电动汽车剩余续驶里程估算方法

1、第3章 电动汽车剩余里程估算方法及影响因素研究本章将结合前文所建立的电动汽车模型和对电池特性的研究，对电动汽车 模型进行仿真，并运用Matlab软件对电动汽车剩余续驶里程进行估算，研究行 驶工况对估算方法的影响，在此基础上提高剩余里程估算的精度。3.1剩余续驶里程估算方法研究3.1.1剩余续驶里程估算方法研究原理根据3.1.4小节所介绍的剩余里程的估算方法以及3.4小节所建立的Matlab 估算模型，我们可以根据电动汽车当前一段时间的运动状态，估算电动汽车的 剩余里程，而验证剩余里程估算是否正确则必须要由GT-drive软件建立的电动 汽车模型进行续驶里程仿真。将估算得到的剩余里程与仿真得到的

2、累积行驶里 程做比较，以此来判断剩余里程估算方法的可行性。所谓剩余里程估算方法的可行性，即该估算方法能够实现估算结果随电动 汽车运行工况的变化而做出的相应变化。在续驶里程估算方法满足该可行性条 件的前提下，进一步讨论不同工况循环对于估算方法的影响，则需要运用多工 况剩余里程估算结果的对比来研究。3.1.2不同车速对续驶里程估算方法的影响为了确定剩余续驶里程估算过程中，不同车速对于剩余估算法的影响，设 置匀速行驶工况，运用GT-drive软件进行仿真，对目标速度模块(Traget speed-1) 输入如表4-2的工况循环。设定仿真时间以便得到最大行驶距离，运行模型得 到仿真各项数据，再运行Ma

3、tlab软件对各工况循环进行剩余里程估算。根据表4-1中所设计的匀速工况，先将电动汽车模型加速至预订车速，然 后保持该速度匀速行驶，到仿真结束后，调用GT-Drive仿真结果，在Matlab 中运行剩余续驶里程估算模型，并将得到得计算结果与仿真结果比较确定不同 速度对算法的影响。运行工况电动汽车车速(km/h)从0到目标速度加 速时间(s)12010240203603048035(1)电动汽车以20km/h匀速行驶仿真如图4-1,图4-2所示。将电动汽车模型的仿真时间设置为80000S，得到 电动车在匀速20km/h行驶工况下的累计行驶距离。其累计行驶里程如图4-4 所示。图4-1 20km/

4、h动力电池SOC消耗曲线口 iEjJaGErmEt口 iEjJaGErmEt:U:-.,J.-?阳。I?3f56d图4-3 320km/h匀速行驶剩余里程估算电动汽车模型仿真运行61456s,行驶里程为338km,运用Matlab软件对剩 余续驶里程估算进行估算，设置估算仿真时间为70000s，结果如图4-5, GT-drive 模型仿真15000s时，电动汽车累计行驶90km，其剩余续驶里程仿真结果为 248km，其剩余续驶里程估算结果为270km，GT-drive模型仿真40000s时，电 动汽车累计行驶220km，其剩余续驶里程仿真结果为118km，其剩余续驶里程 估算结果为110km，

5、仿真结果与估算结果相差不多。（2）电动汽车以40km/h匀速行驶仿真结将电动汽车模型的仿真时间设置为80000S，得到电动车在匀速20km/h行 驶工况下的累计行驶距离。其累计行驶里程如图4-4，图4-5所示。Digplac ar ent图4-6 40km/h匀速行驶剩余续驶里程估算电动汽车模型仿真运行20994s,行驶里程为233km,运用Matlab软件对剩 余续驶里程估算进行估算，设置估算仿真时间为70000s，结果如图4-5, GT-drive 模型仿真5000s时，电动汽车累计行驶55.5km，其剩余续驶里程仿真结果为 177.7km，其剩余续驶里程估算结果为270km，GT-dri

6、ve模型仿真15000s时， 电动汽车累计行驶167km，其剩余续驶里程仿真结果为66.3km，其剩余续驶里 程估算结果为150km，仿真结果与估算结果相差较大，随着时间的增大误差越 来越大。将电动汽车模型的仿真时间设置为80000S，得到电动车在匀速20km/h行驶工况下的累计行驶距离。其累计行驶里程如图4-7，图4-8所示。Vehjd函口的匚山！ CAR2.00010fiCOKlO1Vehjd函口的匚山！ CAR2.00010fiCOKlO1200 x10sS DGOxla44 OOObIO10.000 x10Timefssc图4-7 60km/h匀速行驶累计里程!imosoiwnovnn

