新能源汽車三大控制系統(tǒng)核心技術(shù)

“汽車產(chǎn)業(yè)最大的變革，是由過(guò)去硬件主導(dǎo)，變成了軟件主導(dǎo)、軟硬有效的融合發(fā)展?！痹?021年世界新能源汽車大會(huì)期間清華大學(xué)汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院院長(zhǎng)、世界汽車工程師學(xué)會(huì)聯(lián)合會(huì)終身名譽(yù)主席趙福全認(rèn)為，只有軟硬件有效地融合發(fā)展，才能讓汽車的功能、性能、尤其個(gè)性化的體驗(yàn)做到極致。

新能源汽車的核心技術(shù)依舊是“三電”系統(tǒng)，包括電池、電機(jī)、電控系統(tǒng)。除此之外，由于智能網(wǎng)聯(lián)的快速發(fā)展，圍繞汽車產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、算法等技術(shù)形成的軟件技術(shù)，也同樣是新能源汽車的核心技術(shù)。趙福全教授指出：“數(shù)據(jù)是汽車能夠不斷進(jìn)化的DNA。相對(duì)于硬件來(lái)說(shuō)，軟件使車更具個(gè)性特征；沒(méi)有硬件不行，但只有硬件不夠，需要軟件來(lái)升華硬件，通過(guò)數(shù)據(jù)讓汽車進(jìn)化。

在新能源汽車的整個(gè)平臺(tái)架構(gòu)中，VCU（Vehicle Control Unit 整車控制器）、MCU (Moter Control Unit 電機(jī)控制器）和 BMS （BATTERY MANAGEMENT SYSTEM 電池管理系統(tǒng)）是最重要的核心技術(shù)，對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性等有著重要影響。

VCU

整車控制器是用在純電車型中的控制器，其功能類似于燃油車的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（EMS），是新能源車輛控制系統(tǒng)中的“大腦級(jí)”控制器。在某些插電式混合動(dòng)力車型中，也會(huì)用到整車控制器。整車控制器的主要功能包含：

1.行駛控制

新能源汽車的動(dòng)力電機(jī)必須按照駕駛員意圖輸出驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)扭矩。當(dāng)駕駛員踩下加速踏板或制動(dòng)踏板，動(dòng)力電機(jī)要輸出一定的驅(qū)動(dòng)功率或再生制動(dòng)功率。踏板開度越大，動(dòng)力電機(jī)的輸出功率越大。因此，整車控制器要合理解釋駕駛員操作；接收整車各子系統(tǒng)的反饋信息，為駕駛員提供決策反饋；對(duì)整車各子系統(tǒng)的發(fā)送控制指令，以實(shí)現(xiàn)車輛的正常行駛。

2. 附件管理

對(duì)DCDC、車載充電機(jī)、水泵、空調(diào)壓縮機(jī)等進(jìn)行控制管理。

3.能量管理

在純電動(dòng)汽車中，電池除了給動(dòng)力電機(jī)供電以外，還要給電動(dòng)附件供電，因此，為了獲得最大的續(xù)駛里程，整車控制器將負(fù)責(zé)整車的能量管理，以提高能量的利用率。在電池的SOC值比較低的時(shí)候，整車控制器將對(duì)某些電動(dòng)附件發(fā)出指令，限制電動(dòng)附件的輸出功率，來(lái)增加續(xù)駛里程。

新能源汽車以電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的輸出機(jī)構(gòu)。電動(dòng)機(jī)具有回饋制動(dòng)的性能，此時(shí)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，利用電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量發(fā)電，同時(shí)將此能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，當(dāng)滿足充電條件時(shí)，將能量反充給動(dòng)力電池組。在這一過(guò)程中，整車控制器根據(jù)加速踏板和制動(dòng)踏板的開度以及動(dòng)力電池的SOC值來(lái)判斷某一時(shí)刻能否進(jìn)行制動(dòng)能量回饋，如果可以進(jìn)行，整車控制器向電機(jī)控制器發(fā)出制動(dòng)指令，回收能部分能量。

