新能源汽車核心技術(shù)詳解：電池包和BMS、VCU、MCU

1、.新能源汽車核心技術(shù)詳解：電池包和BMS、VCU、 MCU電子創(chuàng)新網(wǎng)|2001-15-20 11:542014 年國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)銷突破 8 萬輛，發(fā)展態(tài)勢喜人。為了使新能源愛好者和初級研發(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

2、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'.圖 1 技術(shù)角度分類技術(shù)角度由簡到繁分為純電動(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

3、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)在國內(nèi)外乘用或商用車中均得到廣泛應(yīng)用，相對來說 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

4、三級模塊體系、如圖 2 所示，一級模塊主要是指執(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，齒輪箱部分的有級式自動(dòng)變速器 (包括 AMT 、AT 和 DCT 等)、行星排和減速齒輪；二級模塊的控制系統(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

5、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)的三級模塊主要包括硬件、底層和應(yīng)用層軟件。圖 2 三級模塊體系根據(jù)功能和控制的相似性，三級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)及采購成本。3 新能源三大核心技術(shù)在三

6、級模塊體系和平臺(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。3.1 VCUVCU 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、剎車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖；通過監(jiān)測車輛狀態(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

7、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)。'.圖3VCU 組成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

8、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)，對車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有著重要影響。'.3.2 MCUMCU 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

9、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。圖4MCU 組成'.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 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、 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

10、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

11、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)對電池的安全保護(hù)及連接路徑；通過 BMS 實(shí)現(xiàn)對電芯的管理， 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，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。'.圖 5 電池包組成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

12、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、繼電器驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)監(jiān)測等功能。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

13、。'.圖 6 應(yīng)用層軟件架構(gòu)表 4 為國內(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推廣的重要因素， 對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

14、充電器可以裝在家庭墻壁或者停車場，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， 減少對電網(wǎng)的依賴， 同時(shí)也減少了對電網(wǎng)的干擾，國內(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 90120kWh ，充電倍率 0.8C ，跟普通快充一樣，并沒有采

15、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。4.2 充電解決方案'.圖 7充電系統(tǒng)組成圖 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，盡量減少從電網(wǎng)取電。5 總結(jié)從消費(fèi)者