一篇文章看懂新能源汽车要害技术及其目今水平
2014年海内新能源汽车产销突破8万辆，生长态势喜人。为了使新能源喜好者和初级研发人员更好地了解新能源汽车的焦点技术，笔者结合研发历程中的经验总结，重新能源汽车分类、�？榧苹⒌缈丶际鹾统涞缟枋┑确矫娼辛似饰�。
1、新能源汽车分类
在新能源汽车分类中，“弱混、强混”与“串联、并联”差别分类方执法非业内人士感应困惑，其拭魅这些名称是从差别角度给出的解释、并不矛盾。
1.1消费者角度
消费者角度通常凭据混淆度进行划分，可分为起停、弱混、中混、强混、插电和纯电动，节油效果和本钱增等指标加如表1所示。表中“-”体现无此功效或较弱、“+”个数越多体现效果越好，从表中可以看出随着节油效果改善、本钱增加也较多。
表1 消费者角度分类
1.2技术角度
图1 技术角度分类
技术角度由简到繁分为纯电动、串联混淆动力、并联混淆动力及混联混淆动力，具体如图1所示。其中P0体现BSG(Belt starter generator，带传动启停装置)系统，P1代表ISG(Integrated starter generator，启动机和发电机一体化妆置)系统、电机处于发动机和离合器之间，P2中电机处于离合器和变速器输入端之间，P3体现电机处于变速器输出端或安排于后轴，P03体现P0和P3的组合。从统计表中可以看出，种种结构在海内外乘用或商用车中均获得广泛应用，相对来说P2在欧洲比较流行，行星排结构在日系和美系车辆中占主导职位，P03等组合结构在四驱车辆中应用较为普遍、欧蓝德和漂后3008均已实现量产。新能源车型选择应综合考虑结构庞大性、节油效果和本钱增加，例如由通用、克莱斯勒和宝马联合开发的三行星排双模系统，尽管节油效果较好，但由于结构庞大且本钱较高，近十年间的市场体现不尽如人意。
2、新能源汽车�？榧苹�
尽管新能源汽车分类庞大，但其中共用的�？榻隙�，在开发历程中可接纳�？榛�，共享平台、提高开发速度。总体上讲，整个新能源汽车可分为三级�？樘逑怠⑷缤�2所示，一级�？橹饕侵钢葱邢低�，包括充电设备、电动附件、储能系统、发动机、发电机、离合器、驱动电机和齿轮箱。二级�？榉治葱邢低澈涂刂葡低沉讲糠�，执行部分包括充电设备的地面充电机、集电器和车载充电机，储能系统的单体、电箱和PACK，发动机部分的气体机、汽油机和柴油机，发电机的永磁同步和交流异步，离合器中的干式和湿式，驱动电机的永磁同步和交流异步，齿轮箱部分的有级式自动变速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和减速齿轮 ；二级�？榈目刂葡低嘲˙MS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，划分体现电池治理系统、发动机电子控制单位、发电机控制器、离合器控制单位、电机控制器、变速器控制系统和整车控制器。三级�？樘逑抵�，包括电池单体的功率型和能量型，永磁和异步电机的水冷和风冷形式，控制系统的三级�？橹饕ㄓ布⒌撞愫陀τ貌闳砑�。
图2 三级�？樘逑�
凭据功效和控制的相似性，三级�？樘逑档牟糠帜？榭勺槌纱康缍�(含增程式)、插电并联混动和插电混联混动三种平台架构，例如纯电动(含增程式)由充电设备、电动附件、储能系统、驱动电机和齿轮箱组成。各平台�？榈耐ㄓ眯越锨�，接纳平台和�？榈目⒁�，可共享焦点部件资源，提升新能源系统的宁静性和可靠性，缩短周期、降低研发及采购本钱.
