新能源汽車三大關(guān)鍵技術(shù)及其難點(diǎn)分析

崔小發(fā), 王凱

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

0 引言

汽車保有量的增加，使我國(guó)面臨日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)保壓力，尤其近幾年北方地區(qū)“霧霾”頻發(fā)，在這種情況下新能源汽車的發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨?。另一方面，?jīng)過多年的發(fā)展，新能源汽車領(lǐng)域的研究成果完成了產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，新能源汽車研發(fā)技術(shù)步入成熟期，產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)推廣的條件已經(jīng)成熟。

1 新能源汽車的分類

在新能源汽車發(fā)展過程中，先后出現(xiàn)了多種形式的新型車用燃料以及使用常規(guī)燃料的新型車載動(dòng)力裝置。主要有混合動(dòng)力汽車(Hybrid Electric Vehicle，HEV)、純電動(dòng)汽車(Battery Electrical Vehicle，BEV)、燃料電池汽車(Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV)、燃?xì)馄?、醇醚汽車、氫?dòng)力汽車等，文中以前3種保有量大的類型為例進(jìn)行介紹。

1.1 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)

混合動(dòng)力汽車裝備兩種動(dòng)力源：傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)用于汽車的啟動(dòng)和停止，發(fā)揮其起步快、低噪聲、低排放的優(yōu)勢(shì)。在高速巡航和額定工況行駛時(shí)，由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的均衡配比，發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電操作。當(dāng)加速和重載行駛時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)提供動(dòng)力，以滿足動(dòng)力需求和加速性能?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車是商用新能源汽車在售的主力車型，占據(jù)新能源汽車市場(chǎng)份額的90%以上。它是一種過渡性產(chǎn)品，蓄電池的使用壽命和續(xù)航里程以及動(dòng)力控制技術(shù)成為制約混合動(dòng)力汽車進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

1.2 純電動(dòng)汽車(BEV)

純電動(dòng)汽車以電動(dòng)機(jī)作為唯一動(dòng)力源，由蓄電池供應(yīng)電能，它是混合動(dòng)力汽車發(fā)展的最終形式。純電動(dòng)汽車具備低噪聲、不耗油、零排放的優(yōu)勢(shì)，成為各大汽車主機(jī)廠未來的研發(fā)重點(diǎn)。但目前，車用儲(chǔ)能蓄電池行駛里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)、壽命短、單位里程成本高，制約著電動(dòng)汽車的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)部分車企已有新能源車型推向市場(chǎng)，但受高昂研發(fā)成本影響，在售純電動(dòng)車型單車價(jià)格較高，超出工薪階層的消費(fèi)能力。因此，目前純電動(dòng)汽車的主要采購商為城市公交、旅游接待、體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)和城市社區(qū)，真正成為普通大眾消費(fèi)品，還有很長(zhǎng)的一段路要走。

1.3 燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)

在催化劑作用下，氫氣和空氣中的氧氣可以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，以此作為動(dòng)力源的汽車稱為燃料電池電動(dòng)汽車。燃料電池以其高效率、零污染、低噪聲和能量的快速補(bǔ)充性被業(yè)界認(rèn)為是內(nèi)燃機(jī)汽車的最理想替代方案。與混合動(dòng)力電動(dòng)汽車一樣，燃料電池的發(fā)展也受到價(jià)格和技術(shù)因素的制約：制造成本高、啟動(dòng)/反應(yīng)性能不佳、碳?xì)洳荒苤苯荧@取、氫儲(chǔ)能技術(shù)不成熟。而氫儲(chǔ)能的安全性成為最大的難點(diǎn)，如果氫氣儲(chǔ)存的安全指標(biāo)達(dá)不到要求，氫燃料電池電動(dòng)汽車便成為了一個(gè)行走的不定時(shí)炸彈。受到上述因素的制約，燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展緩慢。

