基于長(zhǎng)尺度測(cè)量法的純電動(dòng)客車(chē)暗電流系統(tǒng)性分析與驗(yàn)證*

陳國(guó)強(qiáng) 馮還紅 林裕鐘

（1.廈門(mén)城市職業(yè)學(xué)院，廈門(mén) 361008；2.廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)有限公司，廈門(mén) 361023）

主題詞：純電動(dòng)客車(chē) 暗電流 長(zhǎng)尺度測(cè)量法 停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)

1 前言

車(chē)輛長(zhǎng)期停運(yùn)時(shí)，暗電流（Dark Current）的存在導(dǎo)致汽車(chē)低壓蓄電池虧電，從而造成車(chē)輛起動(dòng)困難或無(wú)法起動(dòng)。

不同配置車(chē)型的車(chē)載電氣設(shè)備數(shù)量及其功率差異很大，盡管相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)純電動(dòng)乘用車(chē)和傳統(tǒng)動(dòng)力客車(chē)的暗電流進(jìn)行了一些探討[1-3]，也給出了業(yè)內(nèi)主流客車(chē)產(chǎn)品的整車(chē)暗電流參考上限29～71 mA[1]，但該上限范圍并不滿(mǎn)足純電動(dòng)客車(chē)用戶(hù)的實(shí)際使用需求（待機(jī)時(shí)長(zhǎng)偏短），行業(yè)內(nèi)暫未對(duì)純電動(dòng)客車(chē)的整車(chē)暗電流展開(kāi)詳細(xì)研究，對(duì)實(shí)車(chē)暗電流合理范圍暫未形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題包括：確定純電動(dòng)客車(chē)的暗電流合理區(qū)間以及如何進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)算；目前常用于檢測(cè)暗電流的普通萬(wàn)用表和鉗形電流表[1,4]如何在純電動(dòng)客車(chē)上使用，是否有其他方法進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量；車(chē)輛下電后在保證低壓蓄電池不虧電的情況下如何延長(zhǎng)停運(yùn)時(shí)間。

純電動(dòng)客車(chē)分為純電動(dòng)公路客車(chē)和純電動(dòng)公交客車(chē)，純電動(dòng)公交客車(chē)存在客戶(hù)加裝定制化或個(gè)性化配置的情況，而純電動(dòng)公路客車(chē)配置相對(duì)穩(wěn)定，因此本文選擇車(chē)身長(zhǎng)度為6～12 m 的純電動(dòng)公路客車(chē)為研究對(duì)象，并以6706Y純電非營(yíng)運(yùn)版（7 m）、6112Y純電營(yíng)運(yùn)版（11 m）2款車(chē)型作為典型車(chē)型，進(jìn)行整車(chē)暗電流理論分析與實(shí)車(chē)驗(yàn)證。

2 純電動(dòng)客車(chē)暗電流理論分析

純電動(dòng)客車(chē)的車(chē)載電氣設(shè)備不僅包含傳統(tǒng)客車(chē)中的低壓（24 V）電氣部件，還包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、整車(chē)控制器、電池箱專(zhuān)用滅火器等，車(chē)載電氣設(shè)備越多，暗電流必然越大。為了便于分析，將車(chē)載電氣設(shè)備分為用電設(shè)備和供電設(shè)備，在暗電流產(chǎn)生的回路中低壓蓄電池為供電設(shè)備，其他車(chē)載電氣設(shè)備為用電設(shè)備。

2.1 用電設(shè)備供電模式分析

為了系統(tǒng)、準(zhǔn)確地估算整車(chē)暗電流，需要先匯總純電動(dòng)公路客車(chē)安裝的常用用電設(shè)備，并分析各用電設(shè)備的供電模式，包括常電供電（30）和ACC/ON擋電（15）供電。通常，由常電供電的用電設(shè)備在車(chē)輛熄火靜止?fàn)顟B(tài)下才可能存在功耗。

經(jīng)對(duì)6～12 m純電動(dòng)公路客車(chē)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)[5]，用電設(shè)備供電模式如表1所示。

表1 用電設(shè)備供電模式統(tǒng)計(jì)

2.2 常電供電的用電設(shè)備潛在暗電流估算

由于暗電流只會(huì)由常電供電的用電設(shè)備產(chǎn)生，僅估算這些設(shè)備在車(chē)輛正常運(yùn)行工況下的電流（正常工作電流）和車(chē)輛熄火靜止?fàn)顟B(tài)下的電流（暗電流）并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析，如表2所示。

