一篇文章看懂新能源汽車關鍵技術及其當前水平

2014年，國內新能源汽車產銷突破8萬輛，發展態勢喜人。為了讓新能源愛好者和初級研發人員更好地了解新能源汽車的核心技術，作者結合研發過程中的經驗，對新能源汽車分類、模塊規劃、電控技術和充電設施進行了分析。

1新能源汽車分類

在新能源汽車的分類中，“弱混合、強混合”和“串并聯”的不同分類方法讓非專業人士感到困惑。事實上，這些名字是從不同的角度解釋的，并不矛盾。

1.1消費者視角

消費者的視角通常根據混合程度進行劃分，可分為啟停、弱混合、中混合、強混合、插電式和純電動。節油效果和成本增加如表1所示。在表中，“-”表示該功能不可用或較弱，“+”越多表示效果越好。從表中可以看出，隨著節油效果的提高，成本增加得更多。

表1

消費者視角分類

作用

啟動和停止

弱混合

中環

強烈混合

給…接通

純電動

典型車輛類型

奇瑞BSG

一般BAS

榮威750Hybrid

豐田普銳斯

通用電壓

日產聆風

電功率比

<；5%

5-10%

10-20%

>；百分之三十

>；50%

100%

節油效果

<；5%

5-12%

15-25%

25-40%

>；50%

100%

啟動/停止

+

+

+

+

+

-

再生制動

-

+

++

+++

+++

+++

發動機效率優化

-

+

++

++

+++

-

純電容量

-

-

-

+

+++

+++

成本增加（萬元）

0.2-0.5

1~2

3~4

4~6

6~8

>；

十二

1.2技術角度

圖1技術角度分類

從簡單到復雜，技術觀點可以分為純電動、串聯混合動力、并聯混合動力和串并聯混合動力，如圖1所示。其中P0表示BSG（帶式起動發電機）系統，P1表示ISG（集成起動發電機），電機位于發動機和離合器之間，P2表示電機位于離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機位于變速器輸出端或布置在后橋，P03表示P0和P3的組合。從統計數據中可以看出，各種結構在國內外乘用車或商用車中廣泛使用，P2在歐洲相對流行，行星排結構在日美車中占主導地位，P03等組合結構在四輪驅動車中廣泛應用，歐藍德和標致3008均已實現量產。新能源汽車的選擇應綜合考慮結構的復雜性、節油效果和成本的增加。例如，通用汽車、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三行星雙模系統具有良好的節油效果，但由于其結構復雜、成本高，近十年的市場表現并不令人滿意。

2新能源汽車模塊規劃

盡管新能源汽車的分類很復雜，但有許多共享模塊。在開發過程中可以采用模塊化方法，實現平臺共享，提高開發速度。一般來說，整個新能源汽車可以分為三級模塊系統。如圖2所示，一級模塊主要是指執行系統，包括充電設備、電氣附件、儲能系統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和變速箱。二級模塊分為兩部分：執行系統和控制系統。執行部分包括地面充電器、充電設備的收集器和車載充電器、單體、儲能系統的電箱和PACK、燃氣發動機、汽油發動機和柴油發動機、發電機的永磁同步和交流異步、干式和濕式離合器、驅動電機的永磁同期和交流異步，變速箱、行星排和減速器的步進式自動變速器（包括AMT、AT和DCT等）。二次模塊的控制系統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別代表電池管理系統、發動機電子控制單元、發電機控制器、離合器控制單元、電機控制器、變速器控制系統和車輛控制器。三級模塊系統包括電池的功率型和能量型，永磁體和異步電機的水冷和風冷。控制系統的三級模塊主要包括硬件、底層和應用層軟件。

圖2三級模塊系統

根據功能和控制的相似性，三級模塊系統的一些模塊可以由三種平臺架構組成：純電動（包括擴展程序）、插電式并聯混合動力和插電式并行混合動力。例如，純電動（包括擴展程序）由充電設備、電氣附件、儲能系統、驅動電機和變速箱組成。每個平臺模塊都具有很強的通用性。通過采用平臺和模塊的開發方法，可以共享核心組件資源，提高新能源系統的安全性和可靠性，縮短周期，降低研發和采購成本。

新能源三大核心技術

在三級模塊系統和平臺架構中，車輛控制器（VCU）、電機控制器（MCU）和電池管理系統（BMS）是最重要的核心技術，對車輛的功率、經濟性、可靠性和安全性有著重要影響。

