新能源汽车核心技术详解：电池包和BMS、VCU、 MCU - 全文

  2014年国内新能源汽车产销突破8万辆，发展形态趋势喜人。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做了分析。

  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。

  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“-”表示无此功能或较弱、“+”个数越多表示效果越好，从表中能够准确的看出随着节油效果改善、成本增加也较多。

  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（Belt starter generator，带传动启停装置）系统，P1代表ISG（Integrated starter generator，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间，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。从统计表中能够准确的看出，各种结构在国内外乘用或商用车中均得到普遍应用，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。新能源车型选择应考虑结构较为复杂性、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模系统，尽管节油效果较好，但由于结构复杂且成本比较高，近十年间的市场表现不尽如人意。

  尽管新能源汽车分类复杂，但其用的模块较多，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管理系统两部分，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，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；二级模块的控制管理系统包括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、变速器控制管理系统和整车控制器。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，控制管理系统的三级模块最重要的包含硬件、底层和应用层软件。

  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）、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。

  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。

  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作时的状态控制指令，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。

  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，平台化硬件将有很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管理系统；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）工具对软件模型做验证，加快开发速度；策略文档和软件模型均采取了专用版本工具来管理，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。

  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。

  MCU硬件电路采取模块化、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。

  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管理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可提升电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的常规使用的寿命，监控电池的状态。

  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）两部分所组成，从版安装于模组内部，用于检测单体电压、电流和均衡控制；主板安装的地方比较灵活，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。

  充电设施不完善是阻碍新能源汽车市场推广的主要的因素，对特斯拉成功的解决方案做多元化的分析，并提出新能源汽车的充电解决方案、剖析充电系统组成。

  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。

  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，所以不会影响电池使用寿命；20分钟充到40%，就能满足续航要求，根本原因是电池容量大。

  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不足以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，最好能够降低从电网取电。

  从消费者和技术角度分别对新能源汽车结构可以进行归纳分类，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，详细的介绍了三级模块体系中相关的执行系统和控制管理系统。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做多元化的分析，并提出新能源汽车的充电解决方案。

  在电子技术领域中, 常常要借助于一些辅助的仪器来观察电路中信号的相互关系, 这些仪器的种类很多, 比如万用表、信号源、示波器、频谱仪等。其中, 示波器可以观察到信号的全貌, 它可以在显示屏幕上直接观察到被测信号的波形, 并测量信号的幅度、频率、周期等基本参量。除此之外, 其他的非电量也可以转化为电量, 使用示波器进行观测。因此, 示波器得到了广泛的应用。随着电子设备复杂程度的增加, 对于示波器这样的测量仪器也提出了更多的要求, 除了成本的限制以外, 在体积、性能以及使用的灵活性方面也有了新的要求。目前常用的示波器一般都是体积比较大, 成本高,这就使它的应用受到了一些限制, 在这种情况下, 开发低成本便携的手持示波器, 将会大大

  的便携数字存储示波器 /

  引言 随着国内经济的快速的提升，空调车、豪华车也进入了新的发展阶段。空调逆变器是一种新型高效无污染“绿色”能源，其应用前景很广阔。 SPWM技术是空调逆变器中主要的控制技术，要生成SPWM脉冲常采用两种方法：一是由模拟电路生成；二是由单片机等数字电路生成。前者电路复杂，抗干扰性能差，有温漂现象，系统可靠性和一致性低；数字方法则利用计算机实时计算，这样系统一致性很高，没用温漂现象，同时调试工作量大幅度的降低。INTEL公司推出的16位微处理器N87C196MC／MD是专为电机拖动设置的低成本单片机芯片，片内集成了一个3相波形发生器WFG(Wave Form Generator)，这一外设装置大大简化了产生SPWM波形的控制系统软件和外部硬

  的空调逆变器设计 /

  1 引 言 经过多道工序的碾制之后，稻米的谷糠已被剥去，但米粒的表面显得比较粗糙，为保证米的质量和外观，需进行稻米加工的最后一道工序：抛光。米粒的抛光是由碾米抛光机来完成的。通过抛光可使米粒表面致密光洁，既保证了米的质量，又改善了米粒的外观。抛光是在一定温度和湿度条件下，经过一段时间的研磨完成的。因此抛光过程中一些重要的工艺参数必须得到满足。首先，加入水的温度必须严控，温度太低或太高都会使抛光后的米粒发黑，影响抛光的质量；其次，加入水量的多少必须严控。加入的水量太多，抛光后的湿度太大，既影响抛光的质量也影响将来的储运；加入的水量太少，抛光时的湿度太小，抛光后米粒的光洁度和致密度会达不到要求。 国产的中小型抛光机现有的抛光方

