​新能源汽車技術分類及三大核（hé）心技術詳解

       為了使新能源愛好者和初級研發人員更好地了（le）解新能源汽車的核心技術（shù），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（qiáng）混”與“串（chuàn）聯、並聯”不同分類方法令非業內人士感到困惑，其實這些（xiē）名稱是從不（bú）同角度給出的解釋、並不矛盾。

　　1.1消費者角度

　　消費（fèi）者角度（dù）通常按照混合度（dù）進行劃分，可分為起（qǐ）停、弱混、中混、強混（hún）、插電和純電動，節油效果和成本增等（děng）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好，從表中可（kě）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 技術角度分類

　　技術角度（dù）由簡到繁分為（wéi）純（chún）電動、串聯混合動力、並（bìng）聯混合動（dòng）力及混聯混（hún）合動力，具（jù）體如1所示。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置（zhì）)係統，P1代（dài）表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體化裝置)係統、電機處於發動機和離合器之間，P2中電機處於離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機處於變速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（kě）以（yǐ）看出（chū），各種結構在國內（nèi）外乘用或商用車（chē）中均得到（dào）廣泛應用（yòng），相對來說P2在（zài）歐洲比較流（liú）行，行星排（pái）結構在（zài）日係和美係車輛中占主導地位，P03等組合結構在四驅車輛中應用較為普遍、歐藍德和標致3008均已實現（xiàn）量產。新能源車型選擇應綜（zōng）合考（kǎo）慮結構複雜性、節油（yóu）效果和成本增加，例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯（lián）合開發的三（sān）行星（xīng）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不盡如（rú）人意。

2 新能源汽（qì）車（chē）模塊規劃

　　盡管新能源汽車分類複雜，但其中共用（yòng）的模塊較多，在開發過程中可采（cǎi）用模塊化方法，共享平台、提高開（kāi）發速度。總體上講（jiǎng），整個新能（néng）源汽車可分為三級模塊體係、如2所示，一級模塊主要（yào）是指執行係統，包括充電設備、電動附件（jiàn）、儲能係統、發（fā）動機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊分為執行係統和控製（zhì）係統兩部（bù）分，執行部分包括充電設備的地麵充電機（jī）、集電（diàn）器和（hé）車載充電機，儲能係（xì）統的單體（tǐ）、電箱和PACK，發（fā）動機部分的氣（qì）體機、汽油機和柴油機，發（fā）電機的永磁同步和交流異（yì）步，離合器中（zhōng）的幹式（shì）和濕式，驅動電機的永磁同步和（hé）交（jiāo）流異步，齒輪箱部分的有級式自動變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒（chǐ）輪；二級模塊的（de）控製（zhì）係統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電池管理係統、發動機電子控製單元、發電機控製器、離合器控製單（dān）元、電機控製器、變速器（qì）控製係統和整車控製器。三級模塊體係中，包括電池單體（tǐ）的功率型（xíng）和能量型（xíng），永磁和（hé）異步電機的水冷和風冷形式，控（kòng）製係統的三級模塊主要包（bāo）括硬件、底層和應用層軟件。

　　2三級（jí）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（mó）塊（kuài）可組成純電動(含（hán）增（zēng）程式)、插電並聯混動和插電混聯混動三種平台架構，例如（rú）純電動(含（hán）增程式)由充電設備、電動附件、儲能係統、驅動電機和齒輪箱組成。各平台模塊的（de）通用性（xìng）較強，采用平台和模塊的（de）開（kāi）發方法，可共享核心部件資源，提升新能源係（xì）統的安全性和可靠性，縮短周期、降低（dī）研發及（jí）采購成本

　　3 新能源三大核（hé）心技（jì）術

　　在三級模塊（kuài）體係（xì）和平台架構中，整（zhěng）車（chē）控製器(VCU)、電機（jī）控製器(MCU)和電池（chí）管理係統(BMS)是最重要（yào）的（de）核心技術，對整（zhěng）車的動力性、經濟性、可靠性和安全性等有著重要影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實（shí）現整車控製決策的核心電子控製單元，一般僅（jǐn）新（xīn）能源（yuán）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（de）駕駛意；通過（guò）監測車（chē）輛狀態(車速、溫度等)信息，由VCU判斷處理後，向（xiàng）動力係統、動力電池係統發送車輛的（de）運行狀態控（kòng）製指（zhǐ）令，同時控製車（chē）載附件電力係統的工（gōng）作模式；VCU具有整車係統故障診斷保護與存儲功（gōng）能。

