纯电动汽车续驶里程计算研究
2019-01-04李雷，高鹏，吴广
李 雷，高 鹏，吴 广
（长城汽车股份有限公司技术中心 河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定071000）
2015年中国已经超越美国成为全球最大的电动汽车市场，随着电动汽车技术的发展及保有量的增加，其性能指标也受到越来越多的关注。其中，续驶里程是电动汽车重要的性能指标之一［1］。与传统燃油车相比，纯电动汽车在排放方面具有很大的优势，但其续驶里程短、能量补充速度慢则制约了其市场推广。由于动力电池自身特性以及纯电动汽车续驶里程短的因素，需要实时提供可信的续驶里程值用于提醒驾驶员，避免其担心现有电量不足导致车辆不能达到目的地而降低对电动汽车的使用信心。因此，提高电动汽车续驶里程的计算精度尤为重要。
纯电动汽车续驶里程值指动力电池以全充满状态开始到标准规定的试验结束时所行驶的里程，它是纯电动汽车指标之一［2］。当汽车行驶一段时间后动力电池处于非充满状态，当前状态下的可行驶的里程称之为剩余续驶里程。影响剩余续驶里程的因素有很多，主要有两类：一类是汽车自身因素［3］，如总质量、电池额定能量、行驶阻力等；另一类为外部因素，如驾驶工况、风速、路况等。
实际生活中汽车行驶工况多变，复杂的行驶工况造成剩余续驶里程难以准确计算。本文结合电池能量计算以及整车能耗计算，提出了一种在线续驶里程计算模型，用于剩余续驶里程实时计算、显示，帮助驾驶员提前预知剩余续驶里程，合理调整行车策略。
1 动力电池能量计算
动力电池是电动汽车的能量来源，传统上，电池状态一般以荷电状态 （SOC-State of Charge）来描述。通常把一定温度下的电池充电到不能再吸收能量状态的SOC定义为100%，把电池不能放出电量的SOC定义为0%［4］。常用的SOC估算方法有安时积分法、开路电压法及卡尔曼滤波法等［5］。SOC仅从容量的角度描述电池状态，当电池处于同一SOC，不同温度下所能提供的能量却存在较大差异，如图1所示。
图1 某款电池同一SOC下能量值
为了更精确地衡量动力电池能量，引入了另一个一个重要参数：电池能量状态 （SOE-State of Energy）。电池能量状态定义为电池剩余能量占额定能量的百分比［6］，很大程度上反映了电池的放电能力，数学表达式见式 （1）。电池的放电倍率、荷电状态、健康状态 （SOH-State of Health）、电池温度、自放电等因素都会对电池的能量状态产生影响。
根据能量守恒原理，工作过程中电池总能量是一定的，通过实时计算动力电池已消耗的能量，便可得到电池剩余的能量。动力电池额定能量受到环境温度、自放电、SOH等影响，必须对这些影响因子进行修正，提升额定能量的计算精度，进而提升动力电池当前状态下的剩余能量精度，最终提升车辆续驶里程计算值精确性。
2 整车能耗及剩余续驶里程计算
除电池能量外，车辆行驶过程中的能量消耗是剩余续驶里程计算的重要影响因素。整车耗能部件主要包括电机、空调系统、车内加热部件 （座椅加热、玻璃加热等）、热管理部件 （水泵、风扇等）、电动助力转向以及其他部件（控制器、照明）等。
特定工况下如等速工况、NEDC工况、WLTC工况等，由于工况已知，只计算出一个循环的能耗即能反映出续驶里程的大小。
在行驶工况未知的实际驾驶过程中，必须实时计算车辆行驶过程中的能量消耗，用来预测未来一段时间的平均能耗。行驶过程中能耗的计算采用N个单位片段平均能耗迭代的方法来计算，每个单位片段距离为S km，计算在S km行驶所消耗的能量为SumEDrv，行驶消耗能量除以距离S km，得到此片段路段的计算行驶平均能耗AvgEn，将车辆行驶的平均能耗写成迭代形式，即式 （2）。
其中，a1、a2……aN-1、aN参数为各片段平均能耗所占权重比，离当前驾驶距离越远，权重越低。
取计算得到的AvgE为预估平均能耗，则剩余续驶里程计算如式 （3）。
空调开启后根据实时采集的空调消耗能量，每隔M分钟进行一次空调平均功率的计算，开启空调后续驶里程计算如式 （4）。
由于空调系统能耗较大，长时间开启会降低纯电动汽车续驶里程，有必要将空调开启造成的续驶里程差值同步进行计算、显示，帮助驾驶员合理调整空调等级，实现舒适性及续驶里程最大化的均衡。
3 软件实现
剩余续驶里程计算功能根据电池包SOH、SOE、SOC，电池包温度、电压、电流，高压附件作为输入信号，主要包括动力电池能量计算、整车平均能耗及功率计算、续驶里程计算、滤波处理、IP／HUT显示等子功能构成，功能框图如图2所示。
图2 剩余续驶里程计算功能框图
在软件实现过程中，还要考虑充电过程中续驶里程计算、续驶里程存储及读取、故障状态下续驶里程显示等，避免出现续驶里程值出现不合理跳变，引起驾驶员的抱怨。同时对车辆速度、加速度、空调使用进行统计分析，针对驾驶员驾驶习惯进行经济性评分及驾驶指引，引导驾驶员形成良好驾驶习惯，降低整车能量消耗，提升续驶里程。
4 结论
续驶里程计算是纯电动汽车重要指标之一，计算精度还有待提高。本文提出了一种基于动力电池能量计算及整车能耗计算的剩余续驶里程计算模型，实现续驶里程实时计算、显示，并结合经济性评分及驾驶指引，给驾驶员提供有效支持信息，支持其合理调整行车策略。
