纯电动汽车暗电流分析及应对

陈 庚，周莉博，刘宗阁，段明双

（河南新乡新能电动汽车有限公司，河南 新乡 453000）

纯电动汽车暗电流分析及应对

陈 庚，周莉博，刘宗阁，段明双

（河南新乡新能电动汽车有限公司，河南 新乡 453000）

纯电动汽车搭载有高压动力电池和低压辅助铅酸蓄电池，高压动力电池作为动力系统的驱动电源，而铅酸蓄电池作为低压部件的工作及信号转换、传输电源。本文讨论的是利用DC/DC变换器及整车控制器VCU，检测并自动间歇性补充铅酸蓄电池电量，可基本解决因暗电流过大引起的车辆无法起动问题。

纯电动汽车；铅酸蓄电池；DC/DC转换器；暗电流

随着国家政策的大力扶持和人们环保意识的不断提高，纯电动汽车获得了巨大的发展机遇，对非故障停放时间较长车辆，由于暗电流过大，出现低压铅酸蓄电池亏电无法起动问题，并没有有效的解决办法。本文讨论如何解决该问题。

1 传统车低压系统简介

1.1 铅酸蓄电池作用

大部分纯电动汽车是基于传统车车身进行设计，暗电流的大小与BASE车有直接关系，并影响到铅酸蓄电池工作状态。传统柴汽油车装载有铅酸蓄电池以及发电机2个直流电源，处于并联连接状态，全车用电器均采用并联连接方式。传统车铅酸蓄电池主要作用如下。

1）起动机发动时，铅酸蓄电池向起动机和点火系统供电。

2）当发电机低速运转，发电机电压低于蓄电池的端电压，由蓄电池向用电设备供电。

3）当发电机中、高速运转，发电机输出电压高于蓄电池的端电压，蓄电池将发电机剩余的电能储存起来。

4）发电机过载时，蓄电池协助发电机向用电设备供电。

5）蓄电池还可以吸收电路中的瞬时过电压，保持汽车电器系统的电压稳定，保护电子元件的安全工作。

6）提供车载低压用电器及电控器件的工作电源，满足车身各监控、记忆、控制模块的待机能量消耗。

其中，无论传统车还是纯电动汽车［1］，其暗电流的产生主要来源于第6部分。由于纯电动汽车自身的特殊性，它必须远程实时监控、上传车辆相关信息，这需要强大的信息处理能力，相应的功耗也很大。当然，暗电流大小与车辆的功能配置高低呈正相关关系，配置越高暗电流越大。

图1为传统车低压系统工作原理简图。车辆点火成功之后，发动机通过皮带轮带动发电机，经过发电机内部集成的整流电路输出14 VDC至铅酸蓄电池和用电器。铅酸蓄电池既作为起动时的动力源，又作为电能的接收和供给源，铅酸蓄电池是否正常对整个系统的运行十分关键。

图1 传统车铅酸电池工作原理

1.2 铅酸蓄电池参数

铅酸蓄电池内部电解液为纯硫酸与蒸馏水按一定比例配制而成，其密度一般在1.24～1.30 g/cm3之间。铅酸蓄电池的静止电动势为

式中：Ej为——静止电动势，即开路电压，V；ρ25 ℃为——基准温度（25 ℃）时，电解液的相对密度，g/cm3。

不同温度下，实测电解液的密度需对应转化成25 ℃时电解液的相对密度，转换关系式为

式中：ρt为——实测电解液的密度，g/cm3；t ——实测电解液温度，℃。

当铅酸蓄电池实际工作时，电解液密度总是在1.12～1.30 g/cm3，所以单格电池的电动势维持在1.97～2.15 V，而铅酸蓄电池采用6格串联方式，其总的电动势在11.82～12.9 V。

1.3 铅酸蓄电池如何充放电

当车辆点火成功，发电机将机械能转换为电能之后，通过调节器适时地向车辆低压系统供给电能，保证铅酸蓄电池电量处于均衡状态。

铅酸蓄电池放电过程内部化学反应状态如下

铅酸蓄电池充电过程内部化学反应状态如下

当铅酸蓄电池多次过度放电，负极极板会附着大量的PbSO4，长期积累之后形成硬层，称为硫化作用，从而导致后续充电PbSO4无法完全或大部分转变，存储电量减少，耐用性降低；另外在充电过程中会伴随着电解水的过程，以气体形式溢出，同时水分也会携带少量的硫酸蒸发。这就是为什么铅酸蓄电池需要定期添加电解液以及鼓包（泄气阀损坏或堵塞，产生的气体无法排出引起）的原因，严重时会出现外壳涨裂电解液流失导致铅酸蓄电池失效。

在实际的铅酸蓄电池存放规定中，要求定期对其进行充电保养，避免因电解液长期静置沉降导致活性降低，更严重者会导致隔膜损坏，出现内部短路热量积累，进而炸裂的极端情况。

2 纯电动汽车暗电流分析

2.1 暗电流产生机理

纯电动汽车不仅包含传统车中的低压部件，还包括控制与通信等单元、电池状态自检模块、充电系统的待机功耗、远程监控（GPRS）、搭铁点自放电等。熄火静止时所有模块功耗需求电流之和被称为暗电流（也叫隐电流）。

