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新能源汽车核心技术详解.doc

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.02M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    文档下载 免费文档下载 http://doc.guandang.net/ 新能源汽车核心技术详解：电池包和 BMS、VCU、 MCU 本文档下载自文档下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载： http://doc.guandang.net/bbec1b4e291c165f190181d45.html 新能源汽车核心技术详解：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 电子创新网 | 2001-15-20 11:54 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。 1.2 技术角度 图 1 技术角度分类
    文档下载 免费文档下载 http://doc.guandang.net/ 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，近十年间的 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 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 2http://doc.guandang.net/bbec1b4e291c165f190181d45.html 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。
    文档下载 免费文档下载 http://doc.guandang.net/ 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、 驱动电机和齿轮箱组成。各平台模块的通用性较强，采用平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 在三级模块体系和平台架构中，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 http://doc.guandang.net/bbec1b4e291c165f190181d45.html 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，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。
    文档下载 免费文档下载 http://doc.guandang.net/ 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。 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、平台化设计理念(核心模块与 VCU 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 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
    文档下载 免费文档下载 http://doc.guandang.net/ 展目标，模块化软件组件以软件复用为目标。 应用层软 http://doc.guandang.net/bbec1b4e291c165f190181d45.html 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。 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
    文档下载 免费文档下载 http://doc.guandang.net/ 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 Bhttp://doc.guandang.net/bbec1b4e291c165f190181d45.htmlMS 供应商的 技术参数，代表着 BMS 的发展动态。 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。 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
    文档下载 免费文档下载 http://doc.guandang.net/ 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 http://doc.guandang.net/bbec1b4e291c165f190181d45.html 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平台架构，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。 作者：杨伟斌 文章来源：OFweek ? MCU 厂商基本实现了物联网云连接即插即用基于 Kinetis 微控制器的三相电表设计 ?
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