梁榮榮,秦李偉,徐愛琴,龐艷紅,趙久志
(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心,新能源汽車研究院,安徽 合肥 230601)
基于產(chǎn)業(yè)化電動(dòng)車剩余里程的估算方法研究
梁榮榮,秦李偉,徐愛琴,龐艷紅,趙久志
(安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心,新能源汽車研究院,安徽 合肥 230601)
剩余里程預(yù)測是電動(dòng)汽車能量管理的重要的參數(shù)之一。文章基于鋰離子電池,根據(jù)當(dāng)前電池剩余能量和NEDC工況下的平均公里能耗(W 平均),計(jì)算剩余里程的基礎(chǔ)值;并根據(jù)當(dāng)前車輛實(shí)時(shí)公里能耗(W 實(shí)時(shí))和NEDC工況的平均公里能耗(W 平均)的比較結(jié)果,修正剩余里程。通過實(shí)車不同工況試驗(yàn)驗(yàn)證,剩余里程的估算精度達(dá)到6%。
電動(dòng)汽車;剩余里程;平均公里能耗
Abstract:The prediction of the remaining mileage is one of important parameters of electric vehicle energy management.Based on lithium-ion battery, the current residual energy and NEDC working condition of the average energy consumption of km, the basis of the remaining mileage value can be calculated. According to the comparison results of current real-time energy consumption of km and NEDC working condition of the average energy consumption of km, the remaining mileage can be corrected. By experimental verification of different vehicle working conditions, the estimation accuracy of the remaining mileage reached 6%.
Keywords: electric vehicle; remaining mileage; average energy consumption of km
CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-109-04
電動(dòng)車實(shí)際使用工況復(fù)雜、車輛時(shí)時(shí)能耗變化率大,對剩余里程估算帶來挑戰(zhàn),里程估計(jì)值與實(shí)際可行駛距離相差很大。導(dǎo)致用戶擔(dān)心現(xiàn)有的電量不能確保車輛到達(dá)目的地,產(chǎn)生所謂“里程焦慮感”,降低對電動(dòng)汽車的使用信心。
目前國內(nèi)電動(dòng)汽車的剩余里程計(jì)算,多是采用電池的剩余能量除以車輛實(shí)時(shí)公里能耗計(jì)算得到剩余里程,這種算法的弊端是沒有考慮多種因素對電池剩余能量的影響,同時(shí)實(shí)時(shí)公里能耗會(huì)隨著車輛使用工況變化,使剩余里程估計(jì)值波動(dòng)較大,估計(jì)精度較低。
本文主要基于NEDC標(biāo)準(zhǔn)工況計(jì)算輔之修正策略來估算電動(dòng)車剩余里程。根據(jù)當(dāng)前電池剩余能量和NEDC工況下的平均公里能耗(W 平均),計(jì)算剩余里程的基礎(chǔ)值;并根據(jù)當(dāng)前車輛實(shí)時(shí)公里能耗(W實(shí)時(shí))和NEDC工況的平均公里能耗(W平均)的比較結(jié)果,修正值剩余里程。該算法同時(shí)考慮:瓦時(shí)積分誤差、電池不同溫度充放電效率、不同使用工況、單體不一致性差異等因素的影響。結(jié)合產(chǎn)業(yè)化電動(dòng)車的特點(diǎn),針對上述影響因素,設(shè)計(jì)算法策略并進(jìn)行驗(yàn)證。
本文所開展的試驗(yàn)依托江淮某純電動(dòng)車平臺(tái)。
NEDC:New European Driving Cycle SOE:state of energy能量狀態(tài)或剩余能量
OCV:open circuit voltage 開路電壓
剩余里程估算方法:采集得到動(dòng)力電池總成母線電壓U母、母線電流I母,計(jì)算當(dāng)前電池已用能量E用= U母*I母dt(公式1),E remain=E initial-Euse(公式2)。根據(jù)NEDC工況下的平均公里能耗W平均,計(jì)算出剩余里程的基礎(chǔ)值。S basis=Eremain/W average(公式 3)。
