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【技術】詳細解析新能源汽車核心技術:電池包和BMS、VCU、 MCU

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【技術】詳細解析新能源汽車核心技術:電池包和BMS、VCU、 MCU

  • 來源:
  • 發布時間:2016-05-09
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【技術】詳細解析新能源汽車核心技術:電池包和BMS、VCU、 MCU

【概要描述】

  • 來源:
  • 發布時間:2016-05-09 00:00
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詳情
        2014年國內新能源汽車產銷突破8萬輛,發展態勢喜人。為了使新能源愛好者和初級研發人員更好地了解新能源汽車的核心技術,筆者結合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面進行了分析。
 
       1新能源汽車分類
 
        在新能源汽車分類中,“弱混、強混”與“串聯、并聯”不同分類方法令非業內人士感到困惑,其實這些名稱是從不同角度給出的解釋、并不矛盾。
 
       1.1消費者角度
 
        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、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“-”表示無此功能或較弱、“+”個數越多表示效果越好,從表中可以看出隨著節油效果改善、成本增加也較多。
 
 
       1.2技術角度 
        技術角度由簡到繁分為純電動、串聯混合動力、并聯混合動力及混聯混合動力,具體如圖1所示。其中P0表示BSG(Belt starter generator,帶傳動啟停裝置)系統,P1代表ISG(Integrated starter generator,啟動機和發電機一體化裝置)系統、電機處于發動機和離合器之間,P2中電機處于離合器和變速器輸入端之間,P3表示電機處于變速器輸出端或布置于后軸,P03表示P0和P3的組合。從統計表中可以看出,各種結構在國內外乘用或商用車中均得到廣泛應用,相對來說P2在歐洲比較流行,行星排結構在日系和美系車輛中占主導地位,P03等組合結構在四驅車輛中應用較為普遍、歐藍德和標致3008均已實現量產。新能源車型選擇應綜合考慮結構復雜性、節油效果和成本增加,例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三行星排雙模系統,盡管節油效果較好,但由于結構復雜且成本較高,近十年間的市場表現不盡如人意。
 
        2新能源汽車模塊規劃
 
        盡管新能源汽車分類復雜,但其中共用的模塊較多,在開發過程中可采用模塊化方法,共享平臺、提高開發速度??傮w上講,整個新能源汽車可分為三級模塊體系、如圖2所示,一級模塊主要是指執行系統,包括充電設備、電動附件、儲能系統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和齒輪箱。二級模塊分為執行系統和控制系統兩部分,執行部分包括充電設備的地面充電機、集電器和車載充電機,儲能系統的單體、電箱和PACK,發動機部分的氣體機、汽油機和柴油機,發電機的永磁同步和交流異步,離合器中的干式和濕式,驅動電機的永磁同步和交流異步,齒輪箱部分的有級式自動變速器(包括AMT、AT和DCT等)、行星排和減速齒輪;二級模塊的控制系統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU,分別表示電池管理系統、發動機電子控制單元、發電機控制器、離合器控制單元、電機控制器、變速器控制系統和整車控制器。三級模塊體系中,包括電池單體的功率型和能量型,永磁和異步電機的水冷和風冷形式,控制系統的三級模塊主要包括硬件、底層和應用層軟件。
 
        根據功能和控制的相似性,三級模塊體系的部分模塊可組成純電動(含增程式)、插電并聯混動和插電混聯混動三種平臺架構,例如純電動(含增程式)由充電設備、電動附件、儲能系統、驅動電機和齒輪箱組成。各平臺模塊的通用性較強,采用平臺和模塊的開發方法,可共享核心部件資源,提升新能源系統的安全性和可靠性,縮短周期、降低研發及采購成本。
 
        3新能源三大核心技術
 
         在三級模塊體系和平臺架構中,整車控制器(VCU)、電機控制器(MCU)和電池管理系統(BMS)是最重要的核心技術,對整車的動力性、經濟性、可靠性和安全性等有著重要影響。
 
        3.1VCU
 
         VCU是實現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、剎車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖;通過監測車輛狀態(車速、溫度等)信息,由VCU判斷處理后,向動力系統、動力電池系統發送車輛的運行狀態控制指令,同時控制車載附件電力系統的工作模式;VCU具有整車系統故障診斷保護與存儲功能。
 
         圖3為VCU的結構組成,共包括外殼、硬件電路、底層軟件和應用層軟件,硬件電路、底層軟件和應用層軟件是VCU的關鍵核心技術。
 
        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(傳感器采集等)設計;其中標準化核心模塊電路可移植應用在MCU和BMS,平臺化硬件將具有非常好的可移植性和擴展性。隨著汽車級處理器技術的發展,VCU從基于16位向32位處理器芯片逐步過渡,32位已成為業界的主流產品。
 
        底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式系統架構為標準,達到電子控制單元(ECU)開發共平臺的發展目標,支持新能源汽車不同的控制系統;模塊化軟件組件以軟件復用為目標,以有效提高軟件質量、縮短軟件開發周期。
 
