基于大數(shù)據(jù)的電動(dòng)汽車用戶行為對(duì)電池老化影響分析

梁海強(qiáng)，何洪文，代康偉，龐 博

（北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

前言

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的核心部件之一，其性能差異直接影響著整車的性能。然而在動(dòng)力電池循環(huán)使用過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)不同程度的電池老化，導(dǎo)致電池和整車性能出現(xiàn)不同程度的衰減。因此對(duì)電池老化特性的研究一直倍受關(guān)注。許多研究發(fā)現(xiàn)，電池放電功率、充電倍率和電池溫度等外界和工況因素對(duì)電池老化速率有著重要影響，而這些因素又與用戶的行為習(xí)慣息息相關(guān)。同時(shí)有研究表明，不同用戶的駕車風(fēng)格和充電偏好等行為習(xí)慣存在較大差異，特別是私人用戶與運(yùn)營(yíng)類用戶之間的差異尤為明顯。因此，有必要探究用戶的行為習(xí)慣對(duì)電動(dòng)汽車電池老化的影響。

目前基于試驗(yàn)和模型仿真等傳統(tǒng)電池老化的研究方法大多是針對(duì)設(shè)計(jì)工況或仿真工況下電芯或電池包的研究，需要依托大量的線下試驗(yàn)數(shù)據(jù)，成本較高。此外，忽略了實(shí)際應(yīng)用中靈活多變的實(shí)車工況場(chǎng)景和個(gè)性化的用戶行為習(xí)慣信息，因此與實(shí)際應(yīng)用存在一定偏差。

為了能夠切合實(shí)際應(yīng)用，獲取更為準(zhǔn)確地分析結(jié)果，大量的實(shí)車運(yùn)行數(shù)據(jù)的獲取和分析是一個(gè)必要的前提。隨著電動(dòng)汽車和智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車已經(jīng)開始進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，海量的車端和用戶數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地上傳匯總到云端，并實(shí)現(xiàn)全生命周期存儲(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)用戶行為習(xí)慣對(duì)電動(dòng)汽車電池老化的影響關(guān)系的量化分析提供了有利條件。孟祥怡等基于新能源汽車大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)新能源汽車充電過(guò)程的用戶行為進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，獲取了用戶充電行為統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，但是沒(méi)有進(jìn)一步分析用戶充電行為對(duì)電池老化的影響。王思淼等基于上海地區(qū)新能源汽車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了電動(dòng)汽車?yán)锍?、充電方式、溫度和電量使用區(qū)間對(duì)電池老化的影響關(guān)系，認(rèn)為快充和慢充對(duì)電池老化影響不大。肖偉等基于某在線大數(shù)據(jù)平臺(tái)，得到了時(shí)間、里程和地域?qū)﹄妱?dòng)汽車電池健康狀態(tài)的影響規(guī)律。然而電池老化受多因素影響，上述文獻(xiàn)在分析某一因素對(duì)電池老化影響時(shí)，忽略了其他因素的干擾和影響，不可避免地在量化分析時(shí)引入誤差。

本文中基于電動(dòng)汽車大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，依托大量實(shí)車線上運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用控制變量的原則，從用戶的駕車風(fēng)格、充電偏好和地域差異角度出發(fā)，提取關(guān)鍵的用戶行為特征，探究用戶行為習(xí)慣對(duì)電動(dòng)汽車電池老化的影響特性。分析某一因素對(duì)電池老化影響時(shí)，控制其他影響因素的特征相近，減少其他因素對(duì)分析結(jié)果的干擾。

1 大數(shù)據(jù)平臺(tái)

本文中基于某企業(yè)電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，開展用戶行為習(xí)慣對(duì)電動(dòng)汽車電池老化的影響分析，該平臺(tái)應(yīng)用圖如圖1 所示，以多臺(tái)服務(wù)器組建的分布式文件系統(tǒng)（hadoop distributed file system，HDFS）集群，支持車端采集數(shù)據(jù)經(jīng)TBOX 以多樣化的方式（傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，TCP）/超文本傳輸協(xié)議（hypertext transfer protocol，HTTP）/消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（message queuing telemetry transport，MQTT））快速接入并存儲(chǔ)，擁有比國(guó)家電動(dòng)汽車監(jiān)控平臺(tái)信號(hào)密度更高、信號(hào)范圍更廣的車端數(shù)據(jù)輸入。

