柜）。無功補償裝置解決充電系統(tǒng)對電網功率因數(shù)影響，充電柜內充電機一般都具備有源濾波功能、解決諧波電流與功率因數(shù)問題。儲能電池與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,在不充電時候進行儲能,大容量充電且配電系統(tǒng)容量不足時釋放所儲能量進行充電.如果新建配電系統(tǒng)容量足夠,儲能電池與逆變器柜可以不選用。風力發(fā)電與光伏發(fā)電為充電系統(tǒng)提供清潔能源，盡量減少從電網取電。５總結從消費者與技