　　3為VCU的結構組成，共包括外殼、硬（yìng）件電路、底層軟件和應用層軟件，硬件（jiàn）電路、底（dǐ）層軟件和（hé）應用層軟件是VCU的關鍵核心技術。

　　3 VCU組成

　VCU硬（yìng）件采（cǎi）用標準化核心模塊電路( 32位主處理器、電源、存儲器、CAN )和VCU專用電（diàn）路(傳感器采集等)設計；其中標準化核心模塊電路（lù）可移植應用在（zài）MCU和BMS，平台化硬件將具有（yǒu）非常好的（de）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（xiàng）32位處理器芯片逐步過渡（dù），32位已（yǐ）成為業（yè）界的主流產品。

　　底層軟件以（yǐ）AUTOSAR汽車軟件開放式係（xì）統架構（gòu）為標準，達到電子控（kòng）製（zhì）單元(ECU)開發共平台的發展目標，支（zhī）持新能源汽車不同的控製係統；模塊化（huà）軟件組件（jiàn）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（ruǎn）件按照V型開發流程、基於模型（xíng）開發完成，有利（lì）於團隊協作和平台拓展（zhǎn）；采用快速原型工具和模型在（zài）環(MIL)工具對軟件模型進行驗（yàn）證，加快開發速度；策略文檔和軟件模型均采用專用版本工具進（jìn）行管理，增強可追（zhuī）溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規律、模式切換、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（dòng）力性、經濟性和可靠性有著重要影（yǐng）響。

　　表2為世（shì）界主（zhǔ）流VCU供應（yīng）商的技術參數（shù），代表著VCU的發展動態。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車（chē）特有（yǒu）的核心功率電子單元，通（tōng）過接收VCU的車輛行駛控製指令，控製電（diàn）動機輸出指定的扭矩和轉速（sù），驅動車（chē）輛（liàng）行（háng）駛。實現把動力電池的（de）直流電能轉換為所（suǒ）需的高壓交（jiāo）流電、並驅動（dòng）電機本體輸出機械能。同時，MCU具有（yǒu）電機係統故（gù）障診斷保護和存儲（chǔ）功能。

　　MCU由外（wài）殼及冷卻係統、功率電子單元、控製（zhì）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

　　MCU硬件電路采用模塊化、平台化設計理念(核心模塊與（yǔ）VCU同平台)，功率驅動部分采用多重診斷（duàn）保護功能電路設計，功率回路部分采用汽車級IGBT模塊並（bìng）聯技術、定製母線電容和集成母排設計；結構部分采用（yòng）高防護等級（jí）、集成一體（tǐ）化液冷設計。

　　與VCU類似，MCU底（dǐ）層軟件以AUTOSAR開放式係統架構（gòu）為標準，達（dá）到ECU開發共同平台的（de）發展目標，模（mó）塊化軟件組件以軟件複用為目標。

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

　　MCU關鍵技術方案包括：基於32位高性（xìng）能雙（shuāng）核主處理器；汽車級並聯IGBT技術，定製薄膜母線電容及集成化功率回路（lù）設計，基於AutoSAR架構平台軟件及先進SVPWM PMSM控製算法；高防護等（děng）級殼體及集成一體化水冷散熱設計。

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

　　表3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和BMS

　　電池包是新能源汽車核心能（néng）量（liàng）源，為整車提供（gòng）驅動電能，它主要通過金屬（shǔ）材質的殼體包絡構成電池（chí）包主體。模塊化的（de）結構設計實現了（le）電芯的集成，通過熱管理設計與仿真優化電池（chí）包熱管理性能，電器部件及線束實現了控製係統對（duì）電（diàn）池（chí）的安全保護（hù）及連接路徑；通過BMS實現對電芯的管理，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（xīn）、模塊、電氣係統、熱（rè）管理係統（tǒng）、箱體和BMS。BMS能夠提高電池的利用率，防（fáng）止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池包最（zuì）關鍵的零部件，與VCU類似，核心（xīn）部分由（yóu）硬件電路、底層軟件和應用層軟件組成（chéng）。但BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組（zǔ）成，從版安（ān）裝於模（mó）組內部，用（yòng）於檢測單體電壓、電流（liú）和均衡控製；主板安裝位置比較靈活，用於（yú）繼電（diàn）器控製（zhì）、荷（hé）電狀態值（zhí）(SOC)估計和電（diàn）氣傷害保護等。

