陳 庚，周莉博，劉宗閣，段明雙

（河南新鄉(xiāng)新能電動汽車有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

純電動汽車暗電流分析及應(yīng)對

陳 庚，周莉博，劉宗閣，段明雙

（河南新鄉(xiāng)新能電動汽車有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

純電動汽車搭載有高壓動力電池和低壓輔助鉛酸蓄電池，高壓動力電池作為動力系統(tǒng)的驅(qū)動電源，而鉛酸蓄電池作為低壓部件的工作及信號轉(zhuǎn)換、傳輸電源。本文討論的是利用DC/DC變換器及整車控制器VCU，檢測并自動間歇性補充鉛酸蓄電池電量，可基本解決因暗電流過大引起的車輛無法起動問題。

純電動汽車；鉛酸蓄電池；DC/DC轉(zhuǎn)換器；暗電流

隨著國家政策的大力扶持和人們環(huán)保意識的不斷提高，純電動汽車獲得了巨大的發(fā)展機遇，對非故障停放時間較長車輛，由于暗電流過大，出現(xiàn)低壓鉛酸蓄電池虧電無法起動問題，并沒有有效的解決辦法。本文討論如何解決該問題。

1 傳統(tǒng)車低壓系統(tǒng)簡介

1.1 鉛酸蓄電池作用

大部分純電動汽車是基于傳統(tǒng)車車身進行設(shè)計，暗電流的大小與BASE車有直接關(guān)系，并影響到鉛酸蓄電池工作狀態(tài)。傳統(tǒng)柴汽油車裝載有鉛酸蓄電池以及發(fā)電機2個直流電源，處于并聯(lián)連接狀態(tài)，全車用電器均采用并聯(lián)連接方式。傳統(tǒng)車鉛酸蓄電池主要作用如下。

1）起動機發(fā)動時，鉛酸蓄電池向起動機和點火系統(tǒng)供電。

2）當發(fā)電機低速運轉(zhuǎn)，發(fā)電機電壓低于蓄電池的端電壓，由蓄電池向用電設(shè)備供電。

3）當發(fā)電機中、高速運轉(zhuǎn)，發(fā)電機輸出電壓高于蓄電池的端電壓，蓄電池將發(fā)電機剩余的電能儲存起來。

4）發(fā)電機過載時，蓄電池協(xié)助發(fā)電機向用電設(shè)備供電。

5）蓄電池還可以吸收電路中的瞬時過電壓，保持汽車電器系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定，保護電子元件的安全工作。

6）提供車載低壓用電器及電控器件的工作電源，滿足車身各監(jiān)控、記憶、控制模塊的待機能量消耗。

其中，無論傳統(tǒng)車還是純電動汽車［1］，其暗電流的產(chǎn)生主要來源于第6部分。由于純電動汽車自身的特殊性，它必須遠程實時監(jiān)控、上傳車輛相關(guān)信息，這需要強大的信息處理能力，相應(yīng)的功耗也很大。當然，暗電流大小與車輛的功能配置高低呈正相關(guān)關(guān)系，配置越高暗電流越大。

圖1為傳統(tǒng)車低壓系統(tǒng)工作原理簡圖。車輛點火成功之后，發(fā)動機通過皮帶輪帶動發(fā)電機，經(jīng)過發(fā)電機內(nèi)部集成的整流電路輸出14 VDC至鉛酸蓄電池和用電器。鉛酸蓄電池既作為起動時的動力源，又作為電能的接收和供給源，鉛酸蓄電池是否正常對整個系統(tǒng)的運行十分關(guān)鍵。

圖1 傳統(tǒng)車鉛酸電池工作原理

1.2 鉛酸蓄電池參數(shù)

鉛酸蓄電池內(nèi)部電解液為純硫酸與蒸餾水按一定比例配制而成，其密度一般在1.24～1.30 g/cm3之間。鉛酸蓄電池的靜止電動勢為

式中：Ej為——靜止電動勢，即開路電壓，V；ρ25 ℃為——基準溫度（25 ℃）時，電解液的相對密度，g/cm3。

不同溫度下，實測電解液的密度需對應(yīng)轉(zhuǎn)化成25 ℃時電解液的相對密度，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

式中：ρt為——實測電解液的密度，g/cm3；t ——實測電解液溫度，℃。

當鉛酸蓄電池實際工作時，電解液密度總是在1.12～1.30 g/cm3，所以單格電池的電動勢維持在1.97～2.15 V，而鉛酸蓄電池采用6格串聯(lián)方式，其總的電動勢在11.82～12.9 V。

