0 引言

    電動汽車具有低污染、低噪音的顯著特點,使之引領(lǐng)未來汽車工業(yè)的發(fā)展方向。但電池技術(shù)的優(yōu)劣嚴重影響電動汽車的發(fā)展，其中電動汽車剩余里程的預(yù)測是關(guān)鍵技術(shù)之一。SOC是電池能量管理系統(tǒng)（BMS）的主要參數(shù)，它與電動汽車的剩余電量和剩余行駛路程具有近似線性關(guān)系。電動汽車的剩余里程與電池端電壓、充放電電流、電池溫度、坡度、車載燈飾的耗能、循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)。純電動汽車剩余里程的預(yù)測是用戶最關(guān)心的參數(shù)之一，其能有效消除駕駛員因擔(dān)心剩余里程達不到目的地而產(chǎn)生的里程焦慮^[1]。因此精確、迅速、穩(wěn)定地預(yù)測電動汽車剩余里程的研究具有重要意義。

    目前，電動汽車剩余里程的預(yù)測主要有直接預(yù)測和間接預(yù)測兩類方法。直接預(yù)測法根據(jù)測量剩余里程的表征參數(shù)，如剩余電量、標(biāo)準(zhǔn)里程、坡度系數(shù)和車載設(shè)備耗電量等建立數(shù)學(xué)模型，直接得出剩余里程；間接預(yù)測法主要根據(jù)剩余里程與剩余SOC之間的強映射關(guān)系，在標(biāo)準(zhǔn)里程確定的情況下二者可以相互轉(zhuǎn)化，通過預(yù)測電池的SOC間接測量剩余里程^[2]。預(yù)測電池SOC的方法主要有安時積分法、開路電壓法(OCV)、卡爾曼濾波法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制。本文針對現(xiàn)有方法誤差大、自適應(yīng)性差的不足，基于優(yōu)化OCV法及利用STM32對純電動汽車剩余里程的實時預(yù)測進行優(yōu)化研究。

1 剩余里程預(yù)測原理

1.1 優(yōu)化OCV法預(yù)測初值SOC₀

    當(dāng)電池靜置足夠長時，能有效消除電池內(nèi)部化學(xué)、電極化現(xiàn)象，此時開路電壓（OCV）約等于電池端電壓(U_b)^[3]。當(dāng)電池靜置足夠長時，內(nèi)部達到化學(xué)平衡，測得U_b-SOC數(shù)據(jù),然后擬合出映射函數(shù)，再測得U_b，利用映射函數(shù)間接測得SOC。該方法簡單易操作，應(yīng)用廣泛^[4]。如圖1所示，大量放電實驗表明，電池SOC與OCV存在近遞增關(guān)系，SOC較大階段預(yù)測誤差比較小，在SOC<0.4后誤差遞增，此時利用OCV法預(yù)測初值(SOC₀)誤差比較小^[5]。利用Isqurvefit進行擬合，得到相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系為：

1.2 剩余里程預(yù)測模型

    影響電動汽車動力剩余里程預(yù)測的因素主要有內(nèi)部電池包因素(如電池端電壓、充放電電流、電池溫度、循環(huán)次數(shù)等)和外部因素(如已行駛路程、道路坡度、載荷、車載設(shè)備的耗能等)。為了精確、迅速、穩(wěn)定地預(yù)測電動汽車剩余里程，優(yōu)選內(nèi)部因素電池端電壓U_b和外部因素已行駛路程、道路坡度與車載設(shè)備的耗能作為預(yù)測剩余里程的表征參數(shù)。

    剩余里程與剩余SOC之間具有近似線性的映射關(guān)系，在標(biāo)準(zhǔn)里程確定的情況下，二者可以近似正比關(guān)系。為了使剩余里程的預(yù)測具有自適應(yīng)性，定義動態(tài)S_N和SOC_N。

    (1)標(biāo)準(zhǔn)里程S_N：電動汽車的額定行駛里程會隨著汽車本身的折舊和外部因素漸進性的改變，因此為減小累積里程誤差，定義標(biāo)準(zhǔn)里程S_N，電池容量或道路坡度里程每達到一次設(shè)定值時更新一個末值，如式(2)。

    (2)標(biāo)準(zhǔn)容量SOC_N：電動汽車電池的額定容量會隨著循環(huán)次數(shù)、溫度和健康狀態(tài)(SOH)等因素漸進減少，因此為了減小累積SOC誤差，溫度或者循環(huán)次數(shù)達每到設(shè)定值一次時更新一個末值，如式(3)。             

    在標(biāo)準(zhǔn)里程S_N和標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)容量SOC_N確定后，把其他相應(yīng)參數(shù)轉(zhuǎn)化為里程參數(shù)。由式(1)可得到初始SOC₀，再轉(zhuǎn)化為初始里程參數(shù)S₀；η₁為轉(zhuǎn)化折損系數(shù)，由實驗測試得式(4)。

    (4)設(shè)備能耗里程參數(shù)的轉(zhuǎn)化：電動汽車的車載設(shè)備也會消耗電能，非必須耗能設(shè)備(如照明燈、音響和空調(diào)等)會干擾剩余里程的預(yù)測，其他必用設(shè)備已經(jīng)考慮在標(biāo)準(zhǔn)里程S_N和標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)容量SOC_N中，因此不會干擾剩余里程的預(yù)測，不必再計算。把非必須耗能設(shè)備的總額定容量累積后再轉(zhuǎn)化為里程值S_con：

