​新能源汽車技術分類（lèi）及三大核心（xīn）技術詳解

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

　　1 新能源汽車（chē）分類

　　在新能源（yuán）汽車分類（lèi）中，“弱混、強（qiáng）混”與“串聯、並（bìng）聯”不同分類方法令非業內（nèi）人士感到困惑，其實這些名稱是從不同角度（dù）給出的（de）解釋、並不矛盾。

　　1.1消費者角度

　　消費者角度通常（cháng）按照混合度進行劃分，可（kě）分為起停（tíng）、弱混、中混、強混（hún）、插電和純（chún）電（diàn）動，節油效果和成本增等指標加如表1所示。表中“-”表示（shì）無此功（gōng）能或較弱、“+”個數越多表示效果越好（hǎo），從表中可以看出隨著節油效果改善、成本增加（jiā）也較多。

　　1.2技術角度

　　1 技術角度分類

　　技術角度由簡到繁分為純電動、串（chuàn）聯混合（hé）動力、並聯混合（hé）動力（lì）及混聯混合動力，具體如1所示（shì）。其中P0表示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)係統、電機處於發動機和離（lí）合器之間，P2中電機（jī）處於離合器（qì）和變速器輸入端之間，P3表示電機（jī）處於變速器輸出（chū）端或布置於後軸，P03表示P0和P3的（de）組合。從統計表中可以（yǐ）看出（chū），各種結構在國內外乘用（yòng）或商用車中均得（dé）到廣泛（fàn）應用（yòng），相對來說P2在歐洲比較流行，行星排結構在日係和美係車輛中占主導地位，P03等組合結構在四驅（qū）車輛中應（yīng）用較為普（pǔ）遍、歐藍德和標致3008均已實現量產。新能源車型選擇應綜合考慮結構複雜性、節（jiē）油效果和成本（běn）增加，例（lì）如由通用、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三行星排雙模係統，盡管節油效果（guǒ）較好，但由於結構複雜且成本較高，近十年間的（de）市場表現不盡（jìn）如人意（yì）。

2 新能源汽車模塊規劃

　　盡管（guǎn）新能源汽車分類複雜，但其中共用的（de）模塊較多，在開發過程中可采用（yòng）模塊化方法，共享平台、提高開發速度。總體上（shàng）講，整（zhěng）個新能源汽車可分為三（sān）級模塊（kuài）體係、如2所（suǒ）示，一（yī）級（jí）模塊主要是指執行係統，包（bāo）括充電設備、電動（dòng）附件、儲能（néng）係統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊（kuài）分為執行係統和控製係統兩部分，執行部分包括充電設備的（de）地麵充電機、集電器和車載（zǎi）充電機，儲能係統的（de）單體、電（diàn）箱和PACK，發（fā）動機部分的氣體機、汽油機和（hé）柴油機，發（fā）電機的永磁同步（bù）和交流異步，離合器中（zhōng）的幹式和濕式，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（děng）)、行星（xīng）排和減速（sù）齒輪；二（èr）級模塊的（de）控製係統包括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（kòng）製器、離合器控（kòng）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（kuò）電池單體的功率型和能量型（xíng），永磁和異步電機的水冷和風冷形（xíng）式，控製係統（tǒng）的三級（jí）模塊主要包括硬件、底層和應用層軟件。

　　2三（sān）級模塊體係

　　根據功能和控製的相似性，三級模塊體係的部分模塊可組（zǔ）成純電動(含增程式)、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(含增程式)由充電設備、電動附件、儲能（néng）係統、驅（qū）動電機和齒輪箱組成。各平台模塊的通用性較強（qiáng），采（cǎi）用平台和模塊（kuài）的開發方法，可共享核心部件資源，提升新能源係統（tǒng）的安（ān）全性和可（kě）靠（kào）性，縮短周期（qī）、降低研發及采購成（chéng）本

　　3 新（xīn）能源三大（dà）核心技術

　　在三級模塊體係（xì）和平台架構中，整車控製器（qì）(VCU)、電（diàn）機控製器(MCU)和電池管理係統(BMS)是最重要的核心技術，對整車的（de）動（dòng）力性、經濟（jì）性、可靠性和安全性等有著重要（yào）影響。

　　3.1 VCU

　　VCU是實現整車控製（zhì）決策的（de）核心電子（zǐ）控（kòng）製單元，一般僅新能源汽車配備、傳統燃油車無需該裝置。VCU通過采（cǎi）集油門踏板、擋位、刹車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛（shǐ）意；通過監測車輛狀態（tài）(車速、溫（wēn）度等)信息，由VCU判斷處理（lǐ）後，向（xiàng）動力係統、動力電池係統（tǒng）發送車輛的運行狀態控製指令，同時控製車載（zǎi）附件電力係統的工作模式；VCU具有整車係統故障診斷保護與存儲功能。

