解析新能源汽車的三級模塊體系和平臺架構(gòu)

在新能源汽車的三級模塊體系和平臺架構(gòu)中，整車控制器（VCU）、電機控制器（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）是最重要的核心技術(shù)，對整車的動力性、經(jīng)濟性、可靠性和安全性等有著重要影響。

1整車控制器VCU

1.整車控制器的結(jié)構(gòu)

VCU是實現(xiàn)整車控制決策的核心電子控制單元，一般僅新能源汽車配備、傳統(tǒng)燃油車無需該裝置。VCU采集電機控制系統(tǒng)信號、加速踏板信號、制動踏板信號及其他部件信號，根據(jù)駕駛員的駕駛意圖綜合分析并作出響應(yīng)判斷后，監(jiān)控下層的各部件控制器的動作，對汽車的正常行駛、電池能量的制動回饋、網(wǎng)絡(luò)管理、故障診斷與處理、車輛狀態(tài)監(jiān)控等功能起著關(guān)鍵作用。

VCU的結(jié)構(gòu)組成共包括外殼、硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件，硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件是VCU的關(guān)鍵核心技術(shù)。

VCU組成

VCU硬件采用標準化核心模塊電路和VCU專用電路（傳感器采集等）設(shè)計；其中標準化核心模塊電路可移植應(yīng)用在MCU和BMS，平臺化硬件將具有非常好的可移植性和擴展性。

底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標準，達到電子控制單元（ECU）開發(fā)共平臺的發(fā)展目標，支持新能源汽車不同的控制系統(tǒng)；模塊化軟件組件以軟件復(fù)用為目標，以有效提高軟件質(zhì)量、縮短軟件開發(fā)周期。

應(yīng)用層軟件按照V型開發(fā)流程、基于模型開發(fā)完成，有利于團隊協(xié)作和平臺拓展；采用快速原型工具和模型在環(huán)（MIL）工具對軟件模型進行驗證，加快開發(fā)速度；策略文檔和軟件模型均采用專用版本工具進行管理，增強可追溯性；駕駛員轉(zhuǎn)矩解析、換擋規(guī)律、模式切換、轉(zhuǎn)矩分配和故障診斷策略等是應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)，對車輛動力性、經(jīng)濟性和可靠性有著重要影響。

2.整車控制器的功能

整車控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對汽車動力、舒適度、安全性以及能耗等多方面進行調(diào)整優(yōu)化，配合大數(shù)據(jù)讓汽車擁有更好的操作性和可靠性，具體來講整車控制器對電動汽車主要有以下功能：

1）數(shù)據(jù)交互管理：整車控制器要實時采集駕駛員的操作信息和其他各個部件的工作狀態(tài)信息，這是實現(xiàn)整車控制器其他功能的基礎(chǔ)和前提。該層接受CAN總線的信息，對直接饋入整車控制器的物理層進行采樣處理，并且通過CAB發(fā)送控制命令，通過I/O、D／A和PWM提供對顯示單元、繼電器等的驅(qū)動信號。

整車控制CAN通信網(wǎng)絡(luò)

2）安全故障管理層：實車運行中，任何部件都可能產(chǎn)生差錯，從而可能導(dǎo)致器件損壞甚至危及車輛安全。電動汽車控制器要能對汽車各種可能的故障進行分析處理，這是保證汽車行駛安全的必備條件。

對車輛而言，故障可能出現(xiàn)在任何地方，但對整車控制器而言，故障只體現(xiàn)在第一層中繼承的數(shù)據(jù)中。對繼承的數(shù)據(jù)進行分析判斷將是該層的主要工作之一。

在檢測出錯誤后，該層會做出相應(yīng)的處理，在保證車輛足夠安全的條件下，給各部件提供可使用的工作范圍，以便盡可能地滿足駕駛員的駕駛意圖。

3）駕駛員意圖層：駕駛員的所有與驅(qū)動駕駛相關(guān)的操作信號都直接進入整車控制器，整車控制器對采集的駕駛員操作信息進行正確的分析處理，計算出驅(qū)動系統(tǒng)的目標轉(zhuǎn)矩和車輛的需求功率來實現(xiàn)駕駛員的意圖。