  通用编程器 G840联机/脱机烧写编程器 1、40针准全驱动，进口优质锁紧座。满足绝大多数IC烧录的脚位需求，充分提供了未来升级的基础条件。 2、用户享受终身升级支持。纯软件升级，只要从网上下载最新版本软件，就可完成升级。您的编程器将永远是最新的。 3、提供联机操作模式和脱机操作模式，既适用于开发、试验、教学，又适用于小批量量产,无须总是开电脑。 4、触摸键控制，你能不用点击鼠标，使操作更方便。触摸键经久耐用,永不损毁。 5、针脚接触检测准确无误。遇接触不良或插放错误，及时中止操作进程。

  编程器分类及功能详解 /

  引言：期待国产MCU能够逐渐从“易国产化”到“难国产化”，并最终突破“极难国产化”的范围，进军国际巨头的核心领域。 车规级MCU（汽车级 微控制器 ）是一种专为汽车行业设计的高性能、高可靠性的微控制器。它们在汽车电子系统中扮演着至关重要的角色，例如动力总成控制、底盘控制、车身控制、信息娱乐系统和先进 驾驶辅助系统 等领域。汽车级MCU需满足严格的汽车级标准，具有强大的性能、低功耗、高可靠性以及对恶劣环境的适应性。随着汽车产业进入“新四化”趋势，新兴应用的加快速度进行发展对于车规级MCU带来更多新的需求。而本轮全球 芯片 缺货潮中，车规级MCU更是绝对的主角。中国是全球车规级芯片需求最大的市场，而随着中国厂商成为全世界新能源汽车的增长驱

  车规级替代怎么样才能解决痛点、难点？ /

  产品线日，Silicon Laboratories今日发表C8051F7xx系列多脚数单片机 (MCU)，为针对强调低成本、多功能I/O嵌入式系统应用所需。此系列提供业界首见的全新触摸感应特性，可靠、精确、灵敏度较高且易于配置，目前已在申请专利中。通过提供多达54个通用型I/O管脚以及25 MIPS 8051中央处理器 (CPU)，C8051F7xx系列具备高水平的解决能力及弹性，适用于工业控制、安防系统、住宅空调 (HVAC)、家庭应用、键盘、提款机和传真机/打印机/扫描仪的前端面板等。       此触摸感应片上外围所使用的电容至数字转换器(CDC)，其采样时间仅40微秒，结合C8051F7xx 25M

  电陶炉是一种通过电能直接转化为热能的电热炉灶，采用远红外加热原理，无高频辐射，内部发热丝有很多种，比如镍铬合金、碳纤维等。电陶炉能在5秒内的炉芯温度高达300℃以上，日常使用十分便捷。 国芯思辰某工程师在设计电陶炉方案时，主控芯片使用的TM52F1363，芯片内置LCD驱动器，无需额外的显示驱动电路开销，并且内置了19通道的12位模数转换器(ADC)，是家用电陶炉主控的理想选择。 TM52F1363系统框图 TM52F1363是一个新的，快速的8051架构，与业界标准8051指令集完全兼容的8位单片机，并保持了8051外围的功能模块。通常情况下，TM52执行指令，比传统的8051架构快六倍。芯片通过集成多种功能在芯片上，提

  TM52F1363在电陶炉中的应用方案 /

  引言 基于新能源汽车驱动电机的基本性能要求，目前常用驱动电机类型最重要的包含三大类，即交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。目前，各车企配套车型统计中，每个车型选用的驱动电机类型也不一样。 因此，要进行新能源汽车搭载电机类型选用，了解驱动电机的结构、工作原理和性能优缺点很重要。 1 交流异步电机 1.1交流异步电机结构 交流异步电机，也称感应电机，结构最重要的包含定子、转子、电机轴、前后轴承、端盖、位置传感器、温度传感器、低压线束和高压动力线束。定子由定子铁心和三相绕组组成；转子常用笼型转子，包括转子铁心和笼型绕组。根据电机的功率不同会选择水冷或者风冷方式。（图1） 1.2交流异步电机的工作原理 1.2.1交流异步电机

  驱动电机的结构、工作原理和性能优缺点介绍 /

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