产业分析

新能源汽车技术分析

标签:新能源汽车          2017/07/31

导语:我国新能源汽车产品已基本能够满足消费者的多样化需求,产品分布正逐步

我国新能源汽车产品已基本能够满足消费者的多样化需求,产品分布正逐步填补各个细分市场。新能源乘用车由低端向中高端方向发展,新能源商用车的技术水平和产品质量不断提高。电池材料技术和系统集成能力不断进步,动力电池的能量密度和安全性能大幅度提升。驱动电机技术不断突破,电控系统技术越来越成熟。这些都表明,我国新能源汽车技术具备了较强的国际竞争优势。以下对新能源汽车技术分析。

2017-2022年中国新能源汽车产业基地行业发展前景分析及发展策略研究报告表明,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。

1、VCU

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。

新能源汽车技术分析

上图为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。

2、MCU

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,具体结构如图所示。

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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。

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。

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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。

我国纯电动汽车的研究开始于20世纪60年代,到了90年代掀起了一股电动汽车热,部分高校、汽车研究所以及生产企业联合开发充电电池和纯电动汽车,并取得了一些成果。2001年,我国确立“十五”国家高新技术研究发展计划(863计划)电动汽车重大专项项目,明确了我国的电动汽车战略发展基本原则,即燃料电池汽车发展居首位、第二为混合动力电动汽车、纯电动汽车兼顾一下,提出“三横三纵”研发布局,并招标确定纯电动轿车由上汽奇瑞、天津汽车来牵头研制。2006年开始实施的国家中长期科技规划对电动汽车研发战略也大体相同。

       按照项目规定进程,纯动力电动汽车功能样车已经实现,纯电动轿车和纯电动客车在国家质检中心的型式认证试验中各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定,关键零部件高功率镍氢电池、锂离子电池性能有了较大提高。因此,虽然在传统汽车的开发上,我国与世界先进水平相比有30年以上的差距,但在纯电动汽车技术开发上的差距并不大,几乎站在同一起跑线上,而且关键零部件技术平台相同,有专家认为研发水平最大差距不超过5年。甚至在某些领域,如锌-空气电池和锂电池研究方面,已经达到世界领先水平。

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