新能源汽车核心技术详解：电池包和BMS、VCU、MCU

1、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 11:542014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-

2、表示无此功能或较弱、 “小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消妻者角度分类典型碎奇瑞RER通用咏莱威75 0 Hybrid丰田Prig通用Uoll自产触译比例*5%5-10%10-20%*30%工50%100%节油效果5-12%15-25%25-40 箱X0W起动/僖机+个+十*再生制动-+” 上发动机熟率优化-十4-4-+ + + F-g蝇动能力-+ + + + +麻墩口6元020:1-24aB1.2 技术角度第一电动并球中联祖联式维般动MMMWMMMMMMIIMrf二 _.匕辞接J各! USD II Voli 11 纸模 POO P12 PL3 _ 1

3、 . tbw I ,理外接播电图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 问，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

4、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，

5、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、

6、底层和应用层软件。:也5珈;电动鼾律电di叟此-1*48 一F.痼而ft也nlh访- 承油机 力内就机 一、像HIIIJ-71z N 用我I 1i x一-ZS一杆也- -.L/W速忠检相力1 二里,鹏*H用 M 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（含增程式卜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

7、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 VCUVCU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

8、层软件是 VCU的关键核心技术。vcu硬件底层应用层电路软件软件图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。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。

9、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。表2 VCU技术参数国外主装厂商1国外主流厂商？尺寸（mm-185*127*652201145CF你构久之交位心科工.单核心0,色-Delphi ASK, C单核 liOMhz:-FrseswdE Sfc(S950SDZ6G)软件架构AuioSAR通讯方式CAN、L

10、IN、SPh HedUvJCAN、EIN、SPI工作电压必!小（不藕容2A,系统）七 W 不黜y#系统）功就安全可通过外展相关芯片满足15口州优A5正C苻合- ASIL C3.2 MCUMCU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

11、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

12、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技术叁数国外主流厂商1国外主流商2尺寸(mm)476*245*105411*454*183值值功率180KVA32QKVAM氧f输出电流320A45QA主处理器TMS120F28335Infineon酎户等疑IP 67IP&9通讯方式CAN转矩和转速响应阿间，转柜和转速控制精度满足型主控洌要求落定型主控制要求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

13、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。电池包电气系抗箱体结构电芯图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

14、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。模式控制BSC热管理BTM核心算法COR均衡控制B

15、AL采集板控制MCC充电管理CHM电池保护BPN电气防护BHP诊断管理DEM维电器控制CTC输入处理IPT输出处理OPT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 BMS的发展动态。表4 BMS技术参数国外主先厂商国内主盍盲闻套方案主业结构触济度范围-40-9 sr-40-SC技术指标电压刚里精度：c 1=3电流刎里精度肺F3电流 1范Uh 0-fiOOASOC估算精度；5%均衡方式：主动平衡电在刻里精度二0-5% FS电流刎里精度：0 5 F3温度胴量范圉254c温度测里精度）：。百七则里精度：5懦；均衡方式；被动平衡车型应用范围纯电动车，混合动力车纯电动车

16、、混合动力车功能安全电也边充、顺、猛升保护、绝爆防护、高压互锁、训充电电地过充、道放、温开保护、绝壕防护适用电芯运圉福酿钱、三元材料铅隙电池镣氢电池、锂电池等动力电池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电池和充电参数动力电通总成参麴uwcft充维藕c充电）电边类型颜相电压电压蔻图总答量电压 电茏 功率NCA 424,8V 奖434g5.W

17、 2004Ah 500V160A80kW改进恒CA 3S64V 272.25-41S,3V238.?Ah 4_。卬192ASOkJ/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

18、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