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(jī)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(jì)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(shí)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展性。

底層軟件以AUTOSAR汽車軟件開放式系統(tǒng)架構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到電子控制單元（ECU）開發(fā)共平臺的發(fā)展目標(biāo)，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(biāo)，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(tuán)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(jìn)行驗(yàn)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(jìn)行管理，增強(qiáng)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(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)車運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)入整車控制器，整車控制器對采集的駕駛員操作信息進(jìn)行正確的分析處理，計算出驅(qū)動系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和車輛的需求功率來實(shí)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(jìn)行需求功率分配，這是提高燃料電池及電動汽車經(jīng)濟(jì)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(rèn)（例如不允許車輛從前進(jìn)模式直接跳轉(zhuǎn)到后退模式）、通信故障保護(hù)、電池保護(hù)以及熱管理等等都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)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(yàn)證實(shí)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(tuán)都紛紛進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)電控企業(yè)也進(jìn)入該領(lǐng)域，如大洋電機(jī)、方正電機(jī)、匯川技術(shù)等。

世界主流VCU供應(yīng)商

2電機(jī)控制器MCU

1.電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)

電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)（包括驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)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(biāo)。

電機(jī)控制器作為新能源汽車中連接電池與電機(jī)的電能轉(zhuǎn)換單元，是電機(jī)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(jī)控制算法及邏輯保護(hù)等軟件部分。

一般來講，電機(jī)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(jī)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(hù)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?？刂栖浖鶕?jù)不同類型電機(jī)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制算法。

2）驅(qū)動器（Driver）將微控制器對電機(jī)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(shí)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(jī)電流進(jìn)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(jī)控制器的分類

電動汽車常用的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)有4種，電動汽車電機(jī)控制器可依據(jù)所控制的電機(jī)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(jī)控制器的產(chǎn)業(yè)鏈條

電動汽車電機(jī)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(hù)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(jī)控制器行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈圖譜如下：

4.電機(jī)控制器的主流供應(yīng)商

電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(qiáng)的綜合實(shí)力，通常自主研發(fā)生產(chǎn)電動汽車電機(jī)控制器，或者以自主研發(fā)生產(chǎn)為主，適當(dāng)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(jī)控制器研發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，一般選擇外購電動汽車電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)配套的電機(jī)控制企業(yè)

目前比亞迪、豐田和宇通客車等電機(jī)企業(yè)均擁有配套的電機(jī)控制企業(yè)，其電機(jī)產(chǎn)品除了能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)設(shè)備的自產(chǎn)自用外，還可以滿足于其他企業(yè)的電機(jī)設(shè)備需求；上海電驅(qū)動和精進(jìn)電動生產(chǎn)的電機(jī)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(jī)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(hù)、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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確性直接決定了電動汽車電池運(yùn)行的效率，目前業(yè)內(nèi)針對于SOC評估的文獻(xiàn)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(jìn)行評估，目前比較典型的指標(biāo)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(hù)：

電池安全保護(hù)屬于電池管理中最重要的一個功能。電池安全保護(hù)一般包括過流保護(hù)，過充過放保護(hù)，過溫保護(hù)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(yùn)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(jī)控制器進(jìn)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(yán)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(shí)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(qiáng)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(biāo)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(dú)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(dú)立并有一定經(jīng)驗(yàn)資質(zhì)的BMS企業(yè)在市場中專業(yè)性強(qiáng)，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(dāng)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)入，而BMS是這些企業(yè)重點(diǎn)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(rèn)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(jī)。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。