安科瑞魯一揚(yáng)15821697760

摘要：電動(dòng)汽車能耗預(yù)測(cè)于車輛路徑規(guī)劃及充電行為頗為關(guān)鍵。本研究提出一種融合多模型并考量充電行為的能耗預(yù)測(cè)法，先構(gòu)建基于實(shí)車少量數(shù)據(jù)與有限參數(shù)的能耗計(jì)算模型，接著構(gòu)建充電行為模型，剖析提取與能耗密切相關(guān)的充電行為特征，最后借助長(zhǎng)短期記憶循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建能耗預(yù)測(cè)模型。經(jīng)實(shí)車數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該法可精準(zhǔn)預(yù)測(cè)同款車型在不同起始電池電量、溫度及時(shí)間段的汽車能耗，均方根誤差為 1.27，與現(xiàn)有方法相比，均方根誤差至少降低 4.5%。

關(guān)鍵詞：能耗預(yù)測(cè)；電動(dòng)汽車；充電行為

一、引言

電動(dòng)汽車已成為低碳交通體系的重要構(gòu)成。近年來(lái)其在中國(guó)保有量迅速增長(zhǎng)，截至 2021 年 10 月達(dá) 891 萬(wàn)輛，預(yù)計(jì) 2030 年將達(dá) 1 億。美、中及歐盟等多地均出臺(tái)促其發(fā)展政策并設(shè)定傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車禁售時(shí)間。然而，電動(dòng)汽車應(yīng)用仍存續(xù)駛里程短、充電設(shè)施不完善、電池安全有隱患等問(wèn)題，“里程焦慮” 制約其進(jìn)一步推廣。可靠精準(zhǔn)的能耗預(yù)測(cè)能精確估算電池剩余續(xù)航里程，助力用戶規(guī)劃行程，緩解 “里程焦慮”。

當(dāng)下國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車能耗預(yù)測(cè)法主要分基于車輛動(dòng)力學(xué)與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩類。基于車輛動(dòng)力學(xué)，學(xué)者們依據(jù)車輛結(jié)構(gòu)構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型以計(jì)算預(yù)測(cè)能耗，如 MADHUSUDHANAN 等構(gòu)建綜合車輛特性等多因素的能耗模型并驗(yàn)證其對(duì)車隊(duì)管理的有效性，還有針對(duì)公交車節(jié)能駕駛構(gòu)建多種工況并設(shè)計(jì)速度策略，通過(guò)仿真模型對(duì)比選取節(jié)能率高的速度曲線。

二、電動(dòng)汽車實(shí)車數(shù)據(jù)采集與處理

為提升電動(dòng)汽車性能與可靠性，需通過(guò)車上多種傳感器及設(shè)備收集數(shù)據(jù)，包括反映電池狀態(tài)的電流、電壓、SOC、SOH、溫度等參數(shù)，以及車速等整車數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于車輛控制單元或其他設(shè)備后上傳數(shù)據(jù)庫(kù)。本研究數(shù)據(jù)源于國(guó)家新能源汽車監(jiān)測(cè)管理中心等構(gòu)建的平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)室，所研究數(shù)據(jù)為 10 輛同款電動(dòng)汽車的歷史運(yùn)行時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采集頻率 0.1HZ，這些數(shù)據(jù)含車輛不同條件下能耗信息，可用于訓(xùn)練驗(yàn)證能耗計(jì)算模型，即實(shí)車測(cè)試或行駛記錄所得的實(shí)車稀疏數(shù)據(jù)。

三、考慮充電行為的能耗預(yù)測(cè)方法

能耗計(jì)算對(duì)車輛設(shè)計(jì)優(yōu)化至關(guān)重要，但因涉及車輛動(dòng)力、駕駛行為、路況等復(fù)雜因素，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)頗具挑戰(zhàn)。為此研究者提出多模型融合法，本研究也采用該法預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車能耗，其整體流程含能耗計(jì)算、充電行為分析與能耗預(yù)測(cè)三個(gè)模型。

3.1 實(shí)車能耗計(jì)算模型
因?qū)嶋H車輛動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜，有限參數(shù)難以完整描述能耗特性，故采用多模型融合，即運(yùn)用不同理論、統(tǒng)計(jì)或機(jī)器學(xué)習(xí)模型描述能耗特性，并依不同條件參數(shù)優(yōu)化以提升計(jì)算準(zhǔn)確性，依多模型融合流程先構(gòu)建實(shí)車稀疏數(shù)據(jù)與有限參數(shù)下的能耗計(jì)算模型。

