新能源汽车三大关键技术及其难点分析

崔小发, 王凯

(1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定 071000)

0 引言

汽车保有量的增加，使我国面临日益严峻的能源危机和环保压力，尤其近几年北方地区“雾霾”频发，在这种情况下新能源汽车的发展驶入了快车道。另一方面，经过多年的发展，新能源汽车领域的研究成果完成了产业化转化，新能源汽车研发技术步入成熟期，产业化市场推广的条件已经成熟。

1 新能源汽车的分类

在新能源汽车发展过程中，先后出现了多种形式的新型车用燃料以及使用常规燃料的新型车载动力装置。主要有混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)、纯电动汽车(Battery Electrical Vehicle，BEV)、燃料电池汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV)、燃气汽车、醇醚汽车、氢动力汽车等，文中以前3种保有量大的类型为例进行介绍。

1.1 混合动力电动汽车(HEV)

混合动力汽车装备两种动力源：传统燃油发动机和电动机。电机驱动用于汽车的启动和停止，发挥其起步快、低噪声、低排放的优势。在高速巡航和额定工况行驶时，由燃油发动机提供动力，实现燃油经济性和动力性的均衡配比，发动机处于最佳工作状态，同时实现蓄电池的充电操作。当加速和重载行驶时，由发动机和电动机同时提供动力，以满足动力需求和加速性能。混合动力电动汽车是商用新能源汽车在售的主力车型，占据新能源汽车市场份额的90%以上。它是一种过渡性产品，蓄电池的使用寿命和续航里程以及动力控制技术成为制约混合动力汽车进一步发展的瓶颈。

1.2 纯电动汽车(BEV)

纯电动汽车以电动机作为唯一动力源，由蓄电池供应电能，它是混合动力汽车发展的最终形式。纯电动汽车具备低噪声、不耗油、零排放的优势，成为各大汽车主机厂未来的研发重点。但目前，车用储能蓄电池行驶里程短、充电时间长、寿命短、单位里程成本高，制约着电动汽车的发展。目前，国内部分车企已有新能源车型推向市场，但受高昂研发成本影响，在售纯电动车型单车价格较高，超出工薪阶层的消费能力。因此，目前纯电动汽车的主要采购商为城市公交、旅游接待、体育场馆、机场和城市社区，真正成为普通大众消费品，还有很长的一段路要走。

1.3 燃料电池电动汽车(FCEV)

在催化剂作用下，氢气和空气中的氧气可以发生电化学反应产生电能，以此作为动力源的汽车称为燃料电池电动汽车。燃料电池以其高效率、零污染、低噪声和能量的快速补充性被业界认为是内燃机汽车的最理想替代方案。与混合动力电动汽车一样，燃料电池的发展也受到价格和技术因素的制约：制造成本高、启动/反应性能不佳、碳氢不能直接获取、氢储能技术不成熟。而氢储能的安全性成为最大的难点，如果氢气储存的安全指标达不到要求，氢燃料电池电动汽车便成为了一个行走的不定时炸弹。受到上述因素的制约，燃料电池电动汽车发展缓慢。

2 新能源汽车三大核心技术及其难点研究

总体来看，新能源汽车被分成三级模块架构：

(1)第一级模块功能定义为执行系统，涉及的主要部件有电动机、发动机、离合器、齿轮箱、储能设备和充放电设备。

(2)第二级模块功能定义为控制和二级执行系统，涉及的主要组部件有集电器，车载充电器，地面充电桩，发动机的柴油机、汽油机和气体机，永磁同步和交流异步电动机，干式和湿式离合器，行星齿轮和减速齿轮等；二级控制系统包括电池管理系统(Battery Management System，BMS)、发动机电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)、发电机控制器(Generator Control Unit，GCU)、离合器控制单元(Clutch Control Unit，CCU)、电机控制器(Moter Control Unit，MCU)、变速器控制系统(Transmission Control Unit，TCU)和整车控制器(Vehicle Control Unit，VCU)。

(3)第三级模块体系包括电池的能量型和功率型、电机的冷却形式，三级控制系统包含硬件、底层驱动和应用层软件。

在三级模块体系中，电池管理系统(BMS)、电机控制器(MCU)、整车控制器(VCU)是3个最核心的模块，直接影响着整车的动力、安全、可靠性和经济性。

2.1 整车控制器(VCU)技术

整车控制器(VCU)是新能源汽车的标配模块，是整车控制的核心。VCU模块实时在线监测车辆的运行状态，包括车速、温度等信息，通过不同的传感器收集挡位、刹车踏板、油门踏板信息来判别驾驶员的操作意图。这些不同的信息由VCU汇总进行逻辑处理后，向电池系统、动力系统和车载附件电力控制系统发送控制指令。VCU系统具备整车系统故障识别和诊断能力，同时可以实现故障信息存储。VCU模块由硬件电路、底层驱动程序、应用层软件和外壳组成，其中硬件电路、底层驱动程序和应用层软件是核心关键技术。

