新能源汽车开发应用基础

1、新能源汽车开发应用基础 2016年03月 欧辉技术中心新能源所 王雷 第一部分 新能源汽车基础知识介绍1 第二部分 核心零部件驱动电机的选型与匹配 2 目目 录录 第三部分 核心零部件动力电池的选型与匹配 3 第四部分 核心零部件VCU控制原理与系统设计4 第五部分 核心零部件其他高压单元的选型与匹配 5 3 能源安全 形势严峻 能源安全 2010年车用石油消耗比例已超 过1/3，2020年将达到或超过 45% 2010年石油对外依存度超过 53.8%, 2020年将达到或超过 60% 到2010年中国探明石油储量占 世界总储量的2%左右，而中国石 油消耗占世界总石油消耗为12% 第一部分 新

2、能源汽车基础知识介绍 4 所以汽车工业和技术发展的首要任务： 可持续发展：资源节约 排放降低 可再生资源使用 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 5 新能源汽车(20122020)规划（2012年4月18日国务院常务会议通过，6 月28日国务院正式发布） 明确发展新能源汽车的发展重点和发展目标。 中国以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和 插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽 车，提升汽车产业整体技术水平。 其发展目标为，到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量争 取达到50万辆，到2020年超过500万辆；新能源汽车、动力

3、电池及关键零部件 技术整体上达到国际先进水平。 根据2015年的实际数据来看，全国累计销量已突破30万量，距离发展目标 有一定差距。但是突出的一点是在2015年，新能源汽车出现了爆发式增长，国 内外新能源三大件厂商大幅扩张产能，以满足越来越紧张的供货需求，而新能 源零部件尤其动力电池的价格也从居高不下开始出现松动，随着国际多个行业 巨头开始国产化，高新技术的引入与市场竞争带来成本的下降，新能源汽车一 直以来昂贵的成本及销售价格也将得到缓解。 2016年500万辆的目标能否实现？ 新能源车型政策解读 “一切皆有可能” 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 6 新能源汽车的定义：根据国家工信部、科技部

4、发布的相关文件，新能源汽车是指采用非常规 的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动 力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。新能源汽 车包括：混合动力汽车、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车 （FCEV）、氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器、二甲醚）汽车等各类别产品。燃料 电池汽车目前尚不具备产业化条件，加强关键技术的科技攻关是当前的重点。 混合动力车辆定义： “能量与功率传送路线：具有如下特点的车辆称为混合动力车辆： 传送到车轮推进车辆运动的能量，至少来自两种不同的能量转换装置，（例如：内燃机

5、、燃 气涡轮、斯特林发动机、电动机、液压马达、燃料电池等）； 这些能量转换装置至少要从两种不同的能量储存装置（例如：燃油箱、蓄电池、飞轮、超级 电容、高压储氢罐等）吸取能量； 从储能装置流向车轮的这些通道，至少有一条是可逆的。 “如果可逆的储能装置供应的是电能时，则称作混合动力电动车。” 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 7 普通 混合动力汽 车 插电式 混合动力汽 车 纯电动汽车 新能源车型 未来发展方向 早期节能车型目前主流产品 混合动力新能源 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 8 微混合 10% 轻混合 10-20% 中混合 20-30% 强混合 50%混合度 （电机的输出功率在整个系统

6、的输出功率中的占比） 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 9 燃料电池纯电动 F ：燃料 FC：燃料电池反应堆 B ：电池 M/G：电动机/发电机 T：变速器 I ：转换器 BIM/G T 燃料线路 电力传输线路 机械动力传输线路 F B FC I GM/G 纯电动及燃料电池汽车技术路线纯电动及燃料电池汽车技术路线 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 10 电机控制器 高压配电系 统 24V DC/DC电源 电动助力转向 电动空压机 电动空调 整车控制器 驱动电 机 锂电池组 充电接口 电机系统 电池系统 电控系统 辅助系统 后桥 能 量 管 理 系 统 纯纯电动驱动系统主要由电机系统、电控系统、

7、电池系统以及辅助系统电动驱动系统主要由电机系统、电控系统、电池系统以及辅助系统构成构成 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 11 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 纯纯电动驱动系统的高压系统电动驱动系统的高压系统结构结构 12 纯电动汽车的两种能量流动模式纯电动汽车的两种能量流动模式 电机 控制总成 动力电池组 电能传递 机械能传递 驱动模式驱动模式 电机从零转速开 始的稳定高转矩， 及过载范围宽的 特性确定了纯电 动驱动系统可无 变速箱，无离合 器的天生优势 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 13 电机 控制总成 动力电池组 电能传递 机械能传递 能量回馈模式能量回馈模式 动力系统的逆向 能量

8、回馈能力决 定了整车的能耗 水平与续航能力 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 14 电机的基本特点电机的基本特点 恒扭区恒功率区 低效区 堵转转矩略小于峰值 与传统动力最大不同在于电机的基本特性与发动机的差异，即电机可从零 转速开始稳定输出动力；短时间内1.5倍以上的扭矩过载能力（动力计算皆基于 峰值特性）；超速能力强，直驱技术路线中电机超速能力通常在2.5倍以上，无 需搭载变速箱。 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 15 能量回馈的实现能量回馈的实现 再生制动力矩机械制动力矩加速度 典型电动汽车踏板曲线驱动电机外特性曲线 目前混合动力能量回馈技术基本与纯电动相同，只是在并联技术路线中， 由于