4.故障處理

整車控制器應(yīng)該對(duì)車輛的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且將各個(gè)子系統(tǒng)的信息發(fā)送給車載信息顯示系統(tǒng)，其過(guò)程是通過(guò)傳感器和CAN總線，檢測(cè)車輛狀態(tài)及其各子系統(tǒng)狀態(tài)信息，驅(qū)動(dòng)顯示儀表，將狀態(tài)信息和故障診斷信息經(jīng)過(guò)顯示儀表顯示出來(lái)。顯示內(nèi)容包括：電機(jī)的轉(zhuǎn)速、車速，電池的電量，故障信息等。

連續(xù)監(jiān)視整車電控系統(tǒng)，進(jìn)行故障診斷。故障指示燈指示出故障類別和部分故障碼。根據(jù)故障內(nèi)容，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)安全保護(hù)處理。對(duì)于不太嚴(yán)重的故障，能做到低速行駛到附近維修站進(jìn)行檢修。

5.信息交互

將動(dòng)力系統(tǒng)，電機(jī)、電池、高壓系統(tǒng)、空調(diào)的主要數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)等傳到儀表，接收駕駛員的控制信息。

此外整車控制器還有充放電管理等功能。有部分車企還會(huì)將部分熱管理的功能放進(jìn)HCU中，主要用來(lái)控制水泵、風(fēng)扇、空調(diào)控制閥、熱交換器等工作。

BMS

電池管理系統(tǒng)（英語(yǔ)：Battery Management System，縮寫B(tài)MS）是對(duì)電池進(jìn)行管理的系統(tǒng)，通常具有量測(cè)電池電壓的功能，防止或避免電池過(guò)放電、過(guò)充電、過(guò)溫等異常狀況出現(xiàn)。隨著技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)逐漸增加許多功能。

電池管理系統(tǒng)與電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池緊密結(jié)合在一起，通過(guò)傳感器對(duì)電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)還進(jìn)行漏電檢測(cè)、熱管理、電池均衡管理、報(bào)警提醒，計(jì)算剩余容量（SOC）、放電功率，報(bào)告電池劣化程度（SOH）和剩余容量（SOC）狀態(tài)，還根據(jù)電池的電壓電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛里程，以及用算法控制充電機(jī)進(jìn)行最佳電流的充電，通過(guò)CAN總線接口與車載總控制器、電機(jī)控制器、能量控制系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。BMS三個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

1.SOC估計(jì)

即準(zhǔn)確估計(jì)電池剩余電量，保證 SOC 維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)電池的損傷，從而隨時(shí)預(yù)報(bào)混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能電池還剩余多少能量或者儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)。SOC的估算精度高，對(duì)于相同量的電池，可以有更高的續(xù)航里程。所以，高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的電池成本。

SOC是依據(jù)監(jiān)測(cè)的外部特性信息計(jì)算出來(lái)的傳輸信息。SOC告知車主當(dāng)前電量的同時(shí)，也讓汽車了解自身電量，防止過(guò)充過(guò)放，提高均衡一致性，提高輸出功率減少額外冗余。系統(tǒng)底層內(nèi)部都是經(jīng)過(guò)復(fù)雜的算法計(jì)算，保證汽車安全持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，提高安全性。因此精確估算SOC數(shù)值變得非常重要，其算法是相關(guān)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。

2.均衡控制

保證電池單體的參數(shù)一致性，即為單體電池均衡充電，使電池組中各個(gè)電池都達(dá)到均衡一致的狀態(tài)。均衡控制分為主動(dòng)均衡與被動(dòng)均衡。主動(dòng)均衡是對(duì)電池組在充電、放電或者放置過(guò)程中，電池單體之間產(chǎn)生的容量或電壓差異性進(jìn)行均衡，來(lái)消除電池內(nèi)部產(chǎn)生的各種不一致性。而在這一過(guò)程中，涉及到能量的轉(zhuǎn)移，能量轉(zhuǎn)移一般有兩種方法，一種是將能量高的單體電池能量均衡到能量低的電池，另一種是將電壓（容量）高的單體電池的能量轉(zhuǎn)移給一個(gè)備用電池，再由備用電池轉(zhuǎn)移到其它電壓（容量）較低的電池。

