新能源汽车核心技术详解:电池包和BMS、VCU、 MCU

发布于:2021-12-05 02:05:30

新能源汽车核心技术详解:电池包和 BMS、VCU、 MCU 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

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(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, *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*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。

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*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*台模块的通用性较强, 采用*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*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 VCU VCU 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。

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,*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*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* 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。

3.2 MCU MCU 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、*台化设计理念(核心模块与 VCU 同*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*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*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

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 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。

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

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

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*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。


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