​新能源汽車技術分類及三大核心技術詳解

       為了使新能源愛好者和初級研發（fā）人員更好地了解新能源汽車的核心技術，筆者結合研（yán）發過程中的（de）經驗總結，從新能源汽車分類、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（lèi）

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

　　1.1消費者角度

　　消費者角度通常按（àn）照混合度進行劃分，可分為（wéi）起停、弱混、中混、強混、插電和純電（diàn）動，節油效（xiào）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（shù）越多（duō）表示效果越好，從表中可以看出隨著節油（yóu）效果改善、成本增加也較多。

　　1.2技術角度

　　1 技術角度分類

　　技術角度由簡到繁分為純電（diàn）動、串聯混（hún）合動力、並聯混合動力及混聯混合動（dòng）力（lì），具體如1所示。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置)係（xì）統，P1代（dài）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（lí）合器之間，P2中電機處於離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機處（chù）於變速（sù）器輸出端或布置於後軸，P03表示P0和P3的組合。從統計表中可以（yǐ）看出，各種結構在國內外乘用或商（shāng）用車中均（jun1）得到廣泛應用，相對來說P2在歐洲比較流行，行星排結構在日係（xì）和美係車輛（liàng）中占主導地位，P03等組合（hé）結構在（zài）四驅車輛（liàng）中應用較為普（pǔ）遍、歐藍德和標致3008均已實現量產。新能源車（chē）型選擇應綜合考慮結構複（fù）雜性、節油效果和成本增加，例如由通（tōng）用、克萊斯勒和寶馬聯合開（kāi）發的三行星排雙模係統，盡管節油效果較好，但由於結構複雜且成本較高，近十年間的市場表現（xiàn）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，但其中共用的模塊較多，在開發（fā）過程中可采用模塊化方法，共享平台、提高開發速度（dù）。總體上（shàng）講，整個新能源汽（qì）車可分為三級模塊體係、如（rú）2所示，一級模塊主要是指執行係統，包括（kuò）充電設備（bèi）、電動附（fù）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（hé）控製係統兩部分，執行部分包括充電設備的地麵（miàn）充電機、集電器和（hé）車（chē）載充電機，儲能係統的單體、電箱和PACK，發動機部分的氣體機、汽油機和柴油機，發電機的永磁同步和交流（liú）異步（bù），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（fèn）的有級式自動變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二級模塊的控製係統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分（fèn）別表示電池管理係統、發動機電子控（kòng）製單元、發電機控製器、離（lí）合器控（kòng）製單元、電機控製器、變速（sù）器（qì）控製係統和整（zhěng）車（chē）控製器。三級模塊體係中，包括電池單體的功率型和能量型，永（yǒng）磁和異步電機的水冷（lěng）和風冷（lěng）形式，控製係統的三級（jí）模塊主要包括硬件、底層和應用層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根據功能和控製的相似性，三級模塊體係的部分模塊可組成純電動(含增程（chéng）式)、插電並聯混動和插電混聯混動三種平台（tái）架構，例（lì）如純電動(含增程式)由充（chōng）電設備（bèi）、電動附件、儲能係統、驅動電機和（hé）齒輪箱組成。各平台模塊的通用（yòng）性較強，采用平台和模塊（kuài）的開（kāi）發（fā）方法（fǎ），可共享核心部（bù）件資源（yuán），提升新能源（yuán）係統（tǒng）的安全性和可靠性，縮短周期、降低研發及采購成本

　　3 新能源三大核心技術

　　在（zài）三級模（mó）塊體（tǐ）係（xì）和平台架（jià）構中，整車控（kòng）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（xìng）、經濟性、可靠性和安全性等（děng）有著重要影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決（jué）策（cè）的核心電子控（kòng）製單元，一般僅新能源汽車（chē）配備、傳統燃油車無需該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、刹（shā）車踏（tà）板（bǎn）等信號來判斷駕駛員的駕（jià）駛意；通過監測車輛（liàng）狀態(車速、溫度等)信息，由VCU判斷處理後，向動力（lì）係統、動力電池係統發送車輛的運（yùn）行狀態（tài）控製指令，同時控製車（chē）載附件電力係統（tǒng）的工作模式（shì）；VCU具有整車係統故（gù）障診斷保護與存儲功能。