圖1 大數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用圖

為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)抽取轉(zhuǎn)換、加載（extract-transform-load，ETL）清 洗 和 計(jì) 算 引 擎（spark）內(nèi)存計(jì)算，可對(duì)大批量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速篩選、整合和清洗，實(shí)現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)清洗整理，為大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

面對(duì)靈活多變的個(gè)性化數(shù)據(jù)分析需求，平臺(tái)搭建了基于“原始標(biāo)簽”、“事實(shí)標(biāo)簽”、“模型標(biāo)簽”及“預(yù)測(cè)標(biāo)簽”層層遞進(jìn)標(biāo)簽維度，形成了數(shù)據(jù)地圖。通過(guò)標(biāo)簽搜索、精準(zhǔn)定位即可快速、準(zhǔn)確地匹配來(lái)自業(yè)務(wù)層（生產(chǎn)、管理、銷售）的個(gè)性化需求，并完成目標(biāo)數(shù)據(jù)提取和分析工作，為企業(yè)產(chǎn)品升級(jí)和決策優(yōu)化提高決策依據(jù)。

本文中基于某企業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，選取某車型（三元鋰電池）2020 年3 月-2021 年6 月期間40 000+高品質(zhì)的用戶和車輛數(shù)據(jù)作為初始數(shù)據(jù)庫(kù)，采用控制變量方法，篩選得到了1 000+樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)而開展用戶行為習(xí)慣對(duì)電動(dòng)汽車電池老化的影響關(guān)系研究。

2 電池老化特征和用戶行為特征

2.1 電池老化特征

電池的容量衰減是電池老化主要特征之一，因此選用電池的容量衰減率來(lái)表征電池的老化程度?？紤]到電動(dòng)汽車充電過(guò)程的電流變化相對(duì)穩(wěn)定，選用電動(dòng)汽車停車充電過(guò)程提取電池老化特征。電池的充電容量數(shù)據(jù)理論上要求覆蓋完整電壓區(qū)間，然而實(shí)際應(yīng)用中鮮有滿放滿充的情況，因此，本文中綜合考慮各電壓區(qū)間使用的覆蓋度、電流變化情況和對(duì)電池老化的表征情況，選取常用的近似恒流充電的電壓區(qū)間（3.65-3.85 V），具體流程見圖2，并以該電壓區(qū)間的慢充充電容量（取3 次該電壓區(qū)間慢充容量的平均值）的容量衰減率表征該電池的老化程度，電池容量衰減率的計(jì)算公式為

圖2 電壓區(qū)間選取流程圖

式中：為電池容量衰減率；為該電壓區(qū)間當(dāng)前充電容量，A·h；為該電壓區(qū)間出廠時(shí)充電容量，A·h。此外，為了減小不同地區(qū)和季節(jié)的溫度差異帶來(lái)的容量誤差，選用6 月1 日-9 月30 日之間夏季的充電數(shù)據(jù)提取電池的老化特征。

2.2 用戶行為特征

電池老化程度差異與用戶在電池的充電過(guò)程、放電過(guò)程和電池工作的環(huán)境溫度等場(chǎng)景的使用習(xí)慣息息相關(guān)。因此有必要對(duì)用戶在各場(chǎng)景下的主要行為特征進(jìn)行提取。本文中基于2020 年3 月-2021 年6月期間實(shí)車數(shù)據(jù)提取用戶行為特征。

車輛運(yùn)行環(huán)境溫度是電池衰退的關(guān)鍵因素，考慮到我國(guó)南北方車輛運(yùn)行的溫度差異大，選取北京市和廣東省作為車輛運(yùn)行溫度差異較大的兩個(gè)代表。兩地的全年平均溫度相差11 ℃，冬季最大相差17 ℃，具有代表性。

