新能源汽車動力電池與整車先進集成技術(shù)
摘要:新能源汽車行業(yè)由“油改電平臺”向“純電動平臺”的轉(zhuǎn)變后,動力電池作為純電動新能源整車中質(zhì)量最大、成本最高的核心部件,對整車續(xù)航里程、碰撞安全性、行駛性影響更加凸顯。以動力電池為主的全新電動平臺帶來了輕量化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化等諸多方面的改善,集成技術(shù)在其中的重要性愈加凸顯,本文從動力電池與整車在結(jié)構(gòu)、熱管理、高壓電氣系統(tǒng)、低壓控制系統(tǒng)集成方面,論述了新一代動力電池與整車創(chuàng)新集成的主要發(fā)展方向及挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞:純電動汽車 動力電池 結(jié)構(gòu)集成 熱管理 電氣系統(tǒng) 域控制
1 引 言
在新能源行業(yè)蓬勃發(fā)展的初期,各家OEM 發(fā)布了大量“舊瓶裝新酒”的油改電新能源車型,因其產(chǎn)品延續(xù)著傳統(tǒng)油車的空間布局和造型設(shè)計,電池系統(tǒng)在整車的布局處處受限,產(chǎn)品力低下,用戶體驗不佳。隨著以特斯拉為代表的新勢力“全新的智能化電動車平臺”發(fā)布,匹配著一代電池技術(shù),在全球范圍內(nèi)快速掀起了一場全新的綠色工業(yè)革命。在這種原生純電動車基礎(chǔ)上,電池組得以更高效、規(guī)整的安裝在最理想的空間位置,三電系統(tǒng)可以更合理的布局,整車的電子電氣架構(gòu)及熱管理設(shè)計實現(xiàn)了更高效的集成,使得車輛的能效、續(xù)航、智能化等維度產(chǎn)品力極大加強。
據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計,2021 年我國新能源汽車全年產(chǎn)銷兩旺,銷售完成 352.1 萬輛,同比增長 1.6 倍,連續(xù) 7 年位居全球第一,整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)正處于技術(shù)變革驅(qū)動、生態(tài)重塑轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段 。我國歷來重視新能源產(chǎn)業(yè)的布局與發(fā)展,在這次變革中涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的自主研發(fā)設(shè)計的優(yōu)秀企業(yè),諸多創(chuàng)新技術(shù)引領(lǐng)著行業(yè)發(fā)展方向,其中動力電池作為電動汽車的核心部件,其性能優(yōu)劣直接決定了整車的成本、續(xù)航、安全可靠性、使用壽命等各類指標。
目前主流液態(tài)鋰離子電池材料技術(shù)經(jīng)歷過去幾年的快速發(fā)展,能量密度的提升與成本下降已經(jīng)進步相對穩(wěn)定的發(fā)展階段,動力電池與整車集成效率進一步提升可以為整車帶來顯著的輕量化、節(jié)能化、智能化及低成本邊際效益。多個研究機構(gòu)和企業(yè)近幾年重點研究并發(fā)布了 pack 級或系統(tǒng)級的新技術(shù),特別是在如電池輕量化、熱管理集成化、高低壓系統(tǒng)集成化等集成化方面取得諸多創(chuàng)新的技術(shù)進步。另外電池本身作為機械、化學、熱力學、電氣耦合的復(fù)雜集合零部件,集成技術(shù)發(fā)展方向?qū)⑸婕案艿某叽缈刂疲喙δ芎弦?、空間共享、化繁為簡等多維度更精細化的設(shè)計平衡與跨界融合。
2 結(jié)構(gòu)集成
