純電動(dòng)汽車REESS的電壓電流采集方法研究

龔春忠 張永 王可峰 孟凱

摘 ?要：本文闡述了純電動(dòng)汽車REESS（On-board Rechargeable Energy Storage System，車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)）的電壓、電流的采集原理及精度測(cè)評(píng)方法，并說(shuō)明該方法在新標(biāo)準(zhǔn)的能量消耗量與續(xù)駛里程試驗(yàn)以及大數(shù)據(jù)云端數(shù)據(jù)構(gòu)建中的應(yīng)用。使用橫河WT3000E功率分析儀高精度設(shè)備與車輛CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)采集的電壓、電流結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，證明車輛傳感器的精度及有效性。通過(guò)設(shè)置不同的采樣頻率對(duì)數(shù)據(jù)線性插值，為大數(shù)據(jù)構(gòu)建中，REESS的電壓電流采樣頻率提供建議。分析結(jié)果表明，車載傳感器精度滿足試驗(yàn)精度要求，大數(shù)據(jù)應(yīng)用中，采樣頻率應(yīng)要高于1Hz以滿足能耗分析精度要求。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;REESS的電壓電流;大數(shù)據(jù)技術(shù);能量消耗率與續(xù)駛里程

中圖分類號(hào)：U467.1+2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2020）05-0002-05

Abstract： This paper describes the collection principle and accuracy evaluation method of voltage and current of pure electric vehicle REESS （ On-board Rechargeable Energy Storage System ） ， and explains the application of this method in the energy consumption and driving range test of the new standard and the construction of big data cloud data. The high precision equipment of Yokogawa WT3000E power analyzer is used to compare and analyze the voltage and current results collected by the vehicle can network signal， which proves the accuracy and limitation of the vehicle sensor. By setting different sampling frequency to interpolate the data linearly， we can provide suggestions for the voltage and current sampling frequency of REESS in the construction of big data. The analysis results show that the accuracy of vehicle borne sensor meets the requirements of test accuracy. In the application of big data， the sampling frequency must be at least higher than 1Hz to meet the requirements of analysis of energy consumption.

Key Words： Pure Electric Vehicle; Voltage and Current of REESS; Big Data Technology; Energy Consumption Rate and Driving Range

隨著汽車智能網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，整車能量消耗量與續(xù)駛里程試驗(yàn)方法不斷更新，2019年3月，中國(guó)汽研在京發(fā)布“中國(guó)新能源汽車評(píng)價(jià)規(guī)程”體系框架[1]，評(píng)價(jià)分為單車測(cè)試評(píng)價(jià)和車群大數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)兩個(gè)方面，根據(jù)消費(fèi)者使用習(xí)慣和新能源汽車特點(diǎn)，擬定能耗、安全、體驗(yàn)3個(gè)評(píng)價(jià)維度，并從上百項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)中遴選了能量消耗率、續(xù)駛里程、充電效能、使用安全、駕駛體驗(yàn)、質(zhì)量體驗(yàn)10個(gè)二級(jí)指標(biāo)[2]。

電動(dòng)汽車領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)具備“4V”特征，即規(guī)模大（volume）、類型多（variety）、價(jià)值密度低（value）和變化快（velocity）[3]。電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入大數(shù)據(jù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，應(yīng)該用大數(shù)據(jù)的思維觀念來(lái)挖掘數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值[4]。

大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)是車載傳感器數(shù)據(jù)采集的可靠性，《GB/T 18386.1-2020 電動(dòng)汽車能量消耗量和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第1部分：輕型汽車》[5]允許在證明車載傳感器精度滿足要求的情況下使用其數(shù)據(jù)作為能量消耗量與續(xù)駛里程結(jié)果的分析依據(jù)。在眾多大數(shù)據(jù)挖掘與分析課題中，均需要依托于傳感器的精度，包括基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的制動(dòng)策略優(yōu)化[6]，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的減速器速比優(yōu)化[7]等。如何保證車載傳感器的精度以及采樣頻率滿足精度分析需求成為需要深入探討的課題。本文以室內(nèi)底盤(pán)測(cè)功機(jī)上測(cè)試能量消耗量與續(xù)駛里程試驗(yàn)為基礎(chǔ)，基于車載傳感器與功率分析儀同時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，以功率分析儀所采數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，分析車載傳感器的精度，提出在大數(shù)據(jù)平臺(tái)中能量消耗量及續(xù)駛里程相關(guān)指標(biāo)采樣頻率的要求。