電池充電過(guò)程是電池衰退的另一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，電池充電過(guò)程的差異主要體現(xiàn)在充電方式的不同。目前的電動(dòng)汽車具備快充和慢充兩種充電方式，快充的充電速度要明顯大于慢充的充電速度，一般約為慢充的3～4 倍，可以明顯縮短充電時(shí)間。而慢充樁的建設(shè)條件更為親民，在家用方面相對(duì)普及。因此本文中選用用戶對(duì)快充和慢充的偏好來(lái)反映用戶充電行為的差異，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：為快充頻率；為快充總次數(shù)；為總充電次數(shù)。＞70%被認(rèn)為是高頻快充，偏好快充充電模式；30%≤≤70%是中頻快充；而＜30%屬于低頻快充，是偏好慢充充電模式。

放電工況也是影響電池衰退的重要因素，電池放電過(guò)程差異主要取決于用戶的駕駛風(fēng)格，不同用戶的性格、用車需求和駕車熟練度的差異會(huì)導(dǎo)致用戶在駕駛風(fēng)格上存在差異，有的偏向激進(jìn)駕駛風(fēng)格，有的偏向溫和的駕駛風(fēng)格。激進(jìn)型駕駛風(fēng)格是指駕駛過(guò)程經(jīng)常出現(xiàn)急加速、急減速或高速行駛過(guò)程，溫和型駕駛風(fēng)格是指駕駛過(guò)程相對(duì)緩和，很少出現(xiàn)急加速、急減速或高速行駛過(guò)程，考慮到平臺(tái)數(shù)據(jù)的頻率較低，無(wú)法記錄車速的變化過(guò)程，因此以用戶的前進(jìn)擋的擋位選擇來(lái)表征用戶的駕駛風(fēng)格。本款車型前進(jìn)擋分為D 擋（經(jīng)濟(jì)模式）和S 擋（運(yùn)動(dòng)模式），D 擋優(yōu)先考慮經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力性和加速響應(yīng)相對(duì)較差，駕駛較為溫和，而S 擋更注重動(dòng)力性和響應(yīng)性，駕駛較為激進(jìn)。因此如果用戶行車時(shí)前進(jìn)擋主要使用D 擋位（D 擋使用頻率＞90%）的被認(rèn)為溫和型駕駛風(fēng)格。如果用戶行車時(shí)前進(jìn)擋主要使用S 擋位（S擋使用頻率＞90%）的被認(rèn)為激進(jìn)型駕駛風(fēng)格。

3 用戶行為特征與電池老化影響規(guī)律

3.1 電池的老化過(guò)程

圖3為不同里程車輛的電池容量衰減情況，電動(dòng)汽車在5、10、15 和20 萬(wàn)km 里程時(shí)電池的容量衰減率分別為4.62%、5.78%、7.79%和9.88%，可以發(fā)現(xiàn)電池的容量衰減率隨車輛總里程的增加，呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著車輛的使用，電池會(huì)逐漸老化，電池容量也會(huì)逐漸衰減。

圖3 不同里程下電動(dòng)汽車電池的容量衰減對(duì)比圖

3.2 用戶所在的區(qū)域差異

本文中通過(guò)對(duì)比分析北京和廣東地區(qū)車輛的電池老化程度差異，來(lái)探究由于地域差異導(dǎo)致車輛電池工作環(huán)境溫度的不同對(duì)電池老化的影響，同時(shí)為了降低用戶在放電過(guò)程和充電過(guò)程的行為特征對(duì)分析結(jié)果的影響，控制用戶的充電過(guò)程行為特征和放電過(guò)程行為特征相同，選用低頻快充、駕駛風(fēng)格為激進(jìn)型的用戶車輛作為數(shù)據(jù)分析樣本。研究結(jié)果如圖4 所示，相同里程下，廣東車輛電池容量衰減均小于北京車輛電池的容量衰減，在5、10、15和20萬(wàn)km里程下，相比于廣東省的用戶車輛，北京市的用戶車輛的電池老化分別增加19.09%、10.59%、16.02%和11.88%。相同的里程下，北京用戶車輛的電池老化整體明顯要快于廣東省用戶車輛的老化，這主要是由于廣東省用戶車輛的電池工作環(huán)境溫度主要在10～40 ℃之間，電池在常溫環(huán)境下工作，容量衰減較小，而北京的春秋冬季溫度明顯低于廣東省，特別是冬季（＜0 ℃），電池在較低溫下循環(huán)老化的速度要大于常溫。