動力電池結(jié)構(gòu)集成指通過車輛的結(jié)構(gòu)件或功能部件與動力電池進行結(jié)構(gòu)共用、功能融合,以達到減少零部件總數(shù),減少空間,降低成本并能提升整車強度與實現(xiàn)更高效的熱管理性能的集成技術(shù)。目前動力電池行業(yè)主流技術(shù)為 CTP(Cell to Pack,電芯到電池包)技術(shù),有向 CTC(Cell to Chassis,電芯到底盤)技術(shù)演進的趨勢,如圖 1 所示。下面具體介紹 CTP 技術(shù)和 CTC 技術(shù)。
圖1 電芯到底盤的成組路徑
2.1 CTP 技術(shù)
CTP 技術(shù)由寧德時代在 2016 年已有第一代商用車啟動應(yīng)用,2019年下半年乘用車推出,指電芯跳過模組,直接集成在電池包中,在技術(shù)層面實現(xiàn)了兩個維度的升級。一是結(jié)構(gòu)件集成效率提升,取消了模組結(jié)構(gòu)件,采用電池包結(jié)構(gòu)梁承載;二是功能融合提升,水冷板與底版共用,電池包上蓋自帶隔熱保溫功能。使得系統(tǒng)體積利用率提升、系統(tǒng)能量密度提高、零部件數(shù)量減少,進而降低了成本。
CTP 技術(shù)經(jīng)歷了幾代發(fā)展,目前可將箱體結(jié)構(gòu)件、加熱裝置、冷卻裝置、高壓保護裝置等高度集成,Pack 能量密度可達 230Wh/kg,比傳統(tǒng) Pack140Wh/kg 提升 60% 以上。
如圖 2 所示,寧德時代第一代 CTP 通過采用虛擬大模組,端板結(jié)構(gòu)等技術(shù),提升了Pack 集成化程度,能量密度可達到 180Wh/kg 以上;第二代 CTP 通過 Pack 下箱體分區(qū)設(shè)計,去除端板結(jié)構(gòu),同時可兼容 NP 技術(shù)(不熱擴散技術(shù))和 AB 電池等,能量密度可達到 200Wh/kg 以上;第三代 CTP 技術(shù)通過水冷版?zhèn)戎?,即起到隔熱功能,又加強了系統(tǒng)的冷卻能力,使得高倍率快速充電成為可能,能量密度可達到 250Wh/kg 以上,計劃于 2023 年量產(chǎn)。
圖2 寧德時代CTP技術(shù)演進
寧德時代第三代 CTP 技術(shù),稱為麒麟電池。其取消橫縱梁、水冷版、隔熱墊原本各自獨立的設(shè)計,集成為多功能彈性夾層,內(nèi)置微米橋連接裝置,同時具備支撐、水冷、隔熱、緩沖四大功能;此外麒麟電池電芯排列采用倒置方式,開創(chuàng)性的讓多個模塊共用底部空間,將結(jié)構(gòu)防護、高壓連接、熱失控排氣等功能進行智能分布。寧德時代公布的最新參數(shù)表明,體積利用率達 72%,能量密度 255Wh/kg,同時快充性能達到 10 分鐘充電 10% ~ 80%SoC 的能力。
圖3 寧德時代麒麟電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖4 特斯拉CTC結(jié)構(gòu)圖
CTP 技術(shù)的優(yōu)勢顯而易見,但隨著集成效率的逐漸提高,在高壓安全、熱管理、采樣及算法控制方面給設(shè)計、制造帶來了巨大挑戰(zhàn)。具體有:(1)結(jié)構(gòu)件采用高強鋁型材,擠壓、焊接工藝;(2)水冷板設(shè)計、水道流向、水流支路流量及制冷量分配;(3)電池包內(nèi)部溫度與外部環(huán)境溫度隔離設(shè)計;(4)電氣間隙、爬電距離、絕緣設(shè)計匹配;(5)電芯采樣及控制精度,絕緣設(shè)計及檢測等。
為了應(yīng)對以上挑戰(zhàn),需要電池廠家具有很強的開發(fā)驗證及生產(chǎn)制造能力,隨著車廠逐漸重視電池系統(tǒng)和整車匹配技術(shù),行業(yè)上將目光投向 CTC 技術(shù),希望通過 CTC 能進一步提升車輛的整體性能。
2.2 CTC 技術(shù)
