2014年國內新能（néng）源汽車產銷突破8萬輛，發展態勢喜人。為（wéi）了使新能源愛好者和初級（jí）研發人員更好地了解新能源汽車（chē）的（de）核心技術，筆（bǐ）者結合（hé）研發過程中的經驗總結，從新能源汽車分類、模塊規劃、電控技術和充電設施等方麵進行了分析。

1、新能（néng）源汽車分類

在新能源汽車分類中，“弱混、強混”與“串聯（lián）、並聯”不同分類方法令非業內人士感到困惑，其（qí）實這些名稱是從不（bú）同角度給（gěi）出的解釋（shì）、並（bìng）不矛盾。

1.1消（xiāo）費（fèi）者角度

消費者角度通常按照混合度進行劃分，可分為起停、弱混、中混、強混（hún）、插電和純電動，節油效果和成本增等指標加如表1所示。表中“-”表示無此功能或（huò）較弱、“+”個數越多表示效果越好，從表（biǎo）中可以看出隨著節油效果改善、成本增加也較多。

表1 消費者角（jiǎo）度（dù）分類

1.2技術角度

圖1 技術角度分類

技術角度（dù）由（yóu）簡到繁分為純電動、串（chuàn）聯混合動力、並聯混（hún）合動力及混聯混合動（dòng）力，具體如圖1所示。其中P0表示BSG(Belt starter generator，帶傳動啟停裝（zhuāng）置)係統，P1代表ISG(Integrated starter generator，啟動機和發（fā）電機一（yī）體化裝置)係統、電機處於發（fā）動機和離合器之（zhī）間，P2中電機處於離合器和變速器（qì）輸（shū）入端之間，P3表示電機處於變速器輸出端或布置於後軸，P03表示（shì）P0和P3的組合。從統計表中可以看出，各種結（jié）構在國（guó）內外（wài）乘（chéng）用或商用車中均得到廣泛應用，相對來說P2在歐洲比較流（liú）行，行星排結構在日係和美係車輛中占主（zhǔ）導地位，P03等組合結構在四驅車輛中應（yīng）用較為普遍、歐藍（lán）德和標致3008均已實現量（liàng）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（zēng）加（jiā），例如由通用、克（kè）萊斯勒和（hé）寶馬聯合開發的三行星排雙（shuāng）模係統，盡管節油（yóu）效果較好，但由於結構複（fù）雜且成（chéng）本較高，近十年間的市場表現不盡如人（rén）意。

2、新能源汽車模塊規劃

盡管新能（néng）源汽車分類複（fù）雜，但（dàn）其中共用的模塊較多，在（zài）開發過程中可（kě）采用模塊化方法，共享平台、提高開發速度。總體上講，整個新能源（yuán）汽車可分為三級模塊體（tǐ）係、如圖2所示，一級（jí）模塊主要是指（zhǐ）執行係統，包括充電設備、電動附件、儲（chǔ）能係（xì）統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊（kuài）分為執行係統和控製係統兩部分，執行部分包括充電設備的地麵（miàn）充電機、集電器和車（chē）載充電機，儲能係（xì）統（tǒng）的單體、電箱和PACK，發動機部分的氣體機、汽油機和柴（chái）油機，發電（diàn）機的（de）永磁同（tóng）步和交流異步（bù），離合器（qì）中的幹式和（hé）濕式，驅動電機的永（yǒng）磁同步和交流異（yì）步，齒輪箱部（bù）分的有級（jí）式（shì）自動變速（sù）器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪；二級模塊的控製係統包括（kuò）BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別（bié）表示電池管理（lǐ）係統、發動機（jī）電子控製單元、發電機（jī）控製器（qì）、離合器（qì）控製單元、電機控製器、變速器控製係統和整車控製器。三級模塊體係中，包括電池單體的功率型和（hé）能量型（xíng），永磁和異步電機的水冷和風冷形式，控製係統的三級模塊主要包括硬件、底層和應用層（céng）軟件。

圖2 三（sān）級模塊體係

根據功能和控製的相似性，三級模（mó）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（hé）插電混聯混動三（sān）種平台（tái）架構，例如純電動(含增程式)由充電設備（bèi）、電動附件、儲能係統、驅動電機和齒輪箱（xiāng）組成。各平台模塊（kuài）的通用性較強，采用平台和模塊的開發方（fāng）法，可共享核心部件資源，提升新能源係統的安全性和可（kě）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

在三級模塊體係和平台架構中，整車控製器(VCU)、電機控製器(MCU)和電池管理係（xì）統(BMS)是（shì）最重要的核心技術，對整（zhěng）車（chē）的（de）動力性、經濟性、可靠性和安全（quán）性（xìng）等有著重要（yào）影響。

