1 新能源汽車(chē)分類(lèi)

在新能源汽車(chē)分類(lèi)中，“弱混、強混”與“串聯(lián)、并聯(lián)”不同分類(lèi)方法令非業(yè)內人士感到困惑，其實(shí)這些名稱(chēng)是從不同角度給出的解釋、并不矛盾。

1.1消費者角度

消費者角度通常按照混合度進(jìn)行劃分，可分為起停、弱混、中混、強混、插電和純電動(dòng)，節油效果和成本增等指標加如表1所示。表中“-”表示無(wú)此功能或較弱、“+”個(gè)數越多表示效果越好，從表中可以看出隨著(zhù)節油效果改善、成本增加也較多。

1.2技術(shù)角度

技術(shù)角度由簡(jiǎn)到繁分為純電動(dòng)、串聯(lián)混合動(dòng)力、并聯(lián)混合動(dòng)力及混聯(lián)混合動(dòng)力，具體如圖1所示。其中P0表示BSG（Belt starter generator，帶傳動(dòng)啟停裝置）系統，P1代表ISG（Integrated starter generator，啟動(dòng)機和發(fā)電機一體化裝置）系統、電機處于發(fā)動(dòng)機和離合器之間，P2中電機處于離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機處于變速器輸出端或布置于后軸，P03表示P0和P3的組合。

從統計表中可以看出，各種結構在國內外乘用或商用車(chē)中均得到廣泛應用，相對來(lái)說(shuō)P2在歐洲比較流行，行星排結構在日系和美系車(chē)輛中占主導地位，P03等組合結構在四驅車(chē)輛中應用較為普遍、歐藍德和標致3008均已實(shí)現量產(chǎn)。新能源車(chē)型選擇應綜合考慮結構復雜性、節油效果和成本增加，例如由通用、克萊斯勒和寶馬聯(lián)合開(kāi)發(fā)的三行星排雙模系統，盡管節油效果較好，但由于結構復雜且成本較高，近十年間的市場(chǎng)表現不盡如人意。
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2 新能源汽車(chē)模塊規劃

盡管新能源汽車(chē)分類(lèi)復雜，但其中共用的模塊較多，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可采用模塊化方法，共享平臺、提高開(kāi)發(fā)速度?？傮w上講，整個(gè)新能源汽車(chē)可分為三級模塊體系、如圖2所示，一級模塊主要是指執行系統，包括充電設備、電動(dòng)附件、儲能系統、發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機、離合器、驅動(dòng)電機和齒輪箱。二級模塊分為執行系統和控制系統兩部分，執行部分包括充電設備的地面充電機、集電器和車(chē)載充電機，儲能系統的單體、電箱和PACK，發(fā)動(dòng)機部分的氣體機、汽油機和柴油機，發(fā)電機的永磁同步和交流異步，離合器中的干式和濕式，驅動(dòng)電機的永磁同步和交流異步，齒輪箱部分的有級式自動(dòng)變速器（包括AMT、AT和DCT等）、行星排和減速齒輪。

二級模塊的控制系統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別表示電池管理系統、發(fā)動(dòng)機電子控制單元、發(fā)電機控制器、離合器控制單元、電機控制器、變速器控制系統和整車(chē)控制器。三級模塊體系中，包括電池單體的功率型和能量型，永磁和異步電機的水冷和風(fēng)冷形式，控制系統的三級模塊主要包括硬件、底層和應用層軟件。

根據功能和控制的相似性，三級模塊體系的部分模塊可組成純電動(dòng)（含增程式）、插電并聯(lián)混動(dòng)和插電混聯(lián)混動(dòng)三種平臺架構，例如純電動(dòng)（含增程式）由充電設備、電動(dòng)附件、儲能系統、驅動(dòng)電機和齒輪箱組成。各平臺模塊的通用性較強，采用平臺和模塊的開(kāi)發(fā)方法，可共享核心部件資源，提升新能源系統的安全性和可靠性，縮短周期、降低研發(fā)及采購成本。

3 新能源汽車(chē)三大核心技術(shù)

在三級模塊體系和平臺架構中，整車(chē)控制器（VCU）、電機控制器（MCU）和電池管理系統（BMS）是最重要的核心技術(shù)，對整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性和安全性等有著(zhù)重要影響。