電池包技術(shù)從 CTP 發(fā)展到 CTC,零件的外形、材質(zhì)、組合形式等都伴隨電池集成技術(shù)的進步發(fā)生改變,整體的方向是一體化、集成化。在乘用車和商用車上,都有新一代的產(chǎn)品發(fā)布。
2.2.1 乘用車CTC技術(shù)
2020 年 9 月,特斯拉發(fā)布了與 4680 圓柱電芯匹配的 CTC 技術(shù),引發(fā)了行業(yè)關(guān)注。電池上蓋與車身地板集成為一個部件,車內(nèi)座椅直接安裝在地板上。為車內(nèi)增加了 10mm高度空間。從結(jié)構(gòu)原理上看,其電芯底托板、電芯布置均為 CTP 技術(shù),只是在電池包上蓋上做了集成,特斯拉稱可為車輛降低 10% 車重,減少 370 個零件,單位成本下降 7%。2022 年 4 月和 5 月,零跑汽車和比亞迪汽車發(fā)布的 CTC 和 CTB 技術(shù)原理與特斯拉如出一轍,稱可通過電池包結(jié)構(gòu)件與車身結(jié)構(gòu)件融合,提升車輛扭轉(zhuǎn)剛度。
2.2.2 商用車CTC技術(shù)(或稱MTC、MTV技術(shù))
商用車如客車、卡車等,一般為大電量(電量 200kWh~450kWh)設(shè)計,采用多個電池包通過串并聯(lián)得到所需電壓和電量,系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜,通過支架安裝,導致空間利用率低。
以客車為例,現(xiàn)有電池安裝在車輛下部,如圖 5a,導致人員站立位置有臺階,人員上下車輛不便。新一代電池安裝在車輛頂部,如圖 5b,電池采用模組到車輛的集成方式,與車輛一體化設(shè)計,體積利用率提升 40%,重量能量密度提升 10%,并可幫助整車減重150kg。
綜上所述,CTP 技術(shù)已被廣泛應(yīng)用,通過 3 代技術(shù)的迭代創(chuàng)新,在乘用車上續(xù)航已可突破 1000km。CTC 技術(shù)目前處于快速發(fā)展階段,乘用車廠家發(fā)布的 CTC 不約而同的采用了電池上蓋與車身地板集成的方式,與真正意義上的 CTC 還有較大差距;商用車的CTC(MTV)技術(shù),應(yīng)用優(yōu)勢明顯,發(fā)展前景廣闊。
3 熱管理集成
隨著新能源汽車不斷向高能量密度、高能量效率轉(zhuǎn)換和高集成度發(fā)展,三電系統(tǒng)(電池、電機、電控)的熱管理需求與日俱增,已經(jīng)關(guān)系到新能源汽車的整體安全和效率問題,同時新能源車輛的冬季的里程焦慮與安全事故頻發(fā)一直是阻礙行業(yè)發(fā)展的痛點問題。在傳統(tǒng)燃油車中,由于冬季可以采用發(fā)動機余熱進行供暖,車載空調(diào)僅需考慮夏季制冷應(yīng)用即可,但對于純電動汽車而言,發(fā)動機余熱的缺失導致車輛冬季供暖的需求尤為緊迫,另外環(huán)境溫度對電池的性能指標有顯著影響,溫度過高或過低不但是驅(qū)動力電池的性能指標大幅度降低,對使用壽命和安全系數(shù)也是有較大危害,因而如何更高效的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要,促進了一體化集成式熱管理系統(tǒng)的提出、升級和演化。
3.1 集成式熱管理技術(shù)研究現(xiàn)狀
現(xiàn)階段新能源汽車熱管理系統(tǒng)正經(jīng)歷從常規(guī)單冷空調(diào)技術(shù)到熱泵空調(diào)技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)轉(zhuǎn)變升級的過渡階段。熱泵空調(diào)可以簡單類比我們平時抽水的水泵,兩者概念意思相同,熱泵空調(diào)工作過程并不只會搬運熱量,夏天的冷氣同樣可以,不過相比單冷空調(diào),其成本更高。