表2 常電用電設(shè)備工作電流與暗電流理論估算

由表2 分析可得：暗電流的來(lái)源主要是整車(chē)控制器、動(dòng)力電池箱專(zhuān)用滅火器和車(chē)載通信終端（Telematics BOX，T-BOX）、行車(chē)記錄儀、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（Antilock Brake System，ABS）/電子制動(dòng)系統(tǒng)（Electronic Brake System，EBS）、CAN總線模塊等設(shè)備。

2.3 供電設(shè)備（蓄電池）暗電流估算

分析整車(chē)暗電流時(shí)還應(yīng)該考慮蓄電池自放電，一般情況下，維護(hù)良好且充滿(mǎn)電的蓄電池在20～30 ℃的環(huán)境中開(kāi)路擱置28天，其容量損失不應(yīng)超過(guò)20%[6]。由此可計(jì)算出蓄電池的最大允許自放電電流：

式中，I0為蓄電池最大允許自放電電流均值；C為蓄電池額定容量；T0為蓄電池開(kāi)路擱置時(shí)間。

由于2 款純電動(dòng)車(chē)型配置的蓄電池標(biāo)準(zhǔn)容量分別為24 V、80 A·h 和24 V、135 A·h，由式（1）計(jì)算可得，6706Y 和6112Y 車(chē)型的最大允許自放電電流均值分別為24.0 mA和40.5 mA。

2.4 整車(chē)暗電流估算

由表2可知，部分用電設(shè)備的暗電流在不同車(chē)型上因配置或功能不同而存在差異。JT/T 1094—2016《營(yíng)運(yùn)客車(chē)安全技術(shù)條件》規(guī)定，用于經(jīng)營(yíng)性旅客運(yùn)輸?shù)目蛙?chē)應(yīng)配置胎壓報(bào)警裝置、車(chē)內(nèi)外視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電子穩(wěn)定性控制（Electronic Stability Control，ESC）系統(tǒng)，車(chē)長(zhǎng)大于9 m 的營(yíng)運(yùn)客車(chē)還應(yīng)安裝車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)（Lane Departure Warning System，LDWS）和自動(dòng)緊急制動(dòng)（Automated Emergency Brake，AEB）系統(tǒng)[7]，為充分分析車(chē)輛配置對(duì)整車(chē)總暗電流的影響，選擇6706Y純電非營(yíng)運(yùn)版和6112Y 純電營(yíng)運(yùn)版作為分析對(duì)象。表3 所示為根據(jù)各自車(chē)型的配置情況對(duì)整車(chē)暗電流進(jìn)行理論估算的結(jié)果。

表3 整車(chē)暗電流理論估算結(jié)果

根據(jù)表3數(shù)據(jù)計(jì)算可得整車(chē)暗電流In為：

式中，IK為各用電設(shè)備暗電流估計(jì)值。

由式（2）計(jì)算可得6706Y純電非營(yíng)運(yùn)版和6112Y純電營(yíng)運(yùn)版的整車(chē)暗電流估計(jì)值分別為約200 mA 和約295 mA。由此可以初步給出結(jié)論：純電動(dòng)客車(chē)的合理暗電流應(yīng)在200～290 mA范圍內(nèi)。

所有用電設(shè)備通過(guò)整車(chē)線束并聯(lián)或串聯(lián)裝配在實(shí)車(chē)上以后，受電磁干擾、接插件松動(dòng)、接地不良等因素影響，車(chē)輛的實(shí)際暗電流與理論估算結(jié)果存在偏差，因此有必要開(kāi)展暗電流實(shí)車(chē)測(cè)試以驗(yàn)證以上理論分析的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

3 純電動(dòng)客車(chē)暗電流測(cè)量方法

3.1 常規(guī)測(cè)量方法

目前，行業(yè)常用的暗電流測(cè)量方法有2 種[1,4]：直接測(cè)量法，即使用普通萬(wàn)用表進(jìn)行檢測(cè)，電路示意如圖1所示；間接測(cè)量法，即使用鉗形電流表進(jìn)行檢測(cè)，電路示意如圖2 所示。根據(jù)GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全技術(shù)條件》要求，車(chē)長(zhǎng)大于等于6 m 的客車(chē)還應(yīng)設(shè)置手動(dòng)機(jī)械斷電開(kāi)關(guān)，以便必要時(shí)切斷蓄電池和所有電路的連接[8]，在純電動(dòng)客車(chē)的暗電流常規(guī)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)中也可以利用此開(kāi)關(guān)。

