​新能源汽車（chē）技術分類及（jí）三大核（hé）心（xīn）技術詳解

       為了使新能源愛（ài）好者和初級研發（fā）人員（yuán）更好（hǎo）地了解新能源汽（qì）車的（de）核心技術，筆者結合研發過程（chéng）中的經驗總（zǒng）結，從新能源汽車分類（lèi）、模塊規劃、電控技術和充（chōng）電（diàn）設施等方麵進行了（le）分析。

　　1 新能源汽車分（fèn）類

　　在新能源（yuán）汽車分類中，“弱混、強混”與“串聯、並聯”不同分類方法令非業（yè）內人士感到（dào）困惑，其實這些名稱是從不同角（jiǎo）度給出的解釋、並（bìng）不矛盾。

　　1.1消費者角度（dù）

　　消費者角度（dù）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，節油效果（guǒ）和成本增（zēng）等指標（biāo）加如表1所示。表中“-”表示無此功（gōng）能或較弱、“+”個數越多表示效果越好，從表中可以看出隨著節油效果（guǒ）改善、成本增加也較多。

　　1.2技術（shù）角度

　　1 技術角度分類

　　技術角度由簡到繁分為純電動、串聯（lián）混合動力、並聯混（hún）合動（dòng）力及混聯混合動力，具體如（rú）1所示。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停（tíng）裝置)係統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發（fā）電機一體化裝置)係統、電機處於發動機（jī）和離合器之間，P2中電機處於離合器和變速（sù）器輸入端之間，P3表示電機處（chù）於變速器輸出端（duān）或布置於後軸，P03表示P0和P3的組合。從統（tǒng）計表中可以看（kàn）出，各種結構在國內外乘用或商用車中（zhōng）均得到廣泛應（yīng）用，相對來說P2在歐洲比較流（liú）行，行星（xīng）排結構在日係（xì）和美係車輛中占（zhàn）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（yǐ）實現量產。新能源車型選擇應綜（zōng）合考慮結構複雜性、節油效果和成本增加（jiā），例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三行星（xīng）排雙模係統，盡管節油效果較好，但由於（yú）結（jié）構複雜且成本較高，近十年間的市場表現不（bú）盡如人意。

2 新能源汽車模塊（kuài）規劃

　　盡管新能源汽車分（fèn）類複雜，但其中共用（yòng）的模塊（kuài）較多，在開發過程中（zhōng）可采用模（mó）塊化方法，共享平台、提高開發（fā）速度。總體上講，整個新能（néng）源汽車可分為三級模塊體係、如（rú）2所示（shì），一級模塊（kuài）主要是指執行係統，包括充電設（shè）備、電動附件、儲能係統、發動機、發電機、離合器、驅動電機（jī）和齒輪箱。二級模（mó）塊分（fèn）為（wéi）執（zhí）行係統和控製係統兩部（bù）分，執行部分包（bāo）括充電（diàn）設備的地麵（miàn）充電機、集（jí）電器和車載充（chōng）電機，儲能係（xì）統的單體、電箱和PACK，發動機部分的氣體機、汽油機（jī）和柴油機，發電（diàn）機的永磁（cí）同步和交流異步，離合器（qì）中的幹式和濕式（shì），驅動電機的永（yǒng）磁同步和交流異步，齒輪箱部（bù）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；二級模塊的控製係（xì）統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和（hé）VCU，分別表示電池管理係統、發動機電子控製單元、發電機（jī）控製器、離合器控製單元、電機控製器、變速器控製係統和整車控製器。三級模塊體係中，包括電池單體的功率型和能量型，永磁和異（yì）步電機的水冷（lěng）和風冷形式，控製係（xì）統的三級模塊主要（yào）包括硬件、底層和應用層軟（ruǎn）件。

　　2三級模（mó）塊體係

　　根據功能（néng）和控製的相似性，三級模塊體係的部分模塊可組（zǔ）成純（chún）電動(含增程式)、插電（diàn）並聯混動和插電混聯混動三種平台（tái）架構，例如純電動(含增程式)由充電設備、電動（dòng）附件、儲能係統、驅動電機和齒輪箱組成。各平台模塊的通用性較強，采用平台和模塊的開發（fā）方法，可共享核心部件資源，提升新能源（yuán）係統的安全（quán）性和可靠性，縮短周期、降低研發及采購成（chéng）本

　　3 新能源（yuán）三大核心技術

　　在三級模塊體係和平台架（jià）構中，整車控製器(VCU)、電機控製器(MCU)和電池管（guǎn）理係統(BMS)是最（zuì）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。