新能源汽車傳統(tǒng)的熱泵空調(diào)技術(shù)主要由乘員艙熱泵空調(diào)機組,電池專用熱管理機組及電機電控熱管理機組三套分布式系統(tǒng)共同構(gòu)成;乘客艙的溫控主要依賴熱泵機組來源于空氣的熱量進行供暖 / 制冷,考慮到環(huán)境溫度對熱泵機組系統(tǒng)的效率影響,在較低溫度需要給乘客室升溫時,需配合 PTC 供暖;電池、電機電控則依賴于各自獨立的專用熱管理機組供暖 / 制冷。為了進一步提高熱管理效能與整車空間利用率,把空氣、電機電控和電池的余熱廢熱更高效的耦合利用,集成式的三源熱泵技術(shù)是目前行業(yè)內(nèi)整車熱管理術(shù)重點研究的解決方案方向之一。
3.2 三源熱泵整車熱管理集成方案
利用熱泵、回收、Free-Cooling &Heating、超級閥及模糊控制技術(shù)實現(xiàn)三電系統(tǒng)與空氣之間廢熱轉(zhuǎn)移 / 轉(zhuǎn)化和低品質(zhì)熱的提升對駕駛室和電池進行加熱或者冷卻,大幅減少車輛系統(tǒng) PTC 加熱的電量消耗,解決或者緩解電動車冬天里程衰減的問題,并且已經(jīng)在眾多商用新能源卡車上配套使用。三源熱泵系統(tǒng)根據(jù)運行模式和溫區(qū)的不同,熱泵的熱源可以在:電機電控,電池及空氣間自由切換。針對新能源車輛在使用的不同工況,均可以匹配對應(yīng)的控制策略,使效率達到最優(yōu)。圖 6 列舉了冬季低溫駕駛模式下三源熱泵的工作原理:外界環(huán)境溫低、駕駛室座艙需要加熱、電池需要加熱、電機電控需要冷卻。
圖6 三源熱泵系統(tǒng)冬季駕駛工況工作原理示意圖
新能源汽車熱管理集成技術(shù)的發(fā)展趨勢是將乘客艙的舒適性與三電系統(tǒng)的精準溫控要求進行深度耦合。隨著電池系統(tǒng)熱管理界面的設(shè)計將與整車耦合交集越來越深入,新一代綠色制冷劑應(yīng)用、電池整車熱管理功能一體化、BMS 與整車熱管理控制智能化將成為未來熱管理集成系統(tǒng)的關(guān)鍵研究課題。
4 高壓電氣系統(tǒng)集成
新能源汽車由眾多高壓部件組成。隨著新能源汽車的發(fā)展,高壓電氣集成是節(jié)省整車空間、提高產(chǎn)品可制造性、實現(xiàn)降本的必要手段。同時在電氣集成度逐步提高的進程中,也需要重點關(guān)注電氣系統(tǒng)的效率、安全性、可靠性和便捷性。目前高壓電氣集成化推進的主要方向是子系統(tǒng)集成及零部件集成。
4.1 子系統(tǒng)集成
新能源汽車關(guān)鍵零部件主要有整車控制器(VCU)、電池及電池管理系統(tǒng)、高壓配電箱(PDU)、驅(qū)動電機、電機控制(MCU)、減速器、高低壓電源轉(zhuǎn)換器(DCDC)、車載充電器(OBC)、加上客車用的氣泵控制器、油泵控制器等,如下圖 7 所示。
圖7 新能源汽車關(guān)鍵零部件多合一組合圖
隨著新能源技術(shù)的不斷推廣與運用,新能源部件由簡單集成向高度集成化發(fā)展,多合一集成化電驅(qū)動系統(tǒng)在電能轉(zhuǎn)化效率、機械空間緊湊化、線束精簡化、成本等方面具備優(yōu)勢。目前新能源部件集成化主要可以分成兩條路線:
一條路線是電驅(qū)動系統(tǒng)和高壓電附件獨立集成。電驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動電機、減速器、電機控制器的不同集成組成出常見二合一或三合一。高壓電附件根據(jù)低壓電源轉(zhuǎn)換器、車載充電器、高壓配電箱、氣泵控制器和油泵控制器的不同集成組成出常見二合一、三合一或五合一。
另一條路線是電驅(qū)動系統(tǒng)與高壓電附件高度組合集成,常見的有二種方式:第一種是電機控制器、高壓配電箱、高低壓電源轉(zhuǎn)換器、車載充電器集成四合一;第二種是電機控制器、高壓配電箱、高低壓電源轉(zhuǎn)換器、氣泵控制器和油泵控制器五者集成五合一。