　　3為VCU的（de）結構組成，共包括外殼、硬件電路（lù）、底層軟件和應用層軟（ruǎn）件，硬件電路、底層軟（ruǎn）件和應（yīng）用層軟件是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、存儲器、CAN )和VCU專用（yòng）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（yīng）用在（zài）MCU和BMS，平台化硬件將具有非常好的可移植性和擴展性。隨著汽車級處理器技術的（de）發展，VCU從基於16位向32位處理器芯片逐步過渡，32位已（yǐ）成為業界的主流產品。

　　底層軟（ruǎn）件（jiàn）以AUTOSAR汽車軟件開（kāi）放式係統架構為標準，達到電子控製單（dān）元(ECU)開發共平台的發展目標，支持新能源汽車不（bú）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（ruǎn）件開（kāi）發周期。

　　應用層軟件按（àn）照V型開發流程、基於模型開發完成，有利（lì）於團隊協作和平台拓展；采用快速原型工具和模型在環(MIL)工具（jù）對（duì）軟件模（mó）型進行驗證，加（jiā）快開（kāi）發速度；策略文檔和軟件模型均采（cǎi）用專用版本工（gōng）具進行管（guǎn）理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規律、模式切換、轉矩分配和故障診斷策（cè）略等是應用層的關鍵技術，對車輛動力性、經濟性和可靠性有著重要影響。

　　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。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車特有的核心功率電（diàn）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（de）扭矩和轉速，驅動車輛行駛。實（shí）現把動（dòng）力電池的直流電能轉換為所需的高（gāo）壓交流電、並（bìng）驅動電機本體輸出機械能。同時，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（zǐ）單元、控製電路（lù）、底層（céng）軟件和控製（zhì）算（suàn）法軟（ruǎn）件組成，具（jù）體結構如4所示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路采用模塊化、平（píng）台化設計理念(核心模塊與VCU同平（píng）台)，功率（lǜ）驅動部分采用多重診斷保護功能電路設計（jì），功率回路部分采用（yòng）汽車級IGBT模塊（kuài）並聯技術、定製母線電容和集成母排設計；結（jié）構部分采用（yòng）高防護等級、集成一體化液（yè）冷設計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開（kāi）放（fàng）式係統架構為標準，達到（dào）ECU開發共同平台（tái）的發展目標，模塊化軟件組件以軟件複用為目標。

　　應用（yòng）層軟件按照功能設計一般可分為（wéi）四個模塊：狀態控製、矢量算法、需求轉矩計（jì）算和診斷模塊。其中，矢量算法模塊分為MTPA控製和（hé）弱磁控製。

　　MCU關鍵技術方案（àn）包括：基於32位高性能雙核主處理器；汽車級並（bìng）聯IGBT技術，定製薄（báo）膜母線電容（róng）及集成化功率回路設計，基於AutoSAR架構平台軟件及先進SVPWM PMSM控製算法；高防護等級殼體及集成一（yī）體（tǐ）化水冷散（sàn）熱設計（jì）。

　　表3為世界主流 MCU硬件供應商的技術參數，代表著MCU的發展動態。

　　表3 MCU技（jì）術參數

　　3.3 電池包和BMS

　　電池包是新能源汽車核心（xīn）能量源，為整車提（tí）供驅動電能（néng），它（tā）主要通過金屬材質的殼體包（bāo）絡構成電池包主體。模塊化的結構設計實現了電芯的（de）集成，通過（guò）熱管理設計與仿真優（yōu）化電池（chí）包熱管理性能，電（diàn）器部件及線束實現了控製係統對（duì）電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實現對（duì）電（diàn）芯的管理，以（yǐ）及與整車（chē）的（de）通訊及信息交換（huàn）。

　　電池包組成如5所示，包括電芯、模塊、電氣係統、熱管理係（xì）統、箱體和BMS。BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現過（guò）充電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的（de）狀（zhuàng）態。