圖4 不同里程下北京和廣東電動(dòng)汽車電池容量衰減對(duì)比圖

為了進(jìn)一步分析溫度對(duì)電池容量衰減的影響，本文選用5 萬(wàn)km、低頻快充，激進(jìn)駕駛風(fēng)格的用戶車輛作為數(shù)據(jù)樣本，分析電池平均運(yùn)行溫度與電池容量衰減的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5 所示，車輛電池的平均運(yùn)行溫度分布在15～35 ℃范圍內(nèi)，隨著電池平均運(yùn)行溫度的增大，電池容量衰減率呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢(shì)，在27 ℃附近達(dá)到最小值?？梢园l(fā)現(xiàn)電池的平均運(yùn)行溫度較低時(shí)，容量衰減較大，這主要是因?yàn)樵摬糠周囕v主要在北方運(yùn)行，存在較多的低溫運(yùn)行場(chǎng)景，對(duì)電池的衰減有較大的促進(jìn)作用。此外，在27～35 ℃的溫度區(qū)間，隨著電池的平均運(yùn)行溫度的增大，電池的容量衰減率有輕微增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)楦邷丨h(huán)境下，電池的活性材料的損耗會(huì)顯著加快，使得電池阻抗增加，導(dǎo)致電池容量衰減。因此，建議車企規(guī)劃電池?zé)峁芾聿呗裕档碗姵卦诘蜏睾透邷丨h(huán)境下的老化速率。同時(shí)也建議用戶在低溫環(huán)境下，開啟電池保護(hù)策略，減小電池在低溫環(huán)境下的運(yùn)行和損耗。

圖5 不同溫度下電動(dòng)汽車電池容量衰減分布圖

3.3 充電方式偏好

本文中選用廣東地區(qū)、激進(jìn)型駕駛風(fēng)格的車輛數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本，分析充放方式偏好的不同（高頻快充、中頻快充和低頻快充）對(duì)電池老化的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相同里程下，隨著快充頻率的增高，電池的老化程度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，相比于慢充的充電方式，用戶偏好快充的充電模式導(dǎo)致電池的老化更為明顯，在5、10、15 和20 萬(wàn)km 里程下，偏好快充（高頻快充）的用戶車輛比偏好慢充（低頻快充）的用戶車輛的電池老化分別增加了33.45%、33.86%、56.24%和55.02%。此外還發(fā)現(xiàn)，中頻快充和高頻快充的用戶車輛的電池老化差異并不是十分明顯，在5、10、15和20萬(wàn)km里程下，高頻快充的用戶車輛比中頻快充的用戶車輛的電池老化分別增加了3.55%、3.16%、7.06%和0.74%。

