詳細(xì)解析新能源汽車核心技術(shù)：電池包和BMS、VCU、 MCU

表3 MCU技術(shù)參數(shù)

3.3 電池包和BMS

電池包是新能源汽車核心能量源，為整車提供驅(qū)動(dòng)電能，它主要通過(guò)金屬材質(zhì)的殼體包絡(luò)構(gòu)成電池包主體。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電芯的集成，通過(guò)熱管理設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化電池包熱管理性能，電器部件及線束實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)電池的安全保護(hù)及連接路徑;通過(guò)BMS實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的管理，以及與整車的通訊及信息交換。

電池包組成如圖5所示，包括電芯、模塊、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、箱體和BMS。BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，延長(zhǎng)電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。

圖5 電池包組成

BMS是電池包最關(guān)鍵的零部件，與VCU類似，核心部分由硬件電路、底層軟件和應(yīng)用層軟件組成。但BMS硬件由主板(BCU)和從板(BMU)兩部分組成，從版安裝于模組內(nèi)部，用于檢測(cè)單體電壓、電流和均衡控制;主板安裝位置比較靈活，用于繼電器控制、荷電狀態(tài)值(SOC)估計(jì)和電氣傷害保護(hù)等。

BMU硬件部分完成電池單體電壓和溫度測(cè)量，并通過(guò)高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸通道與BCU 模塊進(jìn)行指令及數(shù)據(jù)的雙向傳輸。BCU 可選用基于汽車功能安全架構(gòu)的32 位微處理器完成總電壓采集、絕緣檢測(cè)、繼電器驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。

底層軟件架構(gòu)符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)，模塊化開(kāi)發(fā)容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和移植，提高開(kāi)發(fā)效率。

應(yīng)用層軟件是BMS的控制核心，包括電池保護(hù)、電氣傷害保護(hù)、故障診斷管理、熱管理、繼電器控制、從板控制、均衡控制、SOC估計(jì)和通訊管理等模塊，應(yīng)用層軟件架構(gòu)如圖6所示。

圖6 應(yīng)用層軟件架構(gòu)

表4為國(guó)內(nèi)外主流 BMS供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)，代表著B(niǎo)MS的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

表4 BMS技術(shù)參數(shù)

4 充電設(shè)施

充電設(shè)施不完善是阻礙新能源汽車市場(chǎng)推廣的重要因素，對(duì)特斯拉成功的解決方案進(jìn)行分析，并提出新能源汽車的充電解決方案、剖析充電系統(tǒng)組成。

4.1 特斯拉充電方案分析

特斯拉超級(jí)充電器代表了當(dāng)今世界最先進(jìn)的充電技術(shù)，它為MODEL S充電的速度遠(yuǎn)高于大多數(shù)充電站，表5為特斯拉電池和充電參數(shù)。

表5電池和充電參數(shù)

特斯拉具有5種充電方式，采用普通110/220V市電插座充電，30小時(shí)充滿;集成的10kW充電器，10小時(shí)充滿;集成的20kW充電器，5小時(shí)充滿;一種快速充電器可以裝在家庭墻壁或者停車場(chǎng)，充電時(shí)間可縮短為5小時(shí); 45分鐘能充80%的電量、且電費(fèi)全免，這種快充裝置僅在北美市場(chǎng)比較普遍。

特斯拉使用太陽(yáng)能電池板遮陽(yáng)棚的充電站，既可以抵消能源消耗又能夠遮陽(yáng)。與在加油站加油需要付費(fèi)不同，經(jīng)過(guò)適當(dāng)配置的 MODEL S 可以在任何開(kāi)放充電站免費(fèi)充電。

特斯拉充電技術(shù)特點(diǎn)可總結(jié)如下兩點(diǎn)：1)特斯拉充電站加入了太陽(yáng)能充電技術(shù)，這一技術(shù)使充電站盡可能使用清潔能源，減少對(duì)電網(wǎng)的依賴，同時(shí)也減少了對(duì)電網(wǎng)的干擾，國(guó)內(nèi)這一技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)。 2)特斯拉充電時(shí)間短也不足為奇，特斯拉的充電機(jī)容量大90~120kWh，充電倍率0.8C，跟普通快充一樣，并沒(méi)有采用更大的充電倍率，所以不會(huì)影響電池壽命;20分鐘充到40%，就能滿足續(xù)航要求，主要原因是電池容量大。

4.2 充電解決方案

圖7充電系統(tǒng)組成

圖7為一種可參考的新能源汽車充電解決方案，充電系統(tǒng)組成：配電系統(tǒng)(高壓配電柜、變壓器、無(wú)功補(bǔ)償裝置和低壓開(kāi)關(guān)柜)、充電系統(tǒng)(充電柜和充電機(jī)終端)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)(儲(chǔ)能電池與逆變器柜)。無(wú)功補(bǔ)償裝置解決充電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)影響，充電柜內(nèi)充電機(jī)一般都具備有源濾波功能、解決諧波電流和功率因數(shù)問(wèn)題。儲(chǔ)能電池和逆變器柜解決老舊配電系統(tǒng)無(wú)法滿足充電站容量要求、并起到削峰填谷作用，在不充電時(shí)候進(jìn)行儲(chǔ)能，大容量充電且配電系統(tǒng)容量不足時(shí)釋放所儲(chǔ)能量進(jìn)行充電。如果新建配電系統(tǒng)容量足夠，儲(chǔ)能電池和逆變器柜可以不選用。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為充電系統(tǒng)提供清潔能源，盡量減少?gòu)碾娋W(wǎng)取電。

5 總結(jié)

從消費(fèi)者和技術(shù)角度分別對(duì)新能源汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸納分類，分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，以及國(guó)內(nèi)外各主機(jī)廠的應(yīng)用情況。分析新能源汽車的模塊組成和平臺(tái)架構(gòu)，詳細(xì)介紹了三級(jí)模塊體系中相關(guān)的執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。分析VCU、MCU和BMS的結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵技術(shù)，以及世界主流供應(yīng)商的技術(shù)參數(shù)和發(fā)展動(dòng)態(tài)。對(duì)特斯拉成功的解決方案進(jìn)行分析，并提出新能源汽車的充電解決方案。