新能源汽車三大關鍵技術及其難點分析

崔小發, 王凱

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

0 引言

汽車保有量的增加，使我國面臨日益嚴峻的能源危機和環保壓力，尤其近幾年北方地區“霧霾”頻發，在這種情況下新能源汽車的發展駛入了快車道。另一方面，經過多年的發展，新能源汽車領域的研究成果完成了產業化轉化，新能源汽車研發技術步入成熟期，產業化市場推廣的條件已經成熟。

1 新能源汽車的分類

在新能源汽車發展過程中，先后出現了多種形式的新型車用燃料以及使用常規燃料的新型車載動力裝置。主要有混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle，HEV)、純電動汽車(Battery Electrical Vehicle，BEV)、燃料電池汽車(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV)、燃氣汽車、醇醚汽車、氫動力汽車等，文中以前3種保有量大的類型為例進行介紹。

1.1 混合動力電動汽車(HEV)

混合動力汽車裝備兩種動力源：傳統燃油發動機和電動機。電機驅動用于汽車的啟動和停止，發揮其起步快、低噪聲、低排放的優勢。在高速巡航和額定工況行駛時，由燃油發動機提供動力，實現燃油經濟性和動力性的均衡配比，發動機處于最佳工作狀態，同時實現蓄電池的充電操作。當加速和重載行駛時，由發動機和電動機同時提供動力，以滿足動力需求和加速性能。混合動力電動汽車是商用新能源汽車在售的主力車型，占據新能源汽車市場份額的90%以上。它是一種過渡性產品，蓄電池的使用壽命和續航里程以及動力控制技術成為制約混合動力汽車進一步發展的瓶頸。

1.2 純電動汽車(BEV)

純電動汽車以電動機作為唯一動力源，由蓄電池供應電能，它是混合動力汽車發展的最終形式。純電動汽車具備低噪聲、不耗油、零排放的優勢，成為各大汽車主機廠未來的研發重點。但目前，車用儲能蓄電池行駛里程短、充電時間長、壽命短、單位里程成本高，制約著電動汽車的發展。目前，國內部分車企已有新能源車型推向市場，但受高昂研發成本影響，在售純電動車型單車價格較高，超出工薪階層的消費能力。因此，目前純電動汽車的主要采購商為城市公交、旅游接待、體育場館、機場和城市社區，真正成為普通大眾消費品，還有很長的一段路要走。

1.3 燃料電池電動汽車(FCEV)

在催化劑作用下，氫氣和空氣中的氧氣可以發生電化學反應產生電能，以此作為動力源的汽車稱為燃料電池電動汽車。燃料電池以其高效率、零污染、低噪聲和能量的快速補充性被業界認為是內燃機汽車的最理想替代方案。與混合動力電動汽車一樣，燃料電池的發展也受到價格和技術因素的制約：制造成本高、啟動/反應性能不佳、碳氫不能直接獲取、氫儲能技術不成熟。而氫儲能的安全性成為最大的難點，如果氫氣儲存的安全指標達不到要求，氫燃料電池電動汽車便成為了一個行走的不定時炸彈。受到上述因素的制約，燃料電池電動汽車發展緩慢。

2 新能源汽車三大核心技術及其難點研究

總體來看，新能源汽車被分成三級模塊架構：

(1)第一級模塊功能定義為執行系統，涉及的主要部件有電動機、發動機、離合器、齒輪箱、儲能設備和充放電設備。

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

(3)第三級模塊體系包括電池的能量型和功率型、電機的冷卻形式，三級控制系統包含硬件、底層驅動和應用層軟件。

在三級模塊體系中，電池管理系統(BMS)、電機控制器(MCU)、整車控制器(VCU)是3個最核心的模塊，直接影響著整車的動力、安全、可靠性和經濟性。

2.1 整車控制器(VCU)技術

整車控制器(VCU)是新能源汽車的標配模塊，是整車控制的核心。VCU模塊實時在線監測車輛的運行狀態，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匯總進行邏輯處理后，向電池系統、動力系統和車載附件電力控制系統發送控制指令。VCU系統具備整車系統故障識別和診斷能力，同時可以實現故障信息存儲。VCU模塊由硬件電路、底層驅動程序、應用層軟件和外殼組成，其中硬件電路、底層驅動程序和應用層軟件是核心關鍵技術。

