新能源汽车三大控制系统核心技术

“汽车产业最大的变革，是由过去硬件主导，变成了软件主导、软硬有效的融合发展。”在2021年世界新能源汽车大会期间清华大学汽车产业与技术战略研究院院长、世界汽车工程师学会联合会终身名誉主席赵福全认为，只有软硬件有效地融合发展，才能让汽车的功能、性能、尤其个性化的体验做到极致。

新能源汽车的核心技术依旧是“三电”系统，包括电池、电机、电控系统。除此之外，由于智能网联的快速发展，围绕汽车产生的数据进行加工、算法等技术形成的软件技术，也同样是新能源汽车的核心技术。赵福全教授指出：“数据是汽车能够不断进化的DNA。相对于硬件来说，软件使车更具个性特征；没有硬件不行，但只有硬件不够，需要软件来升华硬件，通过数据让汽车进化。

在新能源汽车的整个平台架构中，VCU（Vehicle Control Unit 整车控制器）、MCU (Moter Control Unit 电机控制器）和 BMS （BATTERY MANAGEMENT SYSTEM 电池管理系统）是最重要的核心技术，对整车的动力性、经济性、可靠性和安全性等有着重要影响。

VCU

整车控制器是用在纯电车型中的控制器，其功能类似于燃油车的发动机控制器（EMS），是新能源车辆控制系统中的“大脑级”控制器。在某些插电式混合动力车型中，也会用到整车控制器。整车控制器的主要功能包含：

1.行驶控制

新能源汽车的动力电机必须按照驾驶员意图输出驱动或制动扭矩。当驾驶员踩下加速踏板或制动踏板，动力电机要输出一定的驱动功率或再生制动功率。踏板开度越大，动力电机的输出功率越大。因此，整车控制器要合理解释驾驶员操作；接收整车各子系统的反馈信息，为驾驶员提供决策反馈；对整车各子系统的发送控制指令，以实现车辆的正常行驶。

2. 附件管理

对DCDC、车载充电机、水泵、空调压缩机等进行控制管理。

3.能量管理

在纯电动汽车中，电池除了给动力电机供电以外，还要给电动附件供电，因此，为了获得最大的续驶里程，整车控制器将负责整车的能量管理，以提高能量的利用率。在电池的SOC值比较低的时候，整车控制器将对某些电动附件发出指令，限制电动附件的输出功率，来增加续驶里程。

新能源汽车以电动机作为驱动转矩的输出机构。电动机具有回馈制动的性能，此时电动机作为发电机，利用电动汽车的制动能量发电，同时将此能量存储在储能装置中，当满足充电条件时，将能量反充给动力电池组。在这一过程中，整车控制器根据加速踏板和制动踏板的开度以及动力电池的SOC值来判断某一时刻能否进行制动能量回馈，如果可以进行，整车控制器向电机控制器发出制动指令，回收能部分能量。

4.故障处理

整车控制器应该对车辆的状态进行实时检测，并且将各个子系统的信息发送给车载信息显示系统，其过程是通过传感器和CAN总线，检测车辆状态及其各子系统状态信息，驱动显示仪表，将状态信息和故障诊断信息经过显示仪表显示出来。显示内容包括：电机的转速、车速，电池的电量，故障信息等。

连续监视整车电控系统，进行故障诊断。故障指示灯指示出故障类别和部分故障码。根据故障内容，及时进行相应安全保护处理。对于不太严重的故障，能做到低速行驶到附近维修站进行检修。

5.信息交互

将动力系统，电机、电池、高压系统、空调的主要数据、故障状态等传到仪表，接收驾驶员的控制信息。

此外整车控制器还有充放电管理等功能。有部分车企还会将部分热管理的功能放进HCU中，主要用来控制水泵、风扇、空调控制阀、热交换器等工作。

BMS

电池管理系统（英语：Battery Management System，缩写BMS）是对电池进行管理的系统，通常具有量测电池电压的功能，防止或避免电池过放电、过充电、过温等异常状况出现。随着技术发展，已经逐渐增加许多功能。

电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起，通过传感器对电池的电压、电流、温度进行实时检测，同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒，计算剩余容量（SOC）、放电功率，报告电池劣化程度（SOH）和剩余容量（SOC）状态，还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程，以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通信。BMS三个主要关键技术如下：

1.SOC估计

即准确估计电池剩余电量，保证 SOC 维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。SOC的估算精度高，对于相同量的电池，可以有更高的续航里程。所以，高精度的SOC估算可以有效地降低所需要的电池成本。

SOC是依据监测的外部特性信息计算出来的传输信息。SOC告知车主当前电量的同时，也让汽车了解自身电量，防止过充过放，提高均衡一致性，提高输出功率减少额外冗余。系统底层内部都是经过复杂的算法计算，保证汽车安全持续稳定运行，提高安全性。因此精确估算SOC数值变得非常重要，其算法是相关企业的核心竞争力之一。

2.均衡控制

保证电池单体的参数一致性，即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡控制分为主动均衡与被动均衡。主动均衡是对电池组在充电、放电或者放置过程中，电池单体之间产生的容量或电压差异性进行均衡，来消除电池内部产生的各种不一致性。而在这一过程中，涉及到能量的转移，能量转移一般有两种方法，一种是将能量高的单体电池能量均衡到能量低的电池，另一种是将电压（容量）高的单体电池的能量转移给一个备用电池，再由备用电池转移到其它电压（容量）较低的电池。

在传统能耗型BMS系统中，均衡方式主要以被动均衡为主，采用单体电池并联分流能耗电阻的方式，且只能在充电过程中做均衡工作。其工作原理是通过对电压的采集，发现串联单体电池之间的差异，以设定好的充电电压的“上限阈值电压”为基准，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对电池组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。

3.热管理

使电池工作在适当的温度范围内和降低各个电池模块之间的温度差异。热管理主要包括确定电池最优工作温度范围、电池热场计算及温度预测、传热介质选择、热管理系统散热结构设计和风机预测稳点的选择。

MCU

电机控制器是连接电机与电池的神经中枢，用来调校整车各项性能，足够智能的电控不仅能保障车辆的基本安全及精准操控，还能让电池和电机发挥出充足的实力。

1) 实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能

2) MCU具有电机系统故障诊断保护和存储功能

3) MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组成，具体结构如图所示

4) MCU硬件电路采用模块化、平台化设计理念（核心模块与VCU同平台），功率驱动部分采用多重诊断保护功能电路设计，功率回路部分采用汽车级IGBT模块并联技术、定制母线电容和集成母排设计；结构部分采用高防护等级、集成一体化液冷设计

5) 与VCU类似，MCU底层软件以AUTOSAR开放式系统架构为标准，达到ECU开发共同平台的发展目标，模块化软件组件以软件复用为目标

6) 应用层软件按照功能设计一般可分为四个模块：状态控制、矢量算法、需求转矩计算和诊断模块。其中，矢量算法模块分为MTPA控制和弱磁控制。

7) MCU关键技术方案包括：基于32位高性能双核主处理器；汽车级并联IGBT技术，定制薄膜母线电容及集成化功率回路设计，基于AutoSAR架构平台软件及先进SVPWM PMSM控制算法；高防护等级壳体及集成一体化水冷散热设计。

智能汽车是未来发展的大趋势。智能的车要像伙伴一样了解人，但如果没有安全保障，一切都无从谈起。以前的汽车安全以机械安全为主，但智能网联汽车时代，安全问题应该是最广泛的、无处不在的，包括零部件的安全、整车的安全、系统的安全、硬件的安全、软件的安全、数据的安全、通信的安全和网络的安全。