3.1伏

VCU是實現車輛控制決策的核心電子控制單元。通常只有新能源汽車才配備該裝置，而傳統燃油汽車則不需要該裝置。VCU通過采集油門踏板、檔位和制動踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖。VCU通過監測車輛狀態（車速、溫度等）信息，對信息進行判斷和處理，然后向操作員發送車輛運行狀態控制指令……

r系統和動力電池系統，并同時控制車載附件動力系統的工作模式；VCU具有整車系統的故障診斷、保護和存儲功能。

圖3顯示了VCU的結構，包括外殼、硬件電路、底層軟件和應用軟件。硬件電路、底層軟件和應用軟件是VCU的關鍵核心技術。

圖3 VCU組成

VCU的硬件設計有標準化的核心模塊電路（32位主處理器、電源、存儲器、CAN）和VCU專用電路（傳感器采集等）。其中，標準化的內核模塊電路可以移植到MCU和BMS，平臺硬件將具有很好的可移植性和擴展性。隨著汽車處理器技術的發展，VCU逐漸從16位處理器芯片過渡到32位處理器芯片，32位已成為行業主流產品。

底層軟件基于AUTOSAR汽車軟件的開放系統架構，實現了開發電子控制單元（ECU）通用平臺的開發目標，并支持新能源汽車的不同控制系統。模塊化軟件組件以軟件復用為目的，有效提高軟件質量，縮短軟件開發周期。

應用層軟件按照V型開發流程，基于模型進行開發，有利于團隊合作和平臺擴展。快速原型開發工具和模型在環（MIL）工具用于驗證軟件模型，以加快開發速度。政策文件和軟件模型由專門的版本工具進行管理，以增強可追溯性；駕駛員的扭矩分析、換擋規律、模式切換、扭矩分配和故障診斷策略是應用層的關鍵技術，對車輛的動力性、經濟性和可靠性具有重要影響。

表2顯示了全球主流VCU供應商的技術參數，代表了VCU的發展趨勢。

表2 VCU技術參數

國外主流制造商1

國外主流制造商II

尺寸（mm）

185*127*65

220*170*45

建筑學

Freescale 32位（MPC5642），單核120MHz

+德爾福ASIL C

Freescale 32位（MPC5644），

單芯120Mhz

+Freescale 8位（S9S08DZ60）

軟件體系結構

參考AutoSAR

非AutoSAR

通信方法

CAN、LIN、SPI、FlexRay

CAN、LIN、SPI

工作電壓

10~16V（與24V系統不兼容）

9~16V（與24V系統不兼容）

功能安全

ISO26262 ASIL C可以通過擴展相關芯片來滿足。

符合iso 26262 ASIL C。

3.2單片機

MCU是新能源汽車特有的核心動力電子單元。它通過接收來自VCU的車輛運行控制指令，控制電機輸出指定的扭矩和速度，并驅動車輛運行。動力電池的直流能量被轉換成所需的高壓交流電，并驅動電機本體輸出機械能。同時，單片機具有對電機系統進行故障診斷、保護和存儲的功能。

單片機由外殼和冷卻系統、電力電子單元、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。

圖4 MCU組成

MCU的硬件電路采用模塊化和平臺化設計理念（核心模塊與VCU在同一平臺上），電源驅動部分采用多重診斷保護功能電路設計，電源回路部分采用汽車IGBT模塊并聯技術、定制總線電容和集成母線設計；

結構部分采用高防護等級，一體化液冷設計。

與VCU類似，MCU的底層軟件基于AUTOSAR開放系統架構，實現了開發ECU通用平臺的開發目標，模塊化軟件組件旨在實現軟件復用。

根據功能設計，應用層軟件一般可分為四個模塊：狀態控制、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的關鍵技術方案包括：基于32位高性能雙核主處理器；汽車級并聯IGBT技術，基于AutoSAR架構平臺軟件和先進的SVPWM PMSM控制算法，定制薄膜總線電容器和集成電源電路設計；高防護外殼，一體化水冷散熱設計。

