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1、新能源汽車核心技術(shù)詳解:電池包和BMSVCUMCU電子創(chuàng)新網(wǎng)|2001-15-2011:542014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-"
2、39;表示無此功能或較弱、“小數(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消費(fèi)者角度分類功能典型車型奇瑞RS6再書m三吳威753Hybrid豐田Priui通用Vdi日產(chǎn)Leaf電功率比例5-10%10-20%>30%>50%100%節(jié)油效果=5%5-12%15-25%25-40%起動(dòng),僖機(jī)+4-+十+-再生制動(dòng)-+沒機(jī)效率優(yōu)化-1-+-+-g蜿品城力.-+f4-卜二審"一.一,C.2-0,=.34口86S.!1.2 技術(shù)角度|_行WP12P13純也動(dòng)V外接油電圖1技術(shù)角度分類技術(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)
3、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(Integratedstartergenerator,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問,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
4、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
5、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。_J_嚏動(dòng)鉗住旭電*日噌力'心喻"*3鳥屜電,的第贊,彳再重Wfl寶旺磔水用電,*1=1n三1rzsRft電Al率ttft&
6、#39;h機(jī)-1七瑞機(jī)餐鞋械Mod千it,A心機(jī)一-,新率班水IftH3一支澧圖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成純電動(dòng)(含增程式卜插電并聯(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。
7、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(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)。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)
8、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
9、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。國(guó)外主式廠商】國(guó)外主MJ商工尺寸(旭池)185*127*?5CPU架構(gòu)久它3立立位3IPCS64d單核心。耳+E泡phiASILCFr,2k瑞立G中仃口).單核IZOMhz十FreescaleS(S9SBDZCO)軟件架構(gòu)量著AmoWAR非同u3AR通訊方式UAN、UX、SPI、EffcRiyCAN、LIN%SP工作電壓1046VT不兼容柒統(tǒng))*1WK不兼容“V系統(tǒng))由熊安金可通過擴(kuò)屣相關(guān)芯片端是ISO詆版ASIC在郃。發(fā)ASILC3.2 MCUMCU是新能源汽車特有
10、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外殼及功率控制底層控制算冷卻電子電路軟件法軟件圖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(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
11、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)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)國(guó)外主流廠商1國(guó)外主流
12、廠SR尺寸475*246"l0a4-11*454*183喧值功率IfiOKVA220KVA釁值輸出電流320A450A主處理器TL1S32CF29335Infineon防護(hù)等皴IP67IP69通訊方式CANCAN轉(zhuǎn)拒和轉(zhuǎn)速嘀應(yīng)時(shí)間,蕤矩和轉(zhuǎn)速控制精度箱足整至立制要求拓足蚩主控制更至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
13、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)。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(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3
14、2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。模式控制BSC熱管理BTM核心算法COR均衡控制BAL采集板控制SCC充電管理CHM電池保護(hù)BPN電氣防護(hù)BHP診斷管理DEM繼電器控制CTC輸入處.理IPT輸出處理OPT基礎(chǔ)軟件平臺(tái)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BMS的發(fā)展動(dòng)態(tài)。表4BMS技術(shù)參數(shù)國(guó)外
15、主叁廠商國(guó)內(nèi)主委商身套方案由辟構(gòu)生從給構(gòu)溫度范圍-4o-erc-4(Here技術(shù)指標(biāo)電壓圳里精度:0.1%FS電流瓢瞳精賞口1%FS電流刻量范圉:0-*60CA3??谀樗憔龋?%均衡方武士主動(dòng)平衡電壓刎里蓿度:0-5%FS電流則康精度;05%FS盜度測(cè)量范圉紀(jì)-40125溫度則量精度CCH0VCsocem-5%;均衡方式;被動(dòng)平藺主型底用這同士蠅動(dòng)車、混合動(dòng)力車純電動(dòng)車“混含動(dòng)力主功能安全電池過亮道故,遙升保護(hù)、絕思防護(hù)、高壓互鎖、頸兗電電通過先、過故、端升保護(hù)、絕密防護(hù)適用電芯葩圉鐳酸鋰、三元材料鉛酸電遁、鎮(zhèn)氫電池、鋰電池等動(dòng)力電池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
16、,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)。表5電池ft充電參數(shù)動(dòng)力電迤總成參數(shù)克孝敦(90kW?£電)電迫類型額於超壓電壓范圍總?cè)蒇烹妷弘娏鞴β蔒CA42J.8V324.5-495,6V2D0.1Ah500V160ASORW改迸MCA3S6.4V272.2S-415.0V228.7Afi$20V192AiiCbc/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1
17、0kW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MODELS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90120kWh,充電
18、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。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(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
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