選擇特定的里程L為單位,計(jì)算距離當(dāng)前時(shí)刻最近的前N個(gè)里程單位的能量消耗并保存在控制單元中,并實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的更新,得到當(dāng)前實(shí)時(shí)的公里能耗W實(shí)時(shí)。將實(shí)時(shí)公里能耗與NEDC工況下的平均公里能耗W平均相比,計(jì)算剩余里程的修正值S revise = Σ W real-time/ W average * L(公式 4)。
剩余里程的計(jì)算為S = S basis + S revise(公式5)。
電池剩余能量和實(shí)時(shí)公里消耗的準(zhǔn)確估算對剩余里程估算起到?jīng)Q定性作用。針對瓦時(shí)積分法引起的SOE估算精度誤差原因進(jìn)行分析,提出在以下估算策略。
2.1.1 溫度對剩余能量算法的影響
由于不同溫度下放電能量的差異會(huì)引起SOE估算誤差,不同溫度下電池組的放電能量系數(shù)如下表1所示。具體策略為:
(1)充電結(jié)束后首次放電模式下,檢測電池單體溫度,根據(jù)電池單體最低溫度線性插值,求得當(dāng)前溫度下電池組對應(yīng)的放電能量系數(shù),置入當(dāng)前SOE計(jì)算能量的基準(zhǔn)值。
(2)相鄰兩次充電間隔內(nèi)只做一次不同溫度下的放電能量系數(shù)修正。
表1 不同溫度下的放電能量效率
2.1.2 單體一致性對剩余能量算法的影響
受電池制造商工藝水平的限制,電池的難題存在容量、內(nèi)阻、電壓等不一致性。針對該種情況,電池組充電截止電壓以最高單體先到達(dá)滿電結(jié)束條件為準(zhǔn),放電截止電壓以最差單體先到達(dá)充電條件為準(zhǔn),兩者之間的能量差是導(dǎo)致放電SOE誤差較大的重要原因之一。具體策略為:
(1)放電SOE調(diào)節(jié):在充電末期記錄下本次充滿電時(shí)最差電池單體Vmin,計(jì)算與其Vmax之間的差值,并折算成SOE誤差,放電過程中,將這SOE誤差以0.1%/s的修正速度往低修正。本次放電,再次放電,策略持續(xù),充電時(shí)策略清除。
(2)SOE-OCV修正:在電池充電或放電結(jié)束靜置時(shí),此時(shí)電池單體電壓趨于穩(wěn)定狀態(tài),根據(jù)電壓恢復(fù)時(shí)間等參數(shù),制訂了OCV-SOE修正策略。
OCV-SOE修正條件:
1)靜置時(shí)間大于1小時(shí)后充電或放電狀態(tài);
2)充放電電流<1A(確保電池穩(wěn)定);
3)獲得Vmin,查表獲得此單體電壓對應(yīng)的SOE修;
4)SOE修∈(0,40%)||(60%,100%)
5)SOE修正幅度>4%;6)將當(dāng)前SOE修正至目標(biāo)值。
表2 不同溫度下的SOE-OCV
2.1.3 實(shí)時(shí)公里能耗對剩余里程算法的影響
車輛在行駛過程中,車輛每行駛0.1km后,記錄第一個(gè)0.1km消耗的能量,同理得到第二個(gè)0.1km消耗的能量,取第N個(gè)0.1 km消耗的能量求和進(jìn)行平均值,作為當(dāng)前實(shí)時(shí)公里能耗計(jì)算的能量消耗值。由于能量消耗值取平均值,相當(dāng)于對實(shí)時(shí)公里能耗進(jìn)行平滑處理,在急加速、急減速等工況下,不會(huì)造成剩余里程的突增、突減,降低了剩余里程的波動(dòng)性,具有實(shí)用性。
2.1.4 空調(diào)開啟與否對剩余里程算法的影響
車輛行駛過程中,開啟空調(diào)過程中的能量消耗需在實(shí)時(shí)公里能耗中去除,單獨(dú)計(jì)算其能量消耗,避免開啟空調(diào)對計(jì)算實(shí)時(shí)公里能耗產(chǎn)生影響。采用動(dòng)態(tài)查表的方法矯正剩余里程,根據(jù)目前電池包剩余能量狀態(tài)SOE查詢對應(yīng)空調(diào)消耗的里程,空調(diào)開啟時(shí)按照下表3進(jìn)行線性插值(如SOE為60%,對應(yīng)的剩余里程減少值為18km);將當(dāng)前能量計(jì)算的剩余里程減去空調(diào)消耗的里程即可。關(guān)閉空調(diào)時(shí),根據(jù)當(dāng)前的SOE值,將當(dāng)前能量計(jì)算的剩余里程增加空調(diào)消耗的里程。具體計(jì)算流程見下圖1。
表3 SOE對應(yīng)的剩余里程減少值
2.1.5 電池能量衰減對剩余里程算法的影響
隨著動(dòng)力電池循環(huán)次數(shù)的增加,電池管理系統(tǒng)根據(jù)一定的條件計(jì)算當(dāng)前電池的SOH(電池健康度),置入當(dāng)前SOE計(jì)算能量的基準(zhǔn)值。
在電池正常的情況下,根據(jù)儀表里程按照每行駛 1000 km,SOH衰減0.1%來計(jì)算,記SOH。
(1)轉(zhuǎn)榖工況驗(yàn)證方法:
1)試驗(yàn)車輛在常溫下充滿電后靜置30min,在轉(zhuǎn)榖上用工況法放電至單體保護(hù):低溫(-10℃)NEDC工況、間歇性開空調(diào)NEDC工況(間隔時(shí)間20min)(見圖3)、長程充電模式NEDC工況、高溫(45℃)開空調(diào)NEDC工況(見圖4);
