電動(dòng)汽車剩余里程估計(jì)算法開發(fā)及驗(yàn)證

張帥領(lǐng) 張宇 王婷

摘 要：以某純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，提出了一種基于動(dòng)力電池剩余能量估計(jì)和車輛歷史能耗估計(jì)的剩余里程估計(jì)模型，對(duì)剩余里程估計(jì)基本原理進(jìn)行了分析，并開發(fā)了剩余里程估計(jì)軟件模塊，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電池剩余可用能量估計(jì)、歷史能量估計(jì)、駕駛員操作條件修正等功能，并進(jìn)行了實(shí)際綜合路況試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：該續(xù)駛里程估計(jì)算法的精確性和可靠性。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;剩余里程估計(jì);動(dòng)力電池能量估計(jì);歷史能耗估計(jì)

0 引言

目前受到電池能量密度和電池成本等因素的影響，電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程相對(duì)傳統(tǒng)車仍有差距，而且受到環(huán)境溫度、行駛工況、空調(diào)附件及駕駛員駕駛習(xí)慣等因素的影響，車輛能耗變化波動(dòng)較大，導(dǎo)致續(xù)駛里程估計(jì)值與實(shí)際行駛里程值存在較大誤差，這使得乘客產(chǎn)生里程焦慮和抱怨。因此在電動(dòng)車逐步邁向產(chǎn)業(yè)化的過程中，相對(duì)于經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等性能，電動(dòng)車的剩余里程受到普通用戶的更多關(guān)注[2]，研究提高續(xù)駛里程顯示精度和解決用戶續(xù)駛里程焦慮問題是提高電動(dòng)汽車普及率和促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。

1 剩余里程估計(jì)技術(shù)研究分析

電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程是電動(dòng)汽車上動(dòng)力蓄電池以全充電狀態(tài)開始到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所走過的里程，它是純電動(dòng)汽車重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)[3]。電動(dòng)汽車剩余里程不僅與動(dòng)力電池的剩余能量有關(guān)，還與駕駛方式及環(huán)境等有很大關(guān)系。剩余里程估計(jì)功能主要由電池剩余能量預(yù)測、車輛能耗預(yù)測和里程估計(jì)三部分功能構(gòu)成，續(xù)駛里程估計(jì)功能框架圖如圖1所示[4]：

1.1 動(dòng)力電池剩余可用能量估計(jì)方案設(shè)計(jì)

電池剩余可用能量估計(jì)主要是電池端電壓UEND的預(yù)測和放電截至SOCEND的預(yù)測。根據(jù)電池的過去一段時(shí)間內(nèi)的放電特性、當(dāng)前動(dòng)力電池SOH、動(dòng)力電池最高溫度、動(dòng)力電池最低溫度、單體最高電壓、單體最低電壓、電池循環(huán)壽命信息、日歷壽命信息以及動(dòng)力電池故障信息等因素的影響[4，5]，整車控制器預(yù)測動(dòng)力電池放電截至值SOCEND，當(dāng)前SOC與SOCEND的之間差值與動(dòng)力電池額定容量的乘積，即是動(dòng)力電池剩余可用能量E，電池剩余可用能量估計(jì)示意圖如圖2所示。

1.2 車輛能耗估計(jì)方案設(shè)計(jì)