表3顯示了全球主流MCU硬件供應商的技術參數，代表了MCU的發展趨勢。

表3 MCU技術參數

國外主流制造商1

國外主流制造商II

尺寸（mm）

475*245*108

411*454*183

峰值功率

180千伏

320千伏

峰值輸出電流

320個

450年

主處理器

TMS320F28335型

英飛凌科技

防護等級

第67頁

第69頁

通信方法

罐頭

罐頭

轉矩和速度的響應時間、轉矩和速度控制精度

滿足車輛控制的要求。

滿足車輛控制的要求。

3.3電池組和BMS

電池組是新能源汽車的核心能源，為整車提供驅動動力。它主要通過金屬外殼構成電池組的主體。模塊化結構設計實現了電池單元的集成，通過熱管理設計和仿真優化了電池組的熱管理性能，并通過電氣部件和線束的控制系統實現了電池的安全保護和連接路徑。通過BMS，實現了對電池的管理、與整車的通信和信息交換。

電池組的組成如圖5所示，包括電池單元、模塊、電氣系統、熱管理系統、盒子和BMS。BMS可以提高電池的利用率，防止電池的過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監測電池的狀態。2014年，國內新能源汽車產銷突破8萬輛，發展態勢喜人。為了讓新能源愛好者和初級研發人員更好地了解新能源汽車的核心技術，作者結合研發過程中的經驗，對新能源汽車分類、模塊規劃、電控技術和充電設施進行了分析。

1新能源汽車分類

在新能源汽車的分類中，“弱混合、強混合”和“串并聯”的不同分類方法讓非專業人士感到困惑。事實上，這些名字是從不同的角度解釋的，并不矛盾。

1.1消費者視角

消費者的視角通常根據混合程度進行劃分，可分為啟停、弱混合、中混合、強混合、插電式和純電動。節油效果和成本增加如表1所示。在表中，“-”表示該功能不可用或較弱，“+”越多表示效果越好。從表中可以看出，隨著節油效果的提高，成本增加得更多。

表1

消費者視角分類

作用

啟動和停止

弱混合

中環

強烈混合

給…接通

純電動

典型車輛類型

奇瑞BSG

一般BAS

榮威750Hybrid

豐田普銳斯

通用電壓

日產聆風

電功率比

<；5%

5-10%

10-20%

>；百分之三十

>；50%

100%

節油效果

<；5%

5-12%

15-25%

25-40%

>；

50%

100%

啟動/停止

+

+

+

+

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再生制動

-

+

++

+++

+++

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發動機效率優化

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+

++

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+++

-

純電容量

-

-

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+

+++

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成本增加（萬元）

0.2-0.5

1~2

3~4

4~6

6~8

>；

十二

1.2技術角度

圖1技術角度分類

從簡單到復雜，技術觀點可以分為純電動、串聯混合動力、并聯混合動力和串并聯混合動力，如圖1所示。其中P0表示BSG（帶式起動發電機）系統，P1表示ISG（集成起動發電機），電機位于發動機和離合器之間，P2表示電機位于離合器和變速器輸入端之間，P3表示電機位于變速器輸出端或布置在后橋，P03表示P0和P3的組合。從統計數據中可以看出，各種結構在國內外乘用車或商用車中廣泛使用，P2在歐洲相對流行，行星排結構在日美車中占主導地位，P03等組合結構在四輪驅動車中廣泛應用，歐藍德和標致3008均已實現量產。新能源汽車的選擇應綜合考慮結構的復雜性、節油效果和成本的增加。例如，通用汽車、克萊斯勒和寶馬聯合開發的三行星雙模系統具有良好的節油效果，但由于其結構復雜、成本高，近十年的市場表現并不令人滿意。

2新能源汽車模塊規劃

盡管新能源汽車的分類很復雜，但有許多共享模塊。在開發過程中可以采用模塊化方法，實現平臺共享，提高開發速度。一般來說，整個新能源汽車可以分為三級模塊系統。如圖2所示，一級模塊主要是指執行系統，包括充電設備、電氣附件、儲能系統、發動機、發電機、離合器、驅動電機和變速箱。二級模塊分為兩部分：執行系統和控制系統。執行部分包括地面充電器、充電設備的收集器和車載充電器、單體、儲能系統的電箱和PACK、燃氣發動機、汽油發動機和柴油發動機、發電機的永磁同步和交流異步、干式和濕式離合器、驅動電機的永磁同期和交流異步，變速箱、行星排和減速器的步進式自動變速器（包括AMT、AT和DCT等）。二次模塊的控制系統包括BMS、ECU、GCU、CCU、MCU、TCU和VCU，分別代表電池管理系統、發動機電子控制單元、發電機控制器、離合器控制單元、電機控制器、變速器控制系統和車輛控制器。三級模塊系統包括電池的功率型和能量型，永磁體和異步電機的水冷和風冷。控制系統的三級模塊主要包括硬件、底層和應用層軟件。

