导读：为了使新能源爱好者和初级研发人员更好地了解新能源汽车的核心技术，北汽福田新能源系统开发部部长杨伟斌结合研发过程中的经验总结， 从新能源汽车分类、模块规划、电控技术和充电设施等方面进行了分析2014年国内新能源汽车产销突破8万辆，发展态势喜人为了使新能源爱好者和初级研发人员更好地了解新能源汽车的核 心技术，笔者结合研发过程中的经验总结，从新能源汽车分类、模块规划、电控技术和充电设施等方面进行了分析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”不同分类方法令非业内人士感到困惑，其实这些名称是从不同角度给出 的解释、并不矛盾1.1消费者角度消费者角度通常按照混合度进行划分，可分为起停、弱混、中混、强混、插电和纯电动，节油效果和成本增等指标加如表1 所示表中“-”表示无此功能或较弱、“+”个数越多表示效果越好，从表中可以看出随着节油效果改善、成本增加也较多表1消费者角度分类表E消费者角度分类功能弱混中混骚混牺电-1 1奇瑞既G通用8AS茶威 ZSCHybrid丰田WiLim通用1Vol*日产EmM电功率比例•一<5%5-10^1020%= 50%100%节油效果《5%5-12%15-25%25-40%>50%100%起动雁机+T+4-+-再生制动-十十十十+ 十十岌幼机效章优化-4-++4-4-4- + 4--沌电动能力---十十十十成率增加万兀;1«23~44-66-S>12.1.2技术角度S叫.匚伽第一^动并联]■— t 3L. h1 e ,I行星排Si■四云 坦J /Ijff-dr A—~ ~.\ hct 1L妙］L 塑 f\\「二二二一一一“—■—一-二可.9?1P2HSUWttL里此KIPD3P1ZFl 3..........■珈. 互十常【局】.,.■■二.. LiS..--I.■ 1.■图1技术角度分类技术角度由简到繁分为纯电动、串联混合动力、并联混合动力及混联混合动力，具体如图1所示。
其中P0表示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装置）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表示电机处于变速器输出端或布置于后轴，P03表示P0和P3的组合从统 计表中可以看出，各种结构在国内外乘用或商用车中均得到广泛应用，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 主导地位，P03等组合结构在四驱车辆中应用较为普遍、欧蓝德和标致3008均已实现量产新能源车型选择应综合考虑结构复杂性、节 油效果和成本增加，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，但由于结构复杂且成本较高，近 十年间的市场表现不尽如人意2新能源汽车模块规划尽管新能源汽车分类复杂，但其中共用的模块较多，在开发过程中可采用模块化方法，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模块体系、如图2所示，一级模块主要是指执行系统，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。
二级模块分为执行系统和控制系统两部分，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；二级模块的控制系 统包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分别表示电池管理系统、发动机电子控制单元、发电机控制器、离合器控制 单元、电机控制器、变速器控制系统和整车控制器三级模块体系中，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，控制系统的三级模块主要包括硬件、底层和应用层软件BIEV.CJM屯弟 电网E 耕eh.-r &ECU图2三级模块体系根据功能和控制的相似性，三级模块体系的部分模块可组成纯电动(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模块的通用性较强，采用平台和模块的开发方 法，可共享核心部件资源，提升新能源系统的安全性和可靠性，缩短周期、降低研发及采购成本3新能源三大核心技术在三级模块体系和平台架构中，整车控制器(VCU)、电机控制器(MCU)和电池管理系统(BMS)是最重要的核心技术，对整车 的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。
3.1 VCUVCU是实现整车控制决策的核心电子控制单元，一般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置VCU通过采集油门踏板、 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工作模式；VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能图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的关 键核心技术riEV.COM 第一电动 VCU硬件 底层 应用层电路 软件 软件 ■匚一'■■ V - II- - :』*图3 VCU组成VCU硬件采用标准化核心模块电路（32位主处理器、电源、存储器、CAN ）和VCU专用电路（传感器采集等）设计；其中标准化 核心模块电路可移植应用在MCU和BMS，平台化硬件将具有非常好的可移植性和扩展性随着汽车级处理器技术的发展，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，达到电子控制单元（ECU）开发共平台的发展目标，支持新能源汽车 不同的控制系统；模块化软件组件以软件复用为目标，以有效提高软件质量、缩短软件开发周期。