圖1 普通萬(wàn)用表測(cè)量法示意

圖2 鉗形電流表測(cè)量法示意

直接測(cè)量法的普通萬(wàn)用表準(zhǔn)確度等級(jí)一般可達(dá)到0.5 級(jí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確，但檢測(cè)過(guò)程相對(duì)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，一般不使用此方法測(cè)量暗電流；間接測(cè)量法雖簡(jiǎn)單省力，但受鉗形電流表準(zhǔn)確度（一般為2.5 級(jí)）影響，檢測(cè)數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。同時(shí)，2 種方法都只能人工記錄“瞬時(shí)”值，無(wú)法實(shí)時(shí)記錄、分析暗電流的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

總結(jié)以上2種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出長(zhǎng)尺度測(cè)量法，便于檢測(cè)和研究純電動(dòng)客車(chē)暗電流及其變化規(guī)律。

3.2 長(zhǎng)尺度測(cè)量法

長(zhǎng)尺度測(cè)量法是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和記錄暗電流的檢測(cè)方案，使用的硬件主要由可長(zhǎng)時(shí)間記錄測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)試主機(jī)（電功率測(cè)試儀WT3000，見(jiàn)圖3）和可套入蓄電池電纜線的測(cè)量模塊（HIT200，含有霍爾電流傳感器，利用高精度電磁感應(yīng)原理測(cè)量電流，見(jiàn)圖4）構(gòu)成，電路連接如圖5所示。測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試主機(jī)可以實(shí)時(shí)記錄并存儲(chǔ)蓄電池的電流和電壓變化情況，測(cè)量精度可達(dá)0.15級(jí)或0.02級(jí)[9-10]。

圖3 電功率測(cè)試儀WT3000

圖4 測(cè)量模塊HIT200

圖5 長(zhǎng)尺度測(cè)量法電路連接示意

根據(jù)圖5的電路連接情況，先做好準(zhǔn)備工作：

a.車(chē)輛停車(chē)熄火（點(diǎn)火開(kāi)關(guān)ON 擋至ACC 擋位）3～5 min 后關(guān)閉車(chē)輛全部用電設(shè)備，將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至OFF 擋位；

b.斷開(kāi)蓄電池手閘總開(kāi)關(guān)；

c.將測(cè)量模塊套接在車(chē)輛蓄電池接線柱的負(fù)極電纜上，測(cè)量模塊通過(guò)測(cè)量電纜線接入測(cè)試主機(jī)；

d.2根電纜線分別連接蓄電池的正、負(fù)極與測(cè)試主機(jī)，測(cè)量蓄電池電壓；

e.將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至ON 擋位，打開(kāi)車(chē)上部分用電設(shè)備，確認(rèn)測(cè)試主機(jī)能正常采集到電流、電壓信號(hào)；

f.關(guān)閉車(chē)輛全部用電設(shè)備，將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)至OFF擋位，斷開(kāi)蓄電池手閘總開(kāi)關(guān)。

準(zhǔn)備工作完成后，按圖6所示流程完成測(cè)試。

圖6 長(zhǎng)尺度測(cè)量法檢測(cè)流程

4 實(shí)車(chē)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證長(zhǎng)尺度測(cè)量法的可行性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性，選擇滿(mǎn)足表3配置的2款車(chē)型車(chē)輛作為試驗(yàn)對(duì)象，按長(zhǎng)尺度測(cè)量法的檢測(cè)流程完成暗電流的實(shí)車(chē)測(cè)試。6706Y純電動(dòng)車(chē)型的測(cè)試狀態(tài)如圖7所示。

圖7 6706Y純電測(cè)試狀態(tài)

完成實(shí)車(chē)測(cè)試后，分析WT300 主機(jī)采集到的多次測(cè)量數(shù)據(jù)，2款車(chē)型的暗電流數(shù)據(jù)和蓄電池電壓變化情況如圖8～圖11所示。