圖2三級模塊系統

根據功能和控制的相似性，三級模塊系統的一些模塊可以由三種平臺架構組成：純電動（包括擴展程序）、插電式并聯混合動力和插電式并行混合動力。例如，純電動（包括擴展程序）由充電設備、電氣附件、儲能系統、驅動電機和變速箱組成。每個平臺模塊都具有很強的通用性。通過采用平臺和模塊的開發方法，可以共享核心組件資源，提高新能源系統的安全性和可靠性，縮短周期，降低研發和采購成本。

新能源三大核心技術

在三級模塊系統和平臺架構中，車輛控制器（VCU）、電機控制器（MCU）和電池管理系統（BMS）是最重要的核心技術，對車輛的功率、經濟性、可靠性和安全性有著重要影響。

3.1伏

VCU是實現車輛控制決策的核心電子控制單元。通常只有新能源汽車才配備該裝置，而傳統燃油汽車則不需要該裝置。VCU通過采集油門踏板、檔位和制動踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖。VCU通過監測車輛狀態（車速、溫度等）信息，對信息進行判斷和處理，然后向操作員發送車輛運行狀態控制指令……

r系統和動力電池系統，并同時控制車載附件動力系統的工作模式；VCU具有整車系統的故障診斷、保護和存儲功能。

圖3顯示了VCU的結構，包括外殼、硬件電路、底層軟件和應用軟件。硬件電路、底層軟件和應用軟件是VCU的關鍵核心技術。

圖3 VCU組成

VCU的硬件設計有標準化的核心模塊電路（32位主處理器、電源、存儲器、CAN）和VCU專用電路（傳感器采集等）。其中，標準化的內核模塊電路可以移植到MCU和BMS，平臺硬件將具有很好的可移植性和擴展性。隨著汽車處理器技術的發展，VCU逐漸從16位處理器芯片過渡到32位處理器芯片，32位已成為行業主流產品。

底層軟件基于AUTOSAR汽車軟件的開放系統架構，實現了開發電子控制單元（ECU）通用平臺的開發目標，并支持新能源汽車的不同控制系統。模塊化軟件組件以軟件復用為目的，有效提高軟件質量，縮短軟件開發周期。

應用層軟件按照V型開發流程，基于模型進行開發，有利于團隊合作和平臺擴展。快速原型開發工具和模型在環（MIL）工具用于驗證軟件模型，以加快開發速度。政策文件和軟件模型由專門的版本工具進行管理，以增強可追溯性；駕駛員的扭矩分析、換擋規律、模式切換、扭矩分配和故障診斷策略是應用層的關鍵技術，對車輛的動力性、經濟性和可靠性具有重要影響。

表2顯示了全球主流VCU供應商的技術參數，代表了VCU的發展趨勢。

表2 VCU技術參數

國外主流制造商1

國外主流制造商II

尺寸（mm）

185*127*65

220*170*45

建筑學

Freescale 32位（MPC5642），單核120MHz

+德爾福ASIL C

Freescale 32位（MPC5644），

單芯120Mhz

+Freescale 8位（S9S08DZ60）

軟件體系結構

參考AutoSAR

非AutoSAR

通信方法

CAN、LIN、SPI、FlexRay

CAN、LIN、SPI

工作電壓

10~16V（與24V系統不兼容）

9~16V（與24V系統不兼容）

功能安全

ISO26262 ASIL C可以通過擴展相關芯片來滿足。

符合iso 26262 ASIL C。

3.2單片機

MCU是新能源汽車特有的核心動力電子單元。它通過接收來自VCU的車輛運行控制指令，控制電機輸出指定的扭矩和速度，并驅動車輛運行。動力電池的直流能量被轉換成所需的高壓交流電，并驅動電機本體輸出機械能。同時，單片機具有對電機系統進行故障診斷、保護和存儲的功能。

