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一篇文章看懂新能源汽车关键技术及其当前水平(二)

来源:第一电动车网 日期:2015年1月12日

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。

3.1VCU

VCU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、底层软件和应用层软件是VCU的关键核心技术。

第一电动网新闻图片

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。

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为世界主流VCU供应商的技术参数,代表着VCU的发展动态。

表2 VCU技术参数

 

国外主流厂商1

国外主流厂商2

尺寸(mm)

185*127*65

220*170*45

CPU架构

Freescale  32(MPC5642),单核 120MHz

+Delphi ASIL C

Freescale  32(MPC5644),

单核 120Mhz

+ Freescale 8(S9S08DZ60)

软件架构

参考AutoSAR

AutoSAR

通讯方式

CANLINSPIFlexRay

CANLINSPI

工作电压

10~16V(不兼容24V系统)

9~16V(不兼容24V系统)

功能安全

可通过扩展相关芯片满足ISO26262 ASIL C

符合ISO26262 ASIL C

3.2MCU

MCU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。

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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技术参数

 

 

国外主流厂商1

国外主流厂商2

尺寸(mm)

475*245*108

411*454*183

峰值功率

180KVA

320KVA

峰值输出电流

320A

450A

主处理器

TMS320F28335

Infineon

防护等级

IP67

IP69

通讯方式

CAN

CAN

转矩和转速响应时间,转矩和转速控制精度

满足整车控制要求

满足整车控制要求

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。

图5 电池包组成

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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。

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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

 

国外主流厂商

国内主流厂商

配套方案

主从结构

主从结构

温度范围

-40~85

-4085

技术指标

电压测量精度:0.1%FS

电流测量精度:0.1%FS

电流测量范围:0~±600A

SOC估算精度:5%

均衡方式:主动平衡

电压测量精度:0.5% FS

电流测量精度:0.5% FS

温度测量范围()-40125

温度测量精度()0.5

SOC测量精度:5%

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、混合动力车

功能安全

电池过充、过放、温升保护、绝缘防护、高压互锁、预充电

电池过充、过放、温升保护、绝缘防护

适用电芯范围

锰酸锂、三元材料

铅酸电池、镍氢电池、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

动力电池总成参数

0.8C快充参数(90kW充电)

电池类型

额定电压

电压范围

总容量

电压

电流

功率

NCA

424.8V

324.5-495.6V

200.1Ah

500V

160A

80kW

改进NCA

356.4V

272.25-415.8V

238.7Ah

420V

192A

80kW

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90~120kWh,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

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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。风力发电和光伏发电为充电系统提供清洁能源,尽量减少从电网取电。

5总结

从消费者和技术角度分别对新能源汽车结构进行归纳分类,分析各种结构的优势,以及国内外各主机厂的应用情况。分析新能源汽车的模块组成和平台架构,详细介绍了三级模块体系中相关的执行系统和控制系统。分析VCU、MCU和BMS的结构组成及关键技术,以及世界主流供应商的技术参数和发展动态。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。

作者杨伟斌是北汽福田新能源系统开发部部长、清华大学博士后、高级工程师

所属类别: 行业资讯

该资讯的关键词为:新能源汽车技术 

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