　　BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測量（liàng），並（bìng）通過高可靠性的數據傳輸通道（dào）與BCU 模塊進行指令及數（shù）據的雙向傳輸。BCU 可選用基於汽車功能（néng）安全架構的32 位微處（chù）理器完成總電壓采集、絕緣（yuán）檢測、繼電器驅動及狀態監測等功能。

　　底（dǐ）層軟件架構符（fú）合AUTOSAR標準，模塊化開發容易實現（xiàn）擴展和移植，提高開發效率。

　　應用層軟（ruǎn）件是BMS的控製核心，包括（kuò）電池保護、電（diàn）氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理（lǐ）、繼電器控製、從板控製、均衡控製、SOC估計和通訊管理等（děng）模塊，應用層軟件架構如6所示。

　　6 應用層軟（ruǎn）件架（jià）構

　　表4為國內外主流 BMS供應商的技術參數，代表（biǎo）著（zhe）BMS的發展動態（tài）。

　　表4 BMS技術參（cān）數

　　4 充電設施

　　充電設施不完善是阻礙新能源汽車市場推廣的重（chóng）要因素，對（duì）特（tè）斯拉成（chéng）功的（de）解決方案進行分析，並提出新能源汽（qì）車的充電解決方案、剖析充（chōng）電係統組成。

　　4.1 特斯拉充電（diàn）方案分析

　　特斯拉超級充電器代（dài）表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電站，表5為特斯拉電池和充電參數。

　　表5電池和充電參數

　　特斯（sī）拉具有5種充電（diàn）方式，采用普通110/220V市電插座充電，30小時充滿；集成（chéng）的10kW充電器，10小時充滿；集（jí）成（chéng）的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者停車場，充電（diàn）時（shí）間可縮短為5小時； 45分鍾能充80%的（de）電量、且（qiě）電費（fèi）全免，這種快充裝（zhuāng）置僅在北美市場比較普遍。

　　特斯拉使用（yòng）太陽能電池板遮陽棚的充電站，既可以抵消能源消耗（hào）又（yòu）能夠遮（zhē）陽（yáng）。與在加油站加油需要付費不同，經過適當配置的 MODEL S 可（kě）以（yǐ）在任何開放充電站免費（fèi）充電。

　　特斯拉充電（diàn）技術特點可總結如下（xià）兩點：1)特斯拉（lā）充電站加入了太陽能充電技術，這（zhè）一技術使（shǐ）充電站盡可能使用清潔能源，減少（shǎo）對電網的依賴，同時也減少了對電網的幹（gàn）擾，國內這一技術（shù）也能實現。 2)特斯拉充（chōng）電（diàn）時間短也不足為奇（qí），特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充電（diàn）倍率0.8C，跟普通快充一樣，並沒有采用（yòng）更大（dà）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（yào）求，主（zhǔ）要原因是（shì）電池容量大。

　　4.2 充電解決方案

　　7充電係統組成

　　7為一種可參考的新能（néng）源汽車（chē）充電解決方案，充電係統組成：配電係統(高壓配（pèi）電櫃、變壓器（qì）、無（wú）功補償裝置和低（dī）壓開關櫃)、充電（diàn）係統(充電櫃和（hé）充電機終端)以及儲能係統(儲能（néng）電池與（yǔ）逆變器（qì）櫃)。無功補償裝置解決充電係統對電網功率因數影響，充電櫃內充電機一般（bān）都具備有源濾波功能（néng）、解決諧（xié）波電流和功率因數問題。儲能（néng）電池和逆變器櫃解決老舊配電係統無法滿足充電站容（róng）量（liàng）要求、並起到削峰填穀作用，在不充電時候進行儲能，大容（róng）量（liàng）充電且（qiě）配電係（xì）統容量不足時釋放所儲能量進行充電（diàn）。如果新建配電係統（tǒng）容量足夠，儲能電池和逆變器櫃可以不選用。風力（lì）發電和光伏發電為充電係統（tǒng）提供清潔能源，盡量減少從電網取電。

　　5 總結

　　從消費者和技術角度分別（bié）對新能源汽車結構進行歸納分類，分析各種結構的（de）優勢，以及國內外各主機廠的應用情況。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係統和控（kòng）製（zhì）係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及關鍵技術，以及世界主流（liú）供應商的技術參（cān）數和發展動態。對特斯拉成功的解決方案進行分析，並提出（chū）新能源汽車的充電解決方（fāng）案。