​新能（néng）源汽車技術分類及三（sān）大核心技術（shù）詳解

       為了使新能源愛好（hǎo）者（zhě）和（hé）初（chū）級研發人員更好地了解新能源汽車的核心技術，筆者結合研發（fā）過程中的經驗總結，從新能源汽車分類、模（mó）塊（kuài）規（guī）劃、電控（kòng）技術和充電設施（shī）等方麵進行了分析。

　　1 新能源汽車分類（lèi）

　　在新能源汽車分類中，“弱混、強（qiáng）混”與“串聯、並（bìng）聯”不同分類方法令非業（yè）內人士感到困惑，其實這些（xiē）名稱是從（cóng）不同角度給（gěi）出的解釋、並不矛盾。

　　1.1消費者（zhě）角度

　　消費者角度通常（cháng）按照混合度進（jìn）行劃分，可分為起停（tíng）、弱混、中混、強混、插電和（hé）純電動，節油效果和成本增等指標加如（rú）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善、成本增加也較多。

　　1.2技術角度

　　1 技（jì）術角度分類

　　技術角度由簡到（dào）繁分為（wéi）純電動、串聯混合動力、並聯混合動力（lì）及混聯混合（hé）動力，具體如1所示。其中P0表示（shì）BSG(Belt starter generator，帶傳（chuán）動啟停裝置（zhì）)係（xì）統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動（dòng）機和發電機一體化裝置)係統、電機處於發動機和離合器之間（jiān），P2中電機處於離合器和變速器輸入（rù）端之間（jiān），P3表示（shì）電（diàn）機處於變速器輸出端或布置於後軸，P03表（biǎo）示（shì）P0和P3的組（zǔ）合。從統計（jì）表中（zhōng）可（kě）以看出，各種結構在國內外（wài）乘用或商用車中（zhōng）均得到廣泛應用，相（xiàng）對來說（shuō）P2在歐洲比較流行，行星排結構在日係和美係車輛中占主導地位，P03等組合結構在四驅（qū）車輛中應用較為普遍、歐藍德和標致3008均已實現量（liàng）產。新（xīn）能（néng）源車型選擇應綜合考慮結構複雜性、節油效果（guǒ）和成本增加，例如由通用、克萊斯勒（lè）和寶馬聯合（hé）開發的三行星排雙模係統，盡管節油效果（guǒ）較好，但由於結構（gòu）複雜（zá）且成本較高（gāo），近十年間的市（shì）場表現不盡如人意。

2 新能（néng）源汽車模塊（kuài）規劃

　　盡管（guǎn）新能源汽車分類複雜，但（dàn）其中共用（yòng）的模塊較多，在開發過程中可采用模塊化方法，共（gòng）享平台、提高開（kāi）發速度。總體上講，整個新能源汽車（chē）可分為三級模塊體係（xì）、如（rú）2所示，一級模塊主要是指執行係（xì）統，包括充電設備、電動（dòng）附件、儲能係統（tǒng）、發動機、發電機（jī）、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊（kuài）分為執行係統和控製係統兩部分，執行部分包括充（chōng）電設備的地麵充電機、集電器和（hé）車載充電（diàn）機，儲能係統的單體、電箱和PACK，發（fā）動機部分的（de）氣體機（jī）、汽油機和（hé）柴油機，發電機的永磁同步和交流異步，離合器中的幹式（shì）和濕式，驅動電機的永磁同步和交流（liú）異步，齒輪箱部（bù）分的有級式自動變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減（jiǎn）速齒（chǐ）輪；二級模塊的控製係統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電池管理（lǐ）係統、發（fā）動機電子（zǐ）控製（zhì）單元、發電機控製器、離合器控製單元、電機控製器、變速器控製係統和整車控製器。三級（jí）模塊體（tǐ）係中（zhōng），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（hé）風冷形式，控製（zhì）係統的三級模塊（kuài）主要包括硬件、底層和應用（yòng）層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根據功能和控製的相似性，三（sān）級模塊體係的部分模塊可組成純電動(含增（zēng）程式)、插（chā）電並聯混動和插電混聯混動（dòng）三種平（píng）台架構，例如純電動(含增（zēng）程式)由充電設備、電（diàn）動附件、儲能係統、驅動電（diàn）機和齒輪箱組（zǔ）成。各平台模塊（kuài）的通（tōng）用性較強，采用平（píng）台和模塊的開發方法，可共享核心（xīn）部件資源，提升新能源係統的安全性和可靠（kào）性（xìng），縮短周期、降低研發及采購成本

