基于大数据的电动汽车用户行为对电池老化影响分析

2022-09-05梁海强何洪文代康伟

汽车工程 2022年8期

梁海强，何洪文，代康伟，庞博

（北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081）

前言

动力电池作为电动汽车的核心部件之一，其性能差异直接影响着整车的性能。然而在动力电池循环使用过程中，往往会出现不同程度的电池老化，导致电池和整车性能出现不同程度的衰减。因此对电池老化特性的研究一直倍受关注。许多研究发现，电池放电功率、充电倍率和电池温度等外界和工况因素对电池老化速率有着重要影响，而这些因素又与用户的行为习惯息息相关。同时有研究表明，不同用户的驾车风格和充电偏好等行为习惯存在较大差异，特别是私人用户与运营类用户之间的差异尤为明显。因此，有必要探究用户的行为习惯对电动汽车电池老化的影响。

目前基于试验和模型仿真等传统电池老化的研究方法大多是针对设计工况或仿真工况下电芯或电池包的研究，需要依托大量的线下试验数据，成本较高。此外，忽略了实际应用中灵活多变的实车工况场景和个性化的用户行为习惯信息，因此与实际应用存在一定偏差。

为了能够切合实际应用，获取更为准确地分析结果，大量的实车运行数据的获取和分析是一个必要的前提。随着电动汽车和智能网联技术的快速发展，电动汽车已经开始进入数字化时代，海量的车端和用户数据能够实时地上传汇总到云端，并实现全生命周期存储，为实现用户行为习惯对电动汽车电池老化的影响关系的量化分析提供了有利条件。孟祥怡等基于新能源汽车大数据平台，对新能源汽车充电过程的用户行为进行了统计，获取了用户充电行为统计分布规律，但是没有进一步分析用户充电行为对电池老化的影响。王思淼等基于上海地区新能源汽车的运行数据，系统分析了电动汽车里程、充电方式、温度和电量使用区间对电池老化的影响关系，认为快充和慢充对电池老化影响不大。肖伟等基于某在线大数据平台，得到了时间、里程和地域对电动汽车电池健康状态的影响规律。然而电池老化受多因素影响，上述文献在分析某一因素对电池老化影响时，忽略了其他因素的干扰和影响，不可避免地在量化分析时引入误差。

本文中基于电动汽车大数据分析平台，依托大量实车线上运行数据，采用控制变量的原则，从用户的驾车风格、充电偏好和地域差异角度出发，提取关键的用户行为特征，探究用户行为习惯对电动汽车电池老化的影响特性。分析某一因素对电池老化影响时，控制其他影响因素的特征相近，减少其他因素对分析结果的干扰。

1 大数据平台

本文中基于某企业电动汽车数据分析平台，开展用户行为习惯对电动汽车电池老化的影响分析，该平台应用图如图1 所示，以多台服务器组建的分布式文件系统（hadoop distributed file system，HDFS）集群，支持车端采集数据经TBOX 以多样化的方式（传输控制协议（transmission control protocol，TCP）/超文本传输协议（hypertext transfer protocol，HTTP）/消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport，MQTT））快速接入并存储，拥有比国家电动汽车监控平台信号密度更高、信号范围更广的车端数据输入。

图1 大数据平台应用图

为保证数据质量，平台通过数据抽取转换、加载（extract-transform-load，ETL）清洗和计算引擎（spark）内存计算，可对大批量数据进行快速筛选、整合和清洗，实现智能化数据清洗整理，为大数据分析提供数据准备。

面对灵活多变的个性化数据分析需求，平台搭建了基于“原始标签”、“事实标签”、“模型标签”及“预测标签”层层递进标签维度，形成了数据地图。通过标签搜索、精准定位即可快速、准确地匹配来自业务层（生产、管理、销售）的个性化需求，并完成目标数据提取和分析工作，为企业产品升级和决策优化提高决策依据。

本文中基于某企业大数据平台，选取某车型（三元锂电池）2020 年3 月-2021 年6 月期间40 000+高品质的用户和车辆数据作为初始数据库，采用控制变量方法，筛选得到了1 000+样本数据，进而开展用户行为习惯对电动汽车电池老化的影响关系研究。