　　3為VCU的結構組成，共包括外殼、硬件（jiàn）電路、底層軟（ruǎn）件和應用層軟（ruǎn）件，硬件電（diàn）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硬件采用標準化核（hé）心模塊電路( 32位主處理器、電源、存儲（chǔ）器（qì）、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可移植應用在MCU和BMS，平台化硬件（jiàn）將具有非常（cháng）好的可移植性和擴（kuò）展性（xìng）。隨著汽車級（jí）處理器技術的發展，VCU從基於（yú）16位向32位處理器芯片逐步過（guò）渡，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）源汽車不同（tóng）的控製（zhì）係統；模塊化軟（ruǎn）件組件以軟件複用為目標（biāo），以有效提（tí）高軟件質量（liàng）、縮短軟件開發周期。

　　應用層軟件按照V型開發流程、基於模型開發完（wán）成，有利於團隊協作和平台拓展；采用快速原型工具和模型在環(MIL)工具對軟件模型進行驗證，加快開發速度；策（cè）略文檔和軟件模型均采用專用（yòng）版本工具進（jìn）行管（guǎn）理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換（huàn）擋規律、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（shù），對車（chē）輛動力性（xìng）、經濟（jì）性（xìng）和可靠性有著重要（yào）影響。

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

　　3.2 MCU

　　MCU是新（xīn）能源汽車特有的核心功率電子（zǐ）單元（yuán），通過接收VCU的車（chē）輛行駛控製指令（lìng），控製電動（dòng）機輸出指定（dìng）的（de）扭矩和轉速，驅動車輛行駛。實現把（bǎ）動力電池的直流電能轉換為所需的高壓交（jiāo）流電、並驅動電機（jī）本體輸出機械能。同時，MCU具（jù）有電機（jī）係統故障診斷保護（hù）和存儲功能。

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

　　4 MCU組成（chéng）

　　MCU硬（yìng）件電路采用模塊化、平台化設計理（lǐ）念（niàn）(核心模塊與VCU同平（píng）台)，功率（lǜ）驅動部分采用多重診斷保（bǎo）護功能電路設計，功率回路部（bù）分采用汽車級IGBT模塊並聯技術（shù）、定製母線電（diàn）容和（hé）集成母排（pái）設計；結構部分（fèn）采用高防護等級、集成一體化液冷設計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式係統架構為標準，達到ECU開發共同（tóng）平台的發（fā）展目標，模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：狀態控製、矢量算法、需（xū）求轉矩計算和診斷模塊。其中，矢量算法模塊分為MTPA控製和（hé）弱磁控製。

　　MCU關鍵技術方（fāng）案包括：基於32位高性能雙核主處理器；汽車級並聯IGBT技術，定製薄膜（mó）母線電容及集成（chéng）化（huà）功率（lǜ）回路設計，基於AutoSAR架構平台軟件及先進SVPWM PMSM控製（zhì）算（suàn）法；高防護等級殼體及集成一體化水冷散熱設計。

　　表3為世界主（zhǔ）流 MCU硬件供應（yīng）商的技術參數，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

　　電池包是新能源（yuán）汽車核心能量源，為（wéi）整車提供驅動電能，它主要通過金屬材質的殼體包絡構成（chéng）電（diàn）池包主體。模塊（kuài）化的結構設計實（shí）現了電芯的集成，通過（guò）熱管理（lǐ）設計與仿真優化電池（chí）包熱管理（lǐ）性能，電器部件及線束實現了（le）控製係統對電（diàn）池的安全保護及連接路徑；通（tōng）過BMS實現對（duì）電芯的管理，以及與整車的通訊及信息（xī）交換。

　　電池包組成如5所示，包括電芯、模塊、電氣係統、熱（rè）管理係統、箱體和BMS。BMS能夠提高（gāo）電池（chí）的利用（yòng）率，防止電池出現過充（chōng）電和過（guò）放（fàng）電（diàn），延長電池的使用壽命，監控電池的狀態。

　　5 電池包組成

　　BMS是電池包最關鍵的零部件（jiàn），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（yìng）件由主板（bǎn）(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從版安裝於模組內部，用於檢（jiǎn）測單（dān）體電壓、電流和均衡控製；主板安裝位置比（bǐ）較靈（líng）活，用於繼電器控製（zhì）、荷（hé）電狀態（tài）值(SOC)估（gū）計和電（diàn）氣（qì）傷害（hài）保護（hù）等。

