◆文/云南 馬廣宇 趙龍慶

當(dāng)前我國純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，發(fā)展純電動(dòng)汽車是減少化石能源消耗和緩解日益嚴(yán)重的氣候問題的重要措施之一。但電動(dòng)汽車普遍存在動(dòng)力電池能量密度低，導(dǎo)致續(xù)航里程短，續(xù)航里程估計(jì)不精確，駕駛員容易產(chǎn)生里程焦慮的問題，這是阻礙推廣純電動(dòng)汽車的一個(gè)原因。本文以實(shí)際道路試驗(yàn)為依托，進(jìn)行純電動(dòng)汽車能量消耗量的討論，并在此基礎(chǔ)上建立基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的純電動(dòng)汽車瞬時(shí)能量消耗量估算模型。

純電動(dòng)車作為汽車節(jié)能減排技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，已引起各國政府的重視。我國政府制定了與電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程相關(guān)的電動(dòng)汽車購買補(bǔ)貼政策。不斷提高動(dòng)力電池能量密度是解決電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程不足的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，在現(xiàn)有動(dòng)力電池技術(shù)基礎(chǔ)上研究影響電動(dòng)汽車能量消耗和各因素之間的關(guān)系可為能量消耗預(yù)測(cè)、續(xù)航里程預(yù)測(cè)相關(guān)研究提供參考[1]。

相關(guān)文獻(xiàn)[2]通過引入VSP作為中間變量建立了能量消耗率與瞬時(shí)速度和加速度之間的關(guān)系，并驗(yàn)證了不同類型道路的能量消耗因子存在顯著差異。相關(guān)文獻(xiàn)[3]分析了純電動(dòng)汽車在丘陵地區(qū)的純電動(dòng)汽車經(jīng)濟(jì)型，通過優(yōu)化算法控制車速，提高車輛在行駛中的經(jīng)濟(jì)型。相關(guān)文獻(xiàn)[4]根據(jù)大量車輛行駛數(shù)據(jù)提取的車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)表征不同駕駛員的駕駛習(xí)慣，并分析了駕駛習(xí)慣與車輛能耗之間的關(guān)系，建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的駕駛習(xí)慣與能量消耗率的擬和模型。

一、純電動(dòng)汽車能量消耗實(shí)際道路試驗(yàn)

云南省地處我國西南部，屬于高原丘陵地帶，道路彎多坡多，車輛行駛工況與平原地區(qū)有一定差別。

1.試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)以昆明市城區(qū)主要道路、昆明郊區(qū)道路和杭瑞高速公路昆明-曲靖段為研究對(duì)象，試驗(yàn)測(cè)試總里程為319.56km。試驗(yàn)車輛為某型號(hào)純電動(dòng)汽車，為確保駕駛員駕駛習(xí)慣相同，各路段車輛駕駛員為同一人。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集自數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)采集終端通過與車輛CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線進(jìn)行通信獲取車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率為10Hz。

2.電動(dòng)汽車行駛過程中的能量消耗分析

動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車的能量源，電動(dòng)汽車行駛過程中的能量消耗主要存在于動(dòng)力電池內(nèi)阻的損耗、傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦損耗、各電器部件導(dǎo)線的損耗、制動(dòng)損耗、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的損耗和空調(diào)等輔助系統(tǒng)的損耗。其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)損失能量在車輛能耗中占比最大[5]。根據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)力可知行駛阻力包括滾動(dòng)阻力、坡道阻力、空氣阻力和加速阻力。動(dòng)力電池能量主要經(jīng)過配電箱流向電機(jī)控制器和用于給低壓器件供電的DC-DC轉(zhuǎn)換器，結(jié)合汽車?yán)碚摽梢詫④囕v的能量模型由式(1)表示[6]：