圖6 不同里程下不同快充頻率對(duì)電動(dòng)汽車電池容量衰減的影響對(duì)比圖

為了進(jìn)一步分析快充頻率對(duì)電池容量衰減的影響，選用廣東地區(qū)、里程為5 萬(wàn)km、激進(jìn)駕駛風(fēng)格的用戶車輛作為數(shù)據(jù)樣本，分析快充頻率與電池容量衰減的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖7 所示，隨著快充頻率的增加，電池的容量衰減率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但是增大的速率卻呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，快充頻率在0-0.7 區(qū)間時(shí)，隨著快充頻率的增加，電池的容量衰減速率增長(zhǎng)較快，當(dāng)快充頻率大于0.7 以后，進(jìn)一步增大快充頻率對(duì)電池容量衰減速率的影響相對(duì)較小。由上可以得出快充和慢充對(duì)電池老化影響是存在很大差異的。這主要是由于快充的充電電流明顯大于慢充的充電電流，大倍率充電會(huì)使電池系統(tǒng)偏離平衡狀態(tài)，加速正負(fù)極材料的老化，甚至有可能會(huì)引起析鋰反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致電池容量的衰減，同時(shí)快充時(shí)產(chǎn)生的熱量也會(huì)加快電池的老化。由此可見，減少快充頻率可以有效減緩電池老化，因此建議用戶優(yōu)先使用慢充補(bǔ)電。

圖7 不同快充頻率下電動(dòng)汽車電池容量衰減的分布圖

3.4 用戶的駕駛風(fēng)格

選用相同廣東地區(qū)、低頻快充的用戶車輛作為數(shù)據(jù)樣本，分析不同的駕駛風(fēng)格（激進(jìn)型和溫和型）對(duì)電池老化的影響規(guī)律。從圖8 中可以看出，相同里程下，相比于溫和的駕駛風(fēng)格，激進(jìn)的駕駛模式對(duì)電池?fù)p耗更為明顯，在5、10、15 和20 萬(wàn)km 里程下，相比于溫和型的駕駛風(fēng)格，激進(jìn)型駕駛模式導(dǎo)致的老化分別增加10.37%、7.53%、3.14%和1.73%。這主要是由于激進(jìn)的駕駛風(fēng)格會(huì)存在高速行駛和頻繁的加減速過(guò)程，這就會(huì)導(dǎo)致電池瞬時(shí)的放電和回饋功率及平均放電功率均會(huì)遠(yuǎn)大于溫和型的駕駛風(fēng)格，而在高倍率的放電過(guò)程中，電池極化現(xiàn)象嚴(yán)重，會(huì)造成電極材料活性明顯下降，進(jìn)而導(dǎo)致電池容量的衰減。因此，建議用戶盡量避免激進(jìn)的駕駛行為，溫和的駕駛行為有助于延長(zhǎng)電池壽命。

圖8 不同里程下不同用戶駕駛風(fēng)格對(duì)電動(dòng)汽車電池容量衰減的影響對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文中基于某車企大數(shù)據(jù)平臺(tái)，依托于某車型（三元鋰電池）的用戶和車輛數(shù)據(jù)，開展用戶行為習(xí)慣對(duì)電動(dòng)汽車電池老化的影響研究。

（1）隨著電池平均運(yùn)行溫度的升高，電池容量衰減呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)北京用戶車輛的電池老化程度明顯要高于廣東用戶車輛，整體偏高10.59%～19.09%。

（2）隨著快充頻率的增大，電池的容量衰減率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，但是增大的速率逐漸減小。快充頻率在0-0.7 區(qū)間，隨著快充頻率的增加，電池的容量衰減率增長(zhǎng)較快，當(dāng)快充頻率大于0.7 以后，進(jìn)一步增大快充頻率對(duì)電池容量衰減率的影響相對(duì)較小。

（3）偏好快充充電的用戶車輛的電池老化比偏好慢充充電的用戶快33.45%～56.24%。

（4）相比于溫和的駕駛風(fēng)格，激進(jìn)的駕駛模式會(huì)加劇電池老化，整體比溫和型的駕駛模式快1.73%～10.37%。

綜上，充電方式的偏好對(duì)電池老化差異的影響最大，地域環(huán)境溫度的影響次之，駕駛風(fēng)格的影響最小。因此建議用戶優(yōu)先使用慢充補(bǔ)電、同時(shí)避免激進(jìn)的駕駛行為，以減緩電池的老化，延長(zhǎng)電池壽命。同時(shí)建議車企規(guī)劃電池?zé)峁芾聿呗?，降低電池在低溫和高溫環(huán)境下的老化速率。