9、当前通常匹配电机较小，因此能量回馈能力有限，这也是并联在燃油经 济性方面较差的原因之一。 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 16 串联混合动力 并联混合动力 混联混合动力 F ：燃料 E ：发动机 B ：电池 Spl : 动力离合装置 M/G：马达/发电机 T：变速器 I ：转换器 F B E I M/GT 燃料线路 电力传输线路 机械动力传输线路 F B E I GM F B E I M/GMSplT 混合动力汽车技术路线混合动力汽车技术路线 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 17 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 18 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 19 第一部分 新能源汽车基础知识介

10、绍 20 内燃机运行在高效区内燃机运行在高效区 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 21 混合动力汽车技术链混合动力汽车技术链 混合动力汽车混合动力汽车 传统汽车产品技术 混合动力汽车 核心技术 车身系统 电气系统 内饰系统 动力平台动力平台 电辅助系统 动力系统动力系统 控制系统控制系统 关键零部件技术关键零部件技术 发动机 传动系统 驱动电机 动力蓄电池 悬架系统 转向系统 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 22 串联混合动力驱动原理串联混合动力驱动原理 控制 动力电组 电能传递 机械能传递 驱动模式驱动模式 电机 发动机 控制总成 储能单元 发电机 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 23

11、能量回馈模式能量回馈模式 控制 动力电组 电机 发动机 控制总成 储能单元 发电机 电能传递 机械能传递 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 24 串联混合动力驱动原理串联混合动力驱动原理 通常串联混合动力系统发动机与发电机的启停与工作负荷由动力电池的 SOC决定。设定固定SOC区间，在达到SOC下限阈值时，电机启动发动机开 始发电；而在发电持续一段时间动力电池SOC上升至预设上限阈值时，发动 机停机，系统进入纯电动模式行驶，直至SOC下一次达到下限阈值，再次启 动发电机组。柴电混合中可以做到功率跟随。 由此可知，串联系统中纯电驱动，依据工况可以智能实现停机；发动机 工况单一；发动机仅作发电机组

12、发电用。对于基于串联的插电式混合动力系 统，由于前期发展的路线之争、政策导向等种种原因，国内尚为开发出成熟 解决方案，而现有西门子解决方案的成本较高，在国内应用非常少。 此前有述，新能源汽车未来的最终发展方向是燃料电池汽车，目前还处 于起步阶段。而燃料电池汽车技术路线类似于串联混合动力，尤其是与燃气 发动机串联动力系统高度一致。其是用燃料电池堆作为增程器为动力电池及 驱动系统供电，而串联系统是发动机加发电机组成供电单元。其他部分基本 相同。 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 25 并联混合动力驱动原理并联混合动力驱动原理 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 电动机 离合器 发动机 变速箱

13、 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 26 并联混合动力依据工况可以智能实现电机驱动、发动机驱动或是并行驱动。由于保留了 传统动力的变速箱结构，使其具有动力性好，可靠性高，成本较低等特点，但因此也带来了 节能减排空间有限的问题。在目前技术水平下，并联是海拔落差大、坡道多的路线及高速段 较多的路线的主要新能源系统选择。 启动发动机：启动发动机：在SOC高于一定值，混合动力系统工作正常情况下，由电动机快速启动发动 机，改良发动机启动阶段的燃烧状况，减少尾气排放。 纯电动起步：纯电动起步：在司机油门踏板一定的情况下，混合动力系统会结合自身SOC状况及油门开 度等信息，计算出驱动车辆所需的电量，单独由电

14、池驱动并自动进行换档。 电动辅助：电动辅助：当系统计算出目前的电量达不到单独驱动车辆的要求或车速高于预设阈值时， 系统会耦合离合器，由发动机和电机共同驱动车辆。 纯发动机模式：纯发动机模式：当驱动负荷较低，且动力电池电量充足时发动机单独驱动；当动力电池 SOC低于一定值时，发动机提供驱动力的同时，提供部分动力通过电机为动力电池充电。 能量回收模式：能量回收模式：在放松或释放油门、或踩刹车的情况下，系统将进入能量回收状态，回收 的比例由油门开度或刹车的深度决定。此时离合器可以接合或分离，若接合则可停止喷油并 由惯性力反拖，若分离则可保持怠速运行。 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 并联混合动力驱

15、动原理并联混合动力驱动原理 27 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 电动机 离合器 发动机 变速箱 启动发动机模式 电量充足 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 28 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 电动机 发动机 变速箱 纯电起步模式 电量充足 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 29 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 电动机 离合器 发动机 变速箱 电动辅助模式 电量不足，或车速较高 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 30 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 电动机 离合器 发动机 变速箱 纯发动机模式 高速低负荷，电量充足 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 3

16、1 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 电动机 离合器 发动机 变速箱 行车补电模式 电量严重不足 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 32 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 电动机 离合器 发动机 变速箱 行车补电模式 电量严重不足 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 33 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 电动机 离合器 发动机 变速箱 能量回馈模式 充电 此时离合器可选择接合或分离 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 34 混联混合动力驱动原理混联混合动力驱动原理 电机 控制总成 储能单元 离合器 发电机 发动机 电能传递 机械能传递 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 3