2 新能源汽車三大核心技術(shù)及其難點(diǎn)研究

總體來看，新能源汽車被分成三級(jí)模塊架構(gòu)：

(1)第一級(jí)模塊功能定義為執(zhí)行系統(tǒng)，涉及的主要部件有電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、齒輪箱、儲(chǔ)能設(shè)備和充放電設(shè)備。

(2)第二級(jí)模塊功能定義為控制和二級(jí)執(zhí)行系統(tǒng)，涉及的主要組部件有集電器，車載充電器，地面充電樁，發(fā)動(dòng)機(jī)的柴油機(jī)、汽油機(jī)和氣體機(jī)，永磁同步和交流異步電動(dòng)機(jī)，干式和濕式離合器，行星齒輪和減速齒輪等；二級(jí)控制系統(tǒng)包括電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)、發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(Electronic Control Unit，ECU)、發(fā)電機(jī)控制器(Generator Control Unit，GCU)、離合器控制單元(Clutch Control Unit，CCU)、電機(jī)控制器(Moter Control Unit，MCU)、變速器控制系統(tǒng)(Transmission Control Unit，TCU)和整車控制器(Vehicle Control Unit，VCU)。

(3)第三級(jí)模塊體系包括電池的能量型和功率型、電機(jī)的冷卻形式，三級(jí)控制系統(tǒng)包含硬件、底層驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用層軟件。

在三級(jí)模塊體系中，電池管理系統(tǒng)(BMS)、電機(jī)控制器(MCU)、整車控制器(VCU)是3個(gè)最核心的模塊，直接影響著整車的動(dòng)力、安全、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2.1 整車控制器(VCU)技術(shù)

整車控制器(VCU)是新能源汽車的標(biāo)配模塊，是整車控制的核心。VCU模塊實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)車輛的運(yùn)行狀態(tài)，包括車速、溫度等信息，通過不同的傳感器收集擋位、剎車踏板、油門踏板信息來判別駕駛員的操作意圖。這些不同的信息由VCU匯總進(jìn)行邏輯處理后，向電池系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和車載附件電力控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令。VCU系統(tǒng)具備整車系統(tǒng)故障識(shí)別和診斷能力，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)故障信息存儲(chǔ)。VCU模塊由硬件電路、底層驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用層軟件和外殼組成，其中硬件電路、底層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用層軟件是核心關(guān)鍵技術(shù)。

VCU硬件電路基于標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路搭建，包括32位處理芯片(MCU/DSP)、電源模塊、存儲(chǔ)單元和CAN接口，并擴(kuò)展VCU專用電路(采集傳感器)。其中標(biāo)準(zhǔn)化核心模塊電路具備非常強(qiáng)的可移植性、擴(kuò)展性和兼容性，可與MCU、BMS系統(tǒng)公用核心模塊電路。隨著應(yīng)用需求的增強(qiáng)，汽車級(jí)處理芯片由16位向32位主流芯片過渡。

底層軟件基于AUTOSAR系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，這是一種開放式的汽車控制系統(tǒng)開發(fā)軟件，這樣實(shí)現(xiàn)了不同控制系統(tǒng)的同平臺(tái)開發(fā)；在模塊化軟件開發(fā)模式中，軟件復(fù)用思想的引入，極大地縮短了開發(fā)周期，提高了軟件質(zhì)量。

應(yīng)用層軟件開發(fā)中，引入V形模式，該模式易于拓展的特點(diǎn)提升了團(tuán)隊(duì)間的配合效率；軟件模型驗(yàn)證采用應(yīng)用模型在環(huán)(Model In the Loop，MIL)和快速原型工具；軟件模型和策略文檔通過專用版本工具進(jìn)行管理，以提高查找效率；應(yīng)用層關(guān)鍵策略在于模式切換、轉(zhuǎn)矩分配、換擋規(guī)律、駕駛員轉(zhuǎn)矩解析以及故障識(shí)別診斷，直接影響著整車的動(dòng)力性和穩(wěn)定性。

2.2 電機(jī)控制器(MCU)技術(shù)

