3新能源汽車三大核心技術(shù)

　　在三級模塊體系和平臺架構(gòu)中，整車控制器（VCU）、電機(jī)控制器（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）是最重要的核心技術(shù)，對整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等有著重要影響。

　　3.1VCU

　　VCU是實(shí)現(xiàn)整車控制決策的核心電子控制單元，一般僅新能源汽車配備、傳統(tǒng)燃油車無需該裝置。VCU通過采集油門踏板、擋位、剎車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖；通過監(jiān)測車輛狀態(tài)（車速、溫度等）信息，由VCU判斷處理后，向動力系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)發(fā)送車輛的運(yùn)行狀態(tài)控制指令，同時控制車載附件電力系統(tǒng)的工作模式；VCU具有整車系統(tǒng)故障診斷保護(hù)與存儲功能。

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

　　圖3 VCU組成

　　VCU硬件采用標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路（ 32位主處理器、電源、存儲器、CAN ）和VCU專用電路（傳感器采集等）設(shè)計(jì)；其中標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路可移植應(yīng)用在MCU和BMS，平臺化硬件將具有非常好的可移植性和擴(kuò)展性。隨著汽車級處理器技術(shù)的發(fā)展，VCU從基于16位向32位處理器芯片逐步過渡，32位已成為業(yè)界的主流產(chǎn)品。

　　底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到電子控制單元（ECU）開發(fā)共平臺的發(fā)展目標(biāo)，支持新能源汽車不同的控制系統(tǒng)；模塊化軟件組件以軟件復(fù)用為目標(biāo)，以有效提高軟件質(zhì)量、縮短軟件開發(fā)周期。

　　應(yīng)用層軟件按照V型開發(fā)流程、基于模型開發(fā)完成，有利于團(tuán)隊(duì)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(yàn)證，加快開發(fā)速度；策略文檔和軟件模型均采用專用版本工具進(jìn)行管理，增強(qiáng)可追溯性；駕駛員轉(zhuǎn)矩解析、換擋規(guī)律、模式切換、轉(zhuǎn)矩分配和故障診斷策略等是應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)，對車輛動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有著重要影響。

　　表2為世界主流VCU供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著VCU的發(fā)展動態(tài)。

　　表2 VCU技術(shù)參數(shù)

　　3.2MCU

　　MCU是新能源汽車特有的核心功率電子單元，通過接收VCU的車輛行駛控制指令，控制電動機(jī)輸出指定的扭矩和轉(zhuǎn)速，驅(qū)動車輛行駛。實(shí)現(xiàn)把動力電池的直流電能轉(zhuǎn)換為所需的高壓交流電、并驅(qū)動電機(jī)本體輸出機(jī)械能。同時，MCU具有電機(jī)系統(tǒng)故障診斷保護(hù)和存儲功能。

　　MCU由外殼及冷卻系統(tǒng)、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(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　圖4 MCU組成

　　MCU硬件電路采用模塊化、平臺化設(shè)計(jì)理念（核心模塊與VCU同平臺），功率驅(qū)動部分采用多重診斷保護(hù)功能電路設(shè)計(jì)，功率回路部分采用汽車級IGBT模塊并聯(lián)技術(shù)、定制母線電容和集成母排設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)部分采用高防護(hù)等級、集成一體化液冷設(shè)計(jì)。

　　與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到ECU開發(fā)共同平臺的發(fā)展目標(biāo)，模塊化軟件組件以軟件復(fù)用為目標(biāo)。

　　應(yīng)用層軟件按照功能設(shè)計(jì)一般可分為四個模塊：狀態(tài)控制、矢量算法、需求轉(zhuǎn)矩計(jì)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；汽車級并聯(lián)IGBT技術(shù)，定制薄膜母線電容及集成化功率回路設(shè)計(jì)，基于AutoSAR架構(gòu)平臺軟件及先進(jìn)SVPWM PMSM控制算法；高防護(hù)等級殼體及集成一體化水冷散熱設(shè)計(jì)。

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

　　表3 MCU技術(shù)參數(shù)

　　3.3電池包和BMS

　　電池包是新能源汽車核心能量源，為整車提供驅(qū)動電能，它主要通過金屬材質(zhì)的殼體包絡(luò)構(gòu)成電池包主體。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯的集成，通過熱管理設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線束實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對電池的安全保護(hù)及連接路徑；通過BMS實(shí)現(xiàn)對電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。

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

　　圖5 電池包組成

　　BMS是電池包最關(guān)鍵的零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應(yīng)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(nèi)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(jì)和電氣傷害保護(hù)等。

　　BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測量，并通過高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸通道與BCU 模塊進(jìn)行指令及數(shù)據(jù)的雙向傳輸。BCU 可選用基于汽車功能安全架構(gòu)的32 位微處理器完成總電壓采集、絕緣檢測、繼電器驅(qū)動及狀態(tài)監(jiān)測等功能。

　　底層軟件架構(gòu)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)，模塊化開發(fā)容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和移植，提高開發(fā)效率。

　　應(yīng)用層軟件是BMS的控制核心，包括電池保護(hù)、電氣傷害保護(hù)、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(jì)和通訊管理等模塊，應(yīng)用層軟件架構(gòu)如圖6所示。

　　圖6 應(yīng)用層軟件架構(gòu)

　　表4為國內(nèi)外主流 BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著BMS的發(fā)展動態(tài)。

　　表4 BMS技術(shù)參數(shù)