17、5 混联混合动力原理上相当于综合了串联与并联混合动力的优点，同时具有把发动机驱动力通过 机械动力进行传输的路径以及通过发电机以电气进行传输的路径，且通过控制，依据工况的需要实 现两者的最有效运行。 目前来看，由于混联混合动力系统部件较多，成本及布置空间的限制，相对传统动力系统 小排量化发动机，且不再匹配变速箱，因而动力性能偏弱只适合低速平坦路面的使用。但同时，随 着系统技术的发展，在不久的将来，将会有带变速箱的混联产品量产化出现。下述为混联系统主要 工作模式： 1.纯电动模式：动力电池电量充足，在起步加速阶段发动机不参与驱动 2.能量回馈模式：离合器分离，发动机与ISG电机处于关闭状态。主电机

18、实现制动能量回收。车 辆进行制动或下坡滑行时，系统进入能量回馈模式，通过电机回收车辆的机械能。 3.发动机单独驱动模式：在车速较高且低负荷，而动力电池电量充足的情况下，系统判定由发动 机单独驱动。 4.并联模式：在较高车速下高负荷行驶或急加速时，若动力电池电量充足，则电动机与发动机共 同输出动力并耦合后进行驱动。 5.串联模式：在起步加速阶段，若动力电池电量不足，则系统判断进入串联模式，及发动机带动 系统中的发电机发电，而电动机纯电驱动整车起步加速。此时动力电池根据动力需求及发电功率不 同有可能处于放电或充电状态。 6.行车发电模式：在较高车速下低负荷行驶，而动力电池电量不足时，发动机单独输出

19、动力驱动 车辆行驶的同时分出另一部分动力提供电机经行发电。 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 混联混合动力驱动原理混联混合动力驱动原理 36 电机 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 纯电动模式 电量充足 1 起步、低速状态 36 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 37 电机 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 电制动模式 2 制动能量回收 充电 37 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 38 发动机 机械能传递 发动机直驱模式 3 轻载、缓加速状态 燃油机械能 38 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 39 电机 离合器 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 并联模式 4 重载、

20、急加速状态 电能燃油机械能 在极端工况下时可能启动 发动机+ISG电机+TM电机同时驱动 发电机 发动机 39 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 40 电机 发动机 控制总成 储能单元 发电机 电能传递 机械能传递 串联模式 电量不足 5 起步、低速状态 40 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 41 电机 离合器 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 并联发电模式 6 轻载、行车补电状态 充电燃油机械能 发动机 发电机 41 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 42 发动机 储能单元 发电机 电能传递 机械能传递 停车补电模式 充电 7 停车补电状态 42 第一部分 新能源汽车基础知识介绍

21、43 发动机 储能单元 充电桩 电能传递 机械能传递 停车补电模式 充电 8 外接充电状态 43 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 44 电机 控制总成 储能单元 电能传递 机械能传递 爬坡模式 9 双电机低速爬坡模式 电能 离合器 发电机 发动机 44 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 45 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 第二部分 核心零部件驱动电机的选型与匹配 目目 录录 第三部分 核心零部件动力电池的选型与匹配 3 第四部分 核心零部件VCU控制原理与系统设计4 第五部分 核心零部件其他高压单元的选型与匹配 5 2 1 46 第二部分 驱动电机的选型与匹配 1 1 驱动电机的分类与特

22、点驱动电机的分类与特点 直流电动机(DCM) 感应电动机(IM) 永磁电动机(PM) 开关磁阻电动机(SRM) 47 1 1 驱动电机的分类与特点驱动电机的分类与特点 电机类型优 点缺 点 直流电机 控制性能较好，具有良好的电磁转矩控制特性，调速比较 方便，控制装置简单，成本低； 转速范围小，效率低，质量重，体积大， 维护成本大 感应电机 结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低转矩脉动、 低噪声，不需要位置传感器，转速极限高，感应电机矢量 控制调速技术比较成熟。 驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机 而言，异步电机效率和功率密度偏低。 永磁 同步电机 较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，

23、尤其是内置 式永磁同步电机，具有结构灵活，设计自由度大，有望得 到高性能，适合用作混合动力汽车高效、高密度、宽调速 牵引驱动。 对冷却系统要求相对较高，对控制器的 处理能力要求较高，有热退磁效应。 开关磁阻 电机 开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固， 适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低，在宽广的转 速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。 噪声和振动比一般的电动机大，且出线 较多；使用位置传感器，增加了结构复 杂性，降低了可靠性。 目前大功率永磁同步电机系统由于其高功率密度和效率及超宽的调速范围，已在纯电 动客车及乘用车领域得到了成功运用，并占据了主导地位，其控制

24、技术、冷却系统设计以 及高温退磁等核心技术也取得了长足的进步。 而早期主流产品交流异步电机由于效率和功率密度偏低，电路复杂等问题市场占有率 在逐渐降低 ，但结构简单，可靠性高，控制技术成熟，价格低廉的特点使其目前，甚至在 将来很长一段时间内都将保持一定的市场竞争力。 第二部分 驱动电机的选型与匹配 48 类型永磁同步水冷直驱电机 电机额定功率 kW90 电机峰值功率 kW135 电机额定转速 rpm955 电机最高转速 rpm3200 额定转矩 Nm900 最大转矩 Nm1500 电机最高效率 %94 绝缘等级F级 外壳防护等级 IP55 2 2 驱动电机的关键参数驱动电机的关键参数 需注意的