單片機由外殼和冷卻系統、電力電子單元、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。

圖4 MCU組成

MCU的硬件電路采用模塊化和平臺化設計理念（核心模塊與VCU在同一平臺上），電源驅動部分采用多重診斷保護功能電路設計，電源回路部分采用汽車IGBT模塊并聯技術、定制總線電容和集成母線設計；

結構部分采用高防護等級，一體化液冷設計。

與VCU類似，MCU的底層軟件基于AUTOSAR開放系統架構，實現了開發ECU通用平臺的開發目標，模塊化軟件組件旨在實現軟件復用。

根據功能設計，應用層軟件一般可分為四個模塊：狀態控制、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的關鍵技術方案包括：基于32位高性能雙核主處理器；汽車級并聯IGBT技術，基于AutoSAR架構平臺軟件和先進的SVPWM PMSM控制算法，定制薄膜總線電容器和集成電源電路設計；

高防護外殼，一體化水冷散熱設計。

表3顯示了全球主流MCU硬件供應商的技術參數，代表了MCU的發展趨勢。

表3 MCU技術參數

國外主流制造商1

國外主流制造商II

尺寸（mm）

475*245*108

411*454*183

峰值功率

180千伏

320千伏

峰值輸出電流

320個

450年

主處理器

TMS320F28335型

英飛凌科技

防護等級

第67頁

第69頁

通信方法

罐頭

罐頭

轉矩和速度的響應時間、轉矩和速度控制精度

滿足車輛控制的要求。

滿足車輛控制的要求。

3.3電池組和BMS

電池組是新能源汽車的核心能源，為整車提供驅動動力。它主要通過金屬外殼構成電池組的主體。模塊化結構設計實現了電池單元的集成，通過熱管理設計和仿真優化了電池組的熱管理性能，并通過電氣部件和線束的控制系統實現了電池的安全保護和連接路徑。通過BMS，實現了對電池的管理、與整車的通信和信息交換。

電池組的組成如圖5所示，包括電池單元、模塊、電氣系統、熱管理系統、盒子和BMS。BMS可以提高電池的利用率，防止電池的過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監測電池的狀態。圖5電池組的組成

BMS是電池組中最關鍵的部件，類似于VCU，其核心部分由硬件電路、底層軟件和應用軟件組成。然而，BMS的硬件由兩部分組成：主板（BCU）和從板（BMU），后者安裝在模塊中，用于檢測單元的電壓、電流和平衡控制。主板的安裝位置靈活，用于繼電器控制、SOC估計和電氣傷害保護。

BMU的硬件部分完成了對電池單元電壓和溫度的測量，并通過高可靠性的數據傳輸通道與BCU模塊進行指令和數據的雙向傳輸。BCU可以選擇基于汽車功能安全架構的32位微處理器，完成總電壓采集、絕緣檢測、繼電器驅動和狀態監測等功能。

底層軟件架構符合AUTOSAR標準，模塊化開發易于擴展和移植，提高了開發效率。

應用層軟件是BMS的控制核心，包括電池保護、電損傷保護、故障診斷管理、熱管理、繼電器控制、從機控制、平衡控制、SOC估計和通信管理。應用層軟件體系結構如圖6所示。

圖6應用層軟件架構

表4顯示了國內外主流BMS供應商的技術參數，代表了BMS的發展趨勢。

表4 BMS技術參數

國外主流制造商

國內主流制造商

配套方案

主從結構

主從結構

溫度范圍

-40~85℃

-40～85℃

技術指標

電壓測量精度：0.1%FS

電流測量精度：0.1%FS

電流測量范圍：0~600 a

SOC估計精度：5%

平衡模式：主動平衡

電壓測量精度：0.5%

金融服務

電流測量精度：0.5%

金融服務

溫度測量范圍（℃）：-40～125℃

溫度測量精度（℃）：0.5℃

SOC測量精度：5%；

平衡方式：被動平衡

車輛應用范圍

純電動汽車和混合動力汽車

純電動汽車和混合動力汽車

功能安全

蓄電池過充電、過放電、溫升保護、絕緣保護、高壓聯鎖和預充電。

蓄電池過充電、過放電、溫升保護和絕緣保護

適用電池范圍

錳酸鋰和三元材料

動力電池，如鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池。

4個充電設施

充電設施不完善是阻礙新能源汽車營銷的一個重要因素。本文分析了特斯拉的成功解決方案，提出了新能源汽車的充電解決方案，并分析了充電系統的組成。

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上最先進的充電技術。它給MODEL S充電的速度比大多數充電站快得多。表5顯示了特斯拉電池和充電參數。

