新能源机动车核心技术详解-电池包和BMS-VCU-MCU

//新能源汽车核心技术详解：电池包和BMS、VCU、MCU|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。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P0表示BSG(Beltstartergenerator带传动启停装置)系统，P1代表ISG(Integratedstartergenerator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。来说P2P03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，包三级模块主要包括硬件、底层和应用层软件。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、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，采用性，缩短周期、降低研发及采购成本。3新能源三大核心技术(VCU)(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VCU判断处理后，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。图3VCU组成VCU硬件采用标准化核心模块电路(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，加快开发速术，对车辆动力性、经济性和可靠性有着重要影响。3.2MCUMCU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4MCU组成MCU核心模块与VCU同平台，功率驱IGBT模块并液冷设计。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。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。MCU32IGBT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SVPWMPMSM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。3.3电池包和BMSBMS电池包组成如图5BMS。BMS能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。图5电池包组成BMSVCU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。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。4充电设施案进行分析，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。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10kW10小时充满；集成的20kW5小时充满；一种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。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，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90~120kWh0.8C20分钟充到40%主要原因是电池容量大。4.2充电解决方案//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风力发电和光伏发