25、是 额定扭矩额定转速/9550=额定功率； 峰值扭矩最高转速/9550 峰值功率； 峰值参数只是特性参数，相互之间并无必然关系。 第二部分 驱动电机的选型与匹配 49 3 3 驱动电机的选型与匹配驱动电机的选型与匹配 前文有述，由于目前的技术发展以及市场导向等原因，在乘用车及高速、高负荷汽 车领域，永磁同步水冷电机已成为驱动电机的主流产品，在特殊领域及少数产品中交流 异步电机也有较好的应用。 纯电动汽车主要有三种技术路线三种技术路线，即纯电直驱式、电机+减速箱式、电机+多挡变速 箱式。纯电直驱式主要为调速范围广，超速能力达2.5倍以上的永磁同步电机，多应用于 一般负荷车型；电机+减速箱式多为高

26、速电机包括少量永磁同步电机及绝大多数交流异 步电机，其转速高，扭矩输出能力相对较弱，同时调速范围广，同样的多应用于一般负 荷车型，且对整车空间要求较高；电机+多档变速箱式一般为调速能力弱，扭矩输出能 力一般的电机，多应用与重负荷车型，且有较大空间用于动力系统布置。 纯电直驱式电机+减速箱式电机+多挡变速箱式 第二部分 驱动电机的选型与匹配 50 3 3 驱动电机的选型与匹配驱动电机的选型与匹配 目前来说，福田汽车集团还不具备自主正向开发包括电机、减速箱、变速箱以及车 桥等在内的动力传动系统的能力。因此，在纯电动领域受资源限制较大，通常动力匹配 设计以市场成熟电机的应用为主，亦或与动力总成供应商

27、合作，我方提供需求。 动力系统的匹配应用：动力系统的匹配应用： 1、根据车型的定位，初定整车最大总质量、轮胎选型，同时根据动力性能（爬坡 性能、最高车速）需求得到轮边扭矩、轮边转速； 2、主驱动电机的选择，在得到轮边扭矩与转速后，初定4.56.5的主减速比，据此 寻找市场成熟的纯电动力总成资源。 3、主减速比选定。在正向设计中，主减设计本应结合电机及变速箱综合优化，但 在当前条件下纯电动力总成设计完全依赖供应商，为了尽量降低电机成本，提高系统效 率等原因，通常会挤压主减选择空间。根据选定电机资源核对动力性能要求，在此需要 注意的是与传统动力有较大不同，在最高车速的确定上，传统汽车最高车速通常受

28、限于 发动机的额定功率，而在重型车领域通常最高车速受限于电机的最高转速。同时由于后 桥也是外购件，所以实际应用过程中通常是做多种组合的核算。 4、当然，对于福田汽车的电机选型匹配也有一捷径可走，基于现有传统车底盘， 将发动机与变速箱部分替换为电机（电机加变速箱或电机加减速箱）。当然需要明确的 一点是在爬坡性能上，如果要达到传统车的水平，基本只有电机加变速箱的方案可行。 第二部分 驱动电机的选型与匹配 51 4 4 驱动电机控制器的选型与匹配驱动电机控制器的选型与匹配 当前电动汽车用电机控制器的逆变器的核心部件是IGBT。由于IGBT主要分三个电 压规格即600V、1200V、1700V，其中在

29、车用领域以600V与1200V为主。由于电机热损 耗随着电流的上升会急剧上升，这也就意味着电机系统的效率低下。因此，在整车设计 的角度，保证绝缘安全的前提下，期望是工作电压越高越有利，但不能超过600V或 1200V的保护电压。也因此，目前主流电动汽车领域都已向1200V规格的IGBT的电机控 制器切换。 为保证IGBT安全不被击穿及使用寿命，通常电机控制器会在800V左右时过压保护， 因此，要求电池设计中电池最高电压及充电电压不能超过750V。根据动力计算所得的功 率需求，确定电机控制器容量。电机控制器的额定容量与最大容量应满足（略大于）电 机额定与峰值功率。根据电机的扭矩需求核定电机控制器

30、的峰值电流与额定电流。 此外，选型者需注意防护等级、欠压保护值、过流保护值、过热保护值、散热方 式等参数，综合评估电机控制器是否适用。 第二部分 驱动电机的选型与匹配 52 5 5 动力性能仿真计算动力性能仿真计算纯电动纯电动 坡起能力 最大爬坡度 最高车速 最高车速同样可以在爬坡曲线中通过综合 考虑峰值转速点与功率平衡点（即爬坡度为零） 得到 永磁同步电机基本可做到恒转矩，异步电 机有一建磁过程，但都存在转矩响应时间问题， 再加上信号延迟与控制器计算时间，加速初段 轮胎滑转等因素，通常实际加速时间与仿真结 果会有23s的差异 第二部分 驱动电机的选型与匹配 理论同传统动力车： 53 5 5

31、动力性能仿真计算动力性能仿真计算混合动力混合动力 纯电动模式下的动力仿真，已在前一部分做了详细介绍。在混合动力中动力 性能计算根据系统的差异决定了计算方式的差异： 串联混合动力：由于其驱动部分动力输出路线与纯电动相同，因此动力性能 计算与纯电动基本相同。 混联混合动力：当前的主流混联技术路线下，爬坡时车速较低，而发动机由 于是直驱转速过低无法稳定工作，并不参与输出动力。根据系统结构的不同，动 力输出源可能是单电机（BSG）或双电机(ISG)。计算最高车速时，由于是直驱系 统，且系统总功率非常高，通常还是受限于最高转速。加时间的计算，由于在后 段中高速发动机的介入，相比于纯电动需要在介入点后扭矩