4）能量流管理層：該層的主要工作是電動汽車控制器在多個能量源之間進行需求功率分配，這是提高燃料電池及電動汽車經(jīng)濟性的必要途徑。

除了上述舉例的之外，VCU在駕駛狀態(tài)安全確認（例如不允許車輛從前進模式直接跳轉(zhuǎn)到后退模式）、通信故障保護、電池保護以及熱管理等等都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行保護的預(yù)測。

3.整車控制器的主流供應(yīng)商

在整車控制技術(shù)方面，日本及歐美企業(yè)走在全球前列，國外大部分汽車企業(yè)在電動汽車領(lǐng)域積累充足，控制策略成熟度高，整車節(jié)油效果良好，控制器產(chǎn)品通過市場檢驗證實了其可靠性。

從全球格局來看，各汽車電子零部件巨頭，如德爾福、大陸、博世集團都紛紛進行整車控制器研發(fā)和生產(chǎn)。部分汽車設(shè)計公司也為整車廠提供整車控制器技術(shù)方案，如AVL、FEV、RICARDO等，在電動汽車整車控制器領(lǐng)域也有不少成功的案例。

在國內(nèi)，電動汽車發(fā)展迅速，涌現(xiàn)了很多電動汽車研究機構(gòu)和企業(yè)，高校以北京理工大學(xué)、吉林大學(xué)、湖南大學(xué)等，企業(yè)以一汽、東風(fēng)、奇瑞、北京理工華創(chuàng)電動車、杭州杰能等為代表對整車控制系統(tǒng)進行了研發(fā)。

國內(nèi)主流的整車控制器生產(chǎn)企業(yè)，企業(yè)類型主要分為以下幾類：整車廠、電機電控企業(yè)、汽車電子企業(yè)。

作為電動汽車核心零部件，車企大多自己研發(fā)生產(chǎn)整車控制器及系統(tǒng)設(shè)計，國內(nèi)諸如比亞迪、長安、上汽、宇通、金龍等企業(yè)均為自己配套，只有部分產(chǎn)品及零部件通過外購。

電機電控企業(yè)也進入該領(lǐng)域，如大洋電機、方正電機、匯川技術(shù)等。

世界主流VCU供應(yīng)商

2電機控制器MCU

1.電機控制器的結(jié)構(gòu)

電機驅(qū)動控制系統(tǒng)（包括驅(qū)動電機和電機控制器）是新能源汽車車輛行使中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，控制和驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標。

電機控制器作為新能源汽車中連接電池與電機的電能轉(zhuǎn)換單元，是電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)的核心，主要包含IGBT功率半導(dǎo)體模塊及其關(guān)聯(lián)電路等硬件部分以及電機控制算法及邏輯保護等軟件部分。

一般來講，電機控制器的主要由如下幾部分組成：

1）電子控制模塊（ElectronicController）包括硬件電路和相應(yīng)的控制軟件。硬件電路主要包括微處理器及其最小系統(tǒng)、對電機電流，電壓，轉(zhuǎn)速，溫度等狀態(tài)的監(jiān)測電路、各種硬件保護電路，以及與整車控制器、電池管理系統(tǒng)等外部控制單元數(shù)據(jù)交互的通信電路。控制軟件根據(jù)不同類型電機的特點實現(xiàn)相應(yīng)的控制算法。

2）驅(qū)動器（Driver）將微控制器對電機的控制信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動功率變換器的驅(qū)動信號，并實現(xiàn)功率信號和控制信號的隔離。

3）功率變換模塊（PowerConverter ）對電機電流進行控制。電動汽車經(jīng)常使用的功率器件有大功率晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、功率場效應(yīng)管、絕緣柵雙極晶體管以及智能功率模塊等。

2.電機控制器的分類

電動汽車常用的電機驅(qū)動系統(tǒng)有4種，電動汽車電機控制器可依據(jù)所控制的電機驅(qū)動系統(tǒng)不同而分為不同的種類，具體如下表所示：

3.電機控制器的產(chǎn)業(yè)鏈條

電動汽車電機控制器的產(chǎn)業(yè)鏈上游企業(yè)主要是逆變器(主要是 IGBT 功率模塊)、逆變驅(qū)動器、電源模塊、中央控制模塊、軟啟動模塊、保護模塊、散熱系統(tǒng)信號檢測模塊等電子元器件生產(chǎn)企業(yè)；下游主要是新能源汽車廠家。