　　BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測量（liàng），並通過高（gāo）可靠性的數據（jù）傳輸通道與BCU 模塊進行指（zhǐ）令及數據（jù）的雙向傳輸。BCU 可選用（yòng）基於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（zhuàng）態（tài）監測等功能。

　　底層軟件架構符合AUTOSAR標準，模塊化開發容易實現擴（kuò）展和移植，提高開（kāi）發效率。

　　應用層軟件是BMS的控製核心，包括電（diàn）池保（bǎo）護（hù）、電氣傷害保護、故障診斷管（guǎn）理、熱（rè）管理、繼電器控製、從板控製、均衡（héng）控製、SOC估計和通訊管理等模塊，應用層軟件架（jià）構如6所示。

　　6 應（yīng）用層軟件架構

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

　　表4 BMS技術參數

　　4 充電設施

　　充電設施不完善是阻礙新能源汽車市場推廣的重要（yào）因素，對特斯拉（lā）成（chéng）功的解決方案進行分析，並提出新能源汽車的（de）充電解決方案、剖析充電係統組成。

　　4.1 特斯拉（lā）充（chōng）電方案分析

　　特斯拉超級充電器代表了當今世界最先進的充電（diàn）技術，它（tā）為MODEL S充（chōng）電的速度遠高於大多數充電站，表（biǎo）5為（wéi）特斯拉電池和充電參（cān）數。

　　表5電池和充電參數（shù）

　　特斯拉具有5種充電方式，采（cǎi）用普通110/220V市電插座充電，30小時（shí）充滿；集成的（de）10kW充電器，10小時充滿（mǎn）；集成的20kW充電器，5小時充滿；一（yī）種快速充電器可以裝（zhuāng）在（zài）家庭牆壁或者停車場，充電（diàn）時間可縮短為5小時； 45分鍾能充80%的電量、且電費（fèi）全免，這種快充裝置僅在北美市場比較普遍。

　　特斯拉使用太陽能電池板遮陽棚的充電站，既（jì）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（guò）適當配置的 MODEL S 可以在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點：1)特斯拉充電站加入了（le）太陽能充電技術，這一技術使充電站（zhàn）盡可能使用清潔能源，減少對電網的（de）依賴，同時（shí）也減少了對電網的幹擾，國內這一技術也（yě）能實現。 2)特斯拉充電時（shí）間短也不足為奇，特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充（chōng）電倍率0.8C，跟普通快充一樣，並沒有采用更大的充電倍率，所以不會影響電池壽命；20分鍾充到40%，就能滿足續航要求，主要原因是（shì）電池容（róng）量大。

　　4.2 充電解決方案

　　7充電係統組成

　　7為一種可參考（kǎo）的新能源汽車（chē）充（chōng）電解決方案，充電係統（tǒng）組（zǔ）成：配電係統(高壓配電櫃（guì）、變壓器、無功補償裝置和低壓開（kāi）關櫃)、充電係（xì）統(充（chōng）電櫃和充電機終端)以及儲（chǔ）能（néng）係統(儲（chǔ）能（néng）電（diàn）池與逆變器櫃)。無（wú）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（chōng）電機一般（bān）都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率因數問題（tí）。儲能（néng）電池和（hé）逆變器櫃解決老舊配電係統無法滿足充電站容量要求、並（bìng）起到削峰填（tián）穀作用（yòng），在不充電時候進（jìn）行儲能，大容量充電（diàn）且配（pèi）電係統容量不足（zú）時釋放所儲能量進行充（chōng）電。如果（guǒ）新建配電係統容量足（zú）夠，儲能電（diàn）池和逆變（biàn）器（qì）櫃可以不選用。風力發電和光伏發（fā）電為充電係統提供清潔（jié）能（néng）源（yuán），盡量減少從（cóng）電網取電。

　　5 總結

　　從消費者和技術（shù）角度分別對新能源汽車結構進行歸納分類，分析各種結構的優勢，以及國內（nèi）外各（gè）主機廠的應用（yòng）情況。分析新（xīn）能源汽車的模（mó）塊組成和平台架構，詳細介紹了三級模（mó）塊體係中相關的執行係統和控製係統（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（de）技（jì）術參數和發展動態。對特斯拉（lā）成功的解決方案進（jìn）行分析，並提出新能源汽車的充電解決方（fāng）案。