純電動(dòng)汽車(chē)暗電流分析及應(yīng)對(duì)

陳 庚，周莉博，劉宗閣，段明雙

（河南新鄉(xiāng)新能電動(dòng)汽車(chē)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

純電動(dòng)汽車(chē)暗電流分析及應(yīng)對(duì)

陳 庚，周莉博，劉宗閣，段明雙

（河南新鄉(xiāng)新能電動(dòng)汽車(chē)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

純電動(dòng)汽車(chē)搭載有高壓動(dòng)力電池和低壓輔助鉛酸蓄電池，高壓動(dòng)力電池作為動(dòng)力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源，而鉛酸蓄電池作為低壓部件的工作及信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳輸電源。本文討論的是利用DC/DC變換器及整車(chē)控制器VCU，檢測(cè)并自動(dòng)間歇性補(bǔ)充鉛酸蓄電池電量，可基本解決因暗電流過(guò)大引起的車(chē)輛無(wú)法起動(dòng)問(wèn)題。

純電動(dòng)汽車(chē)；鉛酸蓄電池；DC/DC轉(zhuǎn)換器；暗電流

隨著國(guó)家政策的大力扶持和人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，純電動(dòng)汽車(chē)獲得了巨大的發(fā)展機(jī)遇，對(duì)非故障停放時(shí)間較長(zhǎng)車(chē)輛，由于暗電流過(guò)大，出現(xiàn)低壓鉛酸蓄電池虧電無(wú)法起動(dòng)問(wèn)題，并沒(méi)有有效的解決辦法。本文討論如何解決該問(wèn)題。

1 傳統(tǒng)車(chē)低壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 鉛酸蓄電池作用

大部分純電動(dòng)汽車(chē)是基于傳統(tǒng)車(chē)車(chē)身進(jìn)行設(shè)計(jì)，暗電流的大小與BASE車(chē)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(chē)裝載有鉛酸蓄電池以及發(fā)電機(jī)2個(gè)直流電源，處于并聯(lián)連接狀態(tài)，全車(chē)用電器均采用并聯(lián)連接方式。傳統(tǒng)車(chē)鉛酸蓄電池主要作用如下。

1）起動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)時(shí)，鉛酸蓄電池向起動(dòng)機(jī)和點(diǎn)火系統(tǒng)供電。

2）當(dāng)發(fā)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)中、高速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)輸出電壓高于蓄電池的端電壓，蓄電池將發(fā)電機(jī)剩余的電能儲(chǔ)存起來(lái)。

4）發(fā)電機(jī)過(guò)載時(shí)，蓄電池協(xié)助發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備供電。

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

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

其中，無(wú)論傳統(tǒng)車(chē)還是純電動(dòng)汽車(chē)［1］，其暗電流的產(chǎn)生主要來(lái)源于第6部分。由于純電動(dòng)汽車(chē)自身的特殊性，它必須遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、上傳車(chē)輛相關(guān)信息，這需要強(qiáng)大的信息處理能力，相應(yīng)的功耗也很大。當(dāng)然，暗電流大小與車(chē)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(chē)低壓系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖。車(chē)輛點(diǎn)火成功之后，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)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(dòng)時(shí)的動(dòng)力源，又作為電能的接收和供給源，鉛酸蓄電池是否正常對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行十分關(guān)鍵。

圖1 傳統(tǒng)車(chē)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(dòng)勢(shì)為

式中：Ej為——靜止電動(dòng)勢(shì)，即開(kāi)路電壓，V；ρ25 ℃為——基準(zhǔn)溫度（25 ℃）時(shí)，電解液的相對(duì)密度，g/cm3。

不同溫度下，實(shí)測(cè)電解液的密度需對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化成25 ℃時(shí)電解液的相對(duì)密度，轉(zhuǎn)換關(guān)系式為