電機控制器行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈圖譜如下：

4.電機控制器的主流供應(yīng)商

電機控制器的開發(fā)包括軟、硬件設(shè)計。核心軟件一般由整車廠研發(fā)，硬件和底層驅(qū)動軟件可選擇由汽車零部件廠商提供。

企業(yè)類型方面，目前主流電機控制企業(yè)主要分為兩類：一類是電動汽車整車企業(yè)，其生產(chǎn)的電動汽車電機控制器一般供給其整車產(chǎn)品；另一類是電動汽車零部件企業(yè)，其生產(chǎn)的電動汽車電機控制器一般供給特定或非特定的整車企業(yè)。

在乘用車領(lǐng)域，整車企業(yè)通常具備較強的綜合實力，通常自主研發(fā)生產(chǎn)電動汽車電機控制器，或者以自主研發(fā)生產(chǎn)為主，適當采購零部件企業(yè)的產(chǎn)品為輔；在客車領(lǐng)域，整車企業(yè)通常電機控制器研發(fā)經(jīng)驗不足，一般選擇外購電動汽車電機控制器，少數(shù)規(guī)模較大的整車企業(yè)會選擇自主研發(fā)生產(chǎn)或者自主研發(fā)生產(chǎn)與外購相結(jié)合的方式。

1）整車配套電機控制企業(yè)

目前比亞迪、北汽新能源、江鈴新能源及宇通等企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)電機控制設(shè)備的自產(chǎn)自用，其他電控企業(yè)生產(chǎn)的電控設(shè)備多滿足于其他企業(yè)的電控需求；上海電驅(qū)動生產(chǎn)的電控設(shè)備面向華晨、青島中集、一汽、中聯(lián)重科等多家汽車、環(huán)衛(wèi)裝備、客車等生產(chǎn)企業(yè)。

2）電機配套的電機控制企業(yè)

目前比亞迪、豐田和宇通客車等電機企業(yè)均擁有配套的電機控制企業(yè)，其電機產(chǎn)品除了能夠?qū)崿F(xiàn)電機設(shè)備的自產(chǎn)自用外，還可以滿足于其他企業(yè)的電機設(shè)備需求；上海電驅(qū)動和精進電動生產(chǎn)的電機設(shè)備面向一汽、中通、東風(fēng)、長城、吉利等多家汽車、客車生產(chǎn)企業(yè)。

3電池管理系統(tǒng)BMS

BMS電池管理系統(tǒng)作為動力電池組的核心技術(shù)，是整車企業(yè)最為關(guān)注的環(huán)節(jié)，也是銜接電池組、整車系統(tǒng)和電機的紐帶。

1.電池管理系統(tǒng)的功能

作為電池“保姆”的BMS其作用毋庸置疑，目前BMS對動力電池的作用主要包括電池狀態(tài)監(jiān)測、電池狀態(tài)分析、電池安全保護、能量控制管理、電池信息管理等。

1）電池狀態(tài)監(jiān)測：

指的是對電池系統(tǒng)的電壓，電流，溫度等數(shù)據(jù)進行采集并監(jiān)測，這是電池管理的最基本一個功能，其他功能都是以此為基礎(chǔ)進行交互。

2）電池狀態(tài)分析：

荷電狀態(tài)(State of Charge)評估，即電池還剩多少電量，這是一項最基礎(chǔ)也是最有技術(shù)含量的功能，其評估的精度和準確性直接決定了電動汽車電池運行的效率，目前業(yè)內(nèi)針對于SOC評估的文獻和研究都很多。

健康狀態(tài)(State of Health)評估，即隨著電池性能的下降，對電池的健康狀態(tài)進行評估，目前比較典型的指標是監(jiān)測一定時間后電池容量衰減狀態(tài)等。

3）電池安全保護：

電池安全保護屬于電池管理中最重要的一個功能。電池安全保護一般包括過流保護，過充過放保護，過溫保護等。如果系統(tǒng)監(jiān)測到電池出現(xiàn)過流，過充過放以及過溫的異常，會及時采取措施，如切斷回路，發(fā)出警告等。

4）能量控制管理：

主要包含充電控制管理，放電控制管理，電池均衡管理等，目的使電池在最高效最節(jié)能的情況下運行。舉個簡單的例子，充同樣的電，搭載好的能量管理系統(tǒng)的電動汽車能夠多跑很多公里。