　　3 新（xīn）能源三大核心（xīn）技術

　　在三級模塊體係和平台架構中，整車控製（zhì）器（qì）(VCU)、電（diàn）機控（kòng）製器(MCU)和電池管理係統(BMS)是最重要的核心技（jì）術（shù），對整車的動力性、經濟性、可靠（kào）性和安全性等（děng）有著重要影響（xiǎng）。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決策（cè）的（de）核（hé）心電子控製單元，一（yī）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、刹車踏板等信號來判斷駕駛員的駕（jià）駛意；通（tōng）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（xì）統、動力電池（chí）係統發送車輛的運行狀態控製指令（lìng），同時控製車載（zǎi）附件（jiàn）電力係（xì）統的工作模式；VCU具（jù）有整車（chē）係統故（gù）障診（zhěn）斷保護與存儲（chǔ）功能。

　　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（yìng）件電路、底層軟件和（hé）應（yīng）用層軟件是（shì）VCU的關鍵核心（xīn）技（jì）術。

　　3 VCU組成

　VCU硬件采用標準化核心模塊電路（lù）( 32位主處理器、電源、存儲器、CAN )和VCU專用電路(傳（chuán）感器采集等)設計（jì）；其中標準化核心模塊電路可移（yí）植應用（yòng）在MCU和BMS，平（píng）台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（qì）技術的發展，VCU從基於16位向32位處理器芯片逐步過渡，32位已成為業界的主流產品。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開（kāi）放式係（xì）統架構為標準，達到電子控製單元（yuán）(ECU)開發共平台的發展目標，支持新能源（yuán）汽車不同的控製係統；模塊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（jiàn）按照V型開發流程、基於模型開發完成，有利（lì）於團隊協作和平台（tái）拓展；采用快速原型工具（jù）和模型（xíng）在環(MIL)工具對軟件模型進行驗證，加快開發速度；策略文檔和軟件模（mó）型均采用（yòng）專用版本工具進行管理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規律、模式（shì）切換、轉（zhuǎn）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（kě）靠性有著（zhe）重（chóng）要影（yǐng）響。

　　表（biǎo）2為世界主流VCU供應商（shāng）的技術參數，代表著VCU的發展動態。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能（néng）源（yuán）汽（qì）車特（tè）有的核心功（gōng）率電子單元，通過接收VCU的車輛行（háng）駛控製指令，控製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（diàn）池的直（zhí）流電能轉換為所需（xū）的高壓交流電、並驅動電機本體輸出機械（xiè）能。同（tóng）時，MCU具有電機（jī）係統故障診斷保護和（hé）存儲功能。

　　MCU由外殼及冷（lěng）卻係統、功率電子單元、控製電路、底層軟件和控製算法軟件組成，具體結構如4所示。

　　4 MCU組成（chéng）

　　MCU硬件電路采用模塊化、平台化設計（jì）理念(核（hé）心模塊與VCU同平台)，功率驅動（dòng）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模塊並聯技術、定製母線（xiàn）電容和集成母排設計；結構部分采用高防護等級、集成（chéng）一體化液冷設（shè）計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式（shì）係統架構為標準，達到ECU開發共同平台的發（fā）展目標，模塊化軟件組件以軟件複用為目標。

　　應用層軟件按照功（gōng）能設計一般（bān）可分為四個模塊：狀態控製（zhì）、矢量算法、需求轉矩計算和診（zhěn）斷模塊。其中，矢量算法（fǎ）模塊（kuài）分為MTPA控製（zhì）和弱磁控製。

　　MCU關鍵技術方案包括：基於（yú）32位高性能雙核主處理器；汽車（chē）級並聯IGBT技術（shù），定製薄（báo）膜母線電（diàn）容及集成化功率回路設計，基於AutoSAR架構平台軟（ruǎn）件及先進（jìn）SVPWM PMSM控製算法；高防（fáng）護等級殼體（tǐ）及集成（chéng）一體化水冷散熱設計（jì）。

　　表3為世界主流 MCU硬件供應商的技術參數（shù），代表著MCU的發展動態（tài）。

　　表3 MCU技（jì）術參數

　　3.3 電池包（bāo）和BMS

　　電（diàn）池包是新能（néng）源汽車（chē）核心能量源，為（wéi）整車提供驅動電能，它主要通過金（jīn）屬（shǔ）材質的殼體包（bāo）絡構成電池包主體。模塊化的結構設計實現了電芯的集成，通過熱管理設計與仿（fǎng）真優化電池包熱管理性能，電器部件及（jí）線束（shù）實現了控製係（xì）統對電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實現對電芯的（de）管理，以及與整車的通訊及信息交換。