式中：ρt為——實(shí)測(cè)電解液的密度，g/cm3；t ——實(shí)測(cè)電解液溫度，℃。

當(dāng)鉛酸蓄電池實(shí)際工作時(shí)，電解液密度總是在1.12～1.30 g/cm3，所以單格電池的電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)在11.82～12.9 V。

1.3 鉛酸蓄電池如何充放電

當(dāng)車(chē)輛點(diǎn)火成功，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能之后，通過(guò)調(diào)節(jié)器適時(shí)地向車(chē)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(guò)程內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)如下

鉛酸蓄電池充電過(guò)程內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)如下

當(dāng)鉛酸蓄電池多次過(guò)度放電，負(fù)極極板會(huì)附著大量的PbSO4，長(zhǎng)期積累之后形成硬層，稱為硫化作用，從而導(dǎo)致后續(xù)充電PbSO4無(wú)法完全或大部分轉(zhuǎn)變，存儲(chǔ)電量減少，耐用性降低；另外在充電過(guò)程中會(huì)伴隨著電解水的過(guò)程，以氣體形式溢出，同時(shí)水分也會(huì)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(wú)法排出引起）的原因，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)外殼漲裂電解液流失導(dǎo)致鉛酸蓄電池失效。

在實(shí)際的鉛酸蓄電池存放規(guī)定中，要求定期對(duì)其進(jìn)行充電保養(yǎng)，避免因電解液長(zhǎng)期靜置沉降導(dǎo)致活性降低，更嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致隔膜損壞，出現(xiàn)內(nèi)部短路熱量積累，進(jìn)而炸裂的極端情況。

2 純電動(dòng)汽車(chē)暗電流分析

2.1 暗電流產(chǎn)生機(jī)理

純電動(dòng)汽車(chē)不僅包含傳統(tǒng)車(chē)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(jī)功耗、遠(yuǎn)程監(jiān)控（GPRS）、搭鐵點(diǎn)自放電等。熄火靜止時(shí)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(shí)間點(diǎn)；i——暗電流大小。

根據(jù)式（3）結(jié)合實(shí)車(chē)蓄電池容量及其暗電流大小，可近似計(jì)算出車(chē)輛正常待機(jī)時(shí)長(zhǎng)。由于純電動(dòng)汽車(chē)更大的待機(jī)信息處理量以及更高的起動(dòng)電壓下限值（傳統(tǒng)車(chē)通常為11 V，純電動(dòng)汽車(chē)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(huì)更大，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)通常在5～7天，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)車(chē)15天左右的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)。

對(duì)于暗電流過(guò)大導(dǎo)致鉛酸蓄電池虧電問(wèn)題，一般推薦的做法是當(dāng)車(chē)輛長(zhǎng)期停放時(shí)，將鉛酸蓄電池負(fù)極拔掉。但對(duì)于功能越來(lái)越多樣化的汽車(chē)，例如車(chē)輛防盜、電子時(shí)鐘、導(dǎo)航信息記錄、行車(chē)記錄、車(chē)輛定位、遠(yuǎn)程車(chē)輛信息監(jiān)控等，這樣做會(huì)導(dǎo)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(wèn)題就顯得十分迫切。

2.2 暗電流影響應(yīng)對(duì)策略［2］

以河南新鄉(xiāng)新能電動(dòng)汽車(chē)有限公司某款純電動(dòng)物流車(chē)為例，進(jìn)行暗電流整改，其電壓平臺(tái)為324 V。純電動(dòng)汽車(chē)高低壓機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。3種狀態(tài)的硬線信號(hào)判斷條件見(jiàn)表1。

圖2 純電動(dòng)汽車(chē)高低壓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 硬線信號(hào)判斷條件

3種狀態(tài)下鉛酸蓄電池補(bǔ)電流程見(jiàn)圖3。當(dāng)處于充電［3］以及上電2種狀態(tài)時(shí)，BMS［4］判斷蓄電池?zé)o故障，對(duì)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(dòng)DC/DC變換器保證低壓供給功率的策略。