7、时时）图4-9 60km/h匀速行驶剩余续驶里程估算电动汽车模型仿真运行12035s,行驶里程为200km,运用Matlab软件对剩 余续驶里程估算进行估算，设置估算仿真时间为70000s，结果如图4-5, GT-drive 模型仿真2500s时，电动汽车累计行驶42.5km，其剩余续驶里程仿真结果为 157.5km，其剩余续驶里程估算结果为285km，GT-drive模型仿真10000s时， 电动汽车累计行驶166km，其剩余续驶里程仿真结果为34km，其剩余续驶里 程估算结果为114km，仿真结果与估算结果相差较大，随着时间的增大误差越 来越大。（4）电动汽车以80km/h匀速行驶仿真将电

8、动汽车模型的仿真时间设置为80000S，得到电动车在匀速20km/h行 驶工况下的累计行驶距离。其累计行驶里程如图4-10，图4-11所示。Lplacctnait-图4-10 80km/h匀速行驶累计里程图4-12 80km/h匀速行驶剩余续驶里程估算电动汽车模型仿真运行5747s,行驶里程为127km，运用Matlab软件对剩 余续驶里程估算进行估算，设置估算仿真时间为70000s，结果如图4-12，GT-drive模型仿真2000s时，电动汽车累计行驶44km，其剩余续驶里程仿真结 果为83km，其剩余续驶里程估算结果为249km，GT-drive模型仿真4500s时， 电动汽车累计行驶1

9、00km，其剩余续驶里程仿真结果为27km，其剩余续驶里 程估算结果为95km，仿真结果与估算结果相差较大，随着时间的增大误差越 来越大。根据以上剩余里程的仿真结果同剩余里程的估算结果对比可以发现，对于车速小于20km/h的匀速运行工况，本文所采用的估算法可以很好的对电动汽 车的剩余续驶里程进行估算。而电动车车速大于20km/h以上时，由于估算初 始值的原因，导致剩余里程的仿真结果与估算结果误差在50%以上。而根据各 个匀速工况的剩余里程的仿真结果与剩余里程的估算结果比较，可以看出，对 于行驶中的电动汽车，估算误差随着时间的增大而增大。各个匀速工况的剩余 里程估算结果纵向比较而言，都有相同的初

10、始值，然而车速越高，单位时间内 剩余里程估算结果下降越快，剩余里程估算结果迅速下降的时刻越早。3.1.3电动汽车UDDS循环仿真估算讨论完匀速工况下电动汽车的能量消耗情况和估算结果以后，本小节将UDDS循环设置为电动汽车目标工况循环，以验证在实际工况行驶条件下剩余 续驶里程估算方法的精确性。在GT-Drive电动汽车模型中找到目标速度模块 (Target speed-1)，在模块的速度选择栏选择已经设定好的UDDS循环，运彳亍 模型仿真得到电动汽车模型以UDDS工况运行的里程，动力电池的消耗情况， 如图4-13所示。图4-13 UDDS工况循环动力电池SOC消耗曲线iSffllknVh?Ill

11、Tuufacc(B)(A)iSffllknVh?IllTuufacc(B)图4-15 UDDS工况电动汽车速度曲线Displacement5 VdiicleBadv pari CAR1 400 x10L现DW时l.ODOsLO58.000104d.DDOMia44.00QSLC42.0D0SL4D25005DDD75DD1D0Q0j25DQ 14055IiLiiesecJ图4-14 UDDSD25005DDD75DD1D0Q0j25DQ 14055IiLiiesecJ运行Matlab软件，启动电动汽车里程估算模型，设置仿真时常为15000s,得到 剩余里程估算结果如图4-16所示。剩余续驶根据

