​新（xīn）能源汽車技術分類及三大核心技術詳解

       為了（le）使新能（néng）源（yuán）愛好者和初級研發人員更（gèng）好地了解新能源汽車的核心技術，筆者結（jié）合研發過程中的經驗總（zǒng）結，從新能源汽車分類（lèi）、模塊規劃、電控技術和充電設施等方麵進行了分析。

　　1 新能源汽車分類

　　在新能源汽車分類中，“弱混、強混”與“串聯、並聯”不同分類方法令非業內人士感到困惑，其實這（zhè）些名稱是從不同角度給出（chū）的解釋、並不矛盾。

　　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，節油效果和成本增等指標加如表1所示。表中“-”表示無此功能或較弱、“+”個數越多表示效果越（yuè）好，從表中可以看出隨著節油效果改善、成本增加也較多（duō）。

　　1.2技術角度

　　1 技術（shù）角度分類

　　技術角度由簡到繁分為（wéi）純電動、串聯混合動力、並聯混合動力（lì）及混聯混合動力，具體如（rú）1所示。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置)係（xì）統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體化裝置)係統、電機處於發（fā）動機和離合器之（zhī）間（jiān），P2中電機處於離合器和變速器輸入端之間（jiān），P3表示電機處於變（biàn）速器輸出端或（huò）布（bù）置於後軸，P03表示P0和P3的組（zǔ）合。從統計表中可以看出（chū），各種結構在國內外乘用（yòng）或商用車中均得到廣泛應（yīng）用，相對（duì）來說P2在歐洲比較流行，行星排結構在日係（xì）和美係車輛（liàng）中占主導地位，P03等組合結構在四驅車輛中應用較為（wéi）普遍、歐（ōu）藍德和標致3008均（jun1）已實現量產。新能源車型選擇應（yīng）綜合考慮結構複雜性、節油效果和成本（běn）增加，例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三行星排雙模係統，盡管節油效果較好，但由於結構複（fù）雜且成本較高，近十年間的市場表現不盡如人意。

2 新能源汽車模塊規劃

　　盡管新能源汽車分類複雜（zá），但其中共用的（de）模塊較多，在開發過程中可采用模塊化方法，共享平（píng）台、提高（gāo）開發速度。總體上（shàng）講，整個新能源汽車可分為三級模塊（kuài）體係、如2所示（shì），一級模塊主要是（shì）指（zhǐ）執行係統，包括充電設備、電動附件、儲能係統、發動（dòng）機、發電機、離合器（qì）、驅動電機和齒輪箱。二級模塊分為執行係統和控製係統兩部分，執行部分（fèn）包括充電設備的地麵充電（diàn）機、集電器和車載充電機，儲能係統的單體、電箱和PACK，發動（dòng）機部（bù）分的氣體機（jī）、汽油機和柴油（yóu）機，發（fā）電機（jī）的永磁同（tóng）步和交流異步，離合器中的幹式和濕式，驅動電機的永磁同步和交流異步，齒輪箱部分的（de）有級式自動變速（sù）器(包括（kuò）AMT、AT和DCT等)、行星排和（hé）減速齒輪；二級模塊的控製係統包（bāo）括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電池（chí）管理係統、發動機電子控（kòng）製單元、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（chē）控（kòng）製器。三級模塊體係（xì）中，包括電池單體的功率型（xíng）和能量型（xíng），永（yǒng）磁和（hé）異步電（diàn）機的（de）水冷和風冷形式，控製（zhì）係統的三級模塊主要包括硬件、底層和（hé）應用層軟件。

　　2三級模塊體係（xì）

　　根據功能（néng）和控製的相似性，三級模塊體係（xì）的部分模塊可（kě）組成純電動(含增程（chéng）式)、插電並聯混動和插電混聯混動三種平台架構，例如純電動(含增程式)由充電設備、電動附（fù）件、儲能係統、驅動電機和齒輪箱組成。各平（píng）台模（mó）塊的通用性較強，采（cǎi）用平台和模（mó）塊的開發方法，可共享核心部件資源（yuán），提升新能源係統的安全性和可靠性，縮短周期、降低研（yán）發及采購成（chéng）本

　　3 新（xīn）能源三大核心技術

　　在三級模塊體係和平台架構中，整車控製器(VCU)、電機控製器(MCU)和電池管理係統(BMS)是最重要的核心技術，對整車的動力性、經濟性、可靠性和安全性（xìng）等有著重要影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決策的（de）核心電子控製單元，一般僅（jǐn）新能源汽車配備、傳統（tǒng）燃油車無需該裝置。VCU通過采集（jí）油門踏板、擋位、刹車踏板等信號來判（pàn）斷駕駛員的駕駛意；通過監測車輛狀態(車速（sù）、溫度等)信息，由（yóu）VCU判斷處理後，向動力係統、動力電池係統發送車輛的運行狀態（tài）控製指令，同時控（kòng）製車載附件電力係統的工作模式；VCU具有整車係統故障診斷保護與存儲功能。