5）電池信息管理：

包括電池信息顯示，即通過儀表將電池狀態(tài)信息顯示出來，告知駕駛員;系統(tǒng)內(nèi)外信息交互，分為兩個部分，一個部分是電池系統(tǒng)內(nèi)部信息數(shù)據(jù)交互(內(nèi)網(wǎng))，一個部分是與整車控制器/電機控制器進行交互(外網(wǎng));電池歷史信息儲存，用于數(shù)據(jù)緩沖，電池狀態(tài)分析以及故障分析與排除。

2.電池管理系統(tǒng)的主要供應(yīng)商

目前我國涉及BMS企業(yè)有上百家，國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的BMS企業(yè)寥寥無幾，所以行業(yè)集中度相對較高，但是也導(dǎo)致了技術(shù)參差不齊，兩極分化嚴重。不僅如此，目前大多數(shù)BMS企業(yè)出現(xiàn)了同質(zhì)化競爭現(xiàn)象。

從目前情況來看，產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的主體均有參與布局BMS，總體由四類主體實施：

1)動力電池企業(yè)：

目前國內(nèi)第一梯隊動力電池企業(yè)，寧德時代、中信國安盟固利、國軒高科、微宏動力等均有涉足，掌握整套核心技術(shù)優(yōu)勢，具有很強的市場競爭力。

電池廠自營BMS類占車型量排行前10家企業(yè)

電池廠自營BMS業(yè)務(wù)，首先，能及時檢測出電池的性能和存在的問題，從而迅速地調(diào)整電池生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，提高電池性能；再次，電池廠可以更好地了解自身電池各項指標與性能，有利于建立更高效的BMS系統(tǒng)；第三，電池廠自營BMS可以更好地控制BMS成本，極大地增加電池產(chǎn)品的競爭力。

2）專業(yè)第三方BMS：

這類BMS企業(yè)單獨經(jīng)營BMS業(yè)務(wù)。代表企業(yè)有東莞鉅威動力、惠州市億能電子、深圳科列技術(shù)等企業(yè)。

第三方BMS類占車型量排行前10家企業(yè)

“術(shù)業(yè)有專攻”，BMS技術(shù)壁壘較高，獨立并有一定經(jīng)驗資質(zhì)的BMS企業(yè)在市場中專業(yè)性強，值得信賴，和車廠維持著非常穩(wěn)定的合作關(guān)系，市場份額也比較穩(wěn)定。

3）“BMS＋PACK”模式：

這類BMS企業(yè)既經(jīng)營BMS業(yè)務(wù)又經(jīng)營PACK業(yè)務(wù)。南京創(chuàng)源天地、北京普萊德均有涉足。

“BMS＋PACK”模式類占車型量排行前10家企業(yè)

對PACK企業(yè)而言，根據(jù)整車廠提出的要求，通過BMS把控動力電池性能，得到更及時的反饋信息后優(yōu)化PACK是其拓展BMS業(yè)務(wù)的初衷。當PACK的定制屬性經(jīng)過BMS的高技術(shù)壁壘加成，會使其能更好地滿足整車廠對BMS的需求。

4）整車廠自營BMS：

這類屬于車廠自己經(jīng)營的BMS業(yè)務(wù)，裝配給車廠自身。以比亞迪、北京新能源、中通客車為代表的企業(yè)，均對BMS進行研發(fā)，除了掌握核心技術(shù)外，在成本方面較其他企業(yè)也有較強的市場競爭力。

整車廠自營BMS類占車型量排行前8家企業(yè)

值得注意的是，整車企業(yè)一般對電芯的參與較少，主要都是通過兼購、并購、戰(zhàn)略合作等方面進入，而BMS是這些企業(yè)重點考慮的因素。想把整車BMS延伸到電池BMS，是整車企業(yè)掌握BMS主動權(quán)主要原因。

從全球范圍來看，新能源汽車被公認為是未來汽車行業(yè)的主流， 很多國家都在積極發(fā)展和引導(dǎo)新能源汽車。隨著新能源汽車的發(fā)展，這也為電控的發(fā)展帶來了契機。國內(nèi)市場，隨著國家的政策的幫扶，電控方面，將呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢。