​新能源汽車技術分類及（jí）三大（dà）核心（xīn）技術詳（xiáng）解

       為了使新能源愛（ài）好者和初級研發人員（yuán）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（zǒng）結，從（cóng）新能源汽車（chē）分類（lèi）、模（mó）塊規劃、電控技術和充電（diàn）設（shè）施等方麵進行了分析。

　　1 新能源汽車分（fèn）類（lèi）

　　在新能源汽（qì）車分（fèn）類中，“弱混、強（qiáng）混”與“串聯（lián）、並聯”不同分（fèn）類方法令非業內人士感到困惑，其實這些（xiē）名稱是從不同角度給出的（de）解釋、並（bìng）不矛盾。

　　1.1消費者角度

　　消費（fèi）者角度通（tōng）常按照混合度進行劃分，可（kě）分為起停、弱（ruò）混、中（zhōng）混、強混、插電和純電動，節油效果和成本增（zēng）等指標加如表1所示。表中“-”表（biǎo）示無此功能（néng）或較弱、“+”個數越多表（biǎo）示效果（guǒ）越好，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（shù）角度分類（lèi）

　　技術角（jiǎo）度由簡到繁（fán）分為純電動、串聯混合動力、並（bìng）聯混合動力及混聯混合動力，具體（tǐ）如1所示（shì）。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝置（zhì）)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（chù）於發動機和（hé）離合器之間，P2中電機處於離合器和變（biàn）速器輸入端之（zhī）間，P3表示電機（jī）處（chù）於（yú）變速器輸出端或布置於後軸，P03表示P0和P3的組合。從（cóng）統計表（biǎo）中可以看出，各種結構在國內（nèi）外乘用或商用車（chē）中均得到廣泛應用，相對來說P2在歐洲比較流行，行星排結構（gòu）在日係和美係（xì）車（chē）輛中占主導地位（wèi），P03等組合結構在四驅車（chē）輛中應用（yòng）較為普遍、歐藍德和標（biāo）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、節油效果和成本增加，例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三（sān）行星排雙模係統，盡管節油效果較好（hǎo），但由於結構複雜且成本較高，近十年（nián）間的市（shì）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（chē）分類複雜，但其中共用的模塊較多，在開發過程（chéng）中可采用模塊化方法，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（yī）級模塊主要是指執行（háng）係統（tǒng），包括充電設備、電動附件、儲能係統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊分為執行係統和（hé）控（kòng）製（zhì）係統兩部分，執行部（bù）分包括充電設備（bèi）的地麵充（chōng）電機、集電器和車載充（chōng）電機，儲能（néng）係統（tǒng）的單體、電箱和PACK，發動機部分的氣體機、汽油機和柴油機，發電機的永磁同步和交流異步，離合器（qì）中的幹式和濕式，驅動電機的永（yǒng）磁同步和交流異步，齒（chǐ）輪箱部分的有級式自動變（biàn）速（sù）器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二級模塊（kuài）的控製係統包（bāo）括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電池管理係統、發動機電子（zǐ）控（kòng）製單（dān）元（yuán）、發電機控製器（qì）、離合器控製單元、電（diàn）機控製器、變速器控製係統和整車控製器。三級模塊體係（xì）中，包括電池單體的功率型和能量型，永磁和異步電（diàn）機的水冷和風冷形式，控製係統的三級模塊主要包括（kuò）硬件、底層和應用層軟件。

　　2三級模塊體係

　　根據功能和控製的相（xiàng）似性，三級模塊體係的部分模塊可組成純電動(含增程式)、插電並聯混動和插電混聯混動（dòng）三（sān）種平（píng）台架構，例如純電動（dòng）(含增（zēng）程式)由（yóu）充電設備（bèi）、電（diàn）動附件、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（mó）塊的開發（fā）方法，可共享核心部件資源，提升新能源係統的安全（quán）性和可靠性，縮短周（zhōu）期、降低研發及采購成（chéng）本

　　3 新能源三大核心（xīn）技術（shù）

　　在三級模塊（kuài）體係和平台架構中（zhōng），整車控製器(VCU)、電（diàn）機控製器(MCU)和電池（chí）管理係統(BMS)是最重要的核心技術，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是實現整（zhěng）車控製決策的核心電子控製（zhì）單元，一般（bān）僅（jǐn）新能源汽（qì）車配備、傳統燃油車無需（xū）該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、刹車踏板等信號來判斷（duàn）駕（jià）駛員的駕駛意；通過監（jiān）測車輛狀態(車速、溫度等)信（xìn）息，由VCU判（pàn）斷處理（lǐ）後，向動力（lì）係統、動力電池係統發送車輛的運行狀態控製指令，同時控製車載附件電力係統的工作（zuò）模式；VCU具有整車係統故（gù）障診斷保護與存儲（chǔ）功（gōng）能（néng）。