        應用層軟件按照V型開發流程、基于模型開發完成,有利于團隊協作和平臺拓展;采用快速原型工具和模型在環(MIL)工具對軟件模型進行驗證,加快開發速度;策略文檔和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、轉矩分配和故障診斷策略等是應用層的關鍵技術,對車輛動力性、經濟性和可靠性有著重要影響。
 
        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。
 
       3.2MCU
 
       MCU是新能源汽車特有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流電能轉換為所需的高壓交流電、并驅動電機本體輸出機械能。同時,MCU具有電機系統故障診斷保護和存儲功能。
 
       MCU由外殼及冷卻系統、功率電子單元、控制電路、底層軟件和控制算法軟件組成,具體結構如圖4所示。
 
        MCU硬件電路采用模塊化、平臺化設計理念(核心模塊與VCU同平臺),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模塊并聯技術、定制母線電容和集成母排設計;結構部分采用高防護等級、集成一體化液冷設計。
 
        與VCU類似,MCU底層軟件以AUTOSAR開放式系統架構為標準,達到ECU開發共同平臺的發展目標,模塊化軟件組件以軟件復用為目標。
 
        應用層軟件按照功能設計一般可分為四個模塊:狀態控制、矢量算法、需求轉矩計算和診斷模塊。其中,矢量算法模塊分為MTPA控制和弱磁控制。
 
        MCU關鍵技術方案包括:基于32位高性能雙核主處理器;汽車級并聯IGBT技術,定制薄膜母線電容及集成化功率回路設計,基于AutoSAR架構平臺軟件及先進SVPWM PMSM控制算法;高防護等級殼體及集成一體化水冷散熱設計。
        表3為世界主流 MCU硬件供應商的技術參數,代表著MCU的發展動態。
 
        3.3電池包和BMS
 
        電池包是新能源汽車核心能量源,為整車提供驅動電能,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,通過熱管理設計與仿真優化電池包熱管理性能,電器部件及線束實現了控制系統對電池的安全保護及連接路徑;通過BMS實現對電芯的管理,以及與整車的通訊及信息交換。
 
        電池包組成如圖5所示,包括電芯、模塊、電氣系統、熱管理系統、箱體和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,監控電池的狀態。
 
        BMS是電池包最關鍵的零部件,與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BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成,從版安裝于模組內部,用于檢測單體電壓、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,并通過高可靠性的數據傳輸通道與BCU 模塊進行指令及數據的雙向傳輸。BCU 可選用基于汽車功能安全架構的32 位微處理器完成總電壓采集、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,模塊化開發容易實現擴展和移植,提高開發效率。
 
        應用層軟件是BMS的控制核心,包括電池保護、電氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控制、從板控制、均衡控制、SOC估計和通訊管理等模塊,應用層軟件架構如圖6所示。
 
        表4為國內外主流 BMS供應商的技術參數,代表著BMS的發展動態。
 
        4充電設施
 
         充電設施不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,并提出新能源汽車的充電解決方案、剖析充電系統組成。
 
        4.1特斯拉充電方案分析
 
         特斯拉超級充電器代表了當今世界最先進的充電技術,它為MODEL S充電的速度遠高于大多數充電站,表5為特斯拉電池和充電參數。
 
         特斯拉具有5種充電方式,采用普通110/220V市電插座充電,30小時充滿;集成的10kW充電器,10小時充滿;集成的20kW充電器,5小時充滿;一種快速充電器可以裝在家庭墻壁或者停車場,充電時間可縮短為5小時; 45分鐘能充80%的電量、且電費全免,這種快充裝置僅在北美市場比較普遍。
 
        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不同,經過適當配置的 MODEL S 可以在任何開放充電站免費充電。
 
        特斯拉充電技術特點可總結如下兩點:1)特斯拉充電站加入了太陽能充電技術,這一技術使充電站盡可能使用清潔能源,減少對電網的依賴,同時也減少了對電網的干擾,國內這一技術也能實現。 2)特斯拉充電時間短也不足為奇,特斯拉的充電機容量大90~120kWh,充電倍率0.8C,跟普通快充一樣,并沒有采用更大的充電倍率,所以不會影響電池壽命;20分鐘充到40%,就能滿足續航要求,主要原因是電池容量大。
        圖7為一種可參考的新能源汽車充電解決方案,充電系統組成:配電系統(高壓配電柜、變壓器、無功補償裝置和低壓開關柜)、充電系統(充電柜和充電機終端)以及儲能系統(儲能電池與逆變器柜)。無功補償裝置解決充電系統對電網功率因數影響,充電柜內充電機一般都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率因數問題。儲能電池和逆變器柜解決老舊配電系統無法滿足充電站容量要求、并起到削峰填谷作用,在不充電時候進行儲能,大容量充電且配電系統容量不足時釋放所儲能量進行充電。如果新建配電系統容量足夠,儲能電池和逆變器柜可以不選用。風力發電和光伏發電為充電系統提供清潔能源,盡量減少從電網取電。
 
        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,以及國內外各主機廠的應用情況。分析新能源汽車的模塊組成和平臺架構,詳細介紹了三級模塊體系中相關的執行系統和控制系統。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的技術參數和發展動態。對特斯拉成功的解決方案進行分析,并提出新能源汽車的充電解決方案。
 
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