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

底層軟件基于AUTOSAR系統架構進行開發，這是一種開放式的汽車控制系統開發軟件，這樣實現了不同控制系統的同平臺開發；在模塊化軟件開發模式中，軟件復用思想的引入，極大地縮短了開發周期，提高了軟件質量。

應用層軟件開發中，引入V形模式，該模式易于拓展的特點提升了團隊間的配合效率；軟件模型驗證采用應用模型在環(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行管理，以提高查找效率；應用層關鍵策略在于模式切換、轉矩分配、換擋規律、駕駛員轉矩解析以及故障識別診斷，直接影響著整車的動力性和穩定性。

2.2 電機控制器(MCU)技術

MCU是新能源電動汽車特有的核心控制模塊，它通過接收整車控制模塊(VCU)下發的控制指令，完成電動機的扭矩和轉速控制。將儲能電池的直流電轉化成電動機所需的正弦交流電，完成電能到機械能的轉化。MCU模塊的典型構成包括：底層驅動程序、應用層控制算法軟件、控制電路、功率電子電路、外殼冷卻系統，具備電動機故障診斷、保護與數據存儲能力。

基于平臺化、模塊化設計思路，MCU、VCU模塊共用核心模塊，功率回路采用車用級IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)并聯模塊、定制母線電容、集成母排；集成一體化設計的液冷結構，達到高防護等級標準。

與VCU一樣，MCU底層驅動程序同樣基于軟件復用原則進行軟件模塊化開發，MCU底層驅動程序同樣采用開放式的AUTOSAR系統架構，與ECU共用開發平臺。應用層軟件劃分成矢量算法(弱磁控制和MTPA(Maximum Torque Per Ampere)控制)、狀態控制、需求轉矩計算和故障診斷4個模塊。

2.3 電池管理系統(BMS)

儲能電池提供整車所需的驅動電能，是新能源電動汽車的能量源。對電池包結構進行模塊化設計，熱管理性能通過設計階段的熱管理和仿真實現；通過線束將電池與保護電器、組部件進行連接；電池管理系統(BMS)與整車進行數據通信，實現電芯的能量管理。

一個標準的電池包應包括電芯、電氣系統、模塊、熱管理系統、BMS、箱體結構。BMS是電池包的控制核心，監控電池的運行狀態，提升其能量效率，實現電池過壓、欠壓保護，延長電池的使用壽命。

類似于VCU，BMS同樣包括硬件電路、底層驅動程序和應用層軟件。不同的是，BMS硬件電路包括主板和從板兩部分，從板用以監測單體電流、電壓，完成均衡控制；繼電器與電氣的控制保護、荷電狀態值(State of Charge，SOC)評估由主板完成。從板與主板間的數據、指令采用雙向傳輸，實時監測電池的單體電壓和溫度。BCU主芯片選用32 b微處理器，實現電池包的總電壓采集、繼電器的驅動和狀態監測、絕緣強度檢查等功能。

3 結論與展望

新能源汽車的大發展已是不爭的事實，無論從政策層面、技術層面，還是消費升級層面來看，都推動著新能源汽車尤其是電動汽車的發展。受傳統能源制約和環境壓力，政府積極推動混動、電動汽車發展，制定了明確的積分政策時間表，積極推進充電樁建設。VCU、MCU、BMS三大核心技術已趨于成熟，儲能電池壽命和續航里程不斷取得階段性進展。但要清醒地看到，傳統燃油汽車短時間內不會被取代，混合動力電動汽車將會是未來一二十年內的主力車型。同時隨著汽車電子技術的逐步完善、車聯網產業不斷探索，集成化、智能化、網絡互聯化將成為未來汽車的發展方向。

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