新能源汽车核心技术详解：电池包和BMS、VCU、-MCU.doc

新能源汽车核心技术详解：电池包与MS、VCU、 MC电子创新网001520 1：5404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与初级研发人员更好地了解新能源汽车得核心技术，笔者结合研发过程中得经验总结，从新能源汽车分类、模块规划、电控技术与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，其实这些名称就是从不同角度给出得解释、并不矛盾。、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、插电与纯电动，节油效果与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，从表中可以瞧出随着节油效果改善、成本增加也较多。1、2技术角度图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P表示BSG（Belt sate genrator,带传动启停装置）系统，1代表SG(Iteaed strtergeerator，启动机与发电机一体化装置）系统、电机处于发动机与离合器之间,P中电机处于离合器与变速器输入端之间，P3表示电机处于变速器输出端或布置于后轴，P03表示P0与P得组合。从统计表中可以瞧出，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，行星排结构在日系与美系车辆中占主导地位,P3等组合结构在四驱车辆中应用较为普遍、欧蓝德与标致300均已实现量产.新能源车型选择应综合考虑结构复杂性、节油效果与成本增加,例如由通用、克莱斯勒与宝马联合开发得三行星排双模系统,尽管节油效果较好，但由于结构复杂且成本较高，近十年间得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，但其中共用得模块较多,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、如图所示，一级模块主要就是指执行系统,包括充电设备、电动附件、储能系统、发动机、发电机、离合器、驱动电机与齿轮箱。二级模块分为执行系统与控制系统两部分，执行部分包括充电设备得地面充电机、集电器与车载充电机，储能系统得单体、电箱与CK，发动机部分得气体机、汽油机与柴油机，发电机得永磁同步与交流异步，离合器中得干式与湿式,驱动电机得永磁同步与交流异步,齿轮箱部分得有级式自动变速器(包括M、T与CT等）、行星排与减速齿轮；二级模块得控制系统包括B、ECU、GC、CCU、MCU、TCU与CU，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、变速器控制系统与整车控制器。三级模块体系中，包括电池单体得功率型与能量型,永磁与异步电机得水冷与风冷形式，控制系统得三级模块主要包括硬件、底层与应用层软件.图2三级模块体系根据功能与控制得相似性，三级模块体系得部分模块可组成纯电动（含增程式）、插电并联混动与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、驱动电机与齿轮箱组成.各平台模块得通用性较强，采用平台与模块得开发方法，可共享核心部件资源,提升新能源系统得安全性与可靠性，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与平台架构中,整车控制器(CU)、电机控制器（MCU)与电池管理系统（BM)就是最重要得核心技术，对整车得动力性、经济性、可靠性与安全性等有着重要影响.3、1VCUVU就是实现整车控制决策得核心电子控制单元,一般仅新能源汽车配备、传统燃油车无需该装置.VU通过采集油门踏板、挡位、刹车踏板等信号来判断驾驶员得驾驶意图；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得运行状态控制指令,同时控制车载附件电力系统得工作模式；VCU具有整车系统故障诊断保护与存储功能。图3为VCU得结构组成,共包括外壳、硬件电路、底层软件与应用层软件，硬件电路、底层软件与应用层软件就是VCU得关键核心技术。图3 VCU组成CU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 ）与U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MC与MS，平台化硬件将具有非常好得可移植性与扩展性。随着汽车级处理器技术得发展，VCU从基于1位向32位处理器芯片逐步过渡，位已成为业界得主流产品。底层软件以AUTS汽车软件开放式系统架构为标准,达到电子控制单元(E)开发共平台得发展目标，支持新能源汽车不同得控制系统;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,有利于团队协作与平台拓展;采用快速原型工具与模型在环(ML）工具对软件模型进行验证，加快开发速度；策略文档与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、转矩分配与故障诊断策略等就是应用层得关键技术，对车辆动力性、经济性与可靠性有着重要影响.3、2MCUCU就是新能源汽车特有得核心功率电子单元，通过接收VCU得车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定得扭矩与转速,驱动车辆行驶。