　　3為VCU的結構組成，共包括（kuò）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（ruǎn）件是VCU的關鍵核心技術。

　　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（yuán）、存儲器、CAN )和VCU專用電（diàn）路(傳（chuán）感器采集等（děng）)設計；其中標準化核心模塊電路可移植（zhí）應用在MCU和（hé）BMS，平台化硬件（jiàn）將具有非常好（hǎo）的可移植性和擴展性。隨著汽車級處理器技術的發展，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）放式係統架構為標準，達到電子控製單元(ECU)開發共平台（tái）的發展目標，支持新（xīn）能源汽車不同的控製（zhì）係（xì）統；模塊化軟件組件以軟（ruǎn）件複用（yòng）為目標，以有效（xiào）提（tí）高軟件質量、縮短軟（ruǎn）件開發（fā）周期。

　　應用層（céng）軟件按照V型開發流程、基於模型開發完成，有利於團隊（duì）協作和平台拓展；采用快速（sù）原型（xíng）工（gōng）具和模型在環(MIL)工具對軟件模型進行驗證（zhèng），加快開發速度；策（cè）略文檔（dàng）和軟件模型均采用專用（yòng）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（lǜ）、模式切換、轉矩分配和故障診斷策略等是應用層的（de）關鍵技術，對車輛動力性、經濟性和可靠性（xìng）有著重要（yào）影響。

　　表2為世界主流VCU供應商的技術參數，代（dài）表著VCU的發（fā）展動態（tài）。

　　3.2 MCU

　　MCU是新（xīn）能源汽車特有（yǒu）的核心功率電子（zǐ）單元，通過接收VCU的車輛行駛控製指令，控製電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行駛（shǐ）。實現把動力電池（chí）的直流電能轉換為所需的高壓交流電、並驅動電機本體輸出機械能（néng）。同（tóng）時，MCU具有電機係統故障診斷保護和存儲功能。

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

　　4 MCU組成（chéng）

　　MCU硬件電路采用（yòng）模塊化、平台化設計理念(核心模塊與VCU同平台)，功率驅動部分（fèn）采用多重診斷保護功能電（diàn）路設計，功率回路部分采用（yòng）汽（qì）車級IGBT模塊並（bìng）聯技（jì）術、定製母線電容和集成母排設（shè）計；結構（gòu）部（bù）分（fèn）采用高防護等級（jí）、集成一體化液冷設計。

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

　　應用層軟件按照（zhào）功能設計一般可分為四個模塊：狀態（tài）控製、矢量算法、需求轉矩計算和診斷（duàn）模塊。其中，矢量算法模塊分為（wéi）MTPA控製和弱磁控製（zhì）。

　　MCU關鍵技術方案包括：基於32位高性能（néng）雙核主處理（lǐ）器；汽（qì）車級並聯IGBT技術，定製薄膜母線電容及集成化功率回路設計，基（jī）於（yú）AutoSAR架構平台軟件及先進SVPWM PMSM控製算（suàn）法；高防護等（děng）級（jí）殼體及集成一體化水（shuǐ）冷散（sàn）熱設計。

　　表3為世界主流 MCU硬件（jiàn）供應商的（de）技術參數，代表著MCU的（de）發展動態。

　　表（biǎo）3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和（hé）BMS

　　電池包是新能源汽車核心（xīn）能量源，為整車提供驅動電能，它主要通過金屬材質的（de）殼體包絡（luò）構成電池包主體。模（mó）塊化的結構設計實現了電芯（xīn）的集成，通過熱管理設計與仿真優化電池（chí）包熱管理性能，電器部件（jiàn）及線束實現了控製係統對電（diàn）池的安全保護及連接路徑；通過（guò）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5所示，包括電芯、模塊、電氣（qì）係統、熱管理係統、箱體和BMS。BMS能夠提高電池的（de）利用率，防止電池出現過充電和過放電（diàn），延（yán）長電池的使用壽命，監控電池的狀態。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池包最關（guān）鍵的零部件，與VCU類（lèi）似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應用層軟件組成。但BMS硬件由（yóu）主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從版安裝於模（mó）組內部，用於檢測單體電壓、電流和均衡控製；主板安裝位置比較靈活，用於繼電器控製、荷電狀態值(SOC)估計和（hé）電氣傷害保護等。