3.1VCU

VCU是實現整（zhěng）車控製決策的核心電子控製單元，一（yī）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（jí）油門踏（tà）板、擋位、刹車踏板等信號來判（pàn）斷駕駛員的駕駛意圖；通過監測車輛狀態(車速、溫（wēn）度等)信息（xī），由VCU判斷處理後，向動力係統、動力電池係統發送車輛的運（yùn）行狀態控製指令，同時控製（zhì）車載附件電力係統的（de）工作模式；VCU具有整車係統故障診斷保護與存儲功（gōng）能。

圖3為VCU的結構組成，共包括外殼、硬件電路、底層（céng）軟件和應用層（céng）軟（ruǎn）件，硬件電路、底層（céng）軟件和應用層軟件是VCU的關鍵核心技術。

圖3 VCU組成

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（chuán）感（gǎn）器（qì）采集等)設計；其中標（biāo）準化（huà）核心模塊電路可移植應用在MCU和BMS，平台（tái）化硬件將具有非常好的可（kě）移植（zhí）性和擴展性。隨著汽車級處理器（qì）技術的發展，VCU從基於16位（wèi）向32位處理（lǐ）器芯片（piàn）逐步（bù）過渡，32位已成（chéng）為業界的（de）主流產（chǎn）品（pǐn）。

底層軟件以（yǐ）AUTOSAR汽車軟件開放式係統（tǒng）架（jià）構為標準，達到電子控製單元(ECU)開發共平台的發展目標，支持新能（néng）源汽車（chē）不同的控製係統；模塊化軟件組件以（yǐ）軟件複（fù）用為目標，以有效提高軟件質量、縮（suō）短軟件開發周期。

應用層軟件按照V型開發流程（chéng）、基於模型開發完（wán）成，有利於團隊協作和（hé）平台拓展；采用快速原型工具和模（mó）型在環(MIL)工具對軟件模型進行驗證，加快開發（fā）速度（dù）；策略文檔（dàng）和（hé）軟件模型均采用專用版本工具進行管理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規律、模式切換、轉矩分配（pèi）和故障診斷策略等是應用（yòng）層（céng）的關鍵技術，對車輛動力性、經濟性和可靠性有（yǒu）著（zhe）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。

表2 VCU技術參（cān）數

3.2MCU

MCU是新能源汽車特有的核心功（gōng）率電子單（dān）元，通（tōng）過接收VCU的車輛行駛控製指令，控製（zhì）電（diàn）動機輸出指定的扭矩和轉速，驅動車輛行駛。實現把動力電池的直（zhí）流（liú）電能轉換為所需的高壓交流電、並驅動電機本體輸出機械能。同時，MCU具有電機係統故障診斷保護和存儲功能。

MCU由外殼及冷卻係統、功率電子單元、控製電路、底（dǐ）層軟件和控製算法軟件組成，具體結構如圖4所示。

圖4 MCU組成

MCU硬件（jiàn）電路（lù）采用模塊化、平台化設計（jì）理念(核（hé）心模塊與VCU同平台（tái）)，功率驅動部分采用多重診斷保護功能電路設計，功率回路部分采用汽車級IGBT模塊（kuài）並聯（lián）技術、定製（zhì）母線電容和集成（chéng）母排設計；結構部分采（cǎi）用（yòng）高防護等級、集成一體化液冷設計（jì）。

與（yǔ）VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放（fàng）式係統架構為標準（zhǔn），達到ECU開發共同平台的發展（zhǎn）目標，模塊（kuài）化軟件組件以軟件複用為目標（biāo）。

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

MCU關鍵技術方案包括：基於32位高性能雙核主處理器；汽車（chē）級並聯IGBT技術，定製薄膜母線電容及集成化功率（lǜ）回路設計，基於AutoSAR架構平（píng）台軟件及先進SVPWM PMSM控製算（suàn）法；高防護（hù）等級殼體及集（jí）成（chéng）一體化水冷散熱（rè）設計。

表3為（wéi）世（shì）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（diàn）池包是新能源汽車核心能量源，為整車提供驅動電（diàn）能（néng），它主要通過金屬材質的殼體包絡構成電池包主體。模塊化的結構設計實現了電芯的集成，通過熱管（guǎn）理設計與仿真（zhēn）優化電（diàn）池包熱管理性能，電器部件及線束實現了控製係（xì）統對電池的安全保護及連接路（lù）徑；通過BMS實現對電（diàn）芯的管理，以及與整車的通訊及信（xìn）息交換。

電池包組成如圖5所示，包括電芯、模塊、電氣係統、熱管理係（xì）統、箱（xiāng）體和BMS。BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監控電池（chí）的狀態。