2)用管理系統(tǒng)軟件記錄 SOE、實(shí)時(shí)平均公里能耗、車輛實(shí)際行駛里程。
(2)道路工況驗(yàn)證方法:
1)試驗(yàn)車輛在常溫下充滿電后,靜置30min,進(jìn)行城市/城郊、強(qiáng)化路面的試驗(yàn),放電至單體保護(hù);
2)用管理系統(tǒng)軟件、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)記錄 SOE、剩余里程、車輛實(shí)際行駛里程。
剩余里程為0km時(shí)記錄行駛的里程L1,至單體保護(hù)時(shí)行駛的里程L2,剩余里程的估算精度為(L2-L1)/L2。
圖1 開啟空調(diào)計(jì)算流程
圖2 轉(zhuǎn)榖試驗(yàn)臺(tái)架
圖3 轉(zhuǎn)榖和環(huán)境倉試驗(yàn)臺(tái)架
3.2.1 剩余里程轉(zhuǎn)榖工況精度驗(yàn)證結(jié)果
圖4 低溫開空調(diào)NEDC工況剩余里程示意圖
圖5 長程模式NEDC工況剩余里程示意圖
從圖1低溫(-10℃)NEDC工況(P0-1試驗(yàn)樣車)剩余里程估算示意圖中可以看出:放電全程(SOC100%-0%)SOC/剩余里程無跳變起伏,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)下降。剩余里程為0km時(shí),里程為里程為132km,繼續(xù)行駛8km至單體保護(hù),剩余里程估算精度為5.7%。
從圖2長程充電模式下NEDC工況(P0-4試驗(yàn)樣車,放電全過程不開啟空調(diào))剩余里程估算示意圖中可以看出:放電全程(SOC100%-0%)SOC/剩余里程無跳變起伏,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)下降。剩余里程為0km時(shí),里程為里程為170km,繼續(xù)行駛10km至單體保護(hù),剩余里程估算精度為5.88%。
圖7 間歇性開空調(diào)NEDC工況剩余里程示意圖
圖8 高溫開空調(diào)NEDC工況剩余里程示意圖
從圖3間歇性開空調(diào)NEDC工況(N8試驗(yàn)樣車)剩余里程估算示意圖中可以看出:放電全程(SOC100%-0%)SOC/剩余里程無跳變起伏,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)下降。剩余里程為0km時(shí),里程為114km,繼續(xù)行駛6km至單體保護(hù),剩余里程估算精度為5.3%。
從圖4高溫(45℃)開空調(diào)NEDC工況(P0-1試驗(yàn)樣車)剩余里程估算示意圖中可以看出:放電全程(SOC100%-0%)SOC/剩余里程無跳變起伏,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)下降。剩余里程為0km時(shí),里程為100km,繼續(xù)行駛3km至單體保護(hù),剩余里程估算精度為2.9%。
3.2.2 剩余里程道路工況精度驗(yàn)證結(jié)果
表4 道路工況剩余里程估算精度
結(jié)合電動(dòng)車的實(shí)際使用環(huán)境和工況,通過溫度對能量影響、電池一致性對算法的影響、能量消耗值對實(shí)時(shí)公里能耗的影響、電池容量衰減對算法的影響等進(jìn)行了原因分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。此策略方法簡單、使用、可靠,此剩余里程的估算方法已在江淮某批量生產(chǎn)的電動(dòng)車上進(jìn)行了應(yīng)用,結(jié)果表明轉(zhuǎn)榖試驗(yàn)、城市道路試驗(yàn),剩余里程的估算精度均滿足<6%,滿足面向產(chǎn)業(yè)化電動(dòng)車電池系統(tǒng)剩余里程的估算需求,保證整車運(yùn)行的動(dòng)力性、安全性、穩(wěn)定性。
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Research on accuracy improving of residual battery mileage Estimation for Industrialized Electric Vehicle
Liang Rongrong, Qin Liwei, Xu Aiqin, Pang Yanhong, Zhao Jiuzhi
(New energy vehicle academy, Technical Center, AnHui JiangHuai Automobile group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)
U469.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號:1671-7988 (2017)18-109-04
10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.037
梁榮榮,就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心,新能源汽車研究院。