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解決方案
【技術(shù)】詳細(xì)解析新能源汽車核心技術(shù)：電池包和BMS、VCU、 MCU
發(fā)布時(shí)間：
2016-05-09
2014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和初級(jí)研發(fā)人員更好地了解新能源汽車的核心技術(shù)，筆者結(jié)合研發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從新能源汽車分類、模塊規(guī)劃、電控技術(shù)和充電設(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)這些名稱是從不同角度給出的解釋、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、插電和純電動(dòng)，節(jié)油效果和成本增等指標(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，從表中可以看出隨著節(jié)油效果改善、成本增加也較多。
1.2技術(shù)角度
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(Belt starter generator，帶傳動(dòng)啟停裝置)系統(tǒng)，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)一體化裝置)系統(tǒng)、電機(jī)處于發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器之間，P2中電機(jī)處于離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機(jī)處于變速器輸出端或布置于后軸，P03表示P0和P3的組合。從統(tǒng)計(jì)表中可以看出，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)在日系和美系車輛中占主導(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)德和標(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(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高，近十年間的市場(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，但其中共用的模塊較多，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?？傮w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)和齒輪箱。二級(jí)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(shè)備的地面充電機(jī)、集電器和車載充電機(jī)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的單體、電箱和PACK，發(fā)動(dòng)機(jī)部分的氣體機(jī)、汽油機(jī)和柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)的永磁同步和交流異步，離合器中的干式和濕式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的永磁同步和交流異步，齒輪箱部分的有級(jí)式自動(dòng)變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二級(jí)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(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)和整車控制器。三級(jí)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(jī)的水冷和風(fēng)冷形式，控制系統(tǒng)的三級(jí)模塊主要包括硬件、底層和應(yīng)用層軟件。
根據(jù)功能和控制的相似性，三級(jí)模塊體系的部分模塊可組成純電動(dòng)(含增程式)、插電并聯(lián)混動(dòng)和插電混聯(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)和齒輪箱組成。各平臺(tái)模塊的通用性較強(qiáng)，采用平臺(tái)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(gòu)成本。
3新能源三大核心技術(shù)
在三級(jí)模塊體系和平臺(tái)架構(gòu)中，整車控制器(VCU)、電機(jī)控制器(MCU)和電池管理系統(tǒng)(BMS)是最重要的核心技術(shù)，對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等有著重要影響。
3.1VCU
VCU是實(shí)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(hào)來判斷駕駛員的駕駛意圖；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)送車輛的運(yùn)行狀態(tài)控制指令，同時(shí)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(hù)與存儲(chǔ)功能。
圖3為VCU的結(jié)構(gòu)組成，共包括外殼、硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件，硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件是VCU的關(guān)鍵核心技術(shù)。
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 )和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和BMS，平臺(tái)化硬件將具有非常好的可移植性和擴(kuò)展性。隨著汽車級(jí)處理器技術(shù)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(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)的發(fā)展目標(biāo)，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(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)作和平臺(tái)拓展；采用快速原型工具和模型在環(huán)(MIL)工具對(duì)軟件模型進(jìn)行驗(yàn)證，加快開發(fā)速度；策略文檔和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)矩分配和故障診斷策略等是應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有著重要影響。
表2為世界主流VCU供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著VCU的發(fā)展動(dòng)態(tài)。
3.2MCU
MCU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(dòng)機(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。實(shí)現(xiàn)把動(dòng)力電池的直流電能轉(zhuǎn)換為所需的高壓交流電、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)和存儲(chǔ)功能。
MCU由外殼及冷卻系統(tǒng)、功率電子單元、控制電路、底層軟件和控制算法軟件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
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)、定制母線電容和集成母排設(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)的發(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)算和診斷模塊。其中，矢量算法模塊分為MTPA控制和弱磁控制。
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)SVPWM PMSM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)商的技術(shù)參數(shù)，代表著MCU的發(fā)展動(dòng)態(tài)。
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(qū)動(dòng)電能，它主要通過金屬材質(zhì)的殼體包絡(luò)構(gòu)成電池包主體。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯的集成，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)電池的安全保護(hù)及連接路徑；通過BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。
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(zhǎng)電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。
BMS是電池包最關(guān)鍵的零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應(yīng)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(nèi)部，用于檢測(cè)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(jì)和電氣傷害保護(hù)等。
BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測(cè)量，并通過高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸通道與BCU 模塊進(jìn)行指令及數(shù)據(jù)的雙向傳輸。BCU 可選用基于汽車功能安全架構(gòu)的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)展和移植，提高開發(fā)效率。
應(yīng)用層軟件是BMS的控制核心，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)和通訊管理等模塊，應(yīng)用層軟件架構(gòu)如圖6所示。
表4為國(guó)內(nèi)外主流 BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著BMS的發(fā)展動(dòng)態(tài)。
4充電設(shè)施
充電設(shè)施不完善是阻礙新能源汽車市場(chǎng)推廣的重要因素，對(duì)特斯拉成功的解決方案進(jìn)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。
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)的充電技術(shù)，它為MODEL S充電的速度遠(yuǎn)高于大多數(shù)充電站，表5為特斯拉電池和充電參數(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；集成的10kW充電器，10小時(shí)充滿；集成的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%的電量、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(fèi)不同，經(jīng)過適當(dāng)配置的 MODEL S 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)的依賴，同時(shí)也減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾，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，特斯拉的充電機(jī)容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一樣，并沒有采用更大的充電倍率，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，主要原因是電池容量大。
圖7為一種可參考的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)償裝置和低壓開關(guān)柜)、充電系統(tǒng)(充電柜和充電機(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、解決諧波電流和功率因數(shù)問題。儲(chǔ)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(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)能電池和逆變器柜可以不選用。風(fēng)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?gòu)碾娋W(wǎng)取電。
5總結(jié)
從消費(fèi)者和技術(shù)角度分別對(duì)新能源汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納分類，分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，以及國(guó)內(nèi)外各主機(jī)廠的應(yīng)用情況。分析新能源汽車的模塊組成和平臺(tái)架構(gòu)，詳細(xì)介紹了三級(jí)模塊體系中相關(guān)的執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。分析VCU、MCU和BMS的結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵技術(shù)，以及世界主流供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)和發(fā)展動(dòng)態(tài)。對(duì)特斯拉成功的解決方案進(jìn)行分析，并提出新能源汽車的充電解決方案。
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