VCU硬件电路基于标准化核心模块电路搭建，包括32位处理芯片(MCU/DSP)、电源模块、存储单元和CAN接口，并扩展VCU专用电路(采集传感器)。其中标准化核心模块电路具备非常强的可移植性、扩展性和兼容性，可与MCU、BMS系统公用核心模块电路。随着应用需求的增强，汽车级处理芯片由16位向32位主流芯片过渡。

底层软件基于AUTOSAR系统架构进行开发，这是一种开放式的汽车控制系统开发软件，这样实现了不同控制系统的同平台开发；在模块化软件开发模式中，软件复用思想的引入，极大地缩短了开发周期，提高了软件质量。

应用层软件开发中，引入V形模式，该模式易于拓展的特点提升了团队间的配合效率；软件模型验证采用应用模型在环(Model In the Loop，MIL)和快速原型工具；软件模型和策略文档通过专用版本工具进行管理，以提高查找效率；应用层关键策略在于模式切换、转矩分配、换挡规律、驾驶员转矩解析以及故障识别诊断，直接影响着整车的动力性和稳定性。

2.2 电机控制器(MCU)技术

MCU是新能源电动汽车特有的核心控制模块，它通过接收整车控制模块(VCU)下发的控制指令，完成电动机的扭矩和转速控制。将储能电池的直流电转化成电动机所需的正弦交流电，完成电能到机械能的转化。MCU模块的典型构成包括：底层驱动程序、应用层控制算法软件、控制电路、功率电子电路、外壳冷却系统，具备电动机故障诊断、保护与数据存储能力。

基于平台化、模块化设计思路，MCU、VCU模块共用核心模块，功率回路采用车用级IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)并联模块、定制母线电容、集成母排；集成一体化设计的液冷结构，达到高防护等级标准。

与VCU一样，MCU底层驱动程序同样基于软件复用原则进行软件模块化开发，MCU底层驱动程序同样采用开放式的AUTOSAR系统架构，与ECU共用开发平台。应用层软件划分成矢量算法(弱磁控制和MTPA(Maximum Torque Per Ampere)控制)、状态控制、需求转矩计算和故障诊断4个模块。

2.3 电池管理系统(BMS)

储能电池提供整车所需的驱动电能，是新能源电动汽车的能量源。对电池包结构进行模块化设计，热管理性能通过设计阶段的热管理和仿真实现；通过线束将电池与保护电器、组部件进行连接；电池管理系统(BMS)与整车进行数据通信，实现电芯的能量管理。

一个标准的电池包应包括电芯、电气系统、模块、热管理系统、BMS、箱体结构。BMS是电池包的控制核心，监控电池的运行状态，提升其能量效率，实现电池过压、欠压保护，延长电池的使用寿命。

类似于VCU，BMS同样包括硬件电路、底层驱动程序和应用层软件。不同的是，BMS硬件电路包括主板和从板两部分，从板用以监测单体电流、电压，完成均衡控制；继电器与电气的控制保护、荷电状态值(State of Charge，SOC)评估由主板完成。从板与主板间的数据、指令采用双向传输，实时监测电池的单体电压和温度。BCU主芯片选用32 b微处理器，实现电池包的总电压采集、继电器的驱动和状态监测、绝缘强度检查等功能。

3 结论与展望

新能源汽车的大发展已是不争的事实，无论从政策层面、技术层面，还是消费升级层面来看，都推动着新能源汽车尤其是电动汽车的发展。受传统能源制约和环境压力，政府积极推动混动、电动汽车发展，制定了明确的积分政策时间表，积极推进充电桩建设。VCU、MCU、BMS三大核心技术已趋于成熟，储能电池寿命和续航里程不断取得阶段性进展。但要清醒地看到，传统燃油汽车短时间内不会被取代，混合动力电动汽车将会是未来一二十年内的主力车型。同时随着汽车电子技术的逐步完善、车联网产业不断探索，集成化、智能化、网络互联化将成为未来汽车的发展方向。

参考文献:

[1]杨文兴.纯电动汽车动力系统匹配设计与仿真研究[D].兰州：兰州理工大学，2014．

[2]抄佩佩,高金燕,杨洋,等.新能源汽车国家发展战略研究[J].中国工程科学,2016,18(4):69-75.

CHAO P P,GAO J Y,YANG Y,et al.Research on the New Energy Vehicles Industry’s National Development Strategy[J].Engineering Science,2016,18(4):69-75.

[3]刘恒硕,李军,张胜根.新能源汽车种类及其关键技术分析[J].汽车零部件,2015(4):73-75.

LIU H S,LI J,ZHANG S G.Analysis of New Energy Vehicls Types and Key Technologies[J].Automobile Parts,2015(4):73-75.