式中:Ubat為動(dòng)力電池端電壓；Ibat為動(dòng)力電池放電電流；Pac為附件消耗功率；ηbat為動(dòng)力電池放電效率；ηT為車輛傳動(dòng)系總效率；ηm為電機(jī)效率；m為車輛質(zhì)量；g為重力加速度；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；a為道路坡道角；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；v為車輛行駛速度；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；a為車輛加速度。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出能量與車速、加速度之間的規(guī)律。根據(jù)動(dòng)力電池工作原理，統(tǒng)計(jì)動(dòng)力電池的充放電電流和負(fù)載端電壓乘積作為電動(dòng)汽車瞬時(shí)功率。電動(dòng)汽車能量消耗變化量由式(2)表示，能量消耗量計(jì)算方法由式(3)表示[7]。3種道路的能量消耗量如表1所示。

表1 城區(qū)道路、郊區(qū)道路和高速公路的能量消耗量

式中：ΔEREESS為電能變化量；U(t)為動(dòng)力電池t時(shí)刻的端電壓；I(t)為動(dòng)力電池t時(shí)刻的電流；EC為車輛能量消耗量；DR為車輛行駛里程。

由表1可見，電動(dòng)汽車在高速公路行駛時(shí)的能量消耗量最大，城區(qū)道路能量消耗量大于郊區(qū)道路。郊區(qū)試驗(yàn)道路起點(diǎn)的海拔高度為2 260m，終點(diǎn)的海拔高度為1 926.7m，海拔落差為333.3m。城區(qū)道路起點(diǎn)的海拔高度為1 957.9m，終點(diǎn)的海拔高度為1 956.2m，海拔落差為1.7m。說明郊區(qū)試驗(yàn)道路相較于城區(qū)實(shí)驗(yàn)道路下坡路段比例更高，造成了城區(qū)道路能量消耗量高于郊區(qū)道路。制動(dòng)能量回收數(shù)據(jù)由動(dòng)力電池充電電流獲得，將其去除后獲得了車輛不考慮制動(dòng)能量回收的能量消耗量，其值均高于能量消耗量。城區(qū)道路在不考慮制動(dòng)能量回收時(shí)的能量消耗量最大，高速公路最小。表明制動(dòng)回收能量對(duì)電動(dòng)汽車能量消耗量有重要影響。因此進(jìn)一步對(duì)制動(dòng)回收能量進(jìn)行分析，將制動(dòng)回收電能變化量的絕對(duì)值與不考慮制動(dòng)能量回收的電能變化量的比值定義為占能耗總需求量比率[8]，其值如表2所示。

表2 城區(qū)道路、郊區(qū)道路和高速公路的制動(dòng)回收能量

從表2可以看出，電動(dòng)汽車在郊區(qū)道路行駛時(shí)的制動(dòng)回收能量占能耗總需求量比率最高，在高速公路行駛時(shí)的制動(dòng)回收能量占能耗總需求量比率最小。電動(dòng)汽車在高速公路行駛時(shí)的最大制動(dòng)回收功率的絕對(duì)值高于城區(qū)道路最大制動(dòng)回收功率的絕對(duì)值。然而，電動(dòng)汽車在城區(qū)道路行駛時(shí)制動(dòng)回收能量占能耗總需求量比率遠(yuǎn)高于在高速公路行駛時(shí)。說明電動(dòng)汽車在高速公路行駛時(shí)制動(dòng)能量回收對(duì)能量消耗量的影響較小。這主要是由于車輛在高速公路行駛時(shí)制動(dòng)工況減少且為保證車輛行駛安全最大再生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩分配減小。電動(dòng)汽車在不同的道路行駛時(shí)能量消耗量和制動(dòng)回收能量各不相同，每種道路具有不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)[9]。進(jìn)一步對(duì)車輛在不同道路的加速、勻速和減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的能量消耗量特征進(jìn)行分析，如表3所示，并對(duì)不同道路的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如表4所示。