圖3 3種狀態(tài)補(bǔ)電流程圖

下電靜息時(shí)，由VCU檢測(cè)鉛酸蓄電池的端電壓。當(dāng)檢測(cè)到端電壓低于設(shè)定的下限值11.6 V時(shí)，進(jìn)行延時(shí)15 s判斷，防止出現(xiàn)誤檢或電壓波動(dòng)干擾；延時(shí)后仍低于設(shè)定值，則通過(guò)報(bào)文喚醒BMS進(jìn)行蓄電池自檢操作，無(wú)故障后由BMS控制DC/DC繼電器、總負(fù)繼電器閉合，DC/DC變換器對(duì)外輸出14 VDC且設(shè)定充電時(shí)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(jìn)入下一個(gè)電壓檢測(cè)周期。這樣就可以保證車(chē)輛一直處于可起動(dòng)狀態(tài)，有效抑制暗電流過(guò)大帶來(lái)的問(wèn)題。

充電時(shí)間設(shè)定為20 min是結(jié)合該純電動(dòng)車(chē)的實(shí)際情況（較長(zhǎng)的庫(kù)存周期）進(jìn)行設(shè)定的。如果設(shè)定過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致鉛酸蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)充狀態(tài)，縮短其壽命。但設(shè)定過(guò)短，就會(huì)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(kāi)閉，較快達(dá)到可使用次數(shù)。設(shè)定為20 min既可以滿足車(chē)輛鉛酸蓄電池定期補(bǔ)電抑制活性衰減要求，又延長(zhǎng)了DC/DC繼電器使用周期。

從分析過(guò)程不難看出，純電動(dòng)汽車(chē)中的DC/DC變換器實(shí)際代替了傳統(tǒng)車(chē)中的發(fā)電機(jī)，但其使用更靈活無(wú)局限，不像柴汽油車(chē)必須建立在發(fā)動(dòng)機(jī)工作的前提下。也正因?yàn)榇?，純電?dòng)汽車(chē)才可以規(guī)避掉暗電流問(wèn)題，而傳統(tǒng)車(chē)無(wú)法做到。

3 DC/DC變換器工作原理

該款純電動(dòng)物流車(chē)使用的DC/DC變換器參數(shù)如表2所示。

表2 某款純電動(dòng)物流車(chē)DC/DC變換器參數(shù)

DC/DC變換器實(shí)際就是一個(gè)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(kāi)關(guān)管將直流電斬成方波（脈沖波），通過(guò)控制改變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)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(jìn)而達(dá)到改變電壓的目的。變換器內(nèi)部一般集成3～4個(gè)500 W的功率模塊，根據(jù)負(fù)載需求功率不同投入相應(yīng)個(gè)數(shù)的模塊。例如負(fù)載400 W，投入1個(gè)；負(fù)載1200 W，投入3個(gè)。由于動(dòng)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(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)方式，根據(jù)動(dòng)力電池（即變換器輸入電壓）的不同，調(diào)整開(kāi)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(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證，該控制方案可以達(dá)到預(yù)定的抑制暗電流過(guò)大的設(shè)計(jì)目的，并且無(wú)需硬件變動(dòng)，只對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)整更改即可，并可根據(jù)車(chē)輛的后期運(yùn)行狀況進(jìn)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(dòng)汽車(chē)有限公司庫(kù)存的純電動(dòng)物流車(chē)中進(jìn)行小批量的使用，整體運(yùn)行良好，未出現(xiàn)長(zhǎng)期停放出現(xiàn)無(wú)法正常上電的情況，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)預(yù)期。

［1］王鉦強(qiáng).純電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.汽車(chē)技術(shù)，2013（2）：26-28.

［2］張翔.純電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用［J］.汽車(chē)電器，2009（11）：8-10.

［3］GBT 18487.1-2015，電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

［4］南金瑞.純電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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(dòng)汽車(chē)高低壓電器零部件的選型分析、測(cè)試。