32、叠加后计算加速时间。 但需要注意的是发动机的介入前需要调速，系统暂停加速，这段时间根据实际系 统设定有不同结果，而发动机介入之后，通常整车控制器也不会直接将发动机拉 到外特性进行输出，所以，最终还是要根据实际标定结果确定加速时间。 并联混合动力：由于并联技术路线大部分都是全车速耦合电机与发动机驱动 力，因此，理论计算中可根据外特性叠加后同传统动力或纯电加变速箱方法计算 动力性能。 第二部分 驱动电机的选型与匹配 54 6 6 经济性能仿真计算经济性能仿真计算纯电动纯电动 不同于发动机根据不同工作点的瞬时比油（气）耗累积来计算某一工况中的燃油消耗 率，电机由其特殊性并无万有特性图，取而代之的是电

33、机效率MAP，直接提供工作区域中 的等效率线。因此在纯电动经济性能仿真中，可直接算出整车瞬时动力功率需求，通过效 率MAP反推动力电耗，而其他车载附件(主要为高压耗电部件)的耗电功率相对稳定，由此累 积即可得到电量消耗。 当然，准确计算电耗还需要详细测 算动力系统的其他效率，包括电池充放 电效率，机械传动效率，电机系统效率 等，其中电机系统效率为主要因素。在 纯电动汽车领域，近年来国内外主流产 品已转向永磁同步电机，效率较高。根 据目前数据来看，国内主流永磁电机高 效区（效率大于85%）在70%左右，仍 然有很大优化空间。 与经济性直接相关的，即是续驶里 程，而这又引出另一个关键性的问题。 在

34、恶劣环境，尤其低温情况下电池的放 电能力，这也是广义电池效率中的一部 分，在纯电动开发前期，系统仿真匹配 计算及车型定型时，需有系统的评估。 某永磁同步电机效率MAP 第二部分 驱动电机的选型与匹配 55 6 6 经济性能仿真计算经济性能仿真计算纯电动纯电动 通过电机效率MAP，得到等速工况 下准确动力电耗，在准确评估整车附件功 率后，可得出等速工况下准确的整车电耗 由于纯电动的特殊性，工况法也可通过简 单的累加得出准确的整车电耗 等速法工况法 第二部分 驱动电机的选型与匹配 56 6 6 经济性能仿真计算经济性能仿真计算混合动力混合动力 经济性仿真计算也可根据系统类型分为两部分： 1.串联混

35、合动力：同纯电动仿真方法计算综合耗电量，而发动机始终使用固 定工作点工作，可根据发动机工作点数据与综合耗电量直接算出油耗。 2.混联与并联混合动力：由于此两种技术路线中在实际运行时会出现纯电动、 并联、串联、行车发电等模式来回切换，最佳的方案是通过软件来实现模式变化 的模拟，从而计算最终的耗油量。 AVL-CRUISE 整车仿真领域最应用最 为广泛的软件AVL-CRUISE， 可以方便准确地进行动力及 经济性仿真，并优化动力传 动系统的匹配。 第二部分 驱动电机的选型与匹配 57 对于电动汽车，现已有强制涉水能力要求，系统防护要求越来越高，尤其对防水能力的 要求更为严格。在新能源客车领域，主要

36、是底盘部件已全线切换IP67标准，以防止部件绝缘 及机械故障的发生。由于卡车的使用环境相对更为恶劣，需评估部件的执行标准。 关于IP（INGRESS PROTECTION）防护等级系统由IEC（INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION，国际电工协会）所起草，将电器依其防尘防湿气之 特性加以分级。这里所指的外物含工具，人的手指等均不可接触到电器内之带电部分，以免 触电。IP防护等级是由两个数字所组成，第1个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级， 第2个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。 7 IP7 IP等级等级 第二部分

37、 驱动电机的选型与匹配 58 数字防护范围说明 0无防护对外界的人或物无特殊的防护 1防止直径大于50mm的固体外物侵入 防止人体（如手掌）因意外而接触到电器内部的零件，防止较大尺寸（直径大于50mm） 的外物侵入 2防止直径大于12.5mm的固体外物侵入防止人的手指接触到电器内部的零件，防止中等尺寸（直径大于12.5mm）的外物侵入 3防止大于直径2.5mm的固体外物侵入防止直径或厚度大于2.5mm的工具、电线及类似的小型外物侵入而接触到电器内部的零件 4防止大于直径1.0mm的固体外物侵入防止直径或厚度大于1.0mm的工具、电线及类似的小型外物侵入而接触到电器内部的零件 5防止外物及灰尘完