圖5 電池包組成

BMS是（shì）電池包最關（guān）鍵的零部件，與（yǔ）VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應用層軟件組成。但（dàn）BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分（fèn）組成，從版安裝於模組內（nèi）部，用於檢測單（dān）體電壓、電流和均衡控製；主板安裝位置比較靈活，用於繼電器控製、荷電狀態值(SOC)估計和電氣傷害保護等。

BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測量，並通過高（gāo）可靠性的數據（jù）傳輸通道與BCU 模塊進（jìn）行指令及數據的雙向傳輸。BCU 可選用基於汽車功（gōng）能安全架構的32 位微處理器完（wán）成總電（diàn）壓采（cǎi）集、絕緣檢測、繼電器驅動及狀態監測等功能。

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

應用層（céng）軟件是BMS的控製核心（xīn），包（bāo）括電（diàn）池保（bǎo）護、電氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控製、從板控製、均衡控製、SOC估計和通訊管理等（děng）模塊，應用層軟件架構如圖6所（suǒ）示。

圖6 應用層軟件架構（gòu）

表4為（wéi）國內外主流 BMS供（gòng）應商的技術參數，代表著BMS的發展動態。

表4 BMS技術參數

4、充電設施

充電（diàn）設施（shī）不（bú）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行分析，並提出新能源汽車的（de）充（chōng）電解決方案、剖析充電係統組成。

4.1特斯拉充電方案分析

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

表（biǎo）5 電池和充（chōng）電參數（shù）

特斯拉（lā）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（mǎn）；集成（chéng）的20kW充電器，5小時充滿（mǎn）；一種快速充電器可以裝在（zài）家庭牆壁或者（zhě）停車場，充電時間可（kě）縮短為5小時； 45分鍾能（néng）充80%的電量（liàng）、且電（diàn）費全（quán）免，這種快（kuài）充裝置（zhì）僅在北（běi）美市場比較普遍。

特（tè）斯拉使用太陽能電池板遮陽棚的充電站，既可以抵消（xiāo）能源消耗又能夠遮陽。與在加油站加油需要付費不同（tóng），經過適當配置的 MODEL S 可以在任何開放（fàng）充電站免費（fèi）充電。

特斯拉充電技術特（tè）點可總結如下（xià）兩點：1)特斯拉充電（diàn）站加入（rù）了太陽能充電技術，這一技術使充電站盡（jìn）可能使用清潔能源，減少對電網的依賴（lài），同（tóng）時也減少了對電網的幹擾，國（guó）內這一（yī）技術也能實（shí）現。 2)特斯拉充電時間短也不足為（wéi）奇，特斯（sī）拉的充電（diàn）機（jī）容量大90~120kWh，充電（diàn）倍率0.8C，跟普通快充一樣，並沒有采用更大的充電倍率，所以不會影響電池壽命；20分鍾充到（dào）40%，就（jiù）能滿足續航要求，主要原因是電池容量大。

4.2充電解決方案

有一種（zhǒng）可參考（kǎo）的新能源汽車充電解決方案，充（chōng）電係統（tǒng）組成為：配電（diàn）係統(高壓配電櫃、變（biàn）壓器、無功補償裝置和低壓開關櫃)、充電係統(充電櫃和充（chōng）電機終端（duān）)以及儲能係統（tǒng）(儲能電池與逆變器櫃)。無功補（bǔ）償裝置解決充電係統（tǒng）對電網功（gōng）率因數影響，充電櫃內（nèi）充電機一般都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功（gōng）率因數問題。儲能電池（chí）和逆變器櫃解決老舊配電係統無法滿足充電站容量要（yào）求、並起到削峰填穀作用，在不充（chōng）電（diàn）時候進行儲能，大容量充電且配電係統容量不足（zú）時（shí）釋放所儲能量進行充電（diàn）。如果新建配電係統容量足夠，儲能電池和逆變器櫃可以（yǐ）不選（xuǎn）用。風（fēng）力發電和光伏發電為充電係統提供清潔能源，盡（jìn）量減少從電網取電。

5、總結

從消費者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（wài）各主機廠的應用情況。分析新能（néng）源汽（qì）車的（de）模塊組成和（hé）平台架構，詳細介紹了三級模塊體係中（zhōng）相關的執行係統和控製係統。分析VCU、MCU和BMS的結構組成及關鍵技術，以及世界主流供應商（shāng）的（de）技術（shù）參數和發展動態（tài）。對特斯（sī）拉成功的解決方（fāng）案進行分析，並提（tí）出新能源汽（qì）車的充電解決方案（àn）。

（轉自：車雲網）

本文作（zuò）者楊偉斌，北汽福田新能源係統開發部部長、清（qīng）華大學博士（shì）後、高級工程師。