12、电池模型SOC消耗曲线同剩 余里程估算结果可知，电动汽车模型在高速情况下，能源消耗迅速，剩余续驶 里程估算结果也迅速减小，而在动力电池模型SOC消耗到0.4以后，SOC的下 降速度明显增加。360图4-16 UDDS循环剩余续驶里程估算根据UDDS工况循环仿真结果可以知道，在仿真时间为2500s时，电动汽 车累计行驶路程仿真结果为22km，由仿真全程得电动汽车续驶里程为124km， 故其剩余里程仿真结果为102km，剩余里程估算结果为288.5km。在仿真时间 为10000s时，电动汽车累计行驶路程仿真结果为88.8km，故其剩余里程仿真 结果为35.2km，此时电动汽车剩余里程估算结果为13

13、7.1km。根据以上电动汽车续驶里程的仿真结果与估算结果对比可以得出如下结 论，对于剩余里程估算方法来说，误差的产生来源于两个主要方面：第一点， 估算方法中对于功率消耗的计算是源于电池实际消耗功率对时间的积分，然而 实际上电池的实际消耗的功率是电池输出功率与内阻消耗功率之和，随着SOC 的下降，电池内阻不断增大，内阻消耗功率越来越大，因此误差越来越大，这 就是随着时间的延长剩余里程的估算结果与仿真结果误差越来越大的原因；第 二点，也是误差的主要来源，基于里程与能量消耗比值这种估算办法，其初始 的估算值不能真实的反应电动汽车的实际续驶里程，其初始值过大，带来的剩 余里程的估算结果与仿真结果误差往

14、往高达50%以上。综上所述，在电动汽车模型仿真时，电动汽车的行驶里程由电池的电量决 定，而在剩余续驶里程估算方面，电池模型、汽车即时工况以及电池SOC起决 定性作用。在估算过程中，初始值估算误差，估算过程中误差累计变大，这都 是要解决的问题。3.2剩余里程估算方法分析3.2.1估算方法的初始值由前文仿真结果与估算结果对比可以知道，电动汽车剩余续驶里程估算的 误差主要集中在估算的初始值上。接下来对于估算初始值的分析首先从估算算 法开始。将估算法数学公式（3-5）做如下变形：（4-1）S =伸 f (v)dt =* AS（4-1）Z * PJ 0A * QmUeGD0D式中q为电池的额定容量（Ah

15、）； ue为电池的端电压；gD0为电池的放 电深度（ W为电池总能量（Ah）； A估算时间段得长度，A为估算时 间段里电动汽车的累计行驶距离，p为电池消耗功率。如公式（4-1）所示，W是由汽车行驶之前检测电池的核电荷数确定的固 定值，根据4.1.2电动汽车匀速工况仿真，可以知道 S=t*v，那么式中分子 分母上的At消去，可以得到如下结果：(4-2)窟：y-(4-2)L sGdod如公式（4-2）可知，初始值的大小仅与电动汽车的实际速度与电池实际功 率消耗的比值有关，而对于同一仿真汽车模型来说，其速度与实际功率消耗的 比值有略微差别，主要体现在实际速度越大，电机消耗的功率越大，而电机需 求的功

16、率由电池提供，较大的功率需要较高的放电电流，这使得电池的内阻消 耗的功率增大，从而导致高速情况下的实际速度与电池实际功率消耗的比值要 小于低速情况下的比值。根据估算模型的估算策略可以知道，初始值的估算是由电动汽车数据开始 进去Matlab软件之后取一个固定的时间段T，在T时刻之后对电动汽车剩余续 驶里程进行第一次估算，其估算结果即为剩余里程估算结果的初始值。那么T 时刻的越大，高速状态下的估算初始值与低速状态下的估算初始值差距越大。 为了验证上述分析的正确性，以80km/h和20km/h匀速行驶工况为对比工况对 于T为5s、50s、300s进行估算仿真，仿真对比结果如表4-3所示。表4-2 A

17、t对于估算结果影响的仿真试验取值T=5sT=50sT=300s20km/h估算初始值/km332.6332.34331.528680km/h估算初始值/km332.5967328.0525318.2588以上两初始值差值/km0.00334.287513.2698根据表中数据可以确定以上关于T对剩余续驶里程估算方法初始值的影响 分析是正确的。虽然估算初始值的大小随着T的增大而减小，但是减小幅度不 大，不足以对剩余续驶里程的初始值进行优化。3.2.2续驶里程估算过程分析运用Matlab软件对电动汽车剩余续驶里程进行估算，其估算过程如图4-17 所示，在估算时间t选择一定的情况下，计算该片段得到的

