看懂新能源汽車核心技術及其發(fā)展現(xiàn)狀

小鼠大膽

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2014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,，筆者結合研發(fā)過程中的經驗總結,，從新能源汽車分類,、模塊規(guī)劃,、電控技術和充電設施等方面進行了分析,。

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# |* F( u# W& S  v. c9 i9 j1,、新能源汽車分類
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2 N- F0 Z3 w- J8 I. {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，其實這些名稱是從不同角度給出的解釋,、并不矛盾,。

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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(jié)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好,，從表中可以看出隨著節(jié)油效果改善、成本增加也較多,。
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表1 消費者角度分類
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1.2技術角度
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9 h2 e; q  F/ p7 V; _圖1 技術角度分類
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5 L4 y3 C  G  C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(Belt starter generator,，帶傳動啟停裝置)系統(tǒng)，P1代表ISG(Integrated starter generator,，啟動機和發(fā)電機一體化裝置)系統(tǒng),、電機處于發(fā)動機和離合器之間，P2中電機處于離合器和變速器輸入端之間,，P3表示電機處于變速器輸出端或布置于后軸,，P03表示P0和P3的組合。從統(tǒng)計表中可以看出,，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，行星排結構在日系和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,、歐藍德和標致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)油效果和成本增加,，例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯(lián)合開發(fā)的三行星排雙模系統(tǒng),，盡管節(jié)油效果較好,，但由于結構復雜且成本較高，近十年間的市場表現(xiàn)不盡如人意,。



: a% G/ i, y& ?5 o* v/ {  [2,、新能源汽車模塊規(guī)劃
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盡管新能源汽車分類復雜，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,、驅動電機和齒輪箱。二級模塊分為執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分,，執(zhí)行部分包括充電設備的地面充電機,、集電器和車載充電機，儲能系統(tǒng)的單體,、電箱和PACK,，發(fā)動機部分的氣體機、汽油機和柴油機,，發(fā)電機的永磁同步和交流異步,，離合器中的干式和濕式，驅動電機的永磁同步和交流異步,，齒輪箱部分的有級式自動變速器(包括AMT,、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪,；二級模塊的控制系統(tǒng)包括BMS,、ECU、GCU,、CCU,、MCU、TCU和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)和整車控制器,。三級模塊體系中，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風冷形式,，控制系統(tǒng)的三級模塊主要包括硬件、底層和應用層軟件

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圖2 三級模塊體系



根據功能和控制的相似性,，三級模塊體系的部分模塊可組成純電動(含增程式),、插電并聯(lián)混動和插電混聯(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)、驅動電機和齒輪箱組成。各平臺模塊的通用性較強,，采用平臺和模塊的開發(fā)方法,，可共享核心部件資源，提升新能源系統(tǒng)的安全性和可靠性,，縮短周期,、降低研發(fā)及采購成本.

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3、新能源三大核心技術

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& _8 G' n: v' w3 S1 z% S1 v$ I在三級模塊體系和平臺架構中,，整車控制器(VCU),、電機控制器(MCU)和電池管理系統(tǒng)(BMS)是最重要的核心技術，對整車的動力性,、經濟性,、可靠性和安全性等有著重要影響。




3.1VCU
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VCU是實現(xiàn)整車控制決策的核心電子控制單元,，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的駕駛意圖；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)送車輛的運行狀態(tài)控制指令,，同時控制車載附件電力系統(tǒng)的工作模式；VCU具有整車系統(tǒng)故障診斷保護與存儲功能,。
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圖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,，硬件電路、底層軟件和應用層軟件是VCU的關鍵核心技術,。

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圖3 VCU組成
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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和BMS，平臺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)界的主流產品。



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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)共平臺的發(fā)展目標,，支持新能源汽車不同的控制系統(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。

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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)作和平臺拓展；采用快速原型工具和模型在環(huán)(MIL)工具對軟件模型進行驗證,，加快開發(fā)速度,；策略文檔和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,、轉矩分配和故障診斷策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,。

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$ F5 @8 Z; ~/ n% U9 `表2為世界主流VCU供應商的技術參數,，代表著VCU的發(fā)展動態(tài)。
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1 j4 o. W/ D. m4 a5 j" G3 |表2 VCU技術參數



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作為汽車電子國際領先廠商,，飛思卡爾將在2015慕尼黑上海電子展上展示更多關于汽車電子的具體應用與技術,，歡迎大家屆時參觀了解。

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3.2MCU
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- m$ N* D/ Z4 D" T7 R+ J- `" rMCU是新能源汽車特有的核心功率電子單元,，通過接收VCU的車輛行駛控制指令,，控制電動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行駛,。實現(xiàn)把動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電、并驅動電機本體輸出機械能,。同時,，MCU具有電機系統(tǒng)故障診斷保護和存儲功能。
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; o- C( x4 L- Y2 j1 i+ T9 w3 O- ^MCU由外殼及冷卻系統(tǒng),、功率電子單元,、控制電路、底層軟件和控制算法軟件組成,，具體結構如圖4所示,。

