新能源汽車(chē)核心技術(shù)詳解電池包和BMSVCUMCU

1、新能源汽車(chē)核心技術(shù)詳解：電池包和BMS、VCU、MCU導(dǎo)讀：為了使新能源愛(ài)好者和初級(jí)研發(fā)人員更好地了解新能源汽車(chē)的核心技術(shù)，北汽福田新能源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)部部長(zhǎng)楊偉斌結(jié)合研發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從新能源汽車(chē)分類(lèi)、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。2014年國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)突破8萬(wàn)輛，發(fā)展態(tài)勢(shì)喜人。為了使新能源愛(ài)好者和初級(jí)研發(fā)人員更好地了解新能源汽車(chē)的核心技術(shù)，筆者結(jié)合研發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，從新能源汽車(chē)分類(lèi)、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(chē)分類(lèi)在新能源汽車(chē)分類(lèi)中，弱混、強(qiáng)混”與串聯(lián)、并聯(lián)”不同分類(lèi)方法令非業(yè)內(nèi)人士感到困惑，其實(shí)這些名稱(chēng)是從不同角度給出的解釋、并不矛盾

2、。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。表中產(chǎn)表示無(wú)此功能或較弱、“件數(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。表1消費(fèi)者角度分類(lèi)表工消費(fèi)者角度分類(lèi)動(dòng)熊典型車(chē)型奇瑞B(yǎng)三&通用E&S條威750Hybrid豐田Prius通用U。竹日產(chǎn)日溫電功率比例*5%5d徐m就找應(yīng)如100%節(jié)油麴果121.2技術(shù)角度混聯(lián)式鯉曲動(dòng)i行制口匚口谷）i_/,&1VPH用&n血Fj1下覆WBHMMMaHHvuiiiBiHuiirir二二麗樓把電：圖1技術(shù)角度分類(lèi)技術(shù)角度由

3、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（Beltstartergenerator帶傳動(dòng)啟停裝置）系統(tǒng),P1代表ISG（Integratedstartergenerater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(chē)中均得到廣泛應(yīng)用，相對(duì)來(lái)說(shuō)P2在歐洲比較流行，行星排結(jié)構(gòu)在日系和美系車(chē)輛中占主導(dǎo)地位，P03等組合結(jié)構(gòu)在四驅(qū)車(chē)輛中應(yīng)用較為普遍、歐藍(lán)德和標(biāo)致3008均已實(shí)現(xiàn)

4、量產(chǎn)。新能源車(chē)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(kāi)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(chē)模塊規(guī)劃盡管新能源汽車(chē)分類(lèi)復(fù)雜，但其中共用的模塊較多，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可采用模塊化方法，共享平臺(tái)、提高開(kāi)發(fā)速度。總體上講，整個(gè)新能源汽車(chē)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(chē)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

5、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(chē)控制器。三級(jí)模塊體系中，包D1W.COM第*不井聯(lián)IR聯(lián)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。圖2三級(jí)模塊體系根據(jù)功能和控制的相似性，三級(jí)模塊體系的部分模塊可組

6、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(kāi)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(chē)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(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等有著重要影響。3.1VCUVCU是實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制決策的核心電子控制單元，一般僅新能源汽車(chē)配備、傳統(tǒng)燃油車(chē)無(wú)需該裝置。VCU通過(guò)采集油門(mén)踏板、擋位、剎車(chē)踏板等信號(hào)

7、來(lái)判斷駕駛員的駕駛意圖；通過(guò)監(jiān)測(cè)車(chē)輛狀態(tài)（車(chē)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(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)控制指令，同時(shí)控制車(chē)載附件電力系統(tǒng)的工作模式；VCU具有整車(chē)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)。NETEM第-向動(dòng)VCUM電喻編5足電曲稼曳I而|II癡百11I配咆華蛻餐413413T,-，一地ftft電機(jī)一-L4L4U U亮電機(jī)一X-X-J J-/1蜩步陰士5榮電皺修中串磯一支凌建-*輪A A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

8、源、存儲(chǔ)器、CAN）和VCU專(zhuān)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(chē)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(guò)渡，32位已成為業(yè)界的主流產(chǎn)品。底層軟件以AUTOSAR汽車(chē)軟件開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到電子控制單元（ECU）開(kāi)發(fā)共平臺(tái)的發(fā)展目標(biāo)，支持新能源汽車(chē)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(kāi)發(fā)周期。應(yīng)用層軟件按照V型開(kāi)發(fā)流程、基于模型開(kāi)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(kāi)發(fā)速度；

9、策略文檔和軟件模型均采用專(zhuān)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(chē)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)。表2VCU技術(shù)參數(shù)國(guó)外主茨J曲1國(guó)外主流就2尺寸(mm)185*127*6?CPU架構(gòu)三,土版kh位PCS值2,單校心色厘+UelphiASILC謔核取件架構(gòu)AutoSAR非3in*AR通訊方式C.3LIN、HeiRayCAN.UN、SPI工作電壓以WY不兼容小系第4LKC不患容NT系編功能安全可通過(guò)擰展相關(guān)芯片莉足后。工屋比ASUC符含:2二GM抬IL