1 ? ?新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)REESS電壓電流的采集要求

GB/T 18386.1 [5]規(guī)定了試驗(yàn)過(guò)程中采集電壓與電流的設(shè)備精度要求。

采集電壓的設(shè)備精度滿足：分辨率高于0.1V，準(zhǔn)確度±0.3%FSD或讀數(shù)的±1%;

采集電流的設(shè)備精度滿足：分辨率高于0.1A，準(zhǔn)確度±0.3%FSD或讀數(shù)的±1%，且采樣頻率應(yīng)高于20Hz。

電流傳感器應(yīng)通過(guò)連接到REESS電纜對(duì)其電流進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)電流應(yīng)為REESS總電流。在屏蔽線的情況下，應(yīng)根據(jù)汽車生產(chǎn)企業(yè)要求并經(jīng)由檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的確定進(jìn)行適當(dāng)處理。通常企業(yè)的做法是做轉(zhuǎn)接一套接插線束，如圖1所示。

2 ? ?循環(huán)能量消耗量定義傳感器電壓/電流精度

車輛按照標(biāo)準(zhǔn)工況在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上行駛，可測(cè)得車輛行駛過(guò)程中的秒采數(shù)據(jù)，包括REESS的電壓電流、車輛的車速。通過(guò)秒采數(shù)據(jù)的積分處理，可以獲得在一個(gè)循環(huán)下車輛驅(qū)動(dòng)能量、回收能量、綜合驅(qū)動(dòng)能量、驅(qū)動(dòng)電量、回收電量、綜合電量、能量回收率、電量回收率、循環(huán)行駛里程、百公里能量消耗量等參數(shù)。如表1所示為同一次試驗(yàn)中，使用功率分析儀和車載傳感器獲取的5個(gè)循環(huán)分析數(shù)據(jù)。實(shí)際上測(cè)了36個(gè)循環(huán)，這里選擇前5個(gè)循環(huán)作為示例。

傳感器的精度比較維度很多，最基本的維度是比較傳感器自身的計(jì)量精度，通常在傳感器的規(guī)格書(shū)上可以獲取。本文所述示例中，車載傳感器型號(hào)為L(zhǎng)EM的CAB500-C/SP5，精度<0.5%;功率分析儀所用傳感器型號(hào)為YOKOGAWA的WT3000E與CT1000，精度<0.05%。

而測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試人員最關(guān)心的結(jié)果是循環(huán)能量消耗量。在 GB/T 18386.1 中定義的縮短法 試驗(yàn)中，該值用于計(jì)算直流輸出端的百公里能量消耗量和續(xù)駛里程。因此，本文采用各循環(huán)的百公里能量消耗量的結(jié)果作為傳感器精度的判定依據(jù)。

3 ? ?功率分析儀與車載傳感器采集電壓/電流數(shù)據(jù)精度分析

在同一次試驗(yàn)中采用兩種測(cè)試方法獲得電壓電流數(shù)據(jù)，共執(zhí)行了36個(gè)循環(huán)，分別對(duì)電壓、電流、能量消耗量的精度進(jìn)行分析如下。

3.1 ? 電壓/電流傳感器插值及其分布

車載傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)解析車輛CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲得，功率分析儀數(shù)據(jù)可直接獲得。獲取數(shù)據(jù)后首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘對(duì)齊處理。對(duì)齊后，因采樣時(shí)間點(diǎn)不一致，導(dǎo)致不能直接對(duì)比。而車載傳感器電壓分辨率較低，因此，將功率分析儀采集的電壓/電流數(shù)據(jù)采樣時(shí)間點(diǎn)以車載傳感器的測(cè)試點(diǎn)為基準(zhǔn)進(jìn)行線性插值，以獲取相同時(shí)刻下的電壓/電流數(shù)據(jù)對(duì)比。

本文示例中總共進(jìn)行了12小時(shí)2分26秒的數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為20Hz，共獲得866743個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比和分布分析，可獲得圖2所示結(jié)果。電壓差值的均值為0.2577V，標(biāo)準(zhǔn)差為0.2129V。同理，可獲得電流分布如圖3所示，電流差值的均值為-0.0388A，標(biāo)準(zhǔn)差為4.0172A。