表5電池和充電參數

動力電池組件參數

0.8C快速充電參數（90kW充電）

電池類型

額定電壓

電壓范圍

總容量

電壓

電流

權力

美國國家航空航天局

424.8伏

324.5-495.6伏

200.1安培

500伏

160個

80千瓦

改進的NCA

356.4伏

272.25-415.8伏

238.7安培

420伏

192年

80千瓦

特斯拉有五種充電方式，使用普通110/220V電源插座充電，充電30小時；集成10kW充電器，10小時內充滿電；集成20kW充電器，5小時內充滿電；可以在家墻上或停車場安裝快速充電器，充電時間可以縮短到5小時；

它可以在45分鐘內充電80%，而且電費是免費的。這種快速充電設備只在北美市場上很常見。

特斯拉使用太陽能電池板遮陽板的充電站，不僅可以抵消能源消耗，還可以遮陽。與在加油站加油需要付費不同，正確配置的MODEL S可以在任何開放的充電站免費充電。

特斯拉充電技術的特點可以概括為：1）特斯拉充電站增加了太陽能充電技術，使充電站盡可能使用清潔能源，減少了對電網的依賴，也減少了對電力網的干擾。這項技術也可以在中國實現。2） 特斯拉的充電時間短并不奇怪。特斯拉的充電器具有90~120kWh的大容量，充電速率為0.8C。與普通快速充電一樣，它沒有使用更大的充電速率，因此不會影響電池壽命。在20分鐘內充電到40%可以滿足電池壽命要求，主要是因為電池容量大。

4.2充電解決方案

0

圖7充電系統組成

圖7是新能源汽車的參考充電解決方案。充電系統由配電系統（高壓配電柜、變壓器、無功補償裝置和低壓開關柜）、充電系統（充電柜和充電終端）和儲能系統（儲能電池和逆變柜）組成。無功補償裝置解決了充電系統對電網功率因數的影響。通常，充電柜內部充電器具有有源濾波功能，以解決諧波電流和功率因數的問題。儲能電池和逆變柜可以解決舊配電系統無法滿足充電站容量要求的問題，并起到調峰填谷的作用，在不充電時儲存能量，在配電系統容量不足時釋放儲存的能量進行充電。如果新建配電系統容量足夠，則可以不選擇儲能電池和逆變器柜。風力發電和光伏發電為充電系統提供清潔能源，并試圖減少來自電網的電力。

5摘要

從消費者和技術的角度對新能源汽車的結構進行了分類，分析了各種結構的優勢，以及國內外原始設備制造商的應用。分析了新能源汽車的模塊組成和平臺架構，詳細介紹了三級模塊系統中的相關執行系統和控制系統。本文分析了VCU、MCU和BMS的結構和關鍵技術，以及世界主流供應商的技術參數和發展趨勢。分析了特斯拉的成功解決方案，提出了新能源汽車的充電解決方案。

作者楊偉斌系北汽福田新能源系統開發部部長，清華大學博士后、高級工程師。圖5電池組的組成

BMS是電池組中最關鍵的部件，類似于VCU，其核心部分由硬件電路、底層軟件和應用軟件組成。然而，BMS的硬件由兩部分組成：主板（BCU）和從板（BMU），后者安裝在模塊中，用于檢測單元的電壓、電流和平衡控制。主板的安裝位置靈活，用于繼電器控制、SOC估計和電氣傷害保護。

BMU的硬件部分完成了對電池單元電壓和溫度的測量，并通過高可靠性的數據傳輸通道與BCU模塊進行指令和數據的雙向傳輸。BCU可以選擇基于汽車功能安全架構的32位微處理器，完成總電壓采集、絕緣檢測、繼電器驅動和狀態監測等功能。