2 电池老化特征和用户行为特征

2.1 电池老化特征

电池的容量衰减是电池老化主要特征之一，因此选用电池的容量衰减率来表征电池的老化程度。考虑到电动汽车充电过程的电流变化相对稳定，选用电动汽车停车充电过程提取电池老化特征。电池的充电容量数据理论上要求覆盖完整电压区间，然而实际应用中鲜有满放满充的情况，因此，本文中综合考虑各电压区间使用的覆盖度、电流变化情况和对电池老化的表征情况，选取常用的近似恒流充电的电压区间（3.65-3.85 V），具体流程见图2，并以该电压区间的慢充充电容量（取3 次该电压区间慢充容量的平均值）的容量衰减率表征该电池的老化程度，电池容量衰减率的计算公式为

图2 电压区间选取流程图

式中：为电池容量衰减率；为该电压区间当前充电容量，A·h；为该电压区间出厂时充电容量，A·h。此外，为了减小不同地区和季节的温度差异带来的容量误差，选用6 月1 日-9 月30 日之间夏季的充电数据提取电池的老化特征。

2.2 用户行为特征

电池老化程度差异与用户在电池的充电过程、放电过程和电池工作的环境温度等场景的使用习惯息息相关。因此有必要对用户在各场景下的主要行为特征进行提取。本文中基于2020 年3 月-2021 年6月期间实车数据提取用户行为特征。

车辆运行环境温度是电池衰退的关键因素，考虑到我国南北方车辆运行的温度差异大，选取北京市和广东省作为车辆运行温度差异较大的两个代表。两地的全年平均温度相差11 ℃，冬季最大相差17 ℃，具有代表性。

电池充电过程是电池衰退的另一个关键因素。对于电动汽车而言，电池充电过程的差异主要体现在充电方式的不同。目前的电动汽车具备快充和慢充两种充电方式，快充的充电速度要明显大于慢充的充电速度，一般约为慢充的3～4 倍，可以明显缩短充电时间。而慢充桩的建设条件更为亲民，在家用方面相对普及。因此本文中选用用户对快充和慢充的偏好来反映用户充电行为的差异，数学表达式为

式中：为快充频率；为快充总次数；为总充电次数。＞70%被认为是高频快充，偏好快充充电模式；30%≤≤70%是中频快充；而＜30%属于低频快充，是偏好慢充充电模式。

放电工况也是影响电池衰退的重要因素，电池放电过程差异主要取决于用户的驾驶风格，不同用户的性格、用车需求和驾车熟练度的差异会导致用户在驾驶风格上存在差异，有的偏向激进驾驶风格，有的偏向温和的驾驶风格。激进型驾驶风格是指驾驶过程经常出现急加速、急减速或高速行驶过程，温和型驾驶风格是指驾驶过程相对缓和，很少出现急加速、急减速或高速行驶过程，考虑到平台数据的频率较低，无法记录车速的变化过程，因此以用户的前进挡的挡位选择来表征用户的驾驶风格。本款车型前进挡分为D 挡（经济模式）和S 挡（运动模式），D 挡优先考虑经济性，动力性和加速响应相对较差，驾驶较为温和，而S 挡更注重动力性和响应性，驾驶较为激进。因此如果用户行车时前进挡主要使用D 挡位（D 挡使用频率＞90%）的被认为温和型驾驶风格。如果用户行车时前进挡主要使用S 挡位（S挡使用频率＞90%）的被认为激进型驾驶风格。

3 用户行为特征与电池老化影响规律

3.1 电池的老化过程

图3为不同里程车辆的电池容量衰减情况，电动汽车在5、10、15 和20 万km 里程时电池的容量衰减率分别为4.62%、5.78%、7.79%和9.88%，可以发现电池的容量衰减率随车辆总里程的增加，呈现逐渐增大的趋势，说明随着车辆的使用，电池会逐渐老化，电池容量也会逐渐衰减。

图3 不同里程下电动汽车电池的容量衰减对比图

3.2 用户所在的区域差异

本文中通过对比分析北京和广东地区车辆的电池老化程度差异，来探究由于地域差异导致车辆电池工作环境温度的不同对电池老化的影响，同时为了降低用户在放电过程和充电过程的行为特征对分析结果的影响，控制用户的充电过程行为特征和放电过程行为特征相同，选用低频快充、驾驶风格为激进型的用户车辆作为数据分析样本。研究结果如图4 所示，相同里程下，广东车辆电池容量衰减均小于北京车辆电池的容量衰减，在5、10、15和20万km里程下，相比于广东省的用户车辆，北京市的用户车辆的电池老化分别增加19.09%、10.59%、16.02%和11.88%。相同的里程下，北京用户车辆的电池老化整体明显要快于广东省用户车辆的老化，这主要是由于广东省用户车辆的电池工作环境温度主要在10～40 ℃之间，电池在常温环境下工作，容量衰减较小，而北京的春秋冬季温度明显低于广东省，特别是冬季（＜0 ℃），电池在较低温下循环老化的速度要大于常温。