1.3 鉛酸蓄電池如何充放電

當車輛點火成功，發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能之后，通過調(diào)節(jié)器適時地向車輛低壓系統(tǒng)供給電能，保證鉛酸蓄電池電量處于均衡狀態(tài)。

鉛酸蓄電池放電過程內(nèi)部化學反應(yīng)狀態(tài)如下

鉛酸蓄電池充電過程內(nèi)部化學反應(yīng)狀態(tài)如下

當鉛酸蓄電池多次過度放電，負極極板會附著大量的PbSO4，長期積累之后形成硬層，稱為硫化作用，從而導致后續(xù)充電PbSO4無法完全或大部分轉(zhuǎn)變，存儲電量減少，耐用性降低；另外在充電過程中會伴隨著電解水的過程，以氣體形式溢出，同時水分也會攜帶少量的硫酸蒸發(fā)。這就是為什么鉛酸蓄電池需要定期添加電解液以及鼓包（泄氣閥損壞或堵塞，產(chǎn)生的氣體無法排出引起）的原因，嚴重時會出現(xiàn)外殼漲裂電解液流失導致鉛酸蓄電池失效。

在實際的鉛酸蓄電池存放規(guī)定中，要求定期對其進行充電保養(yǎng)，避免因電解液長期靜置沉降導致活性降低，更嚴重者會導致隔膜損壞，出現(xiàn)內(nèi)部短路熱量積累，進而炸裂的極端情況。

2 純電動汽車暗電流分析

2.1 暗電流產(chǎn)生機理

純電動汽車不僅包含傳統(tǒng)車中的低壓部件，還包括控制與通信等單元、電池狀態(tài)自檢模塊、充電系統(tǒng)的待機功耗、遠程監(jiān)控（GPRS）、搭鐵點自放電等。熄火靜止時所有模塊功耗需求電流之和被稱為暗電流（也叫隱電流）。

式中：q——電荷量；t1、t2——分別代表起止時間點；i——暗電流大小。

根據(jù)式（3）結(jié)合實車蓄電池容量及其暗電流大小，可近似計算出車輛正常待機時長。由于純電動汽車更大的待機信息處理量以及更高的起動電壓下限值（傳統(tǒng)車通常為11 V，純電動汽車11.6 V，其由控制模塊內(nèi)部芯片工作電壓決定），其暗電流相較會更大，待機時長通常在5～7天，遠低于傳統(tǒng)車15天左右的待機時長。

對于暗電流過大導致鉛酸蓄電池虧電問題，一般推薦的做法是當車輛長期停放時，將鉛酸蓄電池負極拔掉。但對于功能越來越多樣化的汽車，例如車輛防盜、電子時鐘、導航信息記錄、行車記錄、車輛定位、遠程車輛信息監(jiān)控等，這樣做會導致信息丟失和功能失效，影響客戶的使用滿意度。因此，如何解決該問題就顯得十分迫切。

2.2 暗電流影響應(yīng)對策略［2］

以河南新鄉(xiāng)新能電動汽車有限公司某款純電動物流車為例，進行暗電流整改，其電壓平臺為324 V。純電動汽車高低壓機構(gòu)簡圖如圖2所示。3種狀態(tài)的硬線信號判斷條件見表1。

圖2 純電動汽車高低壓結(jié)構(gòu)簡圖

表1 硬線信號判斷條件

3種狀態(tài)下鉛酸蓄電池補電流程見圖3。當處于充電［3］以及上電2種狀態(tài)時，BMS［4］判斷蓄電池無故障，對應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的操作，DC/DC持續(xù)輸出14 VDC，保證2種狀態(tài)下低壓系統(tǒng)正常工作。江淮iEV系列采用的就是充電狀態(tài)起動DC/DC變換器保證低壓供給功率的策略。

圖3 3種狀態(tài)補電流程圖

下電靜息時，由VCU檢測鉛酸蓄電池的端電壓。當檢測到端電壓低于設(shè)定的下限值11.6 V時，進行延時15 s判斷，防止出現(xiàn)誤檢或電壓波動干擾；延時后仍低于設(shè)定值，則通過報文喚醒BMS進行蓄電池自檢操作，無故障后由BMS控制DC/DC繼電器、總負繼電器閉合，DC/DC變換器對外輸出14 VDC且設(shè)定充電時間為20 min，以此保證鉛酸蓄電池處于滿電狀態(tài)，系統(tǒng)重新進入下一個電壓檢測周期。這樣就可以保證車輛一直處于可起動狀態(tài)，有效抑制暗電流過大帶來的問題。