表3 不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的電動(dòng)汽車能量消耗量

表4 不同道路下的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

從表3可以看出，車輛在3種道路下行駛加速區(qū)間的能量消耗量均高于所對(duì)應(yīng)的減速和勻速區(qū)間。其中城區(qū)道路加速區(qū)間的能量消耗量最高，高速道路加速區(qū)間的能量消耗量最小。高速公路減速區(qū)間的能量消耗量最高，城區(qū)道路減速區(qū)間的能量消耗量小。由表3和表4可以看出，電動(dòng)汽車在勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的能量消耗率與行駛過程中的勻速比例、平均速度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。電動(dòng)汽車在減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的能量消耗率與行駛過程中的減速比例呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。電動(dòng)汽車在加速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的能量消耗率與行駛過程中的加速度平均值呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。城區(qū)道路與郊區(qū)道路具有相近的減速度比例和減速度平均值，但車輛在減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能量消耗量存在明顯差異。這與駕駛員的駕駛意圖有關(guān)，制動(dòng)能量回收只有在駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)進(jìn)行。郊區(qū)道路下減速狀態(tài)的車輛雖然在減速，但與城市道路相比，其制動(dòng)意圖不高。

通過以上分析可知電動(dòng)汽車的能量消耗量屬于隨機(jī)變量。結(jié)合以往研究成果可知電動(dòng)汽車能量消耗量與工況有著較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。

三、基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的能量消耗量估算

1.長短期記憶網(wǎng)絡(luò)

由上文得到的瞬時(shí)能量消耗量可以看作是一個(gè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，電動(dòng)汽車在某一時(shí)刻的能量消耗量與上一時(shí)刻的能量消耗量有關(guān)聯(lián)。長短期記憶網(wǎng)絡(luò)(long short-term memory，LSTM)是一種循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于時(shí)序數(shù)據(jù)分析。LSTM解決了循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中的梯度消失與梯度爆炸問題，它由遺忘門、輸入門和輸出門3個(gè)門結(jié)構(gòu)組成。LSTM的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LSTM單元結(jié)構(gòu)

記憶單元將當(dāng)前時(shí)間步Xt和上一個(gè)記憶單元的隱藏狀態(tài)作為輸入門It，遺忘門Ft，輸出門Ot和候選記憶元Ct的輸入[10]，計(jì)算公式如下：

式中：σ為Sigmoid函數(shù)；Ht-1為前一時(shí)間步的隱狀態(tài)；Xt為當(dāng)前時(shí)間步的輸入；為候選記憶元；Ct為記憶元；Ht為隱狀態(tài)。

2.純電動(dòng)汽車能量消耗量估算

純電動(dòng)汽車能量估算步驟如下：

①將由公式(3)計(jì)算得到的純電動(dòng)汽車瞬時(shí)能量消耗量作為原始數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，修正數(shù)據(jù)中的異常值和缺失值。

②對(duì)清洗過的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，并將原始數(shù)據(jù)的80%作為訓(xùn)練集，剩余的20%作為測(cè)試集。

③將LSTM隱藏層設(shè)計(jì)為包含200個(gè)隱藏單元，指定Adam為優(yōu)化器，學(xué)習(xí)率0.005。對(duì)模型進(jìn)行50次訓(xùn)練。

④將測(cè)試集數(shù)據(jù)輸入模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

⑤對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反歸一化，并與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

估算結(jié)果如圖2所示。如式(10)和式(11)所示，使用平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)對(duì)模型估算精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 能量消耗量估算結(jié)果

將測(cè)試集數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的LSTM網(wǎng)絡(luò)模型中，并對(duì)模型精度評(píng)估，得到MAE 值為0.55，RMSE 值為0.78。說明利用LSTM網(wǎng)絡(luò)對(duì)能量消耗量進(jìn)行估計(jì)具有一定的可行性。

四、結(jié)論

本文對(duì)不同工況下的純電動(dòng)汽車能量消耗量進(jìn)行分析，可以為駕駛員提供更合理的能量使用策略?；贚STM網(wǎng)絡(luò)建立的模型為預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間的純電動(dòng)汽車能量消耗率提供了可行性方案。