新能源汽车核心技术详解电池包和BMSVCUMCU

1、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.2021年国内新能源汽车产销突破8万辆,开展态势喜人.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

2、.1 消费者角度消费者角度通常根据混合度进行划分,可分为起停、弱混、中混、强混、插电和纯电动,节油效果和本钱增等指标加如表1所示.表中产表示无此功能或较弱、“件数越多表示效果越好,从表中可以看出随着节油效果改善、本钱增加也较多.表1消费者角度分类表工消费者角度分类动熊典型车型奇瑞B三&通用E&S条威750Hybrid丰田Prius通用U.竹日产日温电功率比例*5%5d徐m就找应如100%节油麴果<5%5-12%15-25%23-40%二5眯100%起动/停机+*+再生制动-十十十十七十十十十十上十发动机效军优化-+4+-他电动水平*-+f什十本钱增加内元；0.2-C.5上

3、23446>121.2 技术角度D1W.COM第*不井联IR联混联式鲤曲动i行制口匚口谷?i_/,&1vph用&n血Fj1下覆WBHMMMaHHvuiiiBiHuiirir二二丽楼把电：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BSGBeltstartergenerator带传动启停装置系统,P1代表ISGIntegratedstartergenerater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

4、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在欧洲比拟流行,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、节油效果和本钱增加,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,但由于结构复杂且本钱较高,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、提升开发速度.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

5、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限制系统两局部,执行局部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,发动机局部的气体机、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,齿轮箱局部的有级式自动变速器包括AMT、AT和DCT等、行星排和减速齿轮；二级模块的限制系统包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU,分别表示电池治理系统、发动机电子限制单元、发电机限制器、离合器限制单元、电机限制器、变速器限制系统和整车限制器.三

6、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,限制系统的三级模块主要包括硬件、底层和应用层软件.M电喻编5足电曲稼曳I而|II痴百11I配咆华蜕餐413T,-,一地ftft电机一-L4U亮电机一士5机荣电皱修中串矶一支凌建£-X-J-/1蜩步阴r+-*±轮A图2三级模块体系根据功能和限制的相似性,三级模块体系的局部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,提升新能源系统的平安性和可

7、靠性,缩短周期、降低研发及采购本钱3新能源三大核心技术在三级模块体系和平台架构中,整车限制器VCU、电机限制器MCU和电池治理系统BMS是最重要的核心技术,对整车的动力性、经济性、可靠性和平安性等有着重要影响.3.1VCUVCU是实现整车限制决策的核心电子限制单元,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限制指令,同时限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

8、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.NETEM第-向动VCU图3VCU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开展,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,到达电子限制单元ECU开发共平台的开展目标,支持新能源汽车不同的限制系统；模块化软件组件以软件复用为目标,以有效提升软件质量、缩

9、短软件开发周期.应用层软件根据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治理,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供给商的技术参数,代表着VCU的开展动态.表2VCU技术参数国外主茨J曲1国外主流就2尺寸(mm)185*127*6?CPU架构三,土版kh位PCS值2,单校心色厘+UelphiASILC谑核取件架构AutoSAR非3in*AR通讯方式C.

10、3LIN、HeiRayCAN.UN、SPI工作电压以WY不兼容小'系第4LKC不患容NT系编?功能平安可通过拧展相关芯片莉足后.工屋比ASUC符含:2二GM抬ILC3.2 MCUMCU是新能源汽车特有的核心功率电子单元,通过接收VCU的车辆行驶限制指令,限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、限制电路、底层软件和限制算法软件组成,具体结构如图4所示.图4MCU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

11、平台),功率驱动局部采用多重诊断保护功能电路设计,功率回路局部采用汽车级IGBT模块并联技术、定制母线电容和集成母排设计；结构局部采用高防护等级、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,到达ECU开发共同平台的开展目标,模块化软件组件以软件复用为目标.应用层软件根据功能设计一般可分为四个模块：状态限制、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限制和弱磁限制.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SVPWMPMSM

12、限制算法；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硬件供给商的技术参数,代表着MCU的开展动态.表3MCU技术参数表3MCU技术叁数国外主淙厂商1国外主流厂商2尺寸(mm)4-454*183幅值功率1B0KVA220KVA峨值输出电流320A主处理器tMS12DF2H335Infln&on防护箸级IP67IP69通讯方式CANQAN转姮箱转诙响应时间,转矩和整速限制精度建足整车卷制要求荔足整车限制更外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,通过热治理设计与仿

13、真优化电池包热治理性能,电器部件及线束实现了限制系统对电池的平安保护及连接路径；通过BMS实现对电芯的治理,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、热治理系统、箱体和BMS.BMS能够提升电池的利用率,预防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,核心局部由硬件电路、底层软件和应用层软件组成.但BMS硬件由主板BCU和从板BMU两局部组成,从版安装于模组内部,用于检测单体电压、电流和均衡限制；主板安装位置比拟灵活,用于继电器限制、荷电状态值SOC估计和电气伤害保护等.BMU硬件局部完

14、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平安架构的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,提升开发效率.应用层软件是BMS的限制核心,包括电池保护、电气伤害保护、故障诊断治理、热治理、继电器限制、从板限制、均衡限制、SOC估计和通讯治理等模块,应用层软件架构如图6所示.模式限制BSC热治理BTM核心算法COR均衡限制BAL采集板控制MCC充电治理CHM电池保护BPN电气防护BHP诊断治理DEM继电器限制CTC输入处理IP!输出

15、处理OPT根底软件平台图6应用层软件架构BMS的开展动态.表4为国内外主流BMS供给商的技术参数,代表着表4BMS技术参数国外主莪厂商国内主盍厂高配套方案主从结构主从结构温度氾围-40-arc技术指标电压测量精度：01蛤FS出土那么里精阳：05%FS电流测星精度Q1防FS电流那么里精废：口工第咫电流驯1范国】0-60曲温度那么里宛函!匕骷4125七SOC佐算精度；5题温度酬量精度8Xo.rc均衡方式：王动平衡总a测里精度：6懦;均衡方式：被动平衡主型应用范围纯电动车、混合动力车纯电动主、混含动力主功能平安电池过充、过捡、晶升保护V电池过克、退旅、遍开保掉、绝爆适用电芯范国解触护、高压互锁、频充

16、电镭酸锂、三元材料防护M鬣电池、镇氢电池、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.表5电池和充电参数表5电池充电参数动力电池总成参麴充拳糠sokw充电电池类型额定电压电压范圉总害篁电压电流NCA424,8V324.5-495,6V200岫500V160ABDkW改送NCA256.4V27J,2S-415.SV23S.7Ah420Vi

17、g2A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拟普遍.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特斯拉充电站参加了太阳能充电技术,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缺乏为奇,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 充电解决方案曲山M糅世图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卜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