2 預(yù)測剩余里程硬件設(shè)計

    純電動汽車載系統(tǒng)設(shè)備要求在滿足功能需求時盡可能體積小、功耗低、運行快和穩(wěn)定可靠。ARM嵌入式芯片STM32的處理器內(nèi)核小、占用空間小、功耗低、運行穩(wěn)定可靠、功能相對強大，比較適合設(shè)計的預(yù)測剩余里程^[6]。STM32103x芯片配置外部電路后能滿足標(biāo)準(zhǔn)里程S_N和標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)容量SOC_N判別與更新、端電壓U_b的檢測、位移S檢測、傾斜角α檢測、能耗設(shè)備的啟動及運行時間的檢測，最后實時計算并顯示。由于電路設(shè)計占據(jù)大量篇幅，以下優(yōu)選重要外部電路設(shè)計進行介紹。

    端電壓采集：端電壓U_b在消除內(nèi)部極化現(xiàn)象時近似等于OCV，因此可檢測U_b，取代檢測OCV(其檢測比較復(fù)雜)^[7]。 

    行駛位移采集：電動汽車行駛里程測量的精確與否對剩余里程預(yù)測至關(guān)重要，Scon、S_α和S都依靠其計算，因此對位移傳感器的精度要求較高,其采用霍爾型非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器?？紤]到電動汽車的行駛特點，STM32103x系列的外部中斷有電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)，在編程時，根據(jù)性能要求優(yōu)選邊沿觸發(fā)方式進入中斷。

3 剩余里程預(yù)測流程

    剩余里程預(yù)測流程步驟如下：

    (1)以EV-1型純電動車為試驗對象，在UDDS工況下，不同溫度、不同核電狀態(tài)下進行，分別采集數(shù)據(jù)U_b、位移S、傾斜角α、能耗設(shè)備的啟動及運行時間t、溫度T、循環(huán)次數(shù)N，然后隨機選擇2 000組數(shù)據(jù)作為預(yù)測值和測試值。為了減小誤差，對所有數(shù)據(jù)進行歸一化處理。

    (2)初始化參數(shù)，利用式(2)、式(3)根據(jù)實際參數(shù)更新標(biāo)準(zhǔn)里程S_N和標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)容量SOC_N。采集靜止時間t，利用式(1)、式(4)計算S₀。

    (3)采集溫度T、N、S、w、α系數(shù)，利用式(5)～式(7)分別計算計S_α、S_con、S_re。

    (4)根據(jù)功能要求設(shè)計STM32103x相應(yīng)電路、配置參數(shù)。

    (5)根據(jù)預(yù)測原理及硬件特點進行編程預(yù)測及試驗。

4 試驗測試及分析

4.1 試驗平臺

    以EV-1型純電動車為試驗對象，依據(jù)《電動汽車能量消耗率與續(xù)駛里程試驗方法》，以40 km/h等速進行試驗，為防止過放電損害電池包，充滿電時SOC等于1，在SOC等于0.2時停止試驗，再次充電并靜置12 h，消除內(nèi)部極化現(xiàn)象后再繼續(xù)試驗，重復(fù)以上試驗。在UDDS工況、不同溫度T及初始SOC下進行試驗，分別采集數(shù)據(jù)U_b、S、α、能耗設(shè)備的啟動及運行時間t、溫度T、循環(huán)次數(shù)N、剩余里程S*_re。隨機選擇2 000組數(shù)據(jù)作為參數(shù)預(yù)測得S_re并與相應(yīng)的試驗值S^*_re做比較。

4.2 試驗結(jié)果及對比分析

    利用OCV法、AH積分法與優(yōu)化OCV法預(yù)測剩余里程對比。圖2、圖3為基于優(yōu)化OCV法的剩余里程預(yù)測結(jié)果及相對誤差，誤差無累積，最大相對誤差為5.2%；圖4為基于OCV法的預(yù)測結(jié)果,最大相對誤差為13.3%，SOC較低時誤差會劇增；圖5為基于AH積分法預(yù)測結(jié)果，最大相對誤差為8.8%，誤差會累積。通過以上3種剩余里程預(yù)測法相比，表明優(yōu)化OCV法預(yù)測效果相比其他兩種算法有明顯改善。

5 結(jié)論

    本文根據(jù)優(yōu)化OCV法得到準(zhǔn)確的SOC初值，并根據(jù)條件更新標(biāo)準(zhǔn)里程S_N和標(biāo)準(zhǔn)容量SOC_N，使預(yù)測誤差降低并提高自適應(yīng)性；把所有影響因素參數(shù)轉(zhuǎn)化成S_N標(biāo)準(zhǔn)下的相應(yīng)里程參數(shù)，單位統(tǒng)一，降低建立數(shù)學(xué)模型、STM32硬件設(shè)計的難度。其最大相對誤差為5.2%，相比較現(xiàn)有其他方法，優(yōu)化效果有明顯提高，證明了該方法優(yōu)化的可行性。

參考文獻

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作者信息：

陳德海，任永昌，華  銘，黃艷國

（江西理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，江西 贛州341000）