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$ M6 F" ?( Z- a$ a圖4 MCU組成



7 I' c/ [: M0 |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、定制母線電容和集成母排設計；結構部分采用高防護等級,、集成一體化液冷設計,。
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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)共同平臺的發(fā)展目標,，模塊化軟件組件以軟件復用為目標。
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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,、需求轉矩計算和診斷模塊。其中,，矢量算法模塊分為MTPA控制和弱磁控制,。
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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SVPWM PMSM控制算法；高防護等級殼體及集成一體化水冷散熱設計,。

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表3為世界主流 MCU硬件供應商的技術參數,，代表著MCU的發(fā)展動態(tài)。
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) J0 z& [0 h- X6 Z表3 MCU技術參數
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. v# k, \; G% J  M# _3.3電池包和BMS

電池包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的殼體包絡構成電池包主體。模塊化的結構設計實現(xiàn)了電芯的集成,，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)對電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實現(xiàn)對電芯的管理,，以及與整車的通訊及信息交換,。
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+ [# X  j- {; k. [& d8 T( p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),、箱體和BMS,。BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電,，延長電池的使用壽命,，監(jiān)控電池的狀態(tài),。

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5 Q' `/ }8 |  v* M! H圖5 電池包組成

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BMS是電池包最關鍵的零部件，與VCU類似,，核心部分由硬件電路,、底層軟件和應用層軟件組成。但BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成,，從版安裝于模組內部,，用于檢測單體電壓、電流和均衡控制,；主板安裝位置比較靈活,，用于繼電器控制、荷電狀態(tài)值(SOC)估計和電氣傷害保護等,。
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BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測量,，并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向傳輸。BCU 可選用基于汽車功能安全架構的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(tài)監(jiān)測等功能。
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底層軟件架構符合AUTOSAR標準,，模塊化開發(fā)容易實現(xiàn)擴展和移植,，提高開發(fā)效率。
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4 V. ]. L+ n: `* F5 L8 t& p應用層軟件是BMS的控制核心,，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估計和通訊管理等模塊，應用層軟件架構如圖6所示,。

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圖6 應用層軟件架構
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表4為國內外主流 BMS供應商的技術參數,，代表著BMS的發(fā)展動態(tài)。
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" w' Z$ z% ~( G5 ]6 a+ v表4 BMS技術參數
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4,、充電設施
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8 z! L& O5 P* d- M: a% X充電設施不完善是阻礙新能源汽車市場推廣的重要因素,，對特斯拉成功的解決方案進行分析，并提出新能源汽車的充電解決方案,、剖析充電系統(tǒng)組成。

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  g9 r' o1 U5 X' j$ I% E7 X( \4.1特斯拉充電方案分析

+ y2 [* w/ X! j特斯拉超級充電器代表了當今世界最先進的充電技術,，它為MODEL S充電的速度遠高于大多數充電站,，表5為特斯拉電池和充電參數,。




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2 `+ x0 `0 y6 T; t, @表5 電池和充電參數
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* u4 h5 F% }- M3 Y8 j3 i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,；集成的10kW充電器，10小時充滿,；集成的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%的電量、且電費全免,，這種快充裝置僅在北美市場比較普遍,。

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) c1 F7 a: m& J4 m特斯拉使用太陽能電池板遮陽棚的充電站，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,，經過適當配置的 MODEL S 可以在任何開放充電站免費充電。
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, l0 v4 A" g/ x/ U& Y$ X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,，減少對電網的依賴，同時也減少了對電網的干擾,，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，特斯拉的充電機容量大90~120kWh,，充電倍率0.8C,，跟普通快充一樣，并沒有采用更大的充電倍率,，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,，主要原因是電池容量大,。
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- ?6 G8 j6 P( B4.2充電解決方案
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有一種可參考的新能源汽車充電解決方案，充電系統(tǒng)組成為：配電系統(tǒng)(高壓配電柜,、變壓器,、無功補償裝置和低壓開關柜)、充電系統(tǒng)(充電柜和充電機終端)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、解決諧波電流和功率因數問題,。儲能電池和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,，儲能電池和逆變器柜可以不選用。風力發(fā)電和光伏發(fā)電為充電系統(tǒng)提供清潔能源,，盡量減少從電網取電,。
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3 {  p; C2 t! ?" B& s' _5、總結
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: k; h, \6 c/ d4 x. C7 h7 Q, z
- f4 w5 U, {: C' v9 {從消費者和技術角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(yōu)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臺架構,，詳細介紹了三級模塊體系中相關的執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng),。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術參數和發(fā)展動態(tài),。對特斯拉成功的解決方案進行分析，并提出新能源汽車的充電解決方案

專業(yè)醬油男

很全面很詳細,，是樓主自己收集整理的資料么

Cavalier_Ricky

一句話,，跟政府有關系的可以玩玩周邊的東西圈政府的錢。
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- ~$ s. }6 }6 L1 x* B1 a8 A/ J真玩,？那就玩電池吧,。
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: ]8 c, {* V7 G) l7 x電池到了瓶頸了，還宣傳能上高速,，那不明擺著讓你掏錢給拉車的嗎,？
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陳小黑

只有我看不到圖么？還是沒圖,？

西門飛車

說好的圖片呢,，我怎么看不到