若續(xù)駛里程估計(jì)僅采用NEDC工況經(jīng)驗(yàn)?zāi)芎膩砉烙?jì)，則車輛真實(shí)能耗對(duì)續(xù)駛里程估計(jì)得無法反映出來也不利于引導(dǎo)駕駛員采取合理的駕駛習(xí)慣;同樣若續(xù)駛里程估計(jì)僅采用過去一段時(shí)間歷史能耗，在駕駛員駕駛習(xí)慣、道路擁堵路況和空調(diào)開啟狀態(tài)變化時(shí)，續(xù)駛里程估計(jì)存在跳變值過大問題，給駕駛員帶來的續(xù)駛里程顯示感受性變差。首先，根據(jù)動(dòng)力電池標(biāo)稱容量和車輛NEDC工況下續(xù)駛里程實(shí)驗(yàn)值，進(jìn)行計(jì)算NEDC能耗eNEDC。其次，對(duì)車速進(jìn)行積分計(jì)算過去一段時(shí)間車輛行駛里程，同時(shí)根據(jù)動(dòng)力電池電量的變化量估算對(duì)應(yīng)行駛里程所消耗的電能，計(jì)算過去一段時(shí)間內(nèi)真實(shí)能耗eAVG。最后，車輛能耗預(yù)測采用NEDC工況能耗eNEDC和過去一段時(shí)間內(nèi)真實(shí)能耗eAVG進(jìn)行加權(quán)估算車輛能耗e，計(jì)算公式如下：

2 續(xù)駛里程估計(jì)算法開發(fā)

2.1 動(dòng)力電池剩余可用能量估計(jì)

與傳統(tǒng)燃油汽車相比，純電動(dòng)車輛剩余可用電能估計(jì)無法像油液傳感器那樣直接來測量，因?yàn)閯?dòng)力電池組的剩余可用電量受單體一致性和環(huán)境溫度影響大，尤其在溫度過低和高速行駛大電流放電時(shí)，動(dòng)力電池剩余可用能量會(huì)急劇減少。如果整車控制器僅根據(jù)動(dòng)力電池SOC狀態(tài)無法精確估計(jì)動(dòng)力電池剩余可用電能。動(dòng)力電池剩余可用能量估計(jì)的計(jì)算過程：

2.1.1 SOCEND預(yù)測

根據(jù)動(dòng)力電池SOC、端電壓、電池溫度、單體溫度MAX/MIN值、電池故障狀態(tài)信息、單體電壓MAX/MIN值、單體電壓壓差、環(huán)境溫度及過去一段時(shí)間內(nèi)放電電流大小對(duì)動(dòng)力電池放電截至SOCEND進(jìn)行預(yù)測。

2.1.2 SOH值修正

根據(jù)動(dòng)力電池等效的循環(huán)壽命和日歷壽命信息以及單次小計(jì)SOC變化量和單次小計(jì)放電能量值對(duì)動(dòng)力電池的SOH值進(jìn)行修正。

2.1.3 剩余可用電能計(jì)算

電池當(dāng)前SOC與放電截至SOCEND得到電池可用的?SOC量與動(dòng)力電池的額定能量進(jìn)行相乘，再與SOH修正值進(jìn)行相乘，即可得到動(dòng)力電池的剩余可用能量E，動(dòng)力電池剩余可用能量估計(jì)原理如圖3所示。

2.2 歷史能耗估計(jì)

根據(jù)車輛輪轂臺(tái)架NEDC工況能耗eNEDC和過去固定一段時(shí)間周期內(nèi)歷史能耗eAVG，進(jìn)行開發(fā)車輛歷史能耗估計(jì)控制策略，詳細(xì)如圖所示。

2.2.1 δ_SOC=0||δ_Mileage=0

若過去固定一段時(shí)間周期內(nèi)，動(dòng)力電池電量消耗量δ_SOC為0或車輛累計(jì)行駛里程δ_Mileage為0，車輛歷史能耗采用NEDC工況能耗，計(jì)算公式為：

2.2.2 δ_SOC≠0 &&δ_Mileage≠0

在過去固定一段時(shí)間周期內(nèi)，對(duì)車速進(jìn)行積分計(jì)算車輛行駛里程δ_Mileage，同時(shí)根據(jù)動(dòng)力電池電量的變化量δ_SOC估算對(duì)應(yīng)行駛里程所消耗電能δ_E，計(jì)算過去固定一段時(shí)間周期內(nèi)實(shí)際能耗eAVG。若過去固定一段時(shí)間周期內(nèi)動(dòng)力電池電量δ_SOC≠0

