基于大数据分析的电动汽车动力电池充电能量预测

基于大数据分析的电动汽车动力电池充电能量预测

刘志鹏

（国网河北省电力有限公司晋州市供电分公司河北石家庄052260）

摘要：近些年，我国的科学技术不断进步，目前，电动车的无线充电技术是一种新型车辆充电方法，该系统由微电网模块、无线电能量传输模块和电动汽车充电模块组成。微电网模块采用光伏蓄电池组合，充分利用光伏发电产生的电力保证供电的可靠性。无线电力传输模块利用磁耦合共振为电动汽车提供稳定的电压。文中采用Matlab对系统进行仿真，仿真结果证明了该系统的可靠性，说明使用微电网进行电动汽车无线充电具有重要的应用前景。

关键词：大数据分析；电动汽车；充电能量预测；充电模式

引言

电动汽车充电能量是汽车动力电池衰退评估的重要依据，由于电池荷电状态（SOC）仅体现电池充电电流随时间的变化，未考虑到电压、温度等因素的变化，因此，充电能量的预测需要考虑多个变量的耦合影响。目前提出的许多动力电池充电能量预测模型存在选择变量不合理、模型适应性差、回归方程不理想等许多问题。本文从动力电池充电原理出发，提出了能量预测的数据收集方案，针对不同的充电模式，给出了数据分组依据，并对比不同的回归分析方法，确定出适应于不同充电模式下的电动汽车充电能量预测模型。

1、动力电池充电能量分析

动力电池充电能量受累计行驶里程、温度等多因素耦合影响。各变量之间存在不确定的数学关系，并且对充电能量的影响程度存在很大的差异。由于变量较多，测试数据时无法通过准确控制变量来观察充电能量与各变量之间的一一对应的函数关系。同时，考虑到充电设备有不同的充电模式，直接对样本数据进行回归分析无法准确预测充电能量。充电模式的划分是充电能量预测必须要考虑的因素，具体的划分原则需要结合动力电池充电原理。首先，充电模式取决于充电站的建设规模和工作模式，目前主要分为常规充电站和快速充电站。常规充电站一般以20~40辆电动汽车来配置一个充电站，这种配置是考虑充分利用晚间谷电进行充电，主要建设在小区和停车场进行集中充电；快速充电站一般同时向8辆电动汽车充电，主要建设在公路等场所提供临时充电。以上两种充电模式可以可以根据充电时间来区分。其次，在同一种类型的充电站下不同的电网布置方案也会造成充电模式的不同，本文根据充电效果对充电模式作进一步分析。相关资料表明，锂电池在相同开路电压下，充电倍率较大时，电池充电容量下降，据此，本文考虑利用单位充电SOC的充电能量对同一类型的充电站包含的充电模式进行划分。在前面充电模式确定的基础上，对样本数据进行处理，按照充电模式的分组原则对数据进行分组，之后，对每一组数据做回归分析，在保证尽可能小的标准差的前提下得到不同充电模式下的充电能量回归方程。

2、变量的选择

图1充电能量（kw•h）与各变量的关系

在收集样本数据时，恰当的选择变量可以使充电能量预测保证一定准确性条件下提高模型的稳定性。因此，特征变量数量的确定和具体变量的选择是首要讨论的问题。本文用到的训练样本数据中包括的变量有：x1（充电时间（s））；x2（充电开始时刻车辆仪表里程（km））；x3（充电SOC）；x4（充电开始时刻动力电池总电压（V））；x5（充电结束时刻动力电池总电压（V））；x6（充电开始时刻动力电池总电流（A））；x7（充电结束时刻动力电池总电流（A））；x8（充电过程中电池系统温度探针最大值（℃））；x9（充电过程中电池系统温度探针最小值（℃））；y（此充电过程的充电能量（kw•h））。下文将以实际测得的数据为例说明求解充电能量回归方程的思路，由于不同电动汽车动力电池的参数不同，读者在具体应用时需要根据实际测得的样本数据来计算。在正式分析数据之前，我们将充电时间和充电SOC明显偏移变化规律的数据予以剔除，以便提高能量预测模型的准确性，防止被异常数据干扰。图1是充电能量（kw•h）与各变量关系的散点图。

3、微电网电动汽车的无线充电系统

3.1微电网系统

在微电网系统中，光伏发电利用半导体的光伏效应将太阳能转换为直流电。由于光伏阵列的输出特性、太阳光强度及温度等因素的影响，为了使光伏电池在不同照明条件下处于最大功率输出状态，并充分利用太阳能，选择可行的最大功率点跟踪算法非常重要。最大功率点跟踪（MPPT）中常用的控制方法包括爬升法、基于梯度增量的电导增量法、恒压法及增量电导法等。光伏系统直接连接直流母线，电池通过双向DC/DC并联到直流母线上，光伏最大功率点跟踪和电池充放电由电池侧DC/DC完成。当温度恒定时，检测光强度，最大光伏功率输出值由历史数据获得。

3.2无线电能量传输系统

无线电能量传输模块基于磁耦合谐振无线电传输。发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率结构，进而电能由激励电源发出，通过通道传给负载回路。

4、快速充电系统的工作过程

整车控制器（VCU）是电动汽车快速充电系统的主控模块，快速充电系统工作过程如图2所示。（1）直流供电。充电枪连接到直流充电桩，直流充电桩通过充电枪为电动汽车提供高压直流电源。（2）充电唤醒。充电枪连接到车辆快速充电接口，整车控制器（VCU）通过充电连接确认线CC判断快速充电接口是否正确连接，如果判断正确连接后，启用唤醒线路将车辆内部的充电系统电路和部件唤醒。（3）检测充电需求。蓄电池管理系统（BMS）检测动力蓄电池是否需要进行充电。（4）发送充电指令。如果检测到动力蓄电池有充电需求时，整车控制器（VCU）通过输出高压接触器接通指令到高压控制盒，接通动力蓄电池与直流充电桩间的高压电路，开始进行充电。（5）充电过程。充电过程中，整车控制器（VCU）向仪表输出充电显示信息，外部供电设备的高压直流电通过直流充电桩储蓄到动力蓄电池。（6）充电停止。蓄电池管理系统（BMS）检测到充电完成后，给整车控制器（VCU）发送指令，快速充电系统停止工作，断开动力蓄电池继电器，充电结束。

图2快速充电系统工作过程

5、结语

动力电池充电能量预测为动力电池衰退评估的核心问题。动力电池充电能量受多因素耦合影响，考虑到不同充电模式下充电效果存在明显差异，本文提出一种电动汽车动力电池充电能量预测方法。为了实现充电能量的有效预测，我们选择了充电时间等9个变量对样本进行测试。通过分析充电能量与各变量的散点图，发现训练样本中充电能量与充电时间和充电SOC之间存在显著跳变，结合动力电池充电的知识背景，本文提出一种充电模式的区分方法。进一步，在不同的充电模式下，我们利用最小二乘估计和主成分估计两种方法对充电能量做了回归分析，结果的一致性表明变量选择比较合理。本文在原有整体设计的框架基础上，对整个电动汽车光伏充电系统的硬件进行了相关设计，主要包括主电路仿真设计、电源设计、电压与电流检测电路、过流保护电路等，最后进行了电路板设计，完成了整套系统的设计。通过实验验证，系统可行，达到设计要求。

参考文献

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