图4 不同里程下北京和广东电动汽车电池容量衰减对比图

为了进一步分析温度对电池容量衰减的影响，本文选用5 万km、低频快充，激进驾驶风格的用户车辆作为数据样本，分析电池平均运行温度与电池容量衰减的对应关系，如图5 所示，车辆电池的平均运行温度分布在15～35 ℃范围内，随着电池平均运行温度的增大，电池容量衰减率呈现先减小再增大的变化趋势，在27 ℃附近达到最小值。可以发现电池的平均运行温度较低时，容量衰减较大，这主要是因为该部分车辆主要在北方运行，存在较多的低温运行场景，对电池的衰减有较大的促进作用。此外，在27～35 ℃的温度区间，随着电池的平均运行温度的增大，电池的容量衰减率有轻微增大的趋势，这是因为高温环境下，电池的活性材料的损耗会显著加快，使得电池阻抗增加，导致电池容量衰减。因此，建议车企规划电池热管理策略，降低电池在低温和高温环境下的老化速率。同时也建议用户在低温环境下，开启电池保护策略，减小电池在低温环境下的运行和损耗。

图5 不同温度下电动汽车电池容量衰减分布图

3.3 充电方式偏好

本文中选用广东地区、激进型驾驶风格的车辆数据作为数据样本，分析充放方式偏好的不同（高频快充、中频快充和低频快充）对电池老化的影响规律。结果发现，相同里程下，随着快充频率的增高，电池的老化程度呈现增大的趋势，相比于慢充的充电方式，用户偏好快充的充电模式导致电池的老化更为明显，在5、10、15 和20 万km 里程下，偏好快充（高频快充）的用户车辆比偏好慢充（低频快充）的用户车辆的电池老化分别增加了33.45%、33.86%、56.24%和55.02%。此外还发现，中频快充和高频快充的用户车辆的电池老化差异并不是十分明显，在5、10、15和20万km里程下，高频快充的用户车辆比中频快充的用户车辆的电池老化分别增加了3.55%、3.16%、7.06%和0.74%。

图6 不同里程下不同快充频率对电动汽车电池容量衰减的影响对比图

为了进一步分析快充频率对电池容量衰减的影响，选用广东地区、里程为5 万km、激进驾驶风格的用户车辆作为数据样本，分析快充频率与电池容量衰减的对应关系，如图7 所示，随着快充频率的增加，电池的容量衰减率呈现逐渐增大的趋势，但是增大的速率却呈现逐渐减小的趋势，快充频率在0-0.7 区间时，随着快充频率的增加，电池的容量衰减速率增长较快，当快充频率大于0.7 以后，进一步增大快充频率对电池容量衰减速率的影响相对较小。由上可以得出快充和慢充对电池老化影响是存在很大差异的。这主要是由于快充的充电电流明显大于慢充的充电电流，大倍率充电会使电池系统偏离平衡状态，加速正负极材料的老化，甚至有可能会引起析锂反应，进而导致电池容量的衰减，同时快充时产生的热量也会加快电池的老化。由此可见，减少快充频率可以有效减缓电池老化，因此建议用户优先使用慢充补电。

图7 不同快充频率下电动汽车电池容量衰减的分布图

3.4 用户的驾驶风格

选用相同广东地区、低频快充的用户车辆作为数据样本，分析不同的驾驶风格（激进型和温和型）对电池老化的影响规律。从图8 中可以看出，相同里程下，相比于温和的驾驶风格，激进的驾驶模式对电池损耗更为明显，在5、10、15 和20 万km 里程下，相比于温和型的驾驶风格，激进型驾驶模式导致的老化分别增加10.37%、7.53%、3.14%和1.73%。这主要是由于激进的驾驶风格会存在高速行驶和频繁的加减速过程，这就会导致电池瞬时的放电和回馈功率及平均放电功率均会远大于温和型的驾驶风格，而在高倍率的放电过程中，电池极化现象严重，会造成电极材料活性明显下降，进而导致电池容量的衰减。因此，建议用户尽量避免激进的驾驶行为，温和的驾驶行为有助于延长电池寿命。