新能源汽車核心技術(shù)詳解：電池包和BMS、VCU、-MCU

新能源汽車核心技術(shù)詳解：電池包與ＢMS、VCU、MCＵ電子創(chuàng)新網(wǎng)

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２001—１5—20１1：54２0１4年國(guó)內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷突破8萬輛，發(fā)展態(tài)勢(shì)喜人。為了使新能源愛好者與初級(jí)研發(fā)人員更好地了解新能源汽車得核心技術(shù)，筆者結(jié)合研發(fā)過程中得經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從新能源汽車分類、模塊規(guī)劃、電控技術(shù)與充電設(shè)施等方面進(jìn)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“串聯(lián)、并聯(lián)”不同分類方法令非業(yè)內(nèi)人士感到困惑，其實(shí)這些名稱就是從不同角度給出得解釋、并不矛盾。１、1消費(fèi)者角度消費(fèi)者角度通常按照混合度進(jìn)行劃分,可分為起停、弱混、中混、強(qiáng)混、插電與純電動(dòng)，節(jié)油效果與成本增等指標(biāo)加如表1所示。表中“-”表示無此功能或較弱、“＋"個(gè)數(shù)越多表示效果越好，從表中可以瞧出隨著節(jié)油效果改善、成本增加也較多。1、2技術(shù)角度圖1技術(shù)角度分類技術(shù)角度由簡(jiǎn)到繁分為純電動(dòng)、串聯(lián)混合動(dòng)力、并聯(lián)混合動(dòng)力及混聯(lián)混合動(dòng)力，具體如圖1所示。其中P０表示BSG（Beltsｔaｒteｒgenｅrator,帶傳動(dòng)啟停裝置）系統(tǒng)，Ｐ1代表ＩSG(Iｎteｇｒaｔedstａrtergeｎerator，啟動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)一體化裝置）系統(tǒng)、電機(jī)處于發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器之間,P２中電機(jī)處于離合器與變速器輸入端之間，P3表示電機(jī)處于變速器輸出端或布置于后軸，P03表示P0與P３得組合。從統(tǒng)計(jì)表中可以瞧出，各種結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外乘用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(jié)構(gòu)在日系與美系車輛中占主導(dǎo)地位,P０3等組合結(jié)構(gòu)在四驅(qū)車輛中應(yīng)用較為普遍、歐藍(lán)德與標(biāo)致300８均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn).新能源車型選擇應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、節(jié)油效果與成本增加,例如由通用、克萊斯勒與寶馬聯(lián)合開發(fā)得三行星排雙模系統(tǒng),盡管節(jié)油效果較好，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高，近十年間得市場(chǎng)表現(xiàn)不盡如人意。2新能源汽車模塊規(guī)劃盡管新能源汽車分類復(fù)雜，但其中共用得模塊較多,在開發(fā)過程中可采用模塊化方法，共享平臺(tái)、提高開發(fā)速度。總體上講，整個(gè)新能源汽車可分為三級(jí)模塊體系、如圖２所示，一級(jí)模塊主要就是指執(zhí)行系統(tǒng),包括充電設(shè)備、電動(dòng)附件、儲(chǔ)能系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、離合器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與齒輪箱。二級(jí)模塊分為執(zhí)行系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩部分，執(zhí)行部分包括充電設(shè)備得地面充電機(jī)、集電器與車載充電機(jī)，儲(chǔ)能系統(tǒng)得單體、電箱與ＰＡCK，發(fā)動(dòng)機(jī)部分得氣體機(jī)、汽油機(jī)與柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)得永磁同步與交流異步，離合器中得干式與濕式,驅(qū)動(dòng)電機(jī)得永磁同步與交流異步,齒輪箱部分得有級(jí)式自動(dòng)變速器(包括ＡMＴ、ＡT與ＤCT等）、行星排與減速齒輪；二級(jí)模塊得控制系統(tǒng)包括BＭＳ、ECU、GCＵ、CCU、MCU、TCU與ＶCU，分別表示電池管理系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元、發(fā)電機(jī)控制器、離合器控制單元、電機(jī)控制器、變速器控制系統(tǒng)與整車控制器。三級(jí)模塊體系中，包括電池單體得功率型與能量型,永磁與異步電機(jī)得水冷與風(fēng)冷形式，控制系統(tǒng)得三級(jí)模塊主要包括硬件、底層與應(yīng)用層軟件.圖2三級(jí)模塊體系根據(jù)功能與控制得相似性，三級(jí)模塊體系得部分模塊可組成純電動(dòng)（含增程式）、插電并聯(lián)混動(dòng)與插電混聯(lián)混動(dòng)三種平臺(tái)架構(gòu)，例如純電動(dòng)（含增程式）由充電設(shè)備、電動(dòng)附件、儲(chǔ)能系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與齒輪箱組成.