10、C3.2 MCUMCU是新能源汽車(chē)特有的核心功率電子單元，通過(guò)接收VCU的車(chē)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(chē)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。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(chē)級(jí)IGBT模塊并聯(lián)技術(shù)、定制母線(xiàn)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V

11、CU類(lèi)似，MCU底層軟件以AUTOSAR開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到ECU開(kāi)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(chē)級(jí)并聯(lián)IGBT技術(shù)，定制薄膜母線(xiàn)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)SVPWMPMSM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)。表3MCU技術(shù)參數(shù)表3MCU技術(shù)叁數(shù)國(guó)外主淙廠(chǎng)商1國(guó)

12、外主流廠(chǎng)商2尺寸(mm)4-454*183幅值功率1B0KVA220KVA峨值輸出電流320A主處理器tMS12DF2H335Infln&on防護(hù)箸級(jí)IP67IP69通訊方式CANQAN轉(zhuǎn)姮箱轉(zhuǎn)詼響應(yīng)時(shí)間，轉(zhuǎn)矩和整速控制精度建足整車(chē)卷制要求荔足整車(chē)控制更外3.3電池包和BMS電池包是新能源汽車(chē)核心能量源，為整車(chē)提供驅(qū)動(dòng)電能，它主要通過(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的管理，以及與整車(chē)的通訊及信息交換。電池包組成如圖5所示，包括電芯、模

13、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(guò)充電和過(guò)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(lèi)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(guò)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(chē)功能安全架構(gòu)的32位微處理器完成總電壓采集、絕緣檢

14、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(kāi)發(fā)容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和移植，提高開(kāi)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?；A(chǔ)軟件平臺(tái)模式控制BSC熱管理BTMBTM核心算法COR均衡控制BAL采集板控制MCC充電管理CHM電池保護(hù)BPN電氣防護(hù)BHP診斷管理DEMDEM繼電器控制CTCCTC輸入處理IP!輸出處理OPT圖5電池包組成圖6應(yīng)用層軟件架構(gòu)表4為國(guó)內(nèi)外主流BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著表4BMS技術(shù)參數(shù)均衡方式：被動(dòng)平衡力電池4

15、充電設(shè)施充電設(shè)施不完善是阻礙新能源汽車(chē)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(chē)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MODELS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)。BMS的發(fā)展動(dòng)態(tài)。國(guó)外主莪廠(chǎng)商國(guó)內(nèi)主盍廠(chǎng)高配套方案主從結(jié)構(gòu)主從結(jié)構(gòu)溫度氾圍-40-arc技術(shù)指標(biāo)電壓測(cè)量精度：01蛤FS出土則里精陽(yáng)：05%FS電流測(cè)星精度Q1防FS電流則里精廢：口工第咫電流馴1范國(guó)】0-60曲溫度則里宛函!匕骷4”125七SOC佐算精度；5題溫度酬量精度8Xo.rc均衡方式：王動(dòng)平衡總a測(cè)里精

16、度：6懦;主型應(yīng)用范圍純電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)純電動(dòng)主、混含動(dòng)力主功能安全電池過(guò)充、過(guò)撿、晶升保護(hù)V電池過(guò)克、退旅、遍開(kāi)保掉、絕爆適用電芯范國(guó)解觸護(hù)、高壓互鎖、頻充電鐳酸鋰、三元材料防護(hù)M鬣電池、鎮(zhèn)氫電池、鋰電池等動(dòng)表5電池和充電參數(shù)表5電池充電參數(shù)動(dòng)力電池總成參麴充拳糠（sokw充電）電池類(lèi)型額定電壓電壓范圉總害篁電壓電流NCA424,8V324.5-495,6V200岫500V160ABDkW改送NCA256.4V27J,2S-415.SV23S.7Ah420Vig2A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(mǎn)；集成的10kW充電器，10小時(shí)充滿(mǎn)；集成的20kW

17、充電器，5小時(shí)充滿(mǎn)；一種快速充電器可以裝在家庭墻壁或者停車(chē)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(yáng)能電池板遮陽(yáng)棚的充電站，既可以抵消能源消耗又能夠遮陽(yáng)。與在加油站加油需要付費(fèi)不同，經(jīng)過(guò)適當(dāng)配置的MODELS可以在任何開(kāi)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(yáng)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(lài)，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90120kWh,充電倍率0.8C,跟普通快充一樣，并沒(méi)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(mǎn)足續(xù)航要求，主要原因是電池容量大。4.2充電解決方案曲山M糅世圖7充電系統(tǒng)組成圖7為一種可參考的新能源汽車(chē)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(wú)功補(bǔ)償裝置和低壓開(kāi)關(guān)柜卜充電系統(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(wú)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(wèn)題。儲(chǔ)能電池和逆變器柜解決老舊配電系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足充電站容量要