隨著新能源技術(shù)的不斷創(chuàng)新、融合,市場推出更高集成度的七合一電驅(qū)動系統(tǒng)(如下圖 8),該系統(tǒng)直接集成了電機控制器、驅(qū)動電機、減速器、高低壓電源轉(zhuǎn)換器、車載充電機、高壓配電箱和電池管理系統(tǒng)等七大部件,實現(xiàn)了機械部件和功率部件的深度融合。
圖8 電驅(qū)動系統(tǒng)七合一
為了更進一步提升集成度設(shè)計電驅(qū)動系統(tǒng)八合一(如下圖 9 所示)近期也發(fā)布于市,其融合了驅(qū)動電機、驅(qū)動電機控制器、減速器、高低壓直流轉(zhuǎn)換器(DCDC)、雙向車載充電器(OBC)、高壓配電箱(PDU)、電池管理器(BMS)、整車控制器(VCU)等八大部件為一體。系統(tǒng)整體功率密度提升近 20%,重量和體積降低達 15%,綜合效率可實現(xiàn)89%。
圖9 電驅(qū)動系統(tǒng)八合一
不論電驅(qū)動系統(tǒng)與高壓電附件采用獨立集成還是高度集成方案,均在一定程度上實現(xiàn)了降本增效,并進一步提升了產(chǎn)品安全性和可靠性。但高壓電氣集成化也存在結(jié)構(gòu)、電氣和控制策略方面的難點。
對于結(jié)構(gòu)方面,高壓集成方案通過一體化壓鑄、焊接和機械連接等工藝形成,需要解決輕量化、強度、散熱等問題。對于輕量化和結(jié)構(gòu)強度方面,可以通過三個方面實現(xiàn):一是在材料方面采用高強度鋼、鋁合金、鎂合金、碳纖維增強復(fù)合材料等新材料的運用;二是在結(jié)構(gòu)上采用薄壁化、中空化,復(fù)合化來實現(xiàn)輕量化,增強結(jié)構(gòu)強度;三是在加工工藝上采用摩擦焊接、超聲沖擊處理等方式。對于結(jié)構(gòu)散熱,可以采用同側(cè)化或同層次、低揚程設(shè)計,提升流道結(jié)構(gòu)流暢性和換熱能力結(jié)構(gòu)設(shè)計,盡可能減少系統(tǒng)流阻,并在結(jié)構(gòu)和空間上實現(xiàn)與其它部件隔離,減少熱傳遞和熱輻射對其它部件的影響。
對于電氣方面,電氣部件(特別是功率部件)工作時各自會產(chǎn)生電磁場,集成設(shè)計因時空上的交集容易引發(fā)干擾,集成化程度越高,電磁兼容性(EMC)問題就越突出。EMC 問題可以從 EMC 產(chǎn)生的三要素(源頭、路徑、設(shè)備)進行阻斷和削弱。對干擾源頭通過隔離、濾波處理抑止,對傳播路徑通過屏蔽、濾波和接地處理進行切斷,對于設(shè)備通過接地、硬件擴頻等方式降敏、阻隔處理。
對于控制策略方面,在提高集成系統(tǒng)總體能效,提高部件工作于高效區(qū)間占比方面是控制的難點,故可以從三個階段著手:首先從高壓部件設(shè)計或選型著手,盡可能使高壓部件額定電壓基本一致;其次,根據(jù)電池、電控和電機性能特性進行典型工況、環(huán)境條件下的仿真和測試優(yōu)化,使系統(tǒng)獲得最佳匹配;最后,引入自學習算法,根據(jù)用戶使用工況、使用習慣、運行環(huán)境條件、系統(tǒng)自學習制定最佳的控制策略和控制方法,實現(xiàn)因人而異,精準施策,最大程度上降低能耗,提升車輛使用經(jīng)濟性。
4.2 高壓零部件集成
全新的純電動平臺引入了很多新的電氣零部件,零部件的零部件的集成化趨勢越來越清晰,典型的高壓零部件集成包括:高壓連接巴片與電芯電壓采樣線集成、手動維護開關(guān)(MSD)與熔斷器集成、熔斷器 + 繼電器集成、高壓連接器集成等,這類集成能夠有效的帶動零部件成本的降低、安全可靠性提升,并為智能化制造奠定了良好的基礎(chǔ)。
4.2.1 高壓連接巴片+電芯電壓采樣線集成
高壓連接巴片 + 電芯電壓采樣線集成較傳統(tǒng)的模組設(shè)計方案,減少了模組生產(chǎn)過程中巴片和高壓采樣線焊接的工序,從而避免了工序中的 particle 產(chǎn)生。另外由于巴片與采樣線集成性,也提高了電芯采樣的穩(wěn)定性。在電池包的全生命周期中,電芯會隨著容量衰減、產(chǎn)氣使其內(nèi)部膨脹力增大,導致電芯出現(xiàn)相對位移,拉扯高壓連接巴片和電芯電壓采樣線。故在前期的設(shè)計環(huán)節(jié),需要對電芯全生命周期的膨脹力及相對位移量進行計算,預(yù)留足夠的安全間隙,保障高壓連接巴片和電壓采樣線全生命周期的可靠性。