3、新能源三大焦点技术
在三级�？樘逑的蔡芄怪�，整车控制器(VCU)、电机控制器(MCU)和电池治理系统(BMS)是最重要的焦点技术，对整车的动力性、经济性、可靠性和宁静性等有着重要影响。
3.1VCU
VCU是实现整车控制决策的焦点电子控制单位，一般仅新能源汽车配备、古板燃油车无需该装置。VCU通过收罗油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员的驾驶意图 ；通过监测车辆状态(车速、温度等)信息，由VCU判断处理后，向动力系统、动力电池系统发送车辆的运行状态控制指令，同时控制车载附件电力系统的事情模式 ；VCU具有整车系统故障诊断� ；び氪娲⒐π�。
图3为VCU的结构组成，共包括外壳、硬件电路、底层软件和应用层软件，硬件电路、底层软件和应用层软件是VCU的要害焦点技术。
图3 VCU组成
VCU硬件接纳标准化焦点�？榈缏�( 32位主处理器、电源、存储器、CAN )和VCU专用电路(传感器收罗等)设计 ；其中标准化焦点�？榈缏房梢浦灿τ迷贛CU和BMS，平台化硬件将具有很是好的可移植性和扩展性。随着汽车级处理器技术的生长，VCU从基于16位向32位处理器芯片逐步过渡，32位已成为业界的主流产品。
底层软件以AUTOSAR汽车软件开放式系统架构为标准，抵达电子控制单位(ECU)开发共平台的生长目标，支持新能源汽车差别的控制系统 ；�？榛砑榧匀砑从梦勘�，以有效提高软件质量、缩短软件开发周期。
应用层软件凭据V型开发流程、基于模型开发完成，有利于团队协作宁静台拓展 ；接纳快速原型工具和模型在环(MIL)工具对软件模型进行验证，加速开发速度 ；战略文档和软件模型均接纳专用版本工具进行治理，增强可追溯性 ；驾驶员转矩解析、换挡纪律、模式切换、转矩分派和故障诊断战略等是应用层的要害技术，对车辆动力性、经济性和可靠性有着重要影响。
表2为世界主流VCU供应商的技术参数，代表着VCU的生长动态。
表2 VCU技术参数
3.2MCU
MCU是新能源汽车特有的焦点功率电子单位，通过接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时，MCU具有电机系统故障诊断� ；ず痛娲⒐π�。
MCU由外壳及冷却系统、功率电子单位、控制电路、底层软件和控制算法软件组成，具体结构如图4所示。
图4 MCU组成
MCU硬件电路接纳�？榛⑵教ɑ杓评砟�(焦点�？橛隫CU同平台)，功率驱动部分接纳多重诊断� ；すπУ缏飞杓�，功率回路部分接纳汽车级IGBT�？椴⒘际酢⒍ㄖ颇赶叩缛莺图赡概派杓� ；结构部分接纳高防护品级、集成一体化液冷设计。
与VCU类似，MCU底层软件以AUTOSAR开放式系统架构为标准，抵达ECU开发配合平台的生长目标，�？榛砑榧匀砑从梦勘�。
应用层软件凭据功效设计一般可分为四个�？椋鹤刺刂啤⑹噶克惴ā⑿枨笞嘏趟愫驼锒夏？�。其中，矢量算法�？榉治狹TPA控制和弱磁控制。
MCU要害技术计划包括：基于32位高性能双核主处理器 ；汽车级并联IGBT技术，定制薄膜母线电容及集成化功率回路设计，基于AutoSAR架构平台软件及先进SVPWM PMSM控制算法 ；高防护品级壳体及集成一体化水冷散热设计。
表3为世界主流 MCU硬件供应商的技术参数，代表着MCU的生长动态。
表3 MCU技术参数
3.3电池包和BMS
电池包是新能源汽车焦点能量源，为整车提供驱动电能，它主要通过金属材质的壳体包络组成电池包主体。�？榛慕峁股杓剖迪至说缧镜募�，通过热治理设计与仿真优化电池包热治理性能，电器部件及线束实现了控制系统对电池的宁静� ；ぜ傲勇肪� ；通过BMS实现对电芯的治理，以及与整车的通讯及信息交换。
电池包组成如图5所示，包括电芯、�？椤⒌缙低场⑷戎卫硐低场⑾涮搴虰MS。BMS能够提高电池的利用率，避免电池泛起过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。