　　5 電池包（bāo）組（zǔ）成

　　BMS是電池包（bāo）最關鍵的零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應用層（céng）軟件組成。但BMS硬件由（yóu）主板(BCU)和（hé）從板(BMU)兩（liǎng）部分組成（chéng），從版安裝於（yú）模組內（nèi）部，用於檢測單體電壓、電流和均衡控製；主（zhǔ）板安（ān）裝位置比較（jiào）靈活，用於繼電器控製、荷電狀態值(SOC)估計和電氣（qì）傷害保護等。

　　BMU硬（yìng）件部分完成電池單體電壓和溫度測量，並通過高可靠性的數據傳輸通道與BCU 模塊進行指令及數據的雙（shuāng）向傳輸。BCU 可選用基於汽（qì）車（chē）功能安全架構的32 位（wèi）微處理器完成總電（diàn）壓（yā）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，模塊化開發容易（yì）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，包括電池保護、電（diàn）氣（qì）傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器（qì）控製、從板控製、均衡控製、SOC估計（jì）和通訊管理等模塊，應用層軟件架構如6所示。

　　6 應用層軟（ruǎn）件架構

　　表4為國內外主（zhǔ）流 BMS供應商的技術參數，代表著（zhe）BMS的發展動態。

　　表4 BMS技（jì）術參數

　　4 充電設施

　　充電設（shè）施不完善是阻（zǔ）礙新能源汽車市場推廣的重要因素，對（duì）特斯拉成功的解決方案進行分析，並提出新能源（yuán）汽車的充電解決方案、剖析充電係統組成。

　　4.1 特斯拉充電方案分析

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

　　表5電池和充電參數

　　特斯拉具有5種充（chōng）電方式，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（shí）充滿；集成的20kW充電器，5小（xiǎo）時充滿（mǎn）；一種快速充電器可以裝在家庭牆壁或者停車（chē）場，充電時間可縮短為5小時； 45分鍾能充80%的（de）電（diàn）量、且電費全免，這種（zhǒng）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的充電站，既可（kě）以抵消（xiāo）能源消耗又能夠遮陽。與在加油站加油需要付費不（bú）同（tóng），經過適當配置的 MODEL S 可（kě）以在任（rèn）何（hé）開放充電（diàn）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（lā）充電站加入了太陽能充電技術，這一技術使充電站盡可（kě）能使用清潔能源，減（jiǎn）少對電網（wǎng）的依賴（lài），同時也（yě）減少了對電網的幹擾，國內這一技術也能實現（xiàn）。 2)特斯（sī）拉（lā）充（chōng）電時間短也不足為奇，特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通（tōng）快充一樣，並沒有采用更大（dà）的充電倍率，所（suǒ）以不會影（yǐng）響電池壽命；20分鍾充到40%，就能滿足（zú）續航要（yào）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（zǔ）成

　　7為一（yī）種可參考的新能源汽車充電解決方案，充電（diàn）係（xì）統組成：配電係統(高壓配電櫃、變壓器、無功補償裝置和低壓開關櫃)、充電係統(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對電網（wǎng）功率因數影響，充電櫃內充電（diàn）機一般（bān）都具備（bèi）有源濾波功能、解決諧波電流和功率（lǜ）因數問題。儲能電池和逆變器櫃解（jiě）決老舊配電係統無法滿足充（chōng）電站容量要求、並起到削（xuē）峰填穀作用，在不充電時候進行儲（chǔ）能，大容量充電且配電係統容（róng）量不足時釋放所（suǒ）儲（chǔ）能量進行充電。如果新建配電係統容量足夠，儲能電池和逆變器櫃可（kě）以不選用。風力發電和光伏發電為充電係統提供清潔能源，盡量減少從電網取（qǔ）電。

　　5 總結

　　從消費者（zhě）和技術角度分別對新能源汽車結（jié）構進行歸納分類，分析各種結（jié）構的優勢，以及國內外（wài）各主機廠的應用情況。分析新（xīn）能源汽車（chē）的模（mó）塊組成和平台架構，詳細介紹了三級模塊體（tǐ）係中相關的執行係統和控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及（jí）關鍵技術，以（yǐ）及世界主流供（gòng）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，並提出新（xīn）能源汽車的充電解決方案。