各平臺(tái)模塊得通用性較強(qiáng)，采用平臺(tái)與模塊得開發(fā)方法，可共享核心部件資源,提升新能源系統(tǒng)得安全性與可靠性，縮短周期、降低研發(fā)及采購(gòu)成本。3新能源三大核心技術(shù)在三級(jí)模塊體系與平臺(tái)架構(gòu)中,整車控制器(ＶCU)、電機(jī)控制器（MCU)與電池管理系統(tǒng)（BMＳ)就是最重要得核心技術(shù)，對(duì)整車得動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性與安全性等有著重要影響.3、1VCUVＣU就是實(shí)現(xiàn)整車控制決策得核心電子控制單元,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(hào)來判斷駕駛員得駕駛意圖；通過監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)(車速、溫度等)信息,由VCU判斷處理后,向動(dòng)力系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)送車輛得運(yùn)行狀態(tài)控制指令,同時(shí)控制車載附件電力系統(tǒng)得工作模式；VCU具有整車系統(tǒng)故障診斷保護(hù)與存儲(chǔ)功能。圖3為VCU得結(jié)構(gòu)組成,共包括外殼、硬件電路、底層軟件與應(yīng)用層軟件，硬件電路、底層軟件與應(yīng)用層軟件就是VCU得關(guān)鍵核心技術(shù)。圖3VCU組成ＶCU硬件采用標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路（32位主處理器、電源、存儲(chǔ)器、CAN）與ＶＣU專用電路(傳感器采集等）設(shè)計(jì)；其中標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路可移植應(yīng)用在MCＵ與ＢMS，平臺(tái)化硬件將具有非常好得可移植性與擴(kuò)展性。隨著汽車級(jí)處理器技術(shù)得發(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)界得主流產(chǎn)品。底層軟件以AUTＯSＡＲ汽車軟件開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到電子控制單元(EＣＵ)開發(fā)共平臺(tái)得發(fā)展目標(biāo)，支持新能源汽車不同得控制系統(tǒng);模塊化軟件組件以軟件復(fù)用為目標(biāo),以有效提高軟件質(zhì)量、縮短軟件開發(fā)周期.應(yīng)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(tuán)隊(duì)協(xié)作與平臺(tái)拓展;采用快速原型工具與模型在環(huán)(MＩL）工具對(duì)軟件模型進(jìn)行驗(yàn)證，加快開發(fā)速度；策略文檔與軟件模型均采用專用版本工具進(jìn)行管理,增強(qiáng)可追溯性；駕駛員轉(zhuǎn)矩解析、換擋規(guī)律、模式切換、轉(zhuǎn)矩分配與故障診斷策略等就是應(yīng)用層得關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與可靠性有著重要影響.3、2MCUＭCU就是新能源汽車特有得核心功率電子單元，通過接收VCU得車輛行駛控制指令，控制電動(dòng)機(jī)輸出指定得扭矩與轉(zhuǎn)速,驅(qū)動(dòng)車輛行駛。實(shí)現(xiàn)把動(dòng)力電池得直流電能轉(zhuǎn)換為所需得高壓交流電、并驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體輸出機(jī)械能。同時(shí),ＭCＵ具有電機(jī)系統(tǒng)故障診斷保護(hù)與存儲(chǔ)功能。MCU由外殼及冷卻系統(tǒng)、功率電子單元、控制電路、底層軟件與控制算法軟件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖４所示。圖4ＭCＵ組成ＭCU硬件電路采用模塊化、平臺(tái)化設(shè)計(jì)理念(核心模塊與VＣU同平臺(tái)）,功率驅(qū)動(dòng)部分采用多重診斷保護(hù)功能電路設(shè)計(jì)，功率回路部分采用汽車級(jí)IＧBＴ模塊并聯(lián)技術(shù)、定制母線電容與集成母排設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)部分采用高防護(hù)等級(jí)、集成一體化液冷設(shè)計(jì).與ＶCU類似,MCＵ底層軟件以AUTOSＡR開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到ＥＣU開發(fā)共同平臺(tái)得發(fā)展目標(biāo),模塊化軟件組件以軟件復(fù)用為目標(biāo)。應(yīng)用層軟件按照功能設(shè)計(jì)一般可分為四個(gè)模塊：狀態(tài)控制、矢量算法、需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算與診斷模塊.其中，矢量算法模塊分為MＴPＡ控制與弱磁控制。ＭCU關(guān)鍵技術(shù)方案包括:基于32位高性能雙核主處理器；汽車級(jí)并聯(lián)IGＢＴ技術(shù),定制薄膜母線電容及集成化功率回路設(shè)計(jì),基于AutoSＡＲ架構(gòu)平臺(tái)軟件及先進(jìn)SVＰWMPMSＭ控制算法;高防護(hù)等級(jí)殼體及集成一體化水冷散熱設(shè)計(jì)。表3為世界主流MCU硬件供應(yīng)商得技術(shù)參數(shù),代表著MＣU得發(fā)展動(dòng)態(tài)。