图5 电池包组成
BMS是电池包最要害的零部件，与VCU类似，焦点部分由硬件电路、底层软件和应用层软件组成。但BMS硬件由主板(BCU)和从板(BMU)两部分组成，从版装置于模组内部，用于检测单体电压、电流和均衡控制 ；主板装置位置比较灵活，用于继电器控制、荷电状态值(SOC)预计和电气伤害� ；さ�。
BMU硬件部分完成电池单体电压和温度丈量，并通过高可靠性的数据传输通道与BCU �？榻兄噶罴笆莸乃虼�。BCU 可选用基于汽车功效宁静架构的32 位微处理器完成总电压收罗、绝缘检测、继电器驱动及状态监测等功效。
底层软件架构切合AUTOSAR标准，�？榛⑷菀资迪掷┱购鸵浦�，提高开发效率。
应用层软件是BMS的控制焦点，包括电池� ；ぁ⒌缙撕Ρ ；ぁ⒐收险锒现卫怼⑷戎卫怼⒓痰缙骺刂啤⒋影蹇刂啤⒕饪刂啤OC预计和通讯治理等�？�，应用层软件架构如图6所示。
图6 应用层软件架构
表4为海内外主流 BMS供应商的技术参数，代表着BMS的生长动态。
表4 BMS技术参数
4、充电设施
充电设施不完善是阻碍新能源汽车市场推广的重要因素，对特斯拉乐成的解决计划进行剖析，并提出新能源汽车的充电解决计划、剖析充电系统组成。
4.1特斯拉充电计划剖析
特斯拉超等充电器代表了当今世界最先进的充电技术，它为MODEL S充电的速度远高于大大都充电站，表5为特斯拉电池和充电参数。
表5 电池和充电参数
特斯拉具有5种充电方法，接纳普通110/220V市电插座充电，30小时充满 ；集成的10kW充电器，10小时充满 ；集成的20kW充电器，5小时充满 ；一种快速充电器可以装在家庭墙壁或者停车场，充电时间可缩短为5小时 ； 45分钟能充80%的电量、且电费全免，这种快充装置仅在北美市场比较普遍。
特斯拉使用太阳能电池板遮阳棚的充电站，既可以抵消能源消耗又能够遮阳。与在加油站加油需要付费差别，经过适当配置的 MODEL S 可以在任何开放充电站免费充电。
特斯拉充电技术特点可总结如下两点：1)特斯拉充电站加入了太阳能充电技术，这一技术使充电站尽可能使用清洁能源，减少对电网的依赖，同时也减少了对电网的滋扰，海内这一技术也能实现。 2)特斯拉充电时间短也缺乏为奇，特斯拉的充电机容量大90~120kWh，充电倍率0.8C，跟普通快充一样，并没有接纳更大的充电倍率，所以不会影响电池寿命 ；20分钟充到40%，就能满足续航要求，主要原因是电池容量大。
4.2充电解决计划
有一种可参考的新能源汽车充电解决计划，充电系统组成为：配电系统(高压配电柜、变压器、无功赔偿装置和低压开关柜)、充电系统(充电柜和充电机终端)以及储能系统(储能电池与逆变器柜)。无功赔偿装置解决充电系统对电网功率因数影响，充电柜内充电机一般都具备有源滤波功效、解决谐波电流和功率因数问题。储能电池和逆变器柜解决老旧配电系统无法满足充电站容量要求、并起到削峰填谷作用，在不充电时候进行储能，大容量充电且配电系统容量缺乏时释放所储能量进行充电。如果新建配电系统容量足够，储能电池和逆变器柜可以不选用。风力发电和光伏发电为充电系统提供清洁能源，尽量减少从电网取电。
5、总结
从消费者和技术角度划分对新能源汽车结构进行归纳分类，剖析种种结构的优势，以及海内外各主机厂的应用情况。剖析新能源汽车的�？樽槌赡蔡芄�，详细介绍了三级�？樘逑抵邢喙氐闹葱邢低澈涂刂葡低�。剖析VCU、MCU和BMS的结构组成及要害技术，以及世界主流供应商的技术参数和生长动态。对特斯拉乐成的解决计划进行剖析，并提出新能源汽车的充电解决计划。
（转自：车云网）
本文作者杨伟斌，北汽福田新能源系统开发部部长、清华大学博士后、高级工程师。
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