在傳統(tǒng)能耗型BMS系統(tǒng)中，均衡方式主要以被動(dòng)均衡為主，采用單體電池并聯(lián)分流能耗電阻的方式，且只能在充電過(guò)程中做均衡工作。其工作原理是通過(guò)對(duì)電壓的采集，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)單體電池之間的差異，以設(shè)定好的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準(zhǔn)，任何一只單體電池只要在充電時(shí)最先達(dá)到“上限閾值電壓”并檢測(cè)出與相鄰組內(nèi)電池差異時(shí)，即對(duì)電池組內(nèi)單體電壓最高的那只電池，通過(guò)并聯(lián)在單體電池的能耗電阻進(jìn)行放電電流，以此類推，一直到電壓最低的那只單體電池到達(dá)“上限閾值電壓”為一個(gè)平衡周期。

3.熱管理

使電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)和降低各個(gè)電池模塊之間的溫度差異。熱管理主要包括確定電池最優(yōu)工作溫度范圍、電池?zé)釄?chǎng)計(jì)算及溫度預(yù)測(cè)、傳熱介質(zhì)選擇、熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)預(yù)測(cè)穩(wěn)點(diǎn)的選擇。

MCU

電機(jī)控制器是連接電機(jī)與電池的神經(jīng)中樞，用來(lái)調(diào)校整車各項(xiàng)性能，足夠智能的電控不僅能保障車輛的基本安全及精準(zhǔn)操控，還能讓電池和電機(jī)發(fā)揮出充足的實(shí)力。

1) 實(shí)現(xiàn)把動(dòng)力電池的直流電能轉(zhuǎn)換為所需的高壓交流電、并驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體輸出機(jī)械能

2) MCU具有電機(jī)系統(tǒng)故障診斷保護(hù)和存儲(chǔ)功能

3) MCU由外殼及冷卻系統(tǒng)、功率電子單元、控制電路、底層軟件和控制算法軟件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖所示

4) MCU硬件電路采用模塊化、平臺(tái)化設(shè)計(jì)理念（核心模塊與VCU同平臺(tái)），功率驅(qū)動(dòng)部分采用多重診斷保護(hù)功能電路設(shè)計(jì)，功率回路部分采用汽車級(jí)IGBT模塊并聯(lián)技術(shù)、定制母線電容和集成母排設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)部分采用高防護(hù)等級(jí)、集成一體化液冷設(shè)計(jì)

5) 與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到ECU開發(fā)共同平臺(tái)的發(fā)展目標(biāo)，模塊化軟件組件以軟件復(fù)用為目標(biāo)

6) 應(yīng)用層軟件按照功能設(shè)計(jì)一般可分為四個(gè)模塊：狀態(tài)控制、矢量算法、需求轉(zhuǎn)矩計(jì)算和診斷模塊。其中，矢量算法模塊分為MTPA控制和弱磁控制。

7) MCU關(guān)鍵技術(shù)方案包括：基于32位高性能雙核主處理器；汽車級(jí)并聯(lián)IGBT技術(shù)，定制薄膜母線電容及集成化功率回路設(shè)計(jì)，基于AutoSAR架構(gòu)平臺(tái)軟件及先進(jìn)SVPWM PMSM控制算法；高防護(hù)等級(jí)殼體及集成一體化水冷散熱設(shè)計(jì)。

智能汽車是未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)。智能的車要像伙伴一樣了解人，但如果沒(méi)有安全保障，一切都無(wú)從談起。以前的汽車安全以機(jī)械安全為主，但智能網(wǎng)聯(lián)汽車時(shí)代，安全問(wèn)題應(yīng)該是最廣泛的、無(wú)處不在的，包括零部件的安全、整車的安全、系統(tǒng)的安全、硬件的安全、軟件的安全、數(shù)據(jù)的安全、通信的安全和網(wǎng)絡(luò)的安全。