实现把动力电池得直流电能转换为所需得高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时,C具有电机系统故障诊断保护与存储功能。MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件与控制算法软件组成，具体结构如图所示。图4C组成CU硬件电路采用模块化、平台化设计理念(核心模块与VU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IB模块并联技术、定制母线电容与集成母排设计;结构部分采用高防护等级、集成一体化液冷设计.与CU类似,MC底层软件以AUTOSR开放式系统架构为标准，达到U开发共同平台得发展目标,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、需求转矩计算与诊断模块.其中，矢量算法模块分为MP控制与弱磁控制。CU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IG技术,定制薄膜母线电容及集成化功率回路设计,基于AutoS架构平台软件及先进SVWMPMS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硬件供应商得技术参数,代表着MU得发展动态。3、3 电池包与BMS电池包就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得壳体包络构成电池包主体。模块化得结构设计实现了电芯得集成，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得安全保护及连接路径；通过BMS实现对电芯得管理，以及与整车得通讯及信息交换。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、箱体与BM。BMS能够提高电池得利用率，防止电池出现过充电与过放电,延长电池得使用寿命,监控电池得状态。图5 电池包组成BMS就是电池包最关键得零部件，与VCU类似，核心部分由硬件电路、底层软件与应用层软件组成。但BS硬件由主板(BC）与从板(BM）两部分组成,从版安装于模组内部,用于检测单体电压、电流与均衡控制；主板安装位置比较灵活，用于继电器控制、荷电状态值（SOC）估计与电气伤害保护等。MU硬件部分完成电池单体电压与温度测量，并通过高可靠性得数据传输通道与BCU模块进行指令及数据得双向传输。BCU 可选用基于汽车功能安全架构得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ATOSAR标准,模块化开发容易实现扩展与移植，提高开发效率.应用层软件就是BMS得控制核心,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估计与通讯管理等模块，应用层软件架构如图6所示.图 应用层软件架构表4为国内外主流MS供应商得技术参数,代表着BM得发展动态。 充电设施充电设施不完善就是阻碍新能源汽车市场推广得重要因素,对特斯拉成功得解决方案进行分析,并提出新能源汽车得充电解决方案、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得充电技术,它为MOS充电得速度远高于大多数充电站，表5为特斯拉电池与充电参数。特斯拉具有5种充电方式，采用普通10/220V市电插座充电,30小时充满；集成得1k充电器,10小时充满；集成得20kW充电器，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；5分钟能充%得电量、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得充电站,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，经过适当配置得 MEL 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，减少对电网得依赖,同时也减少了对电网得干扰，国内这一技术也能实现。 ）特斯拉充电时间短也不足为奇，特斯拉得充电机容量大0120Wh，充电倍率0、8C，跟普通快充一样,并没有采用更大得充电倍率，所以不会影响电池寿命；20分钟充到4，就能满足续航要求，主要原因就是电池容量大。、2充电解决方案图7充电系统组成图7为一种可参考得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、无功补偿装置与低压开关柜)、充电系统（充电柜与充电机终端)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、解决谐波电流与功率因数问题。储能电池与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,储能电池与逆变器柜可以不选用。风力发电与光伏发电为充电系统提供清洁能源，尽量减少从电网取电。 总结从消费者与技术角度分别对新能源汽车结构进行归纳分类，分析各种结构得优势,以及国内外各主机厂得应用情况.分析新能源汽车得模块组成与平台架构，详细介绍了三级模块体系中相关得执行系统与控制系统.分析U、MU与BM得结构组成及关键技术，以及世界主流供应商得技术参数与发展动态。对特斯拉成功得解决方案进行分析,并提出新能源汽车得充电解决方案.作者：杨伟斌文章来源:Fweek MCU厂商基本实现了物联网云连接即插即用基于Kinetis微控制器得三相电表设计