該評(píng)價(jià)方法是基于時(shí)間是絕對(duì)精確的條件下對(duì)比的。當(dāng)時(shí)間采樣有推前或滯后時(shí)，所獲得的對(duì)比結(jié)果將受影響。由于工況影響，電流隨時(shí)間變化更為劇烈，所以上述分析結(jié)論中得出電流標(biāo)準(zhǔn)差較大，插值分布較廣的結(jié)論。

3.2 ? 循環(huán)能量消耗量比較

為了綜合考核所采集數(shù)據(jù)的精度，本文第2節(jié)提出使用循環(huán)能量消耗量對(duì)比法。圖4所示為各循環(huán)能量消耗量對(duì)比圖，將差值做分布分析，可得圖5所示結(jié)果。均值為：-0.0304kWh/100km;標(biāo)準(zhǔn)差為：0.0786kWh/100km。

GB/T 18386.1規(guī)定要求循環(huán)能量精度修整到0.1kWh/100km，因此，以功率分析儀采集數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，車載傳感器所采集的電壓電流精度符合循環(huán)能量消耗量的要求。

3.3 ? 其他車型數(shù)據(jù)樣本

使用相同的方法，對(duì)比分析另一款車型的傳感器精度。該車型總共進(jìn)行了9小時(shí)55分20秒的數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為1Hz，共獲得35700個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比和分布分析，可獲得圖6所示結(jié)果。電壓差值的均值為-0.0431V，標(biāo)準(zhǔn)差為0.3727V。同理，可獲得電流分布如圖7所示，電流差值的均值為-0.0667A，標(biāo)準(zhǔn)差為0.0958A?？芍撥囆偷木雀哂谥暗氖纠?。在新開(kāi)發(fā)車型或新開(kāi)發(fā)REESS系統(tǒng)時(shí)，初次測(cè)試，可用該方法判斷其傳感器精度。

4 ? ?不同采樣頻率下循環(huán)能量消耗量分析及其大數(shù)據(jù)應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 32960.3-2016 電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 第3部分：通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式》[8]規(guī)定了車輛需要上傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)至云端。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，各企業(yè)均已實(shí)現(xiàn)該能力。當(dāng)前，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上傳時(shí)間間隔不能高于10s。為了大數(shù)據(jù)能提供給開(kāi)發(fā)人員逆向分析與不同客戶定制化辨識(shí)，需要對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)的采樣頻率進(jìn)行確定。采樣頻率太低了會(huì)造成分析失真，采樣頻率太高又會(huì)造成歷史數(shù)據(jù)量太大，存儲(chǔ)成本太高的問(wèn)題。因此需要詳細(xì)分析采樣頻率對(duì)精度的影響。本文主要研究能量消耗量，因此分析的數(shù)據(jù)主要為車速以及REESS的電壓與電流。依然以第2節(jié)所示數(shù)據(jù)為示例，分析不同采樣時(shí)間間隔對(duì)車輛循環(huán)能量消耗量的影響。人為調(diào)整采樣間隔，如圖8所示，將采樣時(shí)間間隔調(diào)整成1s與原始采用間隔為0.05s的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可知其依然能較好地表現(xiàn)電流的變化狀態(tài)。將采樣時(shí)間間隔從0.05s到12s，各采樣間隔分析一段循環(huán)能量消耗量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，得到如圖9所示的結(jié)果 ：

由圖9可知，為了令能量消耗量精度估算準(zhǔn)確，應(yīng)將采樣頻率提高到0.2Hz以上。而采樣頻率高于1Hz時(shí)，精度已變化較小，此時(shí)傳感器精度起主導(dǎo)作用，而不是采樣頻率起主導(dǎo)作用。因此，大數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)時(shí)，大數(shù)據(jù)采集車速、電壓、電流的采樣頻率應(yīng)升級(jí)到1Hz較為合理。

5 ? ?結(jié)論

采用車載傳感器數(shù)據(jù)測(cè)評(píng)整車能量消耗量及續(xù)駛里程等眾多動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，將是電動(dòng)汽車大數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要方向。本文以功率分析儀所采數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，評(píng)價(jià)車載傳感器數(shù)據(jù)在能量消耗量的評(píng)價(jià)指標(biāo)精度可達(dá)0.02kWh/100km的精度等級(jí)。大數(shù)據(jù)的電壓、電流、車速信息采集頻率應(yīng)高于0.2Hz，才能較為精確地分析測(cè)量的能量消耗量≤0.1kWh/100km的精度要求。下一步研究工作是車載電機(jī)轉(zhuǎn)速，扭矩信號(hào)的精度分析，應(yīng)用于大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用中。

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