新能源汽车技术分类及三大关键技术详解

1、新能源汽车三大核心技术-新能源汽车技术分类及三大关键技术详解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，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。#在三级模块体系和平台架卞中，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。#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。关键词：VCUBMS 特斯拉 MCU 新能源汽车3新能源汽车三大核心技术在三级模块体系和平台架卞中，整车控制器（VCU）、电机控

2、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。3.1VCUVCU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。VCUVC

3、U图3VCU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

4、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2VCU技术参数国外主流厂商国外主流厂商1 1国外主该厂商国外主该厂商2 2尺寸尺寸（mmmm）185*127*65185*127*65220*220*1 170*4570*45CPLCPL架架构构FreescaiFreescaie e算位算位(MFC(MFC3642)3642)岸岸核

5、核120MHz120MHz, , DelphiASELCDelphiASELCFreescaJeFreescaJe立立(MPC3644(MPC3644单核单核IJOXIhzIJOXIhz- -FreescalegFreescaleg位位软件架软件架构构热港热港AmoSARAmoSAR非非AutoSARAutoSAR通讯方通讯方式式CAN.LINSPIFlexRayCAN.LINSPIFlexRayCANCAN、LINLIN、SFISFI工作电工作电压压（小（小兼答兼答ZWZW系统）系统）尔尔E6VE6V（小小象象各各2424U U系统系统）功能安功能安全全可通过扩展相关芯片薪足玲可通过扩展相关

6、芯片薪足玲。2 2屋屋& &ASHCASHC符合符合ISO26262ASILCISO26262ASILC3.2MCUMCU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。MCUMCU_控制底层控制算电路软件法软件图4MCU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

7、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架构平台软彳及先进SVPWMPMSM控制算法；高

8、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。外壳及冷却功率电子表3MCU技术参数国外主翁厂商国外主翁厂商1 1国外主淘一商国外主淘一商2 2尺寸尺寸(mm)(mm)475*245*108475*245*108411*454*183411*454*183幅值功率幅值功率18OKVA18OKVA320KVA320KVA幅值输出电流幅值输出电流32OA32OA45OA45OA主处理器主处理器TMS320F28336TMS320F28336InfineonInfineon防护等级防护等级IP67IP671P691P69通讯方式通讯方式CAP4

9、CAP4CANCAN转矩和转速响应时间，转矩和转速控制精度法足整主控制要求离足整至控制要求转矩和转速响应时间，转矩和转速控制精度法足整主控制要求离足整至控制要求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BMS。BMS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

10、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

11、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。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，代表着模式控制BSC充电管理CHM热管理核心算法均衡控制BTMCORBAL电池保护电气防护BPNBHP诊断管理DEM采集板控制 MCC继电器控制CTC输入处理 IPT输出处理 OPTBMS的发展动态。表4BMS技术参数国外主潦厂商国外主潦厂商国的主嫌厂商国的主嫌厂商配套方案配套方案主从结构主从结构主从结构主从结构盘度氾圉盘度氾圉-4OB5*C-4OB

12、5*C制。制。85*C85*C技术指标技术指标i i1电压则里精度电压则里精度: :0,1%FS0,1%FS电流测量精度电流测量精度电流测里范国：电流测里范国：0-i600A0-i600ASOCSOC估算精度：估算精度：5%5%均衡均衡方式：主方式：主动平衡动平衡电压哪里精度：电压哪里精度：0-5%0-5%FSFS电流则量精度电流则量精度；0-5%0-5%FSFS温度别里温度别里显显圉，圉，C C）：）：温度刎里精度温度刎里精度/6/6：0.50.5匕匕S0CS0C刎鱼精朦：刎鱼精朦：5%5%；均衡方式：被动平衡均衡方式：被动平衡车型应用戒围纯电动车、鼎台动力车车型应用戒围纯电动车、鼎台动力车

13、纯电动车纯电动车、混合动力车混合动力车功能安全功能安全1 1电池过充电池过充、过地过地、温升保护温升保护、电电池过充池过充、过放过放、温温升保护升保护、绝绝猥猥绝密防护高压互锁绝密防护高压互锁、预充电防护预充电防护适用电芯范围镒酸锂、三元材料适用电芯范围镒酸锂、三元材料铅酸电迫铅酸电迫 银银氢电池氢电池、 锂电地等动锂电地等动力电池力电池充电设施及充电解决方案-新能源汽车技术分类及三大关键技术详解来源：第一电动网作者：杨伟斌 2015 年 01 月 12 日 14:031分享订阅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，笔者结合研发过程中的经验总结，从新能源汽车分类、

14、模块规划、电控技术和充电设施等方面进行了分析。#在三级模块体系和平台架卞中，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。#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， 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。对特斯拉成功的解决方案进行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MODELS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

15、参数特斯拉具有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MODELS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

16、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90120kWh,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充电解决方案充电机弊电池类型额定电压电压范困电池类型额定电压电压范困总容量总容量电压电压电漪电漪功率功率NCANCA424.BV424.BV324.5-495.6324.5-495.6V V200.1AH500V200.1AH500V1 160A60A80kW80kW改进改进NCA556.4VNCA556.4V27225-415-8V23SJAH420V27225-415-8V23SJAH420V192A192ABOkWBOkW动力电池总成参数动力电池总成参数0.8C0.8C快充参救快充参救（90kW90kW充电）充电）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