圖10 高壓連接巴片集成電芯電壓采樣線示意圖
4.2.2 手動維護開關(guān)(MSD)+熔斷器集成
手動維護開關(guān)(MSD)+ 熔斷器集成較非集成設(shè)計,可以節(jié)約大量的布置空間,有助于產(chǎn)品進一步提升體積利用率。熔斷器的溫升對其壽命的影響很大,在過流條件下會產(chǎn)生大量的熱,集成之后存在熱量無法散發(fā)的問題。產(chǎn)品設(shè)計的時候,需要考慮熔斷器散熱。主要的散熱方式有:(1)熔斷器接線柱導電面積做大,加快散熱;(2)MSD 外殼選用鋁外殼,內(nèi)部填充導熱材料加快熔斷器散。
圖11 手動維護開關(guān)(MSD)集成熔斷器示意圖
4.2.3 熔斷器+繼電器集成
熔斷器 + 繼電器集成方案可以同時實現(xiàn)繼電器的功能(斷高壓,且可恢復(fù))和熔斷器的功能(異常狀態(tài)下快速、安全的切斷高壓)。在實現(xiàn)體積利用率提高的同時還具備智能化的通斷控制,根據(jù)整車提供的指令(如碰撞、熱失控信號),實現(xiàn)毫秒級的快速斷高壓。由于帶電的切斷,會影響整車其他部件的正常使用,可能存在一定的行車安全隱患,故對于斷高壓的判定邏輯,需要結(jié)合整車的控制策略共同制定。
圖12 繼電器集成熔斷器示意圖
4.2.4 高壓連接器集成
傳統(tǒng)高壓連接器為單 PIN 設(shè)計,以新能源電池系統(tǒng)中的高壓盒為例,通過將所有高壓接口,由一個集流排 + 多個格蘭頭的形式進行集成,可以大大節(jié)省連接器的布置空間,同時起到一定的降本。集成高壓連接器需要考慮將多個不同電氣特性的高壓連接器集成在一個面板中,需要考慮預(yù)留足夠的爬電距離和電氣間隙,同時要保障結(jié)構(gòu)空間的最大利用率。
圖13 高壓連接器集成示意圖
應(yīng)用在電動汽車的系統(tǒng)不斷追求高體積利用率和能量轉(zhuǎn)換率。隨著各高壓零部件和子系統(tǒng)可靠性提升,高壓子系統(tǒng)集成和高壓零部件集成已大批量的應(yīng)用到各類車型,而子系統(tǒng)已越來越多從四合一、五合一往七合一、多合一集成化。高度的集成化同步提高了大系統(tǒng)的可靠性,降低整體成本。
5 低壓控制系統(tǒng)集成
在汽車“新四化”(電動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、共享化)發(fā)展趨勢下,傳統(tǒng)的分布式汽車電子電氣架構(gòu)由于其通訊架構(gòu)的復(fù)雜 性、 電子控制單元(Electronic ControlUnit,ECU)的多樣性逐漸暴露出諸多問題,例如:無法實現(xiàn)多路實時高速通訊、高實時控制,ECU 數(shù)量過多甚至達到瓶頸,總線長度、接口數(shù)量和成本無法有效優(yōu)化減少,同時線束連接故障率占比高。因此設(shè)計一個高性能、高集成、高可靠且功能齊全的硬件處理器(域控制器)成為了一個新的發(fā)展趨勢,走在前沿的各大汽車廠商開始嘗試將一些功能相似、分離的 ECU 集成到一個域控制器平臺上。而動力電池系統(tǒng)的核心部件電池管理系統(tǒng)(Battery Management System ,BMS),也根據(jù)整車不同的域控制器架構(gòu)需求集成在不同的域控制器中。
5.1 電動汽車域控制器及電子電器架構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀
