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最全面的BEV动力总成系统概览（控制角度）

发布：zy_wawj 来源：

PostTime：31-5-2024 20:43

注：BEV，Battery electrical vehicle, 即纯电动汽车。上份工作深入做了几个月纯电动动力总成系统相关的事情，以防遗忘，稍作梳理与总结，日后也许还会用上。因此，最近几周我通过一些新能源汽车动力总成相关的短文 ...

以下为文章全文：(本站微信公共账号:cartech8)

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注：BEV，Battery electrical vehicle, 即纯电动汽车。上份工作深入做了几个月纯电动动力总成系统相关的事情，以防遗忘，稍作梳理与总结，日后也许还会用上。因此，最近几周我通过一些新能源汽车动力总成相关的短文再回顾，并已转载，名单如下：

一文学懂新能源汽车高压互锁(HVIL) (qq.com)
一文学懂新能源汽车充配电总成 (qq.com)
一文学懂新能源汽车电池管理系统(BMS) (qq.com)
一文读懂电动汽车电机控制单元(MCU) (qq.com)
一文读懂电动汽车热管理系统(TMS) (qq.com)
一文读懂电动汽车控制单元(VCU) (qq.com)
一文读懂电动汽车车载充电机(OBC) (qq.com)

如果你已经看过，我想会对VCU, BMS, MCU, OBC, TMS有了基本的概念，本文将在此基础上，再通过搜索大量资料以及结合自身的经验，从控制角度对BEV动力总成系统做全面的介绍。

话不多说，直接入题：

1 BEV动力总成系统

BEV动力总成系统组成如下图示意，核心部件有动力电池，电驱总成，高压配电盒和车载充电机，以及相应的控制器（BMS, MCU，OBC，PDU和VCU），高压线束，高压连接器，低压线束和低压连接器等；还有各类传感器（速度，压力，温度，电流和电压等）。经过这些部件相互协调配合，就可以实现车辆的驱动功能，能量管理功能和充放电功能等。

source: SiCMOSFET Drives Powertrain Inverter Performance - EE Times Europe
根据国标GB/T 18384.3—2015《电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护》要求，BEV动力总成系统包括高压系统和低压系统。

2 高压系统

高压系统的组成如下图所示，除了上述提到动力电池，电机，高压配电单元和高压连接器等核心部件，还包括整车的热管理系统和空调系统相关的高压部件（加热器和空调压缩机）。

source: High Bandwidth On-Board DC Voltage and Current Measurements of the Main Inverter of an Electric Vehicle高压系统用来实现上述的动力总成功能，同时要注意高压系统的安全问题，防止人员高压触电而收到伤害，因此针对高压系统采取一些高压安全措施，包括高压互锁和高压绝缘。1) 高压互锁（High Voltage Inter-lock， HVIL）

source: HVIL in Electric Vehicles (renhotecev.com)HVIL用低压信号监视高压回路完整性，就如下图所示，当高压回路连接正常，则低压检测回路信号连续；当高压回路出现松动或断开，则低压检测回路信号中断。

source: 什么是高压互锁系统（HVIL）

通过这样的原理来检测整个高压系统的完整性，如果高压系统回路断开或不完整，那么启动安全断开高压电的保护措施。为了达到这样的设计效果，则要求低压检测回路要比高压回路先接通、后断开，且间隔一定的时长。
2) 高压绝缘动力电池输出电压超过安全电压，若高压系统绝缘损坏就会发生触电事故，因此需要对高压系统进行定期或永久的绝缘监测，即高压绝缘功能。工程上绝缘是指为了隔离人、其他带电或不带电结构，采取在带电器件表面包裹一层绝缘材料，而绝缘材料用绝缘电阻和漏电流来衡量绝缘性能。在GB/T18384.1-2015的车载可充电储能系统中，规定BMS需要对动力电池系统所有部件集成完毕的状态下进行绝缘检测，且采用绝缘电阻阻值来衡量绝缘状态。其中，绝缘电阻可分为总正对地Rp 和总负对地Rn，衡量系统绝缘状态Ri一般取两者之间的最小值。

source：电动汽车高压绝缘原理（包括Model 3电压检测、绝缘检测原理）、故障诊断及定位思路
关于高压绝缘更详细内容可参考：浅谈新能源汽车高压系统绝缘设计和电动汽车高压绝缘原理、故障诊断及定位思路。3 低压系统
对于BEV动力总成系统的低压部分，涉及到3个关键内容，与通讯相关的整车网络拓扑，与供电相关的电源管理和控制器自身的架构。