圖8 6706Y純電非營(yíng)運(yùn)版暗電流

圖9 6706Y純電非營(yíng)運(yùn)版蓄電池電壓

圖10 6112Y純電營(yíng)運(yùn)版暗電流

圖11 6112Y純電營(yíng)運(yùn)版蓄電池電壓

分析以上2 款車(chē)型的測(cè)試結(jié)果，存在如下共同特點(diǎn)：

a.手閘開(kāi)關(guān)閉合后整車(chē)電路才能形成回路，閉合瞬間電流和電壓存在突變，但閉合3 s 后基本可快速進(jìn)入數(shù)值穩(wěn)定階段；

b.穩(wěn)定區(qū)間電壓波動(dòng)僅為±0.01 V，而蓄電池總電壓在25 V左右，可忽略電壓波動(dòng)對(duì)暗電流的影響；

c.5 s后6次試驗(yàn)的暗電流數(shù)據(jù)趨于一致，確認(rèn)該車(chē)型的暗電流真實(shí)值可先單次測(cè)試5～30 s，將所有數(shù)據(jù)的平均值作為單次暗電流試驗(yàn)均值，再對(duì)6次試驗(yàn)的均值求平均值。

為便于客觀評(píng)價(jià)理論估算方法的科學(xué)性和長(zhǎng)尺度測(cè)量法所得數(shù)據(jù)的可靠性，進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)值與理論估算結(jié)果的對(duì)比，如表4所示。

表4 實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果與理論估算對(duì)比

由表4可知，長(zhǎng)尺度測(cè)量法的數(shù)據(jù)獲取具有平穩(wěn)性和精準(zhǔn)性，實(shí)際測(cè)試均值小于理論估值符合預(yù)期，且偏差率小于8%，證明基于長(zhǎng)尺度測(cè)量法的暗電流測(cè)試方案是可行的。

5 實(shí)車(chē)應(yīng)用

基于長(zhǎng)尺度測(cè)量法的結(jié)果，可以進(jìn)一步將理論分析推算的純電動(dòng)客車(chē)（6～12 m）的合理暗電流范圍（200～295 mA）修訂為180～280 mA。由此可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)的準(zhǔn)確評(píng)估。

鉛酸蓄電池放電深度對(duì)電池壽命影響較大，當(dāng)放電深度大于50%，電池的循環(huán)壽命將降低到1 000 次以下。為保證車(chē)輛能正常起動(dòng)并保證蓄電池壽命，蓄電池剩余容量應(yīng)不小于其額定容量的50%，則車(chē)輛最大停運(yùn)時(shí)間T1可計(jì)算為：

根據(jù)式（3）可以計(jì)算出2種車(chē)型在各自標(biāo)配蓄電池容量下所允許的停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)，如表5所示，其中暗電流In取表4的試驗(yàn)均值。

表5 車(chē)輛停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)估算

由表5可得，純電動(dòng)客車(chē)（6～12 m）的正常停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)約為9～10 晝夜，而如果參考傳統(tǒng)動(dòng)力客車(chē)暗電流上限評(píng)估車(chē)輛停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)時(shí)，將會(huì)達(dá)到40 個(gè)晝夜[1]，遠(yuǎn)大于實(shí)際能力。

對(duì)于非標(biāo)配車(chē)型（尤其是純電動(dòng)公交客車(chē)），由于新增的用電設(shè)備可能導(dǎo)致整車(chē)暗電流增加，待機(jī)時(shí)長(zhǎng)還會(huì)相應(yīng)縮短。建議的解決方案為：

a.在設(shè)計(jì)階段對(duì)整車(chē)暗電流可能的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)進(jìn)行限制，按表1和表2分別統(tǒng)計(jì)用電設(shè)備的供電模式和常電用電設(shè)備的暗電流，對(duì)新增設(shè)備提出暗電流控制要求，有效控制常電供電設(shè)備的數(shù)量，按表3 進(jìn)行整車(chē)暗電流估算，達(dá)到有效控制暗電流目的；

b.如果無(wú)法控制整車(chē)暗電流的增加，根據(jù)表5通過(guò)適當(dāng)提高供電設(shè)備功率，即增加蓄電池容量來(lái)彌補(bǔ)，使車(chē)輛允許停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)不少于9個(gè)晝夜。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)2 款典型純電動(dòng)客車(chē)的整車(chē)暗電流進(jìn)行理論計(jì)算并結(jié)合長(zhǎng)尺度測(cè)量法實(shí)車(chē)測(cè)試結(jié)果，給出了純電動(dòng)客車(chē)（6～12 m）整車(chē)暗電流的合理范圍為180～280 mA，從而推算在不關(guān)閉整車(chē)蓄電池總開(kāi)關(guān)的條件下可停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)約9～10 個(gè)晝夜，并給出了通過(guò)優(yōu)化電氣設(shè)計(jì)延長(zhǎng)停運(yùn)時(shí)長(zhǎng)的方案。