充電時間設(shè)定為20 min是結(jié)合該純電動車的實際情況（較長的庫存周期）進行設(shè)定的。如果設(shè)定過長，會導致鉛酸蓄電池長時間處于過充狀態(tài)，縮短其壽命。但設(shè)定過短，就會出現(xiàn)鉛酸蓄電池端電壓較快降至下限11.6 V，DC/DC繼電器頻繁開閉，較快達到可使用次數(shù)。設(shè)定為20 min既可以滿足車輛鉛酸蓄電池定期補電抑制活性衰減要求，又延長了DC/DC繼電器使用周期。

從分析過程不難看出，純電動汽車中的DC/DC變換器實際代替了傳統(tǒng)車中的發(fā)電機，但其使用更靈活無局限，不像柴汽油車必須建立在發(fā)動機工作的前提下。也正因為此，純電動汽車才可以規(guī)避掉暗電流問題，而傳統(tǒng)車無法做到。

3 DC/DC變換器工作原理

該款純電動物流車使用的DC/DC變換器參數(shù)如表2所示。

表2 某款純電動物流車DC/DC變換器參數(shù)

DC/DC變換器實際就是一個降壓斬波電路的應(yīng)用，通常采用脈寬調(diào)制（PWM）工作方式，利用電子開關(guān)管將直流電斬成方波（脈沖波），通過控制改變開關(guān)管的開閉頻率，調(diào)節(jié)方波的占空比（脈沖寬度與脈沖周期之比），進而達到改變電壓的目的。變換器內(nèi)部一般集成3～4個500 W的功率模塊，根據(jù)負載需求功率不同投入相應(yīng)個數(shù)的模塊。例如負載400 W，投入1個；負載1200 W，投入3個。由于動力電池電芯采用先并后串的連接方式，在此采用90串的布局，單體電壓截止上下限設(shè)定為3.0～4.1 V，因此總電壓處于270～369 V。DC/DC變換器內(nèi)部通過閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，根據(jù)動力電池（即變換器輸入電壓）的不同，調(diào)整開關(guān)管通斷頻率（即改變方波占空比大?。?，最終將輸出電壓穩(wěn)定在14 V。

4 小結(jié)

經(jīng)過實車測試驗證，該控制方案可以達到預定的抑制暗電流過大的設(shè)計目的，并且無需硬件變動，只對軟件進行調(diào)整更改即可，并可根據(jù)車輛的后期運行狀況進行參數(shù)修訂，方便靈活。

目前，該控制策略已在河南新鄉(xiāng)新能電動汽車有限公司庫存的純電動物流車中進行小批量的使用，整體運行良好，未出現(xiàn)長期停放出現(xiàn)無法正常上電的情況，實現(xiàn)設(shè)計預期。

［1］王鉦強.純電動汽車的設(shè)計與開發(fā)［J］.汽車技術(shù)，2013（2）：26-28.

［2］張翔.純電動汽車設(shè)計軟件的開發(fā)與應(yīng)用［J］.汽車電器，2009（11）：8-10.

［3］GBT 18487.1-2015，電動汽車傳導充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求［S］.北京：中國標準出版社，2015.

［4］南金瑞.純電動汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.清華大學學報（自然科學版），2007，47（S2）：1831-1834.

（編輯 心 翔）

The Analysis and Response of Dark Current in Pure Electric Vehicle

CHEN Geng， ZHOU Li-bo， LIU Zong-ge， DUAN Ming-shuang
（Henan Xinxiang Xinneng Electric Automobile Co.， Ltd.， Xinxiang 453000， China）

Pure electric vehicles equipped with high voltage power battery and low voltage auxiliary lead-acid batteries，with the former as a driving power supply of the power system， and the latter as the power source of the low voltage components and signal conversion & transmission. This article discusses the use of DC/DC converter and VCU to achieve detection and automatic intermittent replenishment of lead-acid batteries， which could solve the vehicle starting issue caused by excessive dark current.

pure electric vehicle; lead-acid battery; DC/DC converter; dark current

U469.72

A

1003-8639（2017）06-0001-04

2016-08-11

陳庚（1990-），男，河南新鄉(xiāng)人，主要從事純電動汽車高低壓電器零部件的選型分析、測試。