　　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件，硬件電路、底層軟件和應用層軟件是（shì）VCU的關鍵核心（xīn）技術。

　　3 VCU組（zǔ）成（chéng）

　VCU硬件采用標準化核心模塊電路( 32位主處理器、電源、存儲器、CAN )和VCU專用電路(傳感器（qì）采集等)設（shè）計；其中標準（zhǔn）化核（hé）心模塊電路可移植應用（yòng）在MCU和BMS，平台化硬件將具有非常好的可移植性和（hé）擴展性。隨著汽車級（jí）處理器技（jì）術（shù）的發展，VCU從（cóng）基於16位向32位處理器芯片逐（zhú）步過渡，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（zhǎn）目標，支（zhī）持新能源汽車不同（tóng）的控（kòng）製（zhì）係統；模塊化軟件組件以軟件複用為目標（biāo），以有（yǒu）效提（tí）高軟件（jiàn）質量、縮短軟件開發周期。

　　應（yīng）用（yòng）層軟件按照V型開發流程、基於模型開發完成，有利於團隊協（xié）作和平（píng）台拓（tuò）展；采用快速原型工具和（hé）模型在環(MIL)工具對軟件模型進行驗證，加快開發速度（dù）；策（cè）略（luè）文檔和軟件模型均采用專用版本工具（jù）進（jìn）行管理，增強（qiáng）可追溯性；駕駛員（yuán）轉矩解析、換（huàn）擋規律、模式切換、轉矩分配（pèi）和故障診斷（duàn）策略等是應用層的關鍵技術，對車輛動力性、經濟（jì）性和可靠（kào）性有著重要影響。

　　表2為世界主流VCU供應商的技術參數，代表著VCU的發展動態。

　　3.2 MCU

　　MCU是新能源汽車特有的核心功率電子單元，通過接收VCU的車輛行駛控製指令，控製電動機輸（shū）出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行駛。實現把動（dòng）力電池的直流電能轉換為所需（xū）的高壓交流電、並驅動電機本體（tǐ）輸出機（jī）械能（néng）。同時，MCU具有電（diàn）機係（xì）統故障診斷保護和存儲（chǔ）功能。

　　MCU由外殼及冷（lěng）卻係統、功率電子單元（yuán）、控製電路、底層軟件和控（kòng）製算法軟件組成，具體結構如（rú）4所（suǒ）示。

　　4 MCU組成

　　MCU硬件電路采用模塊化、平台化設（shè）計理念(核心模塊與VCU同平台)，功率驅動部分采用多重診（zhěn）斷保（bǎo）護功能電路設計，功（gōng）率回路部分采用汽車級IGBT模塊並聯技術（shù）、定製母（mǔ）線電容和（hé）集成母排設計；結構部分采用高（gāo）防護等級、集成一體（tǐ）化液冷設計。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式係（xì）統架構為標準（zhǔn），達到ECU開發共同平台的發展目標，模塊化軟件組（zǔ）件以軟件複（fù）用為目標（biāo）。

　　應用層軟件（jiàn）按照功能設計一般可分為四個模塊：狀態（tài）控製、矢量算法、需求（qiú）轉矩計算和診斷模塊。其中，矢量算法模塊分（fèn）為MTPA控製（zhì）和弱磁控製。

　　MCU關鍵技術方案包括：基於（yú）32位高性能雙核主處理器；汽車級並聯IGBT技術，定製薄膜母（mǔ）線電（diàn）容及集成化功率回路設計，基於（yú）AutoSAR架構平台（tái）軟件（jiàn）及先進SVPWM PMSM控製算法；高防（fáng）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，代表著MCU的發展動態。

　　表3 MCU技術參數

　　3.3 電池包和BMS

　　電池包是新能源汽車核心能量源，為整車提供（gòng）驅動電能，它主要（yào）通（tōng）過金屬材質的殼體包絡（luò）構成（chéng）電（diàn）池包主體。模（mó）塊化的結構設計實（shí）現了電芯（xīn）的集成，通過（guò）熱管理設計與仿（fǎng）真優化電池包熱管理性能，電（diàn）器部件（jiàn）及線束實現（xiàn）了（le）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（diàn）芯的管理，以及與整（zhěng）車的通訊（xùn）及信息交換。

　　電池（chí）包組成（chéng）如5所示，包括電芯、模塊、電氣係統、熱管理係統、箱（xiāng）體和BMS。BMS能夠提高電池的利用率，防止（zhǐ）電池出（chū）現過充電和過放電，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，與VCU類（lèi）似（sì），核心部分由硬件（jiàn）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（bù），用於檢測單體電壓、電流和均衡控製（zhì）；主板安裝位（wèi）置比較靈活，用於繼電器（qì）控製、荷電狀態值(SOC)估計和（hé）電氣傷害保護等。