18、行驶距离、能量 消耗都以寄存的方式留在计算的缓存部分，当下一个计算片段到来时，续驶里 程计算模型将所得到的新的电动汽车参数处理并与之前缓存的计算数据求和， 再一次计算续驶里程。图4-17估算模型累加法计算过程由以上计算过程我们可以知道在估算过程中，由GT-Drive软件仿真得到的 数据连续不断的传输到Matlab估算模型中，而在估算过程中只是按照时间对于 各项输入的数据积分求和，而对于该时间片段汽车的运动学状态，也就是电动 汽车的加速减速状态没有进行考虑。分别以加速片段和减速片段作为讨论对象，对于加速片段来说，根据计算 算法，电动汽车在该时间段的位移由速度与时间的积分求得，电动汽车的能量 消耗

19、由电池的实际功率消耗与时间的积分求得。然而由于电池内阻的存在，加 速过程电池输出功率增大，电动汽车回路内的电流增大，电阻消耗的能量增大， 导致动力电池实际消耗功率与输出功率差值变大，从而导致误差，而且由于是 对时间的积分，误差也会变得原来越大；对于减速片段来说，除去以上动力电 池实际消耗功率与输出功率之间的误差减小以外，电动汽车的制动充电则完全 没有考虑进估算。电池的实际功率消耗同电动汽车的即时速度有关，将电池消耗的趋势变化 添加至估算方法，才能更为精确的对电动汽车的续驶里程进行估算。加速过程 电池消耗增加，减速过程电池消耗减少，由于在本文估算中的电动汽车的续驶 里程往往小于剩余里程的估算结果

20、，故加速过程的能量损耗误差不计，制动过 程中的能量回收更加值得研究。3.3电动汽车UDDS工况仿真根据以上对电动汽车估算模型的调整和改进，以及对于剩余续驶里程初始 值的优化，现在以UDDS循环工况为研究对象，验证经过调整后的估算算法能 否较为准确的对该工况循环进行估算。在GT-drive软件设置电动汽车运行工况 为UDDS工况，设置仿真时长为20000s，仿真结果如图4-23、4-24所示。图4-23 UDDS工况电动汽车SOC曲线图4-24 UDDS工况电动汽车累计里程图4-25UDDS工况循环剩余里程估算估算结果如图4-25所示，仿真时间为4000s时，电动汽车累计行驶里程 39km，由于

21、UDDS最大行驶里程为149km，故电动汽车剩余续驶里程仿真结 果为110km，而电动汽车剩余里程估算结果为104km，估算误差为-5.7%。仿真 时间为10000s时，电动汽车累计行驶里程100km，故电动汽车剩余续驶里程仿 真结果为49km，而电动汽车剩余里程估算结果为53.5km，估算误差为8.4%。由以上仿真和估算对比结果表明，电动汽车以UDDS工况运行时，通过初 始值优化以及多工况循环优化的剩余续驶里程估算方法能够完成对电动汽车某 一时刻的剩余续驶里程进行较为准确的估算。即时的为驾驶员提供可靠的估算 服务。3.4本章小结本章通过对建立的电动汽车模型进行不同工况仿真和剩余续驶里程的估

22、算，探讨了即时估算电动汽车剩余里程所要注意的问题，在理论上分析了有关 电动汽车速度、动力电池SOC以及电池内阻同电动汽车剩余里程的关系，通过 对比电动汽车剩余里程估算结果与剩余续驶里程仿真结果的差异，提出了通过 添加参数L对估算初始值进行优化的办法，总结了多工况循环加速与减速对剩 余续驶里程估算结果的影响。对比计算结果和理论分析，可以得出如下的结论：（1）基于消耗能量与动力电池总能量相等的匀速行驶剩余里程估算方法， 可以在估算初期获得较为精确的初始估算值，然而在汽车行驶过程中，由于工 况的复杂性以及不同道路行驶所带来的消耗，该估算法会有较大的误差，而基 于Matlab/Simulink估算方法则可以很好的根据已消耗的电池能量同汽车行驶 距离估算电动汽车以当前工况还能行驶的距离。因此获得较为精确的估算初始 值可以更为精确的估算电动汽车的剩余续驶里程。（2）电动汽车剩余续驶里程估算方法在初始估值存在估值较大的问题，