　　3.1 VCU

　　VCU是（shì）實現整車控製決（jué）策的核心電子控製（zhì）單（dān）元，一般僅新能源汽車配備、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（hào）來（lái）判斷駕駛員的駕駛意；通（tōng）過監測車輛狀（zhuàng）態(車速、溫度等)信（xìn）息，由VCU判斷處理後，向動力係統、動力電（diàn）池係統發送（sòng）車輛的運（yùn）行狀態控製指令，同時控製車載附（fù）件電（diàn）力係統的工作（zuò）模式；VCU具有整車係統故障診斷保護（hù）與存儲功能（néng）。

　　3為VCU的結（jié）構組成，共包括外殼、硬件電路、底層軟件和（hé）應用層軟件，硬件電路、底層軟件和應用層軟（ruǎn）件是（shì）VCU的關鍵（jiàn）核心技術。

　　3 VCU組成

　VCU硬件（jiàn）采用標準化核心模（mó）塊電（diàn）路( 32位主處理器、電源、存儲器（qì）、CAN )和VCU專用電路(傳（chuán）感器采集（jí）等（děng）)設計；其中標準化核心模（mó）塊電路（lù）可移（yí）植應用在MCU和BMS，平台（tái）化（huà）硬件（jiàn）將（jiāng）具有非常好的可移植性和（hé）擴（kuò）展性。隨著汽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（bù）過渡（dù），32位已成為業界的主流產品。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式係統架構為標準，達到電子控製單元(ECU)開發共平台的發展目標，支持新能（néng）源汽車不（bú）同的控製係（xì）統；模塊化軟件組件以軟件複用為目（mù）標，以有效提高軟件質（zhì）量、縮短軟件開發（fā）周期。

　　應用層軟件（jiàn）按照V型開發流程、基於模型開發完成，有利於（yú）團（tuán）隊協（xié）作和平台拓展；采（cǎi）用（yòng）快速原型（xíng）工具和模型在環(MIL)工具對軟件模（mó）型進（jìn）行驗證，加快開發速度；策略文檔和軟件模型均采用（yòng）專用版本工（gōng）具進行（háng）管理，增強可追（zhuī）溯性；駕駛員轉矩解析、換（huàn）擋規律、模式（shì）切換、轉矩分配和（hé）故障診斷策略等是應用層的關（guān）鍵技術，對（duì）車（chē）輛動力性、經濟性和可靠（kào）性有著重要影響。

　　表（biǎo）2為世界主流VCU供應商的技術參數，代（dài）表著（zhe）VCU的發展動態。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源（yuán）汽車特有的核心功率電（diàn）子單元，通過接收VCU的車輛行駛控製（zhì）指令，控製電動（dòng）機輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行（háng）駛。實現把（bǎ）動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流（liú）電、並驅動電機本體輸出機械能（néng）。同（tóng）時，MCU具有電機係統故（gù）障診（zhěn）斷保護和存儲功能。

　　MCU由外殼及冷卻係統、功率電子單元、控製（zhì）電路、底層軟件和控（kòng）製算法軟（ruǎn）件組成，具體結構如（rú）4所示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路采用模塊化、平（píng）台化設計（jì）理念(核心（xīn）模塊與（yǔ）VCU同平台)，功率驅動部（bù）分采用多重診（zhěn）斷保護功（gōng）能電路設計，功率回路部（bù）分采用汽車級IGBT模塊並聯技術、定製（zhì）母（mǔ）線電容和集成母排（pái）設（shè）計；結構部分采用高防護等級、集成一體化液冷設計。

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

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

　　MCU關鍵技術方案包括：基於（yú）32位高（gāo）性能雙核主處理器；汽車級並聯IGBT技術，定製薄膜（mó）母線電容及集成化（huà）功（gōng）率回路設計，基於AutoSAR架構平（píng）台軟件及（jí）先進SVPWM PMSM控製算法（fǎ）；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 MCU硬件供應商的技術參數（shù），代（dài）表（biǎo）著MCU的發展動態。

　　表3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和BMS

　　電（diàn）池包是新能源汽車（chē）核心能量（liàng）源，為整車提供驅動電能，它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集成，通過熱管理設計與仿真優化電池包熱管理性能，電器（qì）部件及線束實現了控製係統對電池的安全保護及連接路徑；通過BMS實現對電芯的管（guǎn）理，以及與整車的通訊及信息交換。

　　電池包組（zǔ）成如5所示，包括電芯、模塊、電氣係（xì）統、熱管理係統、箱體和BMS。BMS能夠提（tí）高電池的利（lì）用（yòng）率，防止電（diàn）池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電（diàn）池的狀態。

　　5 電池（chí）包組成

　　BMS是電池包最關鍵（jiàn）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（fèn）組成，從版安裝於模組內部，用於檢測單體電壓、電流和均衡控製；主板安裝位置比較靈（líng）活（huó），用（yòng）於繼電器控製、荷電狀態值(SOC)估計和電（diàn）氣傷害保護（hù）等。