　　BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫（wēn）度測（cè）量，並（bìng）通過高可靠性（xìng）的數據傳輸通（tōng）道與BCU 模塊進行指令及數據的雙向傳（chuán）輸。BCU 可選用基於汽車功能安全架（jià）構的32 位微處理器完成（chéng）總電（diàn）壓采集、絕緣檢測、繼電器驅動及（jí）狀態監測等功能。

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

　　應用層軟件（jiàn）是BMS的控製核心（xīn），包括電（diàn）池保護（hù）、電氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控製、從（cóng）板控製、均（jun1）衡控製、SOC估計和通訊管理等模塊，應用層軟件（jiàn）架構如6所示。

　　6 應用層軟件架構

　　表4為國內外主流 BMS供應商（shāng）的技術參數，代表著BMS的（de）發展動態。

　　表4 BMS技術（shù）參（cān）數（shù）

　　4 充電設（shè）施

　　充電設施不完善是阻礙新能源汽（qì）車市場推廣的重要因素，對特斯拉成功的解決方案進行分析，並提出新（xīn）能（néng）源汽車的充（chōng）電解決方案、剖析充（chōng）電係統組成。

　　4.1 特斯（sī）拉（lā）充電方案分析

　　特斯拉超級充電器代表了當今世界最先進的充電技術（shù），它為MODEL S充電的速度遠高於大多數充電站，表5為特斯拉電池和（hé）充（chōng）電參數。

　　表5電池和充（chōng）電參數

　　特斯拉具有5種充電方式，采用普通110/220V市電插座充電，30小時充滿；集成的10kW充電器，10小時充滿；集成的（de）20kW充（chōng）電（diàn）器，5小時充滿；一種（zhǒng）快速（sù）充電器可以裝在家庭牆壁或者停（tíng）車場，充電時間可縮短（duǎn）為5小時； 45分鍾（zhōng）能充80%的電量（liàng）、且電費全免，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，既可（kě）以抵消能源消耗又能夠遮陽。與在加油站加油需要（yào）付費不同，經（jīng）過適當配置的（de） MODEL S 可以在任何開放充電站（zhàn）免費（fèi）充電。

　　特（tè）斯拉充電技術特點（diǎn）可總結如下兩（liǎng）點：1)特斯拉充電站加入了太（tài）陽能充電技術，這一技術使（shǐ）充電站盡可能使用清潔（jié）能源，減（jiǎn）少（shǎo）對電網的依賴，同時也減少了對電網的幹擾，國內這（zhè）一技術也能實現。 2)特斯拉充（chōng）電時（shí）間短也（yě）不足為奇，特斯拉的充電（diàn）機容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普（pǔ）通快充（chōng）一樣，並沒有采用更大的充電倍率，所以不會影響（xiǎng）電池壽命；20分鍾充到（dào）40%，就（jiù）能滿足（zú）續航要求，主要原因是電池容量（liàng）大。

　　4.2 充（chōng）電解決方案

　　7充電係統組成（chéng）

　　7為（wéi）一種可參考的新能源汽車充電解決（jué）方案，充電係統組成：配電係統(高壓（yā）配電櫃、變壓器、無功補（bǔ）償裝置和（hé）低壓開關櫃)、充電係統(充電櫃和充電機終端)以及（jí）儲（chǔ）能係統(儲（chǔ）能電池與逆（nì）變器櫃)。無功補償裝置解決充電係統對電網功率因數影響，充電櫃（guì）內充（chōng）電機一般（bān）都（dōu）具備（bèi）有源濾波（bō）功能、解決諧波電流（liú）和功率因（yīn）數問題（tí）。儲能電池和逆變器櫃解決老舊配（pèi）電係（xì）統無法滿足充電站容量要求、並起到削（xuē）峰（fēng）填穀作用，在（zài）不充電時候進行儲能，大容量充電且配電係統容量不（bú）足時釋放（fàng）所儲能量進行（háng）充電。如果新建配（pèi）電係統容量足夠，儲能電池和逆變器（qì）櫃可（kě）以不選用。風力（lì）發電和（hé）光伏發電為（wéi）充電係統提供清潔能源，盡量減少從電網取電。

　　5 總（zǒng）結

　　從消費者（zhě）和技術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，以及國內外各主機廠的應用情況。分析新能源汽車的模塊組成和平台架構（gòu），詳細介紹了三級模塊體（tǐ）係中相（xiàng）關的執（zhí）行係統（tǒng）和控製（zhì）係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及關（guān）鍵技術，以及世界主流供應商的技術參數和發展動（dòng）態。對特斯拉成功的解決（jué）方案進行分析，並提（tí）出新能源汽（qì）車的（de）充電（diàn）解決方案。