38、全防止外物侵入，虽不能完全防止灰尘侵入，但灰尘的侵入量不会影响电器的正常运作 6防止外物及灰尘完全防止外物及灰尘侵入 数字防护范围说明 0无防护对水或湿气无特殊的防护 1防止水滴侵入垂直落下的水滴（如凝结水）不会对电器造成损坏 2倾斜15度时，仍可防止水滴侵入当电器由垂直倾斜至15度时，滴水不会对电器造成损坏 3防止喷洒的水侵入防雨或防止与垂直的夹角小于60度的方向所喷洒的水侵入电器而造成损坏 4防止飞溅的水侵入防止各个方向飞溅而来的水侵入电器而造成损坏 5防止喷射的水侵入防止来自各个方向由喷嘴射出的水侵入电器而造成损坏 6防止大浪侵入装设于甲板上的电器，可防止因大浪的侵袭而造成的损坏 7防止

39、浸水时水的侵入电器浸在水中一定时间或水压在一定的标准以下，可确保不因浸水而造成损坏 8防止沉没时水的侵入电器无限期沉没在指定的水压下，可确保不因浸水而造成损坏 7 IP7 IP等级等级 第二部分 驱动电机的选型与匹配 59 电动机的绝缘等级是指其所用绝缘材料的耐热等级，分A、E、B、 F、H级。允许温升是指电动机的温度与周围环境温度相比升高的限度。 绝缘的温度等级A级E级B级F级H级 最高允许温度（）105120130155180 绕组温升限值（K）607580100125 性能参考温度（）8095100120145 8 8 绝缘等级绝缘等级 第二部分 驱动电机的选型与匹配 60 9 9 主要

40、供应商与主流产品主要供应商与主流产品 大洋电机：大洋电机：大洋以其高扭矩永磁同步电机为人熟知，在客车领域应用成熟，现也已拓展 低扭矩产品线，并有一定成绩。目前在欧辉主要的产品应用有：1100Nm/75kW匹配67 米段，1600Nm/110kW匹配8米段，2100Nm/120kW匹配89米段，2800Nm/150kW匹配 10-12米段纯电动车型。 精进电动：精进电动：精进电机同样是永磁同步产品，主攻低扭矩及高速产品，在国内外客车的小 米段，及乘用车领域都有广泛的应用。目前在欧辉主要的产品应用有1000Nm/150kW匹 配67米段，1500Nm/135kW匹配8米段，2000Nm/150kW

41、匹配89米段纯电动车型。 上海电驱动（已被大洋电机收购）：上海电驱动（已被大洋电机收购）：电驱动更为倾向低扭高速电机，在并联混合动力中 几乎成为标配，另外在乘用车领域也有广泛应用。目前在欧辉的主要应用有：500 Nm/65kW及850Nm/95kW匹配912米并联混合动力车型。 西门子电动：西门子电动：主要提供交流异步电机串联系统，近期推出了大扭矩永磁同步电机，相对 国内产品技术成熟，质量稳定，但价格偏高。目前在欧辉的主要应用有：交流异步 430Nm/150kW及500Nm/150kW双电机匹配1218米段串联混合动力及纯电动车型，永 磁同步2800Nm/180kW匹配12米段纯电动车型。 第

42、二部分 驱动电机的选型与匹配 61 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 第二部分 核心零部件驱动电机的选型与匹配 2 目目 录录 第三部分 核心零部件动力电池的选型与匹配 第四部分 核心零部件VCU控制原理与系统设计4 第五部分 核心零部件其他高压单元的选型与匹配 5 3 1 62 1 1 电池电池系统技术发展分析系统技术发展分析 能量密度 功率密度 循环寿命 安全性 现有电池系统能量密度仅能达到90120wh/kg左右，能量密度较低，对布置空间要求较高； 为满足整车需求，需要选用较高能量密度的电池系统，三元材料具有相对高的能量密度，但是循环 寿命差异较大。 成本 第三部分 动力电池的选型与匹配

43、 63 进风口盖 板 进风口盖 板 进风通道 管理系统-主 控 电池模 组 电池箱 体 管理系统-从 控 电池箱体导轨 散热风 机 维修开 关 高压接 口 进风口 低压接 口 检测 口 PACK 机械部件 风道(或水道)、盖板(含顶盖、侧板、断 板)、箱体、导轨、托架、线束托架等 电子部件 BMS、维修开关、高压接口、低压接口、 检测口、散热风机等 电池部件电池模组 2 2 电池基本结构电池基本结构 第三部分 动力电池的选型与匹配 64 3 3 动力电池基本参数与选型匹配动力电池基本参数与选型匹配 项目项目参数参数 标称电压/容量575V /72Ah 电压工作范围405V672V（2.54.1

44、5） 电芯 类 型多元复合锂电池 单体标称电压3.55V 容 量9Ah 单体尺寸 219mm126mm6.1mm 单体质量0.29kg 成组组合方式先并再串8并162串 电池充电能力 最大持续200A 最大瞬态300A(10sec） 电池放电能力 最大持续200A 最大瞬态300A(10sec） 电池组最大充电/放电功率172kw/172kw 电池SOC 工作范围20%100% 环境特性温度：-2055； 海拔：4800米以下 绝缘30M（25，40%RH） 散热方式风冷，引车厢风，电池组风扇进风管口径58mm（外径），引风软管整车提供 防水防尘等级标准箱IP54 总质量260Wh/L， 功率