式中：q——电荷量；t1、t2——分别代表起止时间点；i——暗电流大小。

根据式（3）结合实车蓄电池容量及其暗电流大小，可近似计算出车辆正常待机时长。由于纯电动汽车更大的待机信息处理量以及更高的起动电压下限值（传统车通常为11 V，纯电动汽车11.6 V，其由控制模块内部芯片工作电压决定），其暗电流相较会更大，待机时长通常在5～7天，远低于传统车15天左右的待机时长。

对于暗电流过大导致铅酸蓄电池亏电问题，一般推荐的做法是当车辆长期停放时，将铅酸蓄电池负极拔掉。但对于功能越来越多样化的汽车，例如车辆防盗、电子时钟、导航信息记录、行车记录、车辆定位、远程车辆信息监控等，这样做会导致信息丢失和功能失效，影响客户的使用满意度。因此，如何解决该问题就显得十分迫切。

2.2 暗电流影响应对策略［2］

以河南新乡新能电动汽车有限公司某款纯电动物流车为例，进行暗电流整改，其电压平台为324 V。纯电动汽车高低压机构简图如图2所示。3种状态的硬线信号判断条件见表1。

图2 纯电动汽车高低压结构简图

表1 硬线信号判断条件

3种状态下铅酸蓄电池补电流程见图3。当处于充电［3］以及上电2种状态时，BMS［4］判断蓄电池无故障，对应执行相应的操作，DC/DC持续输出14 VDC，保证2种状态下低压系统正常工作。江淮iEV系列采用的就是充电状态起动DC/DC变换器保证低压供给功率的策略。

图3 3种状态补电流程图

下电静息时，由VCU检测铅酸蓄电池的端电压。当检测到端电压低于设定的下限值11.6 V时，进行延时15 s判断，防止出现误检或电压波动干扰；延时后仍低于设定值，则通过报文唤醒BMS进行蓄电池自检操作，无故障后由BMS控制DC/DC继电器、总负继电器闭合，DC/DC变换器对外输出14 VDC且设定充电时间为20 min，以此保证铅酸蓄电池处于满电状态，系统重新进入下一个电压检测周期。这样就可以保证车辆一直处于可起动状态，有效抑制暗电流过大带来的问题。

充电时间设定为20 min是结合该纯电动车的实际情况（较长的库存周期）进行设定的。如果设定过长，会导致铅酸蓄电池长时间处于过充状态，缩短其寿命。但设定过短，就会出现铅酸蓄电池端电压较快降至下限11.6 V，DC/DC继电器频繁开闭，较快达到可使用次数。设定为20 min既可以满足车辆铅酸蓄电池定期补电抑制活性衰减要求，又延长了DC/DC继电器使用周期。

从分析过程不难看出，纯电动汽车中的DC/DC变换器实际代替了传统车中的发电机，但其使用更灵活无局限，不像柴汽油车必须建立在发动机工作的前提下。也正因为此，纯电动汽车才可以规避掉暗电流问题，而传统车无法做到。

3 DC/DC变换器工作原理

该款纯电动物流车使用的DC/DC变换器参数如表2所示。

表2 某款纯电动物流车DC/DC变换器参数

DC/DC变换器实际就是一个降压斩波电路的应用，通常采用脉宽调制（PWM）工作方式，利用电子开关管将直流电斩成方波（脉冲波），通过控制改变开关管的开闭频率，调节方波的占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比），进而达到改变电压的目的。变换器内部一般集成3～4个500 W的功率模块，根据负载需求功率不同投入相应个数的模块。例如负载400 W，投入1个；负载1200 W，投入3个。由于动力电池电芯采用先并后串的连接方式，在此采用90串的布局，单体电压截止上下限设定为3.0～4.1 V，因此总电压处于270～369 V。DC/DC变换器内部通过闭环调节方式，根据动力电池（即变换器输入电压）的不同，调整开关管通断频率（即改变方波占空比大小），最终将输出电压稳定在14 V。

4 小结

经过实车测试验证，该控制方案可以达到预定的抑制暗电流过大的设计目的，并且无需硬件变动，只对软件进行调整更改即可，并可根据车辆的后期运行状况进行参数修订，方便灵活。

目前，该控制策略已在河南新乡新能电动汽车有限公司库存的纯电动物流车中进行小批量的使用，整体运行良好，未出现长期停放出现无法正常上电的情况，实现设计预期。

［1］王钲强.纯电动汽车的设计与开发［J］.汽车技术，2013（2）：26-28.

［2］张翔.纯电动汽车设计软件的开发与应用［J］.汽车电器，2009（11）：8-10.

［3］GBT 18487.1-2015，电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求［S］.北京：中国标准出版社，2015.

［4］南金瑞.纯电动汽车电池管理系统的设计与应用［J］.清华大学学报（自然科学版），2007，47（S2）：1831-1834.

（编辑 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

陈庚（1990-），男，河南新乡人，主要从事纯电动汽车高低压电器零部件的选型分析、测试。