3.1VCU

VCU是實(shí)現整車(chē)控制決策的核心電子控制單元，一般僅新能源汽車(chē)配備、傳統燃油車(chē)無(wú)需該裝置。VCU通過(guò)采集油門(mén)踏板、擋位、剎車(chē)踏板等信號來(lái)判斷駕駛員的駕駛意圖；通過(guò)監測車(chē)輛狀態(tài)（車(chē)速、溫度等）信息，由VCU判斷處理后，向動(dòng)力系統、動(dòng)力電池系統發(fā)送車(chē)輛的運行狀態(tài)控制指令，同時(shí)控制車(chē)載附件電力系統的工作模式；VCU具有整車(chē)系統故障診斷保護與存儲功能。

圖3為VCU的結構組成，共包括外殼、硬件電路、底層軟件和應用層軟件，硬件電路、底層軟件和應用層軟件是VCU的關(guān)鍵核心技術(shù)。


VCU硬件采用標準化核心模塊電路（ 32位主處理器、電源、存儲器、CAN ）和VCU專(zhuān)用電路（傳感器采集等）設計；其中標準化核心模塊電路可移植應用在MCU和BMS，平臺化硬件將具有非常好的可移植性和擴展性。隨著(zhù)汽車(chē)級處理器技術(shù)的發(fā)展，VCU從基于16位向32位處理器芯片逐步過(guò)渡，32位已成為業(yè)界的主流產(chǎn)品。

底層軟件以AUTOSAR汽車(chē)軟件開(kāi)放式系統架構為標準，達到電子控制單元（ECU）開(kāi)發(fā)共平臺的發(fā)展目標，支持新能源汽車(chē)不同的控制系統；模塊化軟件組件以軟件復用為目標，以有效提高軟件質(zhì)量、縮短軟件開(kāi)發(fā)周期。

應用層軟件按照V型開(kāi)發(fā)流程、基于模型開(kāi)發(fā)完成，有利于團隊協(xié)作和平臺拓展；采用快速原型工具和模型在環(huán)（MIL）工具對軟件模型進(jìn)行驗證，加快開(kāi)發(fā)速度；策略文檔和軟件模型均采用專(zhuān)用版本工具進(jìn)行管理，增強可追溯性；駕駛員轉矩解析、換擋規律、模式切換、轉矩分配和故障診斷策略等是應用層的關(guān)鍵技術(shù)，對車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟性和可靠性有著(zhù)重要影響。

表2為世界主流VCU供應商的技術(shù)參數，代表著(zhù)VCU的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

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3.2MCU

MCU是新能源汽車(chē)特有的核心功率電子單元，通過(guò)接收VCU的車(chē)輛行駛控制指令，控制電動(dòng)機輸出指定的扭矩和轉速，驅動(dòng)車(chē)輛行駛。實(shí)現把動(dòng)力電池的直流電能轉換為所需的高壓交流電、并驅動(dòng)電機本體輸出機械能。同時(shí)，MCU具有電機系統故障診斷保護和存儲功能。

MCU由外殼及冷卻系統、功率電子單元、控制電路、底層軟件和控制算法軟件組成，具體結構如圖4所示。

MCU硬件電路采用模塊化、平臺化設計理念（核心模塊與VCU同平臺），功率驅動(dòng)部分采用多重診斷保護功能電路設計，功率回路部分采用汽車(chē)級IGBT模塊并聯(lián)技術(shù)、定制母線(xiàn)電容和集成母排設計；結構部分采用高防護等級、集成一體化液冷設計。

與VCU類(lèi)似，MCU底層軟件以AUTOSAR開(kāi)放式系統架構為標準，達到ECU開(kāi)發(fā)共同平臺的發(fā)展目標，模塊化軟件組件以軟件復用為目標。

應用層軟件按照功能設計一般可分為四個(gè)模塊：狀態(tài)控制、矢量算法、需求轉矩計算和診斷模塊。其中，矢量算法模塊分為MTPA控制和弱磁控制。

MCU關(guān)鍵技術(shù)方案包括：基于32位高性能雙核主處理器；汽車(chē)級并聯(lián)IGBT技術(shù)，定制薄膜母線(xiàn)電容及集成化功率回路設計，基于A(yíng)utoSAR架構平臺軟件及先進(jìn)SVPWM PMSM控制算法；高防護等級殼體及集成一體化水冷散熱設計。

表3為世界主流 MCU硬件供應商的技術(shù)參數，代表著(zhù)MCU的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

3.3電池包和BMS

電池包是新能源汽車(chē)核心能量源，為整車(chē)提供驅動(dòng)電能，它主要通過(guò)金屬材質(zhì)的殼體包絡(luò )構成電池包主體。模塊化的結構設計實(shí)現了電芯的集成，通過(guò)熱管理設計與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線(xiàn)束實(shí)現了控制系統對電池的安全保護及連接路徑；通過(guò)BMS實(shí)現對電芯的管理，以及與整車(chē)的通訊及信息交換。