45、型220Wh/L 单体重量比能量： 能量型150Wh/kg， 功率型100Wh/kg 单体重量比功率： 能量型1300W/kg， 功率型2000W/kg 成组重量比能量： 能量型100Wh/kg， 功率型80Wh/kg 单体体积比能量： 能量型280Wh/L， 功率型250Wh/L 单体重量比能量： 能量型180Wh/kg， 功率型120Wh/kg 单体重量比功率： 能量型1500W/kg， 功率型2500W/kg 成组重量比能量： 能量型140Wh/kg， 功率型100Wh/kg 单体体积比能量： 能量型300Wh/L， 功率型270Wh/L 单体重量比能量： 能量型200Wh/kg， 功率

46、型150Wh/kg 单体重量比功率： 能量型1800W/kg， 功率型3000W/kg 成组重量比能量： 能量型160Wh/kg， 功率型120Wh/kg 2016 现有 2017 0 50 100 150 200 201520162017 能量型功率型 动力电池能量密度 供应商供应商普莱德普莱德微宏微宏盟固利盟固利LG三星三星SDI 电池种类电池种类 慢充快充 快充快充慢充快充慢充快充慢充 LFPNCMLTO 重量比能量重量比能量Wh/kgWh/kg95110606572100162168 体积比能量体积比能量Wh/LWh/L120200806275120210200 重量比功率重量比功率W

47、/kgW/kg285550180018001400300450450 体积比功率体积比功率W/LW/L3601000210016002100330420420 相同重量电量增加相同重量电量增加+60%68% 相同体积电量增加相同体积电量增加+45%+42% 循环寿命循环寿命(100%DOD， 1C1D，25C) 200015002000090005500250030003500 第三部分 动力电池的选型与匹配 69 6 6 国内外电池电芯综合比较国内外电池电芯综合比较循环寿命循环寿命 69 电芯种类电芯 剩余容量比 95%90%85%80% 磷酸铁锂 力神19.5AH6201970418048

48、64 ATL40AH1400345055006680 ATL60AH590175035004670 ATL72AH570146030205330 ATL80AH48014704960 ATL86AH535152027304390 威能2500 国能2740 中航SE180AH13557013702370 中航GAM72AH20059012903320 沃特玛1604507601070 国轩60AH270108021602870 锰酸锂 盟固利25AH810215034405550 盟固利35AH680148028503500 威能11AH24061011405700 三元锂 (多元锂) 陶氏3

49、1AH123024008700 ATL38.5AH1440298051896710 微宏9AH2250339060158700 微宏12AH1770293047506700 钛酸锂 普莱德205047609000 微宏AH22109000 小结： 从国内电芯循环寿命来 看： 1、磷酸铁锂电芯差异 较大，好的电芯可以做 到5000次以上，差的只 能在2000次左右。 2、锰酸锂电芯试验样 本较少，平均寿命约 3000次 3、三元或多元材料电 芯，循环寿命较长，一 般在6000次以上。 4、钛酸锂电芯循环寿 命一般超过8000次。 5、对于慢充型电池， 实际使用的充放电倍率 小于试验条件，因此实

50、际循环寿命应比实验结 果有所增加。 测试条件：常温条件下，100%DOD，2C充放 第三部分 动力电池的选型与匹配 70 6 6 国内外电池电芯综合比较国内外电池电芯综合比较成组循环寿命成组循环寿命 电芯种类电芯 电芯80%循 环寿命 成组后80%循 环寿命 成组后最大充放 电能力 重量比能量 Wh/kg 体积比能 量Wh/L 重量比 功率 W/kg 体积比 功率 W/L 磷酸铁锂 力神19.5AH486436790.75C1.5D105450 ATL40AH668053441C2D75110320418 ATL60AH467037360.75C2D85100310406 ATL72AH533

51、042640.75C2D88105300388 ATL80AH496039680.75C1.75D90110295372 ATL86AH439035120.75C1.5D95120285360 威能250020000.5C0.5D 国能274021920.5C0.5D101200660400 中航SE180AH237018960.75C0.5D92.8133790415 中航 GAM72AH 332026560.75C1.5D88134.314582182 沃特玛10708560.5C0.5D97101360 国轩60AH287022960.5C1.75D95129450 锰酸锂 盟固利25A

52、H355028403C6D727514002100 盟固利35AH250020002C4D100120300330 三元锂 (多元锂) ATL38.5AH570045603C6D1102005501000 微宏9AH870069604C8D656218001600 微宏12AH671053682C4D9082450410 钛酸锂 银隆30AH900080006C10C508018002100 微宏20AH900080008C10D458022002100 第三部分 动力电池的选型与匹配 71 7 7 多种材料电芯放电曲线多种材料电芯放电曲线 第三部分 动力电池的选型与匹配 锰酸锂电池锰酸锂电池

53、三元锂电池三元锂电池 钛酸锂电池钛酸锂电池磷酸铁锂电池磷酸铁锂电池 72 8 BMS8 BMS的选型与匹配的选型与匹配 就目前来说，电池管理系统由电池供应商设计，或尤其采购并提供服务，整车方需要确定的是BMS 所能提供的功能、通讯协议、接口信息。 项目项目参数参数 控制器型号/软件版本号MPS-BMS-HV2.0/MPS-BMS-SV2.0 BMS生产企业微宏动力系统（湖州）有限公司 工作电压18V32V 工作电流（稳态/峰值）5 A/10A 工作环境温度-40 85 主要功能 运行状态实时监控功能 管理系统的软件更新、升级 SOC 估算功能 单体电池均衡功能 箱体热管理功能 蓄电池寿命估计功