2017 年德國博世公布其在整車電子電氣架構(gòu)方面的戰(zhàn)略圖,將整車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展劃分為三大類:分布式汽車電子電氣架構(gòu)、集中式域融合架構(gòu)、中央集中 + 云計算架構(gòu)方案,并提出經(jīng)典的五域集中式電子電氣架,將汽車功能劃分為 5 個域:動力域、底盤域、車身域、座艙域、自動駕駛域。在電動汽車領(lǐng)域,隨著汽車智能化需求的不斷提升,各大汽車廠商進一步提出域融合產(chǎn)品解決方案。
5.2 電池管理系統(tǒng)的域集成解決方案
目前電池管理系統(tǒng)相關(guān)的整車域控集中技術(shù)正處于集中式域融合架構(gòu)向中央集中 +云計算架構(gòu)發(fā)展階段,電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)可根據(jù)整車不同域控架構(gòu)需求集成在底盤域控、動力域或網(wǎng)關(guān)、智能駕駛域控或網(wǎng)關(guān)中。現(xiàn)有如下 3種不同解決方案。
方案一:BMS 保持獨立,BMU(BatteryManagement Unit,BMU)集成了整車其他功能部件,如 VCU、MCU、網(wǎng)關(guān)等,同時域控制器置于 Pack 內(nèi)部。該方案因降低了Pack 能量密度、域控制器不便維修等問題,市場推廣應(yīng)用少。
方案二:動力電池僅采樣模塊留在 Pack內(nèi)部,其余功能移出 Pack,BMU 可根據(jù)需要和 VCU、MCU 等整車其他部件集成域控制器,目前市面上,部分商用車或 CTC 項目上已開始嘗試該種解決方案。該集成方案具備如下技術(shù)優(yōu)勢:
① 可將電池、電機、電控等多個低壓控制模塊在物理上實現(xiàn)集成,實現(xiàn)至少 15% 以上的物料減少;
②不同控制器的功能模塊得以優(yōu)化調(diào)整:整體代碼量減少 >10%,部分響應(yīng)處理縮短>20ms;
③支持基于單一內(nèi)核的功能更新 OTA;
④有利于 Pack 能量密度提升,并提升了域控制器的可維修性。
方案三:在方案二的基礎(chǔ)上,動力電池內(nèi)部保留電芯采樣模塊、動力電池繼電器驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等基本功能部件,其余功能移出 Pack 與整車其他部件集成域控制器,實現(xiàn) BMU1(電池端)+BMU2(整車域控端)的雙層架構(gòu)。目前市面上,該方案逐漸成為乘用車的主流解決方案。
隨著中央網(wǎng)關(guān)及高性能處理器等軟硬件設(shè)備的發(fā)展進步,為智能網(wǎng)聯(lián)電動汽車的 EE架構(gòu)革新帶來新的動力。而適用于智能駕駛的車載電腦 + 云計算 EE 架構(gòu)將是今后各大車企研究的重要方向。以此同時,動力電池企業(yè),也根據(jù)整車不同域控制器架構(gòu)的需求,將 BMS 集成到整車不同域控制器模塊中。
6 結(jié) 語
本文主要介紹了目前行業(yè)內(nèi)整車結(jié)構(gòu)、熱管理、高壓電氣系統(tǒng)及低壓控制控制集成方面最新的整車一體化集成的技術(shù)與發(fā)展趨勢,諸多先進技術(shù)也已逐步商用落地,技術(shù)變革會為消費者帶來全新的乘駕體驗。如何在電池包有限空間內(nèi)做好各模塊功能的協(xié)同集成,如何將電池包與整車更高層級的進一步的系統(tǒng)融合仍將是未來行業(yè)的重點創(chuàng)新發(fā)展研究方向,集成技術(shù)持續(xù)融合創(chuàng)新能夠給新一代智能網(wǎng)聯(lián)純電座艙帶來源源不斷的成本下降與性能提升源動力,進一步推進全面電動化的時代的到來,助力汽車行業(yè)“碳達峰”“碳中和”目標的早日實現(xiàn)。
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