3、3電池包與BMS電池包就是新能源汽車核心能量源，為整車提供驅(qū)動(dòng)電能，它主要通過金屬材質(zhì)得殼體包絡(luò)構(gòu)成電池包主體。模塊化得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯得集成，通過熱管理設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能,電器部件及線束實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)電池得安全保護(hù)及連接路徑；通過BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯得管理，以及與整車得通訊及信息交換。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)、箱體與BMＳ。BMS能夠提高電池得利用率，防止電池出現(xiàn)過充電與過放電,延長(zhǎng)電池得使用壽命,監(jiān)控電池得狀態(tài)。圖5電池包組成BMS就是電池包最關(guān)鍵得零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件與應(yīng)用層軟件組成。但BＭS硬件由主板(BCＵ）與從板(BMＵ）兩部分組成,從版安裝于模組內(nèi)部,用于檢測(cè)單體電壓、電流與均衡控制；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(jì)與電氣傷害保護(hù)等。ＢMU硬件部分完成電池單體電壓與溫度測(cè)量，并通過高可靠性得數(shù)據(jù)傳輸通道與BCU模塊進(jìn)行指令及數(shù)據(jù)得雙向傳輸。BCU可選用基于汽車功能安全架構(gòu)得32位微處理器完成總電壓采集、絕緣檢測(cè)、繼電器驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能.底層軟件架構(gòu)符合AＵTOSAR標(biāo)準(zhǔn),模塊化開發(fā)容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展與移植，提高開發(fā)效率.應(yīng)用層軟件就是BMS得控制核心,包括電池保護(hù)、電氣傷害保護(hù)、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(jì)與通訊管理等模塊，應(yīng)用層軟件架構(gòu)如圖6所示.圖６應(yīng)用層軟件架構(gòu)表4為國(guó)內(nèi)外主流ＢMS供應(yīng)商得技術(shù)參數(shù),代表著BMＳ得發(fā)展動(dòng)態(tài)。４充電設(shè)施充電設(shè)施不完善就是阻礙新能源汽車市場(chǎng)推廣得重要因素,對(duì)特斯拉成功得解決方案進(jìn)行分析,并提出新能源汽車得充電解決方案、剖析充電系統(tǒng)組成。4、1特斯拉充電方案分析特斯拉超級(jí)充電器代表了當(dāng)今世界最先進(jìn)得充電技術(shù),它為MOＤＥＬS充電得速度遠(yuǎn)高于大多數(shù)充電站，表5為特斯拉電池與充電參數(shù)。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(shí)充滿；集成得1０kＷ充電器,10小時(shí)充滿；集成得20kW充電器，５小時(shí)充滿；一種快速充電器可以裝在家庭墻壁或者停車場(chǎng)，充電時(shí)間可縮短為5小時(shí)；４5分鐘能充８０%得電量、且電費(fèi)全免,這種快充裝置僅在北美市場(chǎng)比較普遍.特斯拉使用太陽能電池板遮陽棚得充電站,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(fèi)不同，經(jīng)過適當(dāng)配置得MＯＤELＳ可以在任何開放充電站免費(fèi)充電。特斯拉充電技術(shù)特點(diǎn)可總結(jié)如下兩點(diǎn)：1）特斯拉充電站加入了太陽能充電技術(shù)，這一技術(shù)使充電站盡可能使用清潔能源，減少對(duì)電網(wǎng)得依賴,同時(shí)也減少了對(duì)電網(wǎng)得干擾，國(guó)內(nèi)這一技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)。２）特斯拉充電時(shí)間短也不足為奇，特斯拉得充電機(jī)容量大９0~120ｋWh，充電倍率0、8C，跟普通快充一樣,并沒有采用更大得充電倍率，所以不會(huì)影響電池壽命；20分鐘充到4０％，就能滿足續(xù)航要求，主要原因就是電池容量大。４、2充電解決方案圖7充電系統(tǒng)組成圖7為一種可參考得新能源汽車充電解決方案,充電系統(tǒng)組成：配電系統(tǒng)(高壓配電柜、變壓器、無功補(bǔ)償裝置與低壓開關(guān)柜)、充電系統(tǒng)（充電柜與充電機(jī)終端)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)（儲(chǔ)能電池與逆變器柜）。無功補(bǔ)償裝置解決充電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)影響，充電柜內(nèi)充電機(jī)一般都具備有源濾波功能、解決諧波電流與功率因數(shù)問題。儲(chǔ)能電池與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(shí)候進(jìn)行儲(chǔ)能,大容量充電且配電系統(tǒng)容量不足時(shí)釋放所儲(chǔ)能量進(jìn)行充電.如果新建配電系統(tǒng)容量足夠,儲(chǔ)能電池與逆變器柜可以不選用。風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電為充電系統(tǒng)提供清潔能源，盡量減少?gòu)碾娋W(wǎng)取電。５總結(jié)從消費(fèi)者與技