且車輛行駛里程累積量δ_Mileage≠0時(shí)，車輛歷史能耗計(jì)算公式為：

2.2.3 歷史能耗計(jì)算

采用一個(gè)長度為N的隊(duì)列eN，采用滑動(dòng)均值濾波處理的方法對(duì)車輛歷史能耗進(jìn)行平滑濾波處理，隊(duì)列里面能耗數(shù)據(jù)ei在固定周期性（ΔT）內(nèi)來不斷更新。每計(jì)算得到一個(gè)車輛歷史能耗新采樣值遵循“先進(jìn)先出”的原則更新隊(duì)列，對(duì)歷史能耗數(shù)據(jù)起到序列平滑的作用，增強(qiáng)能耗數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，環(huán)形隊(duì)列濾波函數(shù)公式為：

2.3 剩余里程估算

首先，根據(jù)動(dòng)力電池剩余可用電能估計(jì)值E和車輛歷史能耗估計(jì)值e進(jìn)行估算得車輛續(xù)駛里程值S，其計(jì)算公式為：

3 剩余里程估計(jì)試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

環(huán)境溫度：-10℃;車輛狀態(tài)：空調(diào)24℃、ECO模式;綜合路況：含高速、低速和郊區(qū)路況，其中綜合工況詳細(xì)說明見下圖4：

3.2 試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

在整個(gè)試驗(yàn)過程中估計(jì)續(xù)駛里程DTE和實(shí)際行駛里程之間邏輯關(guān)系圖如圖5所示，里程預(yù)估相對(duì)保守，在SOC23--83%之間實(shí)際里程平均高于預(yù)估里程1.07倍，低預(yù)估階段占比全程60%的區(qū)間，該區(qū)間實(shí)際行駛略高于預(yù)估里程。里程預(yù)估相對(duì)準(zhǔn)確，DTE顯示策略可根據(jù)溫度變化、用戶駕駛習(xí)慣等因素實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整，可為用戶提供較準(zhǔn)確的續(xù)駛里程信息，消除里程焦慮。

4 結(jié)語

本文針對(duì)某電動(dòng)車前期示范運(yùn)營過程中用戶重點(diǎn)關(guān)心的續(xù)駛里程估計(jì)精度低和電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]等問題，提出了提高續(xù)駛里程估計(jì)精度的具體方案：設(shè)計(jì)了電池可用能量估計(jì)和車輛能耗估計(jì)模型，準(zhǔn)確地估計(jì)了電動(dòng)汽車的剩余里程，有助于減少電動(dòng)車?yán)锍探箲]問題。

1）所開發(fā)的動(dòng)力電池可用剩余能量估計(jì)軟件功能模塊在不直接估計(jì)電量狀態(tài)SOC的情況下，整車控制器結(jié)合動(dòng)力電池溫度、單體電壓狀態(tài)對(duì)對(duì)剩余可用SOC進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)力電池剩余可用電能的估計(jì)，方案集成性好，對(duì)原BMS軟件改動(dòng)小，開發(fā)周期短。

2）能耗估計(jì)功能模塊根據(jù)NEDC經(jīng)驗(yàn)?zāi)芎暮瓦^去一段內(nèi)歷史能耗兩種能耗進(jìn)行歷史能耗估計(jì)，該方案既能實(shí)時(shí)反映駕駛習(xí)慣對(duì)能耗的影響，又能保證歷史能耗數(shù)值的連續(xù)性。

3）續(xù)駛里程修正模塊，根據(jù)溫度、空調(diào)附件和駕駛模式使用狀態(tài)，對(duì)續(xù)駛里程估計(jì)值進(jìn)行修正，直觀地反映駕駛員操作對(duì)續(xù)駛里程的影響，有利于使用戶樣車節(jié)能駕駛的習(xí)慣。

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作者簡介：張帥領(lǐng)（1985-），男，河南柘城人，碩士研究生，主要研究方向：新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究。