底層軟件架構符合AUTOSAR標準，模塊化開發易于擴展和移植，提高了開發效率。

應用層軟件是BMS的控制核心，包括電池保護、電損傷保護、故障診斷管理、熱……

管理、繼電器控制、從屬控制、平衡控制、SOC估計和通信管理。應用層軟件體系結構如圖6所示。

圖6應用層軟件架構

表4顯示了國內外主流BMS供應商的技術參數，代表了BMS的發展趨勢。

表4 BMS技術參數

國外主流制造商

國內主流制造商

配套方案

主從結構

主從結構

溫度范圍

-40~85℃

-40～85℃

技術指標

電壓測量精度：0.1%FS

電流測量精度：0.1%FS

電流測量范圍：0~600 a

SOC估計精度：5%

平衡模式：主動平衡

電壓測量精度：0.5%

金融服務

電流測量精度：0.5%

金融服務

溫度測量范圍（℃）：-40～125℃

溫度測量精度（℃）：0.5℃

SOC測量精度：5%；

平衡方式：被動平衡

車輛應用范圍

純電動汽車和混合動力汽車

純電動汽車和混合動力汽車

功能安全

蓄電池過充電、過放電、溫升保護、絕緣保護、高壓聯鎖和預充電。

蓄電池過充電、過放電、溫升保護和絕緣保護

適用電池范圍

錳酸鋰和三元材料

動力電池，如鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池。

4個充電設施

充電設施不完善是阻礙新能源汽車營銷的一個重要因素。本文分析了特斯拉的成功解決方案，提出了新能源汽車的充電解決方案，并分析了充電系統的組成。

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上最先進的充電技術。它給MODEL S充電的速度比大多數充電站快得多。表5顯示了特斯拉電池和充電參數。

表5電池和充電參數

動力電池組件參數

0.8C快速充電參數（90kW充電）

電池類型

額定電壓

電壓范圍

總容量

電壓

電流

權力

美國國家航空航天局

424.8伏

324.5-495.6伏

200.1安培

500伏

160個

80千瓦

改進的NCA

356.4伏

272.25-415.8伏

238.7安培

420伏

192年

80千瓦

特斯拉有五種充電方式，使用普通110/220V電源插座充電，充電30小時；集成10kW充電器，10小時內充滿電；集成20kW充電器，5小時內充滿電；可以在家墻上或停車場安裝快速充電器，充電時間可以縮短到5小時；

它可以在45分鐘內充電80%，而且電費是免費的。這種快速充電設備只在北美市場上很常見。

特斯拉使用太陽能電池板遮陽板的充電站，不僅可以抵消能源消耗，還可以遮陽。與在加油站加油需要付費不同，正確配置的MODEL S可以在任何開放的充電站免費充電。

特斯拉充電技術的特點可以概括為：1）特斯拉充電站增加了太陽能充電技術，使充電站盡可能使用清潔能源，減少了對電網的依賴，也減少了對電力網的干擾。這項技術也可以在中國實現。2） 特斯拉的充電時間短并不奇怪。特斯拉的充電器具有90~120kWh的大容量，充電速率為0.8C。與普通快速充電一樣，它沒有使用更大的充電速率，因此不會影響電池壽命。在20分鐘內充電到40%可以滿足電池壽命要求，主要是因為電池容量大。

4.2充電解決方案

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圖7充電系統組成

圖7是新能源汽車的參考充電解決方案。充電系統由配電系統（高壓配電柜、變壓器、無功補償裝置和低壓開關柜）、充電系統（充電柜和充電終端）和儲能系統（儲能電池和逆變柜）組成。無功補償裝置解決了充電系統對電網功率因數的影響。通常，充電柜內部充電器具有有源濾波功能，以解決諧波電流和功率因數的問題。儲能電池和逆變柜可以解決舊配電系統無法滿足充電站容量要求的問題，并起到調峰填谷的作用，在不充電時儲存能量，在配電系統容量不足時釋放儲存的能量進行充電。如果新建配電系統容量足夠，則可以不選擇儲能電池和逆變器柜。風力發電和光伏發電為充電系統提供清潔能源，并試圖減少來自電網的電力。

5摘要

從消費者和技術的角度對新能源汽車的結構進行了分類，分析了各種結構的優勢，以及國內外原始設備制造商的應用。分析了新能源汽車的模塊組成和平臺架構，詳細介紹了三級模塊系統中的相關執行系統和控制系統。本文分析了VCU、MCU和BMS的結構和關鍵技術，以及世界主流供應商的技術參數和發展趨勢。分析了特斯拉的成功解決方案，提出了新能源汽車的充電解決方案。

作者楊偉斌系北汽福田新能源系統開發部部長，清華大學博士后、高級工程師。

標簽：特斯拉寶馬標致豐田福田

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