　　BMU硬件部分完（wán）成電（diàn）池單體電壓和溫度測量，並通過高可靠（kào）性的數據傳輸通（tōng）道與BCU 模塊進（jìn）行指（zhǐ）令及數據的雙向傳輸。BCU 可選用基（jī）於汽車功能安（ān）全架構的32 位微處理器完成總電壓采集、絕緣檢測、繼電器驅動及狀態監測等功能。

　　底（dǐ）層（céng）軟件架構符合（hé）AUTOSAR標（biāo）準，模塊（kuài）化開發容易實現擴展和（hé）移植，提高開發效率。

　　應用層軟件是BMS的控製核心，包括電池保（bǎo）護、電氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控製（zhì）、從板控製、均衡（héng）控（kòng）製、SOC估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為國內外主流 BMS供應（yīng）商的（de）技術參數，代（dài）表著BMS的（de）發展動態。

　　表4 BMS技術參數

　　4 充（chōng）電設施

　　充電設施不完善（shàn）是阻礙新能源（yuán）汽車市場推廣的重要因素，對特斯拉成功的解決方（fāng）案進行分析，並提出新能（néng）源汽車的充電解（jiě）決方案、剖析（xī）充電係統組成（chéng）。

　　4.1 特斯拉充（chōng）電方案分析

　　特斯拉超級充（chōng）電器代表了當今世界最先進（jìn）的充電技術，它為（wéi）MODEL S充（chōng）電的速度遠高於大（dà）多數充電站，表5為特斯（sī）拉電池和充電參數。

　　表5電池和充電參數（shù）

　　特斯拉具有5種充電方式（shì），采用（yòng）普通110/220V市電插座充（chōng）電，30小（xiǎo）時充滿（mǎn）；集成的10kW充電器，10小（xiǎo）時充滿；集成的20kW充電器，5小時充滿；一種快速充（chōng）電器可以裝在家庭（tíng）牆壁或者停車場，充電時間可縮（suō）短（duǎn）為5小時； 45分鍾能充（chōng）80%的電量、且電費全免，這種快充裝置僅（jǐn）在北美市場比較普遍（biàn）。

　　特斯拉使用（yòng）太（tài）陽能電池板遮（zhē）陽棚的充電站，既可以抵消能（néng）源消（xiāo）耗又能夠遮陽。與在加油站加油需要付費不同（tóng），經過適（shì）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（sī）拉充電站加入了太陽能充電（diàn）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（yī）賴，同時也減少了對電（diàn）網的幹擾，國內這一技術也能實現。 2)特斯拉充電（diàn）時間短也（yě）不足為奇，特（tè）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（yǒu）采用更大的充電倍率（lǜ），所以不會影響電池壽命；20分鍾充到40%，就能（néng）滿足續航要（yào）求，主要原因是電池容量大。

　　4.2 充電（diàn）解（jiě）決方案

　　7充電係統組成

　　7為一種可參考的新能源（yuán）汽車充電解決方案，充電係統組成（chéng）：配電係統(高壓（yā）配電櫃（guì）、變壓（yā）器、無功補償裝置和低壓開關櫃)、充電（diàn）係統（tǒng）(充電櫃和充電機終端)以及儲能係統(儲能電池與逆變器櫃)。無功補償裝置解決充電係統（tǒng）對電網功（gōng）率因數影響，充電櫃內充電機一般（bān）都具備有源濾波功能、解決（jué）諧波電流和功率因數問題。儲能電池和（hé）逆變器櫃解決老舊配電（diàn）係統無法滿足充電站容量要求、並起到削峰填穀作用，在不充電時候進行儲能，大容量充電且配電係統容量不足時釋放所儲能量進行充電。如果（guǒ）新建配電係統容量足夠，儲能電池和逆（nì）變器櫃可以不選用。風力（lì）發電和光伏發電為充電係統提供清潔（jié）能（néng）源，盡（jìn）量減少從電網取電。

　　5 總（zǒng）結

　　從消（xiāo）費者和技（jì）術角度分別對新能源汽車結構進行歸納分（fèn）類，分析（xī）各種結構的優勢，以及國內外（wài）各主機廠（chǎng）的應用情（qíng）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（xì）中相關的執行係統和控製係統。分析VCU、MCU和（hé）BMS的結構組（zǔ）成及關鍵（jiàn）技術，以及世界主流（liú）供應商的技術參數和發展動態。對特斯拉成功的解決方案進行分析（xī），並提出新能源汽（qì）車的充電（diàn）解決方案。