電池包組成如圖5所示，包括電芯、模塊、電氣系統、熱管理系統、箱體和BMS。BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現過(guò)充電和過(guò)放電，延長(cháng)電池的使用壽命，監控電池的狀態(tài)。

BMS是電池包最關(guān)鍵的零部件，與VCU類(lèi)似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應用層軟件組成。但BMS硬件由主板（BCU）和從板（BMU）兩部分組成，從版安裝于模組內部，用于檢測單體電壓、電流和均衡控制；主板安裝位置比較靈活，用于繼電器控制、荷電狀態(tài)值（SOC）估計和電氣傷害保護等。

BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測量，并通過(guò)高可靠性的數據傳輸通道與BCU 模塊進(jìn)行指令及數據的雙向傳輸。BCU 可選用基于汽車(chē)功能安全架構的32 位微處理器完成總電壓采集、絕緣檢測、繼電器驅動(dòng)及狀態(tài)監測等功能。
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底層軟件架構符合AUTOSAR標準，模塊化開(kāi)發(fā)容易實(shí)現擴展和移植，提高開(kāi)發(fā)效率。

應用層軟件是BMS的控制核心，包括電池保護、電氣傷害保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控制、從板控制、均衡控制、SOC估計和通訊管理等模塊，應用層軟件架構如圖6所示。

表4為國內外主流 BMS供應商的技術(shù)參數，代表著(zhù)BMS的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

4 充電設施

充電設施不完善是阻礙新能源汽車(chē)市場(chǎng)推廣的重要因素，對特斯拉成功的解決方案進(jìn)行分析，并提出新能源汽車(chē)的充電解決方案、剖析充電系統組成。

4.1特斯拉充電方案分析

特斯拉超級充電器代表了當今世界最先進(jìn)的充電技術(shù)，它為MODELS充電的速度遠高于大多數充電站，表5為特斯拉電池和充電參數。

特斯拉具有5種充電方式，采用普通110/220V市電插座充電，30小時(shí)充滿(mǎn)；集成的 10kW充電器，10小時(shí)充滿(mǎn)；集成的20kW充電器，5小時(shí)充滿(mǎn)；一種快速充電器可以裝在家庭墻壁或者停車(chē)場(chǎng)，充電時(shí)間可縮短為5小時(shí)； 45分鐘能充80%的電量、且電費全免，這種快充裝置僅在北美市場(chǎng)比較普遍。

特斯拉使用太陽(yáng)能電池板遮陽(yáng)棚的充電站，既可以抵消能源消耗又能夠遮陽(yáng)。與在加油站加油需要付費不同，經(jīng)過(guò)適當配置的 MODEL可以在任何開(kāi)放充電站免費充電。

特斯拉充電技術(shù)特點(diǎn)可總結如下兩點(diǎn)：1）特斯拉充電站加入了太陽(yáng)能充電技術(shù)，這一技術(shù)使充電站盡可能使用清潔能源，減少對電網(wǎng)的依賴(lài)，同時(shí)也減少了對電網(wǎng)的干擾，國內這一技術(shù)也能實(shí)現。 2）特斯拉充電時(shí)間短也不足為奇，特斯拉的充電機容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一樣，并沒(méi)有采用更大的充電倍率，所以不會(huì )影響電池壽命；20分鐘充到40%，就能滿(mǎn)足續航要求，主要原因是電池容量大。

4.2充電解決方案

圖7為一種可參考的新能源汽車(chē)充電解決方案，充電系統組成：配電系統（高壓配電柜、變壓器、無(wú)功補償裝置和低壓開(kāi)關(guān)柜）、充電系統（充電柜和充電機終端） 以及儲能系統（儲能電池與逆變器柜）。無(wú)功補償裝置解決充電系統對電網(wǎng)功率因數影響，充電柜內充電機一般都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率因數問(wèn)題。儲能電池和逆變器柜解決老舊配電系統無(wú)法滿(mǎn)足充電站容量要求、并起到削峰填谷作用，在不充電時(shí)候進(jìn)行儲能，大容量充電且配電系統容量不足時(shí)釋放所儲能量進(jìn)行充電。如果新建配電系統容量足夠，儲能電池和逆變器柜可以不選用。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為充電系統提供清潔能源，盡量減少從電網(wǎng)取電。

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