MCU是新能源電動(dòng)汽車特有的核心控制模塊，它通過接收整車控制模塊(VCU)下發(fā)的控制指令，完成電動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速控制。將儲(chǔ)能電池的直流電轉(zhuǎn)化成電動(dòng)機(jī)所需的正弦交流電，完成電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。MCU模塊的典型構(gòu)成包括：底層驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用層控制算法軟件、控制電路、功率電子電路、外殼冷卻系統(tǒng)，具備電動(dòng)機(jī)故障診斷、保護(hù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

基于平臺(tái)化、模塊化設(shè)計(jì)思路，MCU、VCU模塊共用核心模塊，功率回路采用車用級(jí)IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)并聯(lián)模塊、定制母線電容、集成母排；集成一體化設(shè)計(jì)的液冷結(jié)構(gòu)，達(dá)到高防護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

與VCU一樣，MCU底層驅(qū)動(dòng)程序同樣基于軟件復(fù)用原則進(jìn)行軟件模塊化開發(fā)，MCU底層驅(qū)動(dòng)程序同樣采用開放式的AUTOSAR系統(tǒng)架構(gòu)，與ECU共用開發(fā)平臺(tái)。應(yīng)用層軟件劃分成矢量算法(弱磁控制和MTPA(Maximum Torque Per Ampere)控制)、狀態(tài)控制、需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算和故障診斷4個(gè)模塊。

2.3 電池管理系統(tǒng)(BMS)

儲(chǔ)能電池提供整車所需的驅(qū)動(dòng)電能，是新能源電動(dòng)汽車的能量源。對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，熱管理性能通過設(shè)計(jì)階段的熱管理和仿真實(shí)現(xiàn)；通過線束將電池與保護(hù)電器、組部件進(jìn)行連接；電池管理系統(tǒng)(BMS)與整車進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)電芯的能量管理。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電池包應(yīng)包括電芯、電氣系統(tǒng)、模塊、熱管理系統(tǒng)、BMS、箱體結(jié)構(gòu)。BMS是電池包的控制核心，監(jiān)控電池的運(yùn)行狀態(tài)，提升其能量效率，實(shí)現(xiàn)電池過壓、欠壓保護(hù)，延長(zhǎng)電池的使用壽命。

類似于VCU，BMS同樣包括硬件電路、底層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用層軟件。不同的是，BMS硬件電路包括主板和從板兩部分，從板用以監(jiān)測(cè)單體電流、電壓，完成均衡控制；繼電器與電氣的控制保護(hù)、荷電狀態(tài)值(State of Charge，SOC)評(píng)估由主板完成。從板與主板間的數(shù)據(jù)、指令采用雙向傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的單體電壓和溫度。BCU主芯片選用32 b微處理器，實(shí)現(xiàn)電池包的總電壓采集、繼電器的驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)、絕緣強(qiáng)度檢查等功能。

3 結(jié)論與展望

新能源汽車的大發(fā)展已是不爭(zhēng)的事實(shí)，無論從政策層面、技術(shù)層面，還是消費(fèi)升級(jí)層面來看，都推動(dòng)著新能源汽車尤其是電動(dòng)汽車的發(fā)展。受傳統(tǒng)能源制約和環(huán)境壓力，政府積極推動(dòng)混動(dòng)、電動(dòng)汽車發(fā)展，制定了明確的積分政策時(shí)間表，積極推進(jìn)充電樁建設(shè)。VCU、MCU、BMS三大核心技術(shù)已趨于成熟，儲(chǔ)能電池壽命和續(xù)航里程不斷取得階段性進(jìn)展。但要清醒地看到，傳統(tǒng)燃油汽車短時(shí)間內(nèi)不會(huì)被取代，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車將會(huì)是未來一二十年內(nèi)的主力車型。同時(shí)隨著汽車電子技術(shù)的逐步完善、車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)不斷探索，集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)化將成為未來汽車的發(fā)展方向。

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