　　BMU硬件（jiàn）部分完成電（diàn）池單體電壓和溫（wēn）度測量，並通過高可靠性的數據（jù）傳輸（shū）通（tōng）道與BCU 模塊（kuài）進行（háng）指令及數據的（de）雙向傳輸。BCU 可選用基於汽車功能安全架構的32 位微（wēi）處理（lǐ）器完成（chéng）總電壓采集、絕緣（yuán）檢測、繼電器驅動（dòng）及（jí）狀態監測等功能。

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

　　應用層軟件是BMS的控製核心，包括電池保護、電氣傷害（hài）保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控製、從板（bǎn）控製（zhì）、均衡控製、SOC估計和通訊管理等模塊，應用層軟件架構如6所示（shì）。

　　6 應用（yòng）層軟（ruǎn）件架構（gòu）

　　表4為國內外主流 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（shù）

　　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重要因（yīn）素，對特斯拉成功的解決（jué）方案進行分（fèn）析，並提出新能源（yuán）汽車的充電解決方案（àn）、剖析（xī）充電係統組（zǔ）成。

　　4.1 特斯拉充電（diàn）方案分（fèn）析

　　特斯拉（lā）超級充電（diàn）器代表了當今世界最先進的充電（diàn）技（jì）術，它為MODEL S充電（diàn）的速度遠高於大（dà）多數充電站，表5為特斯拉電池（chí）和（hé）充電參數。

　　表5電池和充（chōng）電參數

　　特斯拉具有（yǒu）5種充電方式，采用普通（tōng）110/220V市電插座充電，30小時（shí）充滿；集成的10kW充電器，10小時充滿；集成（chéng）的20kW充電（diàn）器，5小時充滿；一種快速充電器（qì）可以裝在（zài）家庭牆壁或者停車場，充電時間（jiān）可縮短為5小（xiǎo）時； 45分鍾能充80%的電量（liàng）、且電費全免，這種快（kuài）充裝置僅在北（běi）美市場比較（jiào）普遍。

　　特斯拉使用太（tài）陽能電池板遮陽棚的充電站，既可（kě）以抵消能源消耗又能夠遮陽。與在加油站（zhàn）加油需要付費不（bú）同，經過適當配置的 MODEL S 可以在任（rèn）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點：1)特斯拉充電站（zhàn）加入了太陽能（néng）充電技術，這一技術使充電站盡可能（néng）使用清潔（jié）能源，減少對電網的依賴，同時也減少了對電網的幹擾，國內這一技術（shù）也能實（shí）現。 2)特斯拉充電時間短也不足為奇，特斯拉的充電（diàn）機（jī）容（róng）量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一（yī）樣（yàng），並沒有（yǒu）采用更大的（de）充電（diàn）倍率，所以不會影響電池壽命；20分鍾充到（dào）40%，就能滿（mǎn）足續航要求，主要原（yuán）因是電池容量（liàng）大。

　　4.2 充電解決方案

　　7充電係（xì）統組成

　　7為一（yī）種可參考的新能源汽車充電解決方案，充（chōng）電係統組成（chéng）：配電係統(高壓配電櫃、變（biàn）壓器、無功補償（cháng）裝置和低壓開關櫃)、充電（diàn）係統(充電櫃和充電機終端)以及儲能係統(儲能電池與逆（nì）變器櫃)。無功補（bǔ）償裝置解決（jué）充電係統對電網功率因數影響（xiǎng），充電櫃內充（chōng）電機一般都具備有源濾波功能、解決（jué）諧波電流和功率因數問（wèn）題。儲能電池和逆變器櫃解決老舊（jiù）配電係統無法滿（mǎn）足充電（diàn）站容量（liàng）要求、並起到（dào）削峰填（tián）穀作用，在不充電（diàn）時候進行儲能，大容量充電且配電係統（tǒng）容量不足時釋放所儲能量進行充電。如果新（xīn）建配電係（xì）統容（róng）量足（zú）夠（gòu），儲（chǔ）能（néng）電池和逆變器櫃可以不選用。風力發（fā）電和光伏發電為充電係統提供清潔能源（yuán），盡量減（jiǎn）少從電網取電（diàn）。

　　5 總結

　　從消（xiāo）費者和技術角度分別對新（xīn）能源汽車（chē）結構進行（háng）歸納分類，分析各種結（jié）構的優（yōu）勢，以及國內外各主機廠的應用情況。分析新（xīn）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製係統。分析VCU、MCU和BMS的結（jié）構組成及關鍵技術，以及世界主流供應商的技術參數和發展動態。對（duì）特（tè）斯拉成功的解決方案進行分析，並提出新（xīn）能（néng）源汽車（chē）的充電（diàn）解決方案（àn）。