　　電池包組成如5所示，包括電芯、模塊、電氣係統、熱管（guǎn）理係統、箱（xiāng）體和BMS。BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電（diàn），延長電（diàn）池的使用壽命，監控電池的狀態。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池包最（zuì）關（guān）鍵（jiàn）的零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應用層軟件（jiàn）組成（chéng）。但BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從版安裝於模組內部，用於檢測單體電壓（yā）、電流和均（jun1）衡控製；主板安裝位置比（bǐ）較靈活，用（yòng）於繼電（diàn）器控（kòng）製、荷電狀態值(SOC)估計和電氣傷害保護等。

　　BMU硬件部分完（wán）成電池單體電壓和（hé）溫度測量，並（bìng）通過高可靠（kào）性的數據傳輸通道與BCU 模塊進行指令（lìng）及數據的雙向傳輸。BCU 可選用基於汽車功能安全架構的32 位微處理（lǐ）器完成總電壓采集、絕緣檢測、繼電器驅動及狀態監測等功能。

　　底層軟件架構符合AUTOSAR標準（zhǔn），模塊化開發容（róng）易實現擴展和移植，提高開發效（xiào）率。

　　應用層軟件是（shì）BMS的控（kòng）製核心，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（kòng）製、從板控製、均衡控製（zhì）、SOC估（gū）計和通訊管理等模塊，應用層軟件架構如6所示。

　　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，代表著BMS的發展（zhǎn）動態。

　　表4 BMS技術參數

　　4 充電設施

　　充電設（shè）施不完善是阻礙（ài）新能源汽車市場推廣的重（chóng）要因素，對特斯拉成功的解（jiě）決（jué）方案進行分析，並（bìng）提（tí）出新能源汽車的充電解決方案、剖析充電係統組成。

　　4.1 特（tè）斯拉（lā）充電方（fāng）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（tā）為MODEL S充電的（de）速度遠高於大多數充電站，表5為特斯拉電池和充電參（cān）數。

　　表5電池和充電（diàn）參數

　　特斯拉具有5種（zhǒng）充電方式（shì），采用普通110/220V市電插座充電，30小時充滿；集成的10kW充電器，10小時充滿；集成的（de）20kW充電器，5小時充滿；一種快速充電器可以裝在家庭牆壁或（huò）者停車場，充（chōng）電時間可縮短為5小時； 45分鍾能充80%的電量、且電費全免，這種快充裝置僅在北美市（shì）場比較普遍。

　　特斯拉使用太陽能電池板遮（zhē）陽（yáng）棚的充電站，既可（kě）以抵消能源消耗又能夠遮陽。與（yǔ）在加油站加油需要付費不同，經過適當（dāng）配置的 MODEL S 可以在任（rèn）何開放充電站（zhàn）免費（fèi）充電。

　　特斯拉充電技術特點可總結如下兩點（diǎn）：1)特斯拉充電（diàn）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，減少對電網的依賴，同時也減（jiǎn）少（shǎo）了對電（diàn）網的幹擾，國內這一（yī）技術也能實現。 2)特斯拉充電時間短（duǎn）也不足為奇，特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一樣，並沒有采用更大的充電倍率，所以不會影響（xiǎng）電池壽命；20分鍾充到40%，就能滿足續航要求，主要原因是電池容量大。

　　4.2 充電解決方案

　　7充電係統組成

　　7為（wéi）一種可參考的新能源汽車充電解決方案，充電係統組成：配電係統(高壓配電櫃、變壓器、無功補償（cháng）裝置和低壓開關（guān）櫃)、充電係統(充電（diàn）櫃和充電機終端)以及儲（chǔ）能係統(儲能電（diàn）池與逆變器（qì）櫃)。無（wú）功補償裝（zhuāng）置解決充電係統對電網功率因數（shù）影響，充（chōng）電櫃內充電機一般都（dōu）具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率因數問題。儲（chǔ）能電池和逆變器櫃解決老舊配電係統無法（fǎ）滿足充（chōng）電站容量要（yào）求、並起到削峰填穀作用，在不充電時候進行儲能，大容量充電且（qiě）配電係統（tǒng）容量不足時釋放所儲（chǔ）能量進行充電。如果新建配電（diàn）係統容量足夠，儲能電池和逆變器櫃可以不選用。風力發電和光伏發電為充電係統提供清潔能源，盡量減（jiǎn）少從（cóng）電網取電。

　　5 總結

　　從消費者和技術角（jiǎo）度分別對新能源汽車結構進行歸納分類，分析各種結構的優勢（shì），以及國（guó）內外各主機廠（chǎng）的應用情況。分析新能源汽車的模塊組成和平台架構，詳細介紹了三級模塊體係中相關的執行（háng）係統和控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及關鍵技術，以及世界主流供應商的技（jì）術參數和發展動態。對特（tè）斯拉（lā）成功的解決方（fāng）案進行分析，並提出新能源汽車的充電解決方案。