1）网络拓扑
在博世还未提出电子电器架构的发展趋势之前，传统的整车网络拓扑主要是由CAN总线组成，车内分布式ECU按照功能划分为动力总成、车身控制、辅助驾驶等总线区域；车窗、车灯、天窗等则通过LIN总线接入CAN网络。

source: 未来智能网联汽车新一代整车架构
随着智能网联的发展，整车网络拓扑已经发展到域控制器和区域控制器阶段，如下所示：

source：Domaincontroller E/E architecture example. | Download Scientific Diagram

source: TheAutomotive Electric Vehicle Transition - Breakfast Bytes
对于BEV动力总成系统来说，其通讯拓扑现在常见于基于域控制器架构或区域控制器架构，比如基于域控制器架构的方案，常将VCU作为域控制器，与域外控制器通过以太网和CAN FD进行通讯。而OBC, MCU和BMS在VCU域内的网段，通过CAN/CAN FD通讯；而基于区域控制器架构的方案，则常将VCU作为前部的区域控制器，BMS作为后部的区域控制器，域内和域外的通讯形式和域控制器差不多。

2）电源管理
以往动力总成系统中各ECU的供电均直接来自于KL30或KL15，现在某些ECU的供电可能受另一个ECU控制。另外，考虑到BEV整车休眠唤醒功能，动力总成系统的电源管理在其中的角色极其重要，策略很容易导致小电池馈电等故障问题。

3）ECU架构
不管是VCU，BMS还是OBC，MCU，其软硬件框架基本如下图所示，包括微控制器，通讯，电源管理，传感器信号获取和执行器驱动等相关的零部件或模块。

4 动力总成系统功能
通过上述的内容，应该能够想象各零部件是如何构建BEV动力总成系统，进而如何去实现其动力总成系统的各个控制功能，如果不能，可以联系下图再想想。

source: Electric Vehicle Technology Certification Course | Decibels
对于BEV动力总成系统的控制功能，我觉得本质上是两个功能：车辆的驱动功能和电池的充放电功能，当然实际上功能非常多且复杂，也并不是仅仅就这两个功能这么回事，但了解动力总成系统功能可以这两功能作为核心点。1) 驱动功能
根据驾驶员踩下油门踏板或制动踏板的深浅与快慢，VCU决定电机输出多大的转矩或多快的转速，驱动车辆的行驶。大致逻辑过程是:

前提是已经上高压的情况下，即BMS控制动力电池的正负极开关闭合，动力电池就随时可以给高压用电器件供电。
VCU根据油门踏板深度及其变化率等信息，计算出此时车辆所需要的驱动转距或转速，进而计算出电机所需要输出的转距或转速，然后请求MCU。
MCU收到VCU的转矩请求或转速请求后，MCU控制各IGBT的高频通断，以此将动力电池输出的直流电转换为大小可控的三相交流电，供给电机，从而电机输出目标的转矩或转速，驱动车辆按照驾驶员的预期加速度或速度行驶。

source: EV Powertrain Electrification and key components for drivetrain | Wolfspeed2) 电池充放电（以充电功能进行介绍）随着动力电池电量的消耗，SOC越来越低，那么就有充电需求。充电分为交流充电和直流充电，那么动力总成系统如何实现这俩功能？对于交流充电，即慢充：

同样地，前提也是要高压上电，相当于从充电桩到动力电池的整个高压接通，从电网的电就可以输送给动力电池。
电网输入的交流电通过充电枪会进入到OBC，OBC将交流电转为直流电，再输入给动力电池，在此过程中，OBC一方面需要检测电流，电压和温度等信息，另一个方面需要具备调节电流和电压的功能。
BMS在充电过程中实时监控电池的状态，比如计算SOC和SOH，监控电池的电压和温度等信息。如果出现什么异常情况或者电充满，BMS会请求OBC停止工作，同时也控制动力电池两端的继电器断开，如果一切正常，则保持继电器闭合直到充满。

source: EV Powertrain Electrification and key components for drivetrain | Wolfspeed
对于直流充电，即快充：

同样地，前提也是高压上电，但它不需要经过OBC，而是由直流充电桩经过高压回路直接接通到动力电池，直接给动力电池灌电。
直流充电主要由BMS来控制，首先BMS会与直流充电桩进行CAN通讯，交互充电相关信息，一切妥当之后，直流充电桩就会开始灌入直流电给整车高压回路，动力电池就会开始充电。
同样地，在整个过程中，BMS实时监测动力电池的实时状态和环境信息，确保充电过程中电池处于受控状态，控制充电的运行和停止。

以上就是以驱动功能和电池充电功能对动力总成系统功能的简单介绍，对于整车功能而言，实际上动力总成系统有很多功能需要和其他域协同控制，比如热管理功能，远控功能和制动转向功能等，而且这些功能很多都需要动力总成系统的高低压系统参与才能实现，这里暂不赘述。
5 总结对一个新事物进行了解，应该以图文并茂的形式最佳。因此，着重花了不少力气寻找图来精确表达BEV动力总成系统的概念和组成等内容，这些图应该值得研读，当然应该有助于更好地理解功能（高压系统，低压系统和动力总成系统），也希望能够文字描述能理解功能的大致逻辑，这是控制的基础，也将是控制的主干。最后来个附录：根据国家标准GB/T 18384.3—2015《电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护》要求，考虑到空气的湿度和人体在不同工作环境下的电阻，根据不同电压等级可能对人体产生的伤害和危险程度不同，在新能源汽车中将车辆电压按照类型和数值分为两个安全级别，见表。