​新能源汽（qì）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人員更好地了解新能源汽車的核心技術，筆者（zhě）結合研發過程中的經驗總結，從新能源汽（qì）車分類、模（mó）塊規劃、電控技術和充電設施（shī）等方（fāng）麵進行了分（fèn）析。

　　1 新能源汽車分類

　　在新能（néng）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（cóng）不同角度給出的解釋、並（bìng）不矛盾。

　　1.1消費（fèi）者角度

　　消費者角度通常（cháng）按照混合度進行劃分，可分為起停（tíng）、弱混、中（zhōng）混、強混、插電和純電動，節油效果和成本增等指標加如表（biǎo）1所示。表中“-”表（biǎo）示無此功能（néng）或較弱、“+”個數越多表示（shì）效果越好，從表（biǎo）中可以（yǐ）看出隨著節油效果改（gǎi）善、成本增（zēng）加也較多。

　　1.2技術角度

　　1 技術角度（dù）分類（lèi）

　　技術角（jiǎo）度由（yóu）簡到繁分為純（chún）電動、串聯混合動力、並聯（lián）混（hún）合動力（lì）及混聯混合動力，具體如1所示。其中P0表示（shì）BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝（zhuāng）置)係統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發電機一體化裝置（zhì）)係統、電機處於發動機（jī）和（hé）離合器之間，P2中電機（jī）處於離合器和變（biàn）速器輸入端（duān）之間（jiān），P3表（biǎo）示電機（jī）處於變速器輸（shū）出端或布置於（yú）後（hòu）軸，P03表示P0和（hé）P3的（de）組合。從（cóng）統計表中可以（yǐ）看（kàn）出，各（gè）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（liú）行，行星排（pái）結構在日係和（hé）美係車輛中（zhōng）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（shí）現量（liàng）產。新能源車型選擇應（yīng）綜合考（kǎo）慮結構複雜性、節油效果和成本增加，例如由通用、克萊斯勒（lè）和寶馬聯合開發的（de）三行（háng）星排雙（shuāng）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（shí）年間的市場表現不盡如人意。

2 新（xīn）能源汽車模塊規劃

　　盡管新能（néng）源汽車分類複雜，但其中共（gòng）用的模塊較多，在開發（fā）過程中可采用模塊化方（fāng）法，共享平台、提高開發速度。總（zǒng）體上講，整個新能源汽車可分為三級模塊體係、如2所示，一級模塊主要是（shì）指執行係統，包括充電設備、電動附件（jiàn）、儲能（néng）係統、發動機、發電機、離合（hé）器、驅動電機（jī）和（hé）齒輪箱。二級模塊分為執行係（xì）統和控製係統兩（liǎng）部分，執行部分（fèn）包括充電設備的地麵充電機、集（jí）電器和車載充電機，儲能係（xì）統的單體、電箱和PACK，發動機部分的氣（qì）體（tǐ）機、汽油機和柴油機，發電機的永磁同步和交流異步，離合器中的幹式和濕式，驅動電機的永磁同步和交流異步（bù），齒輪箱部分的有（yǒu）級式自動變速器(包（bāo）括（kuò）AMT、AT和（hé）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，分別表示電（diàn）池管理（lǐ）係統、發動機電子控（kòng）製單（dān）元、發電機控製器、離合器控製單元（yuán）、電機（jī）控製（zhì）器、變速器控製係統和整車控製器。三級模塊（kuài）體係中，包括電池（chí）單（dān）體的功（gōng）率型和能量型，永磁（cí）和（hé）異步電（diàn）機的水冷和風冷形式（shì），控製係統的三級模塊主要包括硬（yìng）件、底層和（hé）應用層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根（gēn）據功能和（hé）控製的相似性，三級模塊體係的部分模（mó）塊可（kě）組成（chéng）純電動（dòng）(含增程式)、插電並聯混動和插電混聯（lián）混動三種平台架構，例如純電（diàn）動(含增程式)由充電設備、電動附件、儲能係統、驅動電機（jī）和齒（chǐ）輪箱組成。各平台模塊的通（tōng）用性較強（qiáng），采用平台和模塊的開發方法，可共享核心部件資源，提升新能源係統的安全性和可靠性，縮短周期、降低研發及采購成本（běn）