54、能 电池高压控制 充放电管理 单体电压采集范围05v 单体电压采集精度10mV 总电压采集范围0750v 总电压采集精度1%25 总电流采集范围500A 总电流采集精度2% 温度采集范围-40120 温度采集精度1 采样周期0.1s SOC计算精度8% SOH计算动态评估 当前最大充放电电流和功率预测有 过流保护400A 过充保护(单体电压)4.2v 过放保护(单体电压)2.5V 过温保护有 绝缘阻抗监测按照 GB-T 18384.118384. 3-2001 均衡实时自动均衡 均衡电流最大100mA 漏电监测有 故障诊断功能有 电压故障有 电流故障有 温度故障有 绝缘故障整车配备 均衡故障有

55、 CAN通讯故障有 CAN通信协议按整车控制系统通讯协议 高 压 接 口 规 格/ 型 号 放电正 座：ECTA04 1B01 放电负 座：ECTA04 2B01 放电正 头：ECTA04 1C07 放电负 头：ECTA04 2C07 放电正： DC+ 放电负： DC- 防尘防水IP67 电压等级700VDC 低 压 接 口 规 格/ 型 号 整 车 接 口 插座：RT00128SN03 插头： RT06128PNHEC03 A ： 电 源 24V+ 1mm2 F ： 电 源 24V- 1mm2 B ： 整 车 CAN-H 0.75mm2 G ： 整 车 CAN-L 0.75mm2 C：CRC

56、1+ 充电继电器 控制+ 0.75mm2 F：CRC1- 充电继电器 控制-(与电 源24V-共用) 0.75mm2 H：CAN屏 蔽 0.75mm2 充 电 低 压 接 口 插座：ACA3102E16S- 1PB(025)(F80) 插头：ACA3106R16S- 1SB(025)(F80) C：24V+1mm2 D：24V-1mm2 A ： 充 电 CAN-H 0.75mm2 B ： 充 电 CAN-L 0.75mm2 E：充电连 接确认 0.75mm2 G：CAN屏 蔽 0.75mm2 风 扇 供 电 插座：AF20-2插头：AF20J2TF 1 : 风 扇 24V+ 1.5mm2 2:

57、 风扇24V-1.5mm2 防尘防水额定电流5A，防水航插IP65 电压等级500VDC 检测口AF20-9 第三部分 动力电池的选型与匹配 第一部分 新能源汽车基础知识介绍 第二部分 核心零部件驱动电机的选型与匹配 2 目目 录录 第三部分 核心零部件动力电池的选型与匹配 3 第四部分 核心零部件VCU控制原理与系统设计 第五部分 核心零部件其他高压单元的选型与匹配 5 4 1 74 第四部分 VCU控制原理与系统设计 1 1 整车网络架构整车网络架构 采用两路CAN通讯，一路动力CAN，一路车身CAN，通讯速率均为250kbps，报文格式 为扩展帧。物理层的规定主要参考CAN2.0B和J1

58、939的相关规定。物理层规范符合 ISO11898相关规定。网络拓扑架构如下图所示。 75 2 2 高压原理高压原理 根据整车系统控制要求，制定高压电气系统方案。 第四部分 VCU控制原理与系统设计 76 3 3 整车控制策略整车控制策略 整车控制器在纯电动客车上属于核心零部件，整车控制器控制策略主要分为以下七个部分： 纯电动汽车整车控制主要包括以上七大核心要素，既要满足车辆动力性及经济性要 求又需保证车辆安全可靠运行。当然针对不同领域，不同需求需要做专业的调整。 u高压上电控制高压上电控制策略：策略：保证能够安全、可靠地接通整车高压。 高压上电流程执行的 好坏将关系纯电动客车及高压零部件的安

59、全与可靠性！ u高压下电控制高压下电控制策略：策略：保证能够安全、可靠的将整车高压断开。高压下电流程执行 的好坏也将关系纯电动客车及高压零部件的安全与可靠性！ u整车换挡控制整车换挡控制策略：策略：保证车辆在较低转速（50rpm）下进行换挡，防止车辆在互 锁条件解除后车辆自运行现象的发生。 u整车核心零部件节点掉线控制整车核心零部件节点掉线控制策略：策略：防止车辆核心ECU，如电池管理系统、电机 控制器、绝缘模块等出现掉线，导致车辆出现严重故障或事故， u核心部件分级报警控制策略：核心部件分级报警控制策略：为了整车能够对不同等级的故障分别处理，针对不 同的故障等级，整车控制器采取不同的处理方式

60、控制车辆。 u车辆互锁控制车辆互锁控制策略：策略：保障车辆的安全，如气压低车辆抱死、正在充电、后舱门打 开时，互锁条件有效后车辆无法行驶，保证车辆、人身及财产安全。 u其他控制其他控制策略：策略：车辆最高车速限制、倒车车速限制、蠕行车速限制、冷却水泵控制、 冷却风扇控制、DC/DC控制、气泵逆变器控制、转向泵逆变器控制、除霜器接触器控 制、空调控制等。 第四部分 VCU控制原理与系统设计 77 4 VCU4 VCU选型与系统设计选型与系统设计 基于前述网络架构与控制原理，将所有功能进行软件实现并明确电器接口。 序号名称输入输出序号名称输入输出 124V电源（KL30）输入18空档输入 224V