应用层软件按照V型开发流程、基于模型开发完成，有利于团队协作和平台拓展；采用快速原型工具和模型在环（MIL）工具 对软件模型进行验证，加快开发速度；策略文档和软件模型均采用专用版本工具进行管理，增强可追溯性；驾驶员转矩解析、换挡规律、 模式切换、转矩分配和故障诊断策略等是应用层的关键技术，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的发展动态表2 VCU技术缪国外主流厂商1国外主推厂新1尺寸招V 口产伤220*170*45CPU架构曰耙w血 笠位心单核120MHz-bDsiphi 一%SIL CFreest 32位(MPC刷工单核liDMhz+ Ft尊旦睥1 出 S^(59^3DZ6O)软件架构委者四a宙SAR非 AumSAR通讯方式CAN、LN 昭.CAN、LINy SPI工作电压（不兼答24V系细ME 不兼容系统S攻1能安全可通谊扩屣相盘芯片所足壬DM况恐工C苻 ^150262^2 C3.2 MCUMCU是新能源汽车特有的核心功率电子单元，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保 护和存储功能MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、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硬件电路采用模块化、平台化设计理念（核心模块与VCU同平台），功率驱动部分采用多重诊断保护功能电路设计，功 率回路部分采用汽车级IGBT模块并联技术、定制母线电容和集成母排设计；结构部分采用高防护等级、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，达到ECU开发共同平台的发展目标，模块化软件组件 以软件复用为目标应用层软件按照功能设计一般可分为四个模块：状态控制、矢量算法、需求转矩计算和诊断模块其中，矢量算法模块分为 MTPA控制和弱磁控制MCU关键技术方案包括：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；高防护等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的发展动态表3 MCU技术参数表3 MC1J技术参数国外主液厂商1国外主流厂商2尺寸＜rnm)475*24-5*108傩值功率■leOKVA3^0KVA帽值输出电流320A450.A主处理器TMS3-20F2933&Infineon防护等级IP67IP69道讯方式GANCAN转拒和携速响应时运敏疆拒和转速控制精度满足整车控制要求满足整主控制要京3.3电池包和BMS电池包是新能源汽车核心能量源，为整车提供驱动电能，它主要通过金属材质的壳体包络构成电池包主体。
模块化的结构设 计实现了电芯的集成，通过热管理设计与仿真优化电池包热管理性能，电器部件及线束实现了控制系统对电池的安全保护及连接路径； 通过BMS实现对电芯的管理，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、模块、电气系统、热管理系统、箱体和BMSBMS能够提高电池的利用率，防止电池 出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态图5电池包组成BMS是电池包最关键的零部件，与VCU类似，核心部分由硬件电路、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，从版安装于模组内部，用于检测单体电压、电流和均衡控制；主板安装位置比较灵活，用于继电器控制、荷 电状态值(SOC)估计和电气伤害保护等BMU硬件部分完成电池单体电压和温度测量，并通过高可靠性的数据传输通道与BCU模块进行指令及数据的双向传输BCU可选用基于汽车功能安全架构的32位微处理器完成总电压采集、绝缘检测、继电器驱动及状态监测等功能底层软件架构符合AUTOSAR标准，模块化开发容易实现扩展和移植，提高开发效率应用层软件是BMS的控制核心，包括电池保护、电气伤害保护、故障诊断管理、热管理、继电器控制、从板控制、均衡控 制、SOC估计和通讯管理等模块，应用层软件架构如图6所示。
模式控制BSCBTM核心算法COR均衡控制BAL采集板控制顿充电管理CHM电池保护BPN电气防护BHP诊断管理DEM继电器控制CTC输入处理IPT输出处理OPT基础软件平台图6应用层软件架构表4为国内外主流BMS供应商的技术参数，代表着BMS的发展动态表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，对特斯拉成功的解决方案进行分析，并提出新能源汽车的充电解决 方案、剖析充电系统组成4.1特斯拉充电方案分析特斯拉超级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多数充电站，表5为特斯拉电池和充电参数表5电池和充电参数表5电池ft］充电参数动力电醐总观堑物 在&娥充参或（充电）电也类型额定电.压裹压范囹总答里电压电潴功率XCA424.&V324.5-495.6V200.1AH 50DV160A觥W改进MCA356.4V272.25-415.SV22B.7Ah420VS92A特斯拉具有5种充电方式，采用普通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不同，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干扰，国内这一技术也能实现2）特斯拉充电时间短也不足为奇，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，并没有采用更大的充电倍率，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充电解决方案D1EV.COM第一电动区力町里 , J鼻 3 Tdi 111图7充电系统组成图7为一种可参考的新能源汽车充电解决方案，充电系统组成：配电系统（高压配电柜、变压器、无功补偿装置和低压开关 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）无功补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能、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不足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分别对新能源汽车结构进行归纳分类，分析各种结构的优势，以及国内外各主机厂的应用情况分析新能源汽车的模块组成和平台架构，详细介绍了三级模块体系中相关的执行系统和控制系统分析VCU、MCU和BMS的结构组成及关键■M-技术，以及世界主流供应商的技术参数和发展动态对特斯拉成功的解决方案进行分析，并提出新能源汽车的充电解决方案6jpg (26.16 KB)10.jpg (43.48 KB)U1EV.COM第一电动外壳及 冷却功率电子搓制电路底层软件控制算 法软件MCU表4 BMS技术参数国外主流厂商国内主湍J商酉瘩方案主从结构主从结构温度范围-40-8 5*・40〜对C技术指标电压删里精度：0.1 %FS电流珈里精度0.1%FS电流珈重范0-+600ASOC估箕精度：5%均衡方式：主动平衡电压圳厘精度：05% FS电流则里精度：5% FS温度刻重范围00： -40-125^0温度则里精度co： o.srS顷怪精度：5%；均衡方式：被动平衡车型应用范围纯电动车、混合动力车纯电动车、混合动力车功能安全电池过充、过故、温升保护、绝嫁防护、高压互顶、预充电电炬过充、迥敏、温升保护、鲍缘防护适用电芯范围镭酸锂、三元材料铅•酸电池、镣氢电池、铿电池等动力电池。