　　3 新能源（yuán）三大核心技術（shù）

　　在三級（jí）模塊體係和平台架構中，整車（chē）控製器(VCU)、電機控（kòng）製器(MCU)和電池管理（lǐ）係統(BMS)是最重要的核心技術，對整車的動力（lì）性、經濟性、可靠性和（hé）安全性等有著（zhe）重要影（yǐng）響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製決策的核心電子控製單元，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（guò）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；通過監測車（chē）輛狀態(車速、溫度等)信（xìn）息（xī），由VCU判斷處理後，向動力係統（tǒng）、動力電（diàn）池係統發送車輛的運行（háng）狀（zhuàng）態控製指（zhǐ）令，同時控製車載附件電力係統的工作模式；VCU具有整車係（xì）統故障診斷保（bǎo）護與存儲功能。

　　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（ruǎn）件，硬件電（diàn）路、底層軟件和應用層軟件是（shì）VCU的關鍵核心技術。

　　3 VCU組成

　VCU硬件采用標準化核心模塊（kuài）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（jí）等)設計；其中標準化核心模塊電路（lù）可移植應用在MCU和BMS，平台化硬件將具有非常好的（de）可移植性（xìng）和擴展（zhǎn）性。隨（suí）著汽（qì）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（pǐn）。

　　底層軟件（jiàn）以AUTOSAR汽車軟件開放式係統架構為標（biāo）準，達到電子控（kòng）製單元(ECU)開發共平台的發（fā）展目標，支持新能源汽車不同的（de）控製係統；模（mó）塊（kuài）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（yīng）用層軟件按照V型開（kāi）發流程、基於模型開發完成，有利於團（tuán）隊協作（zuò）和平台拓展；采（cǎi）用快（kuài）速（sù）原型工（gōng）具（jù）和模型在環(MIL)工具對軟件模型進行驗證（zhèng），加（jiā）快開發速度（dù）；策略文檔和軟件模（mó）型均采用專用（yòng）版（bǎn）本工具（jù）進行管理，增（zēng）強可（kě）追溯性；駕駛員轉矩（jǔ）解析、換擋規律、模式切換、轉矩分配和故障（zhàng）診斷策略等（děng）是應（yīng）用層的關鍵技術，對車輛動力性、經濟性和可靠（kào）性有著重要影響。

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

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車特（tè）有的核心功率電子（zǐ）單（dān）元，通過接收VCU的車輛（liàng）行駛控製指令，控製電動機輸出指定的扭矩（jǔ）和轉（zhuǎn）速，驅（qū）動車輛行駛。實現把動力電池的直流電能轉換為（wéi）所需的高壓交流電、並驅動電機本體輸出機械能。同（tóng）時，MCU具有電機係（xì）統故（gù）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（yuán）、控製電路、底層軟件和控製算法軟件組成，具體結（jié）構如4所示（shì）。

　　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VCU同平台)，功率驅動部分采用多重診斷保護（hù）功能電路設計，功率（lǜ）回路部分采用汽車級（jí）IGBT模塊（kuài）並聯技術、定製母線電容（róng）和集（jí）成母排設（shè）計；結（jié）構部分（fèn）采（cǎi）用（yòng）高防（fáng）護等級（jí）、集（jí）成一體化液冷設計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式係統架構為標準（zhǔn），達到ECU開發共同平台的發展目（mù）標，模塊化（huà）軟件組件以軟（ruǎn）件複用（yòng）為目標。

　　應用層軟件按照功能設計一般可分（fèn）為四個模塊：狀（zhuàng）態控製、矢量算法、需求（qiú）轉（zhuǎn）矩計算和診斷模塊。其中，矢量算法模塊分為MTPA控製和弱磁控製（zhì）。

　　MCU關鍵技（jì）術方案包括：基於32位高性能雙核（hé）主處理器；汽車級並聯IGBT技術，定製（zhì）薄膜母線電容及集成（chéng）化功率回路設計，基於AutoSAR架構平台軟件及先進SVPWM PMSM控製（zhì）算法；高防護（hù）等級殼（ké）體及集成一體化水冷散熱設計。

　　表（biǎo）3為世界主流 MCU硬（yìng）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（shù）

　　3.3 電（diàn）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（diàn）池（chí）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真（zhēn）優化（huà）電池包熱管理性能，電器部件及線束實（shí）現了控製係統對電池的安全（quán）保護及連接路徑；通過BMS實現對電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換（huàn）。

　　電池包組成如5所（suǒ）示，包括電（diàn）芯、模塊、電氣係統、熱（rè）管理係統、箱體和BMS。BMS能（néng）夠（gòu）提高電池的利用（yòng）率，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽（shòu）命，監控電池的狀態（tài）。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池包最關鍵的零部件（jiàn），與VCU類似，核心部分由（yóu）硬件電路、底層軟件（jiàn）和應用（yòng）層軟件組成。但BMS硬件（jiàn）由主（zhǔ）板(BCU)和從板(BMU)兩（liǎng）部（bù）分組（zǔ）成，從版安裝於模組內部，用於檢測單體電壓、電流（liú）和均衡控製；主板安（ān）裝位置比較靈（líng）活，用於繼電器控製、荷電狀態值(SOC)估計和電氣傷害保護等。