3.2 充電行為分析模型
為量化分析充電行為對(duì)能耗的影響，先依實(shí)車傳感器采集參數(shù)計(jì)算充電行為相關(guān)特征，再提取與能耗強(qiáng)相關(guān)的特征。構(gòu)建 “車輛信息 - 電池特征 - 駕駛員行為” 多維特征指標(biāo)體系，車輛信息涵蓋充電位置經(jīng)緯度、行駛累計(jì)里程等；電池特征包含充電起始 SOC 等；駕駛員行為包括平均充電電流等。

3.3 基于長(zhǎng)短期記憶循環(huán)的能耗預(yù)測(cè)模型
循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可處理序列數(shù)據(jù)且具記憶性等優(yōu)勢(shì)，LSTM 作為其改進(jìn)型能有效避免梯度問(wèn)題，適應(yīng)長(zhǎng)期序列學(xué)習(xí)。本項(xiàng)目針對(duì)汽車使用中多種因素影響，構(gòu)建多因子融合的 LSTM 實(shí)現(xiàn)整車及電池長(zhǎng)期能量預(yù)測(cè)，模型含輸入、全連接、連接與輸出層，采用 “多對(duì)一” 方式，將歷史能源消耗數(shù)據(jù)輸入預(yù)測(cè)模型計(jì)算下次出行能耗。

四、 解決方案

圖1 有序充電管理系統(tǒng)示意圖

圖2平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

充電運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的充電設(shè)施管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。用戶可以通過(guò)APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊(duì)等待的情況，同時(shí)也能為充電站提供更準(zhǔn)確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。通過(guò)平臺(tái)可對(duì)充電樁的功率、電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理充電樁故障和異常情況對(duì)充電樁的功率進(jìn)行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內(nèi)充電，避免對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)大的負(fù)荷。

五、安科瑞充電樁云平臺(tái)具體的功能

平臺(tái)除了對(duì)充電樁的監(jiān)控外，還對(duì)充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高充電站的運(yùn)行可靠性，降低運(yùn)營(yíng)成本，平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

大屏顯示：展示充電站設(shè)備統(tǒng)計(jì)、使用率排行、運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)圖表、節(jié)碳量統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)。

圖4 大屏展示界面

站點(diǎn)監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備列表、設(shè)備日志、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等功能。

圖5 站點(diǎn)監(jiān)控界面

設(shè)備監(jiān)控：顯示設(shè)備實(shí)時(shí)信息、配套設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備實(shí)時(shí)曲線、關(guān)聯(lián)訂單信息、充電功率曲線等。

圖6 設(shè)備監(jiān)控界面

運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)：顯示運(yùn)營(yíng)信息查詢、站點(diǎn)對(duì)比曲線、日月年報(bào)表、站點(diǎn)對(duì)比列表等功能。

圖7 運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)界面

收益查詢：提供收益匯總、實(shí)際收益報(bào)表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖8 收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態(tài)餅圖、故障趨勢(shì)分析、故障類型餅圖等功能。

圖9 故障分析界面

訂單記錄：提供實(shí)時(shí)/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導(dǎo)出、運(yùn)營(yíng)商應(yīng)收信息、充電明細(xì)、交易流水查詢、充值余額明細(xì)等功能。

圖10 訂單查詢界面

六、產(chǎn)品選型

安科瑞提供慢充、快充多種類型充電樁，如智能 7kw/21kw 交流充電樁等多種規(guī)格，以滿足新能源汽車行業(yè)運(yùn)營(yíng)管理需求，具備智能監(jiān)測(cè)、計(jì)量、云平臺(tái)連接、遠(yuǎn)程升級(jí)、多重保護(hù)及適配多種車型等功能，并介紹了各產(chǎn)品型號(hào)與技術(shù)參數(shù)。

七、現(xiàn)場(chǎng)圖片

八、結(jié)論

能源消耗預(yù)測(cè)在現(xiàn)代意義重大，本研究提出的考慮充電行為的多模型融合電動(dòng)汽車能耗預(yù)測(cè)方法含三個(gè)子模型。為驗(yàn)其性能，用相同訓(xùn)練數(shù)據(jù)訓(xùn)練該模型與常見(jiàn)對(duì)比模型，并對(duì)同款車型數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)與計(jì)算均方根誤差。能耗預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性與可靠性對(duì)能源管理決策極為關(guān)鍵，依實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值對(duì)比可得出相關(guān)結(jié)論。

審核編輯 黃宇