新能源汽车核心技术详解电池包及BMSVCUMCU

1、新能源汽车核心技术详解：电池包和BMSVCUMCU电子创新网|2001-15-2011:542014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-表示无此功能或较

2、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。1消费者角度分类功能典型车型奇瑞RS6再书m三吴威753Hybrid丰田Priui通用Vdi日产Leaf电功率比例5-10%10-20%30%50%100%节油效果=5%5-12%15-25%25-40%起动，僖机+4-+十+-再生制动-+没机效率优化-1-+-+-g蜿品城力.-+f4-卜二审一.一，C.2-0,=.34口86S.!1.2 技术角度|_行WP12P13纯也动V外接油电图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（Beltstar

3、tergenerator,带传动启停装置）系统，P1代表ISG（Integratedstartergenerator,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

4、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，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，

5、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。_J_嚏动钳住旭电*日噌力心喻*3鸟屉电,的第赞,彳再重Wfl宝旺磔水用电，*1=1n三1rzsRft电Al率ttfth机-1七瑞机餐鞋械Mod千it，A心机一-,新率班水IftH3一支澧图2三级模块体系

6、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

7、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

8、。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。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

9、力性、经济性和可靠性有着重要影响。国外主式厂商】国外主MJ商工尺寸（旭池）185*127*?5CPU架构久它3立立位3IPCS64d单核心。耳+E泡phiASILCFr,2k瑞立G中仃口).单核IZOMhz十FreescaleS(S9SBDZCO)软件架构量著AmoWAR非同u3AR通讯方式UAN、UX、SPI、EffcRiyCAN、LIN%SP工作电压1046VT不兼容柒统）*1WK不兼容“V系统）由熊安金可通过扩屣相关芯片端是ISO诋版ASIC在郃。发ASILC3.2 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

10、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。MCU外壳及功率控制底层控制算冷却电子电路软件法软件图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

11、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架构平台软件及先进SVPWMPMSM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3MCU技术参数国外主流厂商1国外主流厂SR尺寸475*246l0a4-11*454*183喧值功率IfiOKVA220KVA衅值输

12、出电流320A450A主处理器TL1S32CF29335Infineon防护等皴IP67IP69通讯方式CANCAN转拒和转速嘀应时间，蕤矩和转速控制精度箱足整至立制要求拓足蚩主控制更至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

13、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

14、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BAL采集板控制SCC充电管理CHM电池保护BPN电气防护BHP诊断管理DEM继电器控制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4BMS技术参数国外主叁厂商国内主委商身套方案由辟构生从给构温度范围-4o-erc-4(Here技术指标电压圳里精度：0.1%

15、FS电流瓢瞳精赏口1%FS电流刻量范圉：0-*60CA3。口拈算精度：5%均衡方武士主动平衡电压刎里蓿度：0-5%FS电流则康精度；05%FS盗度测量范圉纪-40125温度则量精度CCH0VCsocem-5%；均衡方式；被动平蔺主型底用这同士蝇动车、混合动力车纯电动车“混含动力主功能安全电池过亮道故，遥升保护、绝思防护、高压互锁、颈兖电电通过先、过故、端升保护、绝密防护适用电芯葩圉镭酸锂、三元材料铅酸电遁、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

16、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ft充电参数动力电迤总成参数克孝敦（90kW?电）电迫类型额於超压电压范围总容叟电压电流功率MCA42J.8V324.5-495,6V2D0.1Ah500V160ASORW改迸MCA3S6.4V272.2S-415.0V228.7Afi$20V192AiiCbc/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

17、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够，储能电池和逆变器柜可以不选用