　　BMU硬件部分完成（chéng）電池單體電壓和溫度測量，並通過高可靠（kào）性的數據傳輸通道（dào）與BCU 模塊進行指令及數據的（de）雙向傳輸。BCU 可選（xuǎn）用基於汽車功能安全（quán）架（jià）構的32 位微處（chù）理器完（wán）成總電壓采集、絕緣檢（jiǎn）測、繼電器驅動及狀態監測等功（gōng）能。

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

　　應用層軟件是BMS的控（kòng）製核（hé）心，包括電池保護（hù）、電（diàn）氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼（jì）電器控製、從板控製、均衡控製、SOC估計和通訊管理（lǐ）等模塊（kuài），應用層軟件架（jià）構如6所示。

　　6 應用（yòng）層（céng）軟（ruǎn）件架（jià）構

　　表4為國（guó）內外主流 BMS供應商的技術參數，代表著BMS的發展動態。

　　表4 BMS技術參數

　　4 充電設施

　　充電設施（shī）不完善是阻礙新能源汽車市場推廣的（de）重要因素，對特斯拉成功（gōng）的解決方（fāng）案（àn）進行分析，並提出新能源汽車的充電解決方案（àn）、剖析充電係統組（zǔ）成。

　　4.1 特斯（sī）拉充電方案分析

　　特斯拉超級充電器（qì）代表了當今世界最先進的充電技術，它為MODEL S充電（diàn）的速度（dù）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

　　特斯拉具有（yǒu）5種充電方式，采用普通110/220V市電插座充電，30小時充（chōng）滿；集成的10kW充電器，10小時充（chōng）滿；集成的20kW充電器，5小時充滿（mǎn）；一種快（kuài）速充電器可以裝在家庭牆壁或者停車場，充電時間可縮短為5小（xiǎo）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場比較普遍。

　　特（tè）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（xiāo）耗又能夠遮陽。與（yǔ）在加油站加油需要付（fù）費不同，經過適當配（pèi）置的 MODEL S 可（kě）以在（zài）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（liǎng）點：1)特（tè）斯拉充電（diàn）站加入了太陽能充電技術，這（zhè）一（yī）技術（shù）使充電站盡可能使（shǐ）用清潔能源，減（jiǎn）少（shǎo）對電（diàn）網的依賴，同時也減少了對電（diàn）網的（de）幹擾，國內這一技術也能實（shí）現。 2)特斯拉充電時間短（duǎn）也不足為（wéi）奇（qí），特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一（yī）樣，並沒（méi）有采用更大的充電倍（bèi）率，所以（yǐ）不會影響電池壽命（mìng）；20分鍾（zhōng）充到40%，就能（néng）滿足續航要求，主要原因是電池（chí）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源汽車充電解決方案，充電係（xì）統組成（chéng）：配電係統(高壓配電櫃、變壓器、無功補（bǔ）償裝置和低壓開關櫃)、充（chōng）電係統(充電櫃和充電機終（zhōng）端)以及儲能係統(儲能電池與逆變器櫃)。無功補（bǔ）償裝置解決充電係統對電網功率因數影響，充（chōng）電櫃內充電機一般都具備有源濾波功能、解決諧波電（diàn）流和功率因數問題。儲能電池和（hé）逆變器櫃解決老舊配電係統無（wú）法滿足充電站容量要求、並起到削峰（fēng）填（tián）穀作用，在不充電時候進行儲（chǔ）能，大容量充電且配（pèi）電係統容量不（bú）足時釋放所（suǒ）儲能量進行充電。如果新建配電係統容量足（zú）夠，儲（chǔ）能電池和（hé）逆變器櫃可（kě）以不選用。風力發電和光伏（fú）發電為充電係統提供清潔能源（yuán），盡量減（jiǎn）少從電網取電。

　　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（zhǒng）結構（gòu）的優勢，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（hé）平（píng）台架構，詳細介紹了三級（jí）模塊體係（xì）中相關的執行係（xì）統和控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及關鍵技術（shù），以及世界主流供應商（shāng）的技術參（cān）數和發展動態（tài）。對特斯拉（lā）成功的解決方案進行分析，並提出新能源汽車的充電解決方案。