純電車型三電控制系統(tǒng)核心技術(shù)解析

“汽車產(chǎn)業(yè)最大的變革，是由過去硬件主導，變成了軟件主導、軟硬有效的融合發(fā)展。”在2021年世界新能源汽車大會期間清華大學汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院院長、世界汽車工程師學會聯(lián)合會終身名譽主席趙福全認為，只有軟硬件有效地融合發(fā)展，才能讓汽車的功能、性能、尤其個性化的體驗做到極致。

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、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)是汽車能夠不斷進化的DNA。相對于硬件來說，軟件使車更具個性特征；沒有硬件不行，但只有硬件不夠，需要軟件來升華硬件，通過數(shù)據(jù)讓汽車進化。

在新能源汽車的整個平臺架構(gòu)中，VCU（Vehicle Control Unit 整車控制器）、MCU (Moter Control Unit 電機控制器）和 BMS （BATTERY MANAGEMENT SYSTEM 電池管理系統(tǒng)）是最重要的核心技術(shù)，對整車的動力性、經(jīng)濟性、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)動機控制器（EMS），是新能源車輛控制系統(tǒng)中的“大腦級”控制器。在某些插電式混合動力車型中，也會用到整車控制器。整車控制器的主要功能包含：

1.行駛控制

新能源汽車的動力電機必須按照駕駛員意圖輸出驅(qū)動或制動扭矩。當駕駛員踩下加速踏板或制動踏板，動力電機要輸出一定的驅(qū)動功率或再生制動功率。踏板開度越大，動力電機的輸出功率越大。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；對整車各子系統(tǒng)的發(fā)送控制指令，以實現(xiàn)車輛的正常行駛。

2. 附件管理

對DCDC、車載充電機、水泵、空調(diào)壓縮機等進行控制管理。

3.能量管理

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

新能源汽車以電動機作為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的輸出機構(gòu)。電動機具有回饋制動的性能，此時電動機作為發(fā)電機，利用電動汽車的制動能量發(fā)電，同時將此能量存儲在儲能裝置中，當滿足充電條件時，將能量反充給動力電池組。在這一過程中，整車控制器根據(jù)加速踏板和制動踏板的開度以及動力電池的SOC值來判斷某一時刻能否進行制動能量回饋，如果可以進行，整車控制器向電機控制器發(fā)出制動指令，回收能部分能量。

4.故障處理

整車控制器應該對車輛的狀態(tài)進行實時檢測，并且將各個子系統(tǒng)的信息發(fā)送給車載信息顯示系統(tǒng)，其過程是通過傳感器和CAN總線，檢測車輛狀態(tài)及其各子系統(tǒng)狀態(tài)信息，驅(qū)動顯示儀表，將狀態(tài)信息和故障診斷信息經(jīng)過顯示儀表顯示出來。顯示內(nèi)容包括：電機的轉(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，及時進行相應安全保護處理。對于不太嚴重的故障，能做到低速行駛到附近維修站進行檢修。

5.信息交互

將動力系統(tǒng)，電機、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。有部分車企還會將部分熱管理的功能放進HCU中，主要用來控制水泵、風扇、空調(diào)控制閥、熱交換器等工作。

BMS

電池管理系統(tǒng)（英語：Battery Management System，縮寫B(tài)MS）是對電池進行管理的系統(tǒng)，通常具有量測電池電壓的功能，防止或避免電池過放電、過充電、過溫等異常狀況出現(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)與電動汽車的動力電池緊密結(jié)合在一起，通過傳感器對電池的電壓、電流、溫度進行實時檢測，同時還進行漏電檢測、熱管理、電池均衡管理、報警提醒，計算剩余容量（SOC）、放電功率，報告電池劣化程度（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進行最佳電流的充電，通過CAN總線接口與車載總控制器、電機控制器、能量控制系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進行實時通信。BMS三個主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

1.SOC估計

即準確估計電池剩余電量，保證 SOC 維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對電池的損傷，從而隨時預報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態(tài)。SOC的估算精度高，對于相同量的電池，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)測的外部特性信息計算出來的傳輸信息。SOC告知車主當前電量的同時，也讓汽車了解自身電量，防止過充過放，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)過復雜的算法計算，保證汽車安全持續(xù)穩(wěn)定運行，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)的核心競爭力之一。

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，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態(tài)。均衡控制分為主動均衡與被動均衡。主動均衡是對電池組在充電、放電或者放置過程中，電池單體之間產(chǎn)生的容量或電壓差異性進行均衡，來消除電池內(nèi)部產(chǎn)生的各種不一致性。而在這一過程中，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，且只能在充電過程中做均衡工作。其工作原理是通過對電壓的采集，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)單體電池之間的差異，以設定好的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準，任何一只單體電池只要在充電時最先達到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內(nèi)電池差異時，即對電池組內(nèi)單體電壓最高的那只電池，通過并聯(lián)在單體電池的能耗電阻進行放電電流，以此類推，一直到電壓最低的那只單體電池到達“上限閾值電壓”為一個平衡周期。

3.熱管理

使電池工作在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)和降低各個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、電池熱場計算及溫度預測、傳熱介質(zhì)選擇、熱管理系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設計和風機預測穩(wěn)點的選擇。

MCU

電機控制器是連接電機與電池的神經(jīng)中樞，用來調(diào)校整車各項性能，足夠智能的電控不僅能保障車輛的基本安全及精準操控，還能讓電池和電機發(fā)揮出充足的實力。

1) 實現(xiàn)把動力電池的直流電能轉(zhuǎn)換為所需的高壓交流電、并驅(qū)動電機本體輸出機械能

2) MCU具有電機系統(tǒng)故障診斷保護和存儲功能

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、平臺化設計理念（核心模塊與VCU同平臺），功率驅(qū)動部分采用多重診斷保護功能電路設計，功率回路部分采用汽車級IGBT模塊并聯(lián)技術(shù)、定制母線電容和集成母排設計；結(jié)構(gòu)部分采用高防護等級、集成一體化液冷設計

5) 與VCU類似，MCU底層軟件以AUTOSAR開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標準，達到ECU開發(fā)共同平臺的發(fā)展目標，模塊化軟件組件以軟件復用為目標

6) 應用層軟件按照功能設計一般可分為四個模塊：狀態(tài)控制、矢量算法、需求轉(zhuǎn)矩計算和診斷模塊。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；汽車級并聯(lián)IGBT技術(shù)，定制薄膜母線電容及集成化功率回路設計，基于AutoSAR架構(gòu)平臺軟件及先進SVPWM PMSM控制算法；高防護等級殼體及集成一體化水冷散熱設計。

智能汽車是未來發(fā)展的大趨勢。智能的車要像伙伴一樣了解人，但如果沒有安全保障，一切都無從談起。以前的汽車安全以機械安全為主，但智能網(wǎng)聯(lián)汽車時代，安全問題應該是最廣泛的、無處不在的，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)絡的安全。

審核編輯 ：李倩