孟祥怡 梁士福 張?zhí)鞆?姜瑞 李威 王伯軍 王金明

（1. 中國第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130013；2. 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春 130013）

主題詞：新能源汽車 大數(shù)據(jù)分析 充電系統(tǒng)

1 前言

隨著新能源汽車及互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，汽車企業(yè)正逐步從傳統(tǒng)制造業(yè)向智能化服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)型。在大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的引領(lǐng)下，新能源汽車的研究與發(fā)展依托于車輛數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)的整合、分析及利用[1]。了解新能源汽車行業(yè)的運行狀態(tài)、用戶使用規(guī)律成為提升汽車企業(yè)競爭力的重要途經(jīng)。本文通過中國一汽新能源汽車充電大數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)中純電動乘用車的多項數(shù)據(jù)，對充電行為規(guī)律和用戶使用習(xí)慣、充電故障統(tǒng)計方面進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析與梳理。通過量化數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同用戶類型充電行為偏好差異較大，在設(shè)計充電系統(tǒng)前應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品目標(biāo)用戶的實際使用習(xí)慣進(jìn)行產(chǎn)品功能及性能的開發(fā)設(shè)計。從用戶角度出發(fā)，思考特定場景功能優(yōu)化設(shè)計，提高充電安全性能，為新能源行業(yè)制定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及充電功能開發(fā)起到支撐及借鑒作用。

2 新能源汽車充電大數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)技術(shù)與新能源汽車結(jié)合的前提是建立大數(shù)據(jù)平臺，以高效收集海量數(shù)據(jù)資源。為解決我國新能源汽車安全問題，完善新能源汽車行業(yè)監(jiān)管，促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，工業(yè)和信息化部于2016年在北京建立了新能源汽車國家監(jiān)測與管理平臺[2]。

本文基于中國一汽新能源汽車充電大數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)，對 2017年 1月至 2019年 11月期間的14.48 萬量純電動車乘用車樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包含161款車型、4 367 萬次充電次數(shù)。為得到更有效的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，本文在選取車輛樣本時，綜合考慮了地域分布、用途分布、活躍度分布以及充電方式等因素，并且系統(tǒng)可從時間維度、環(huán)境溫度、車維度、電池信息以及車輛用途、續(xù)駛里程、充電方式維度進(jìn)行篩選查詢。目前該大數(shù)據(jù)系統(tǒng)已完成數(shù)據(jù)上線，包含8類數(shù)據(jù)及192 項分析指標(biāo)(圖1)。本文主要分析了充電行為數(shù)據(jù)中的11項指標(biāo)，對用戶行為及充電使用場景進(jìn)行深度挖掘，利用數(shù)據(jù)資源進(jìn)行充電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。

圖1 充電大數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析指標(biāo)

系統(tǒng)首先對平臺原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選清洗及處理，提供包括報警（故障）片段、充電片段和行駛片段在內(nèi)的數(shù)據(jù)片段；然后針對故障分布、充電數(shù)據(jù)可視化及大數(shù)據(jù)分布的具體分析統(tǒng)計內(nèi)容，開發(fā)數(shù)據(jù)架構(gòu)和數(shù)據(jù)處理流程、設(shè)計圖表/報表可視化方案。具體的流程分為數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)處理以和可視化展示3 部分（圖2）。一汽新能源汽車充電大數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)登錄界面和多位分析結(jié)果展示如圖3。

圖2 充電大數(shù)據(jù)可視化分析系統(tǒng)開發(fā)流程

3 用戶充電行為數(shù)據(jù)分析報告

對系統(tǒng)中充電大數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)識別，從用戶群體、充電方式、車型、地域、溫度維度進(jìn)行充電規(guī)律挖掘及影響因素分析。通過用戶充電行為數(shù)據(jù)、車輛策略性能數(shù)據(jù)的多視角剖析發(fā)現(xiàn)充電相關(guān)功能定義、控制策略及產(chǎn)品性能設(shè)計的可優(yōu)化項，實現(xiàn)充電系統(tǒng)的精準(zhǔn)研發(fā)與降本增效。

圖3 系統(tǒng)登錄界面及多維分析結(jié)果展示

3.1 充電方式

對不同車輛用途及活躍度進(jìn)行充電方式分析，充電次數(shù)中約82%采用交流充電，其中出租車約80%采用直流充電；日均行駛100 km 以上的高活躍度用戶約60%采用直流充電，日均行駛30 km 以下的低活躍度用戶約90%采用交流充電（圖4）。從數(shù)據(jù)可知運營類用戶與私人用戶充電方式差異較大，針對私人乘用車型與運營車型充電系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)根據(jù)用戶偏好進(jìn)行設(shè)計。

3.2 充電開始SOC

對不同地區(qū)及續(xù)駛里程車輛進(jìn)行充電開始的荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）分析，各地區(qū)用戶充電啟動SOC分布類似，主要分布在SOC為20%～80%，其中SOC為35%～45%占比最多。長續(xù)駛、大電池包（500 km、70～90 kW·h）車輛用戶主要在SOC為20%以上充電，可知長續(xù)駛車用戶仍有里程焦慮（圖5）。

交流充電啟動SOC值高于直流充電，推測可能為用戶交流充電主要以家庭充電為主，隨停隨充。不同溫度下用戶充電啟動SOC基本一致，并未由于低溫在更高SOC啟動充電。高活躍度用戶充電啟動SOC低于低活躍度用戶，可知運營車輛相比私人用戶會在更低的SOC啟動充電。

圖4 充電方式分析結(jié)果展示

圖5 充電開始SOC分析結(jié)果

3.3 充電結(jié)束SOC

數(shù)據(jù)中，57.98%用戶充電至SOC達(dá)到95%～100%，19.19%用戶充電至SOC達(dá)到80%～95%。對于直流充電用戶，約60%用戶充電至SOC達(dá)到95%～100%。不同續(xù)駛里程、不同用戶類型的車輛，對充電結(jié)束SOC值無明顯影響（圖6）。

3.4 單次充電持續(xù)時長

交流充電在各充電時長分布較平均，結(jié)合交流充電開始SOC分布，推測用戶進(jìn)行交流充電多為隨停隨充使用場景。直流充電持續(xù)時長，63%用戶在1h以內(nèi)完成充電，35%在1～2 h完成充電。出租車83.3%用戶充電時間在2 h以內(nèi)，且93%使用直流充電（圖7）。

圖6 充電結(jié)束SOC分析結(jié)果

圖7 單次充電持續(xù)時長分析結(jié)果

3.5 單車月充電時長

80%以上的私人乘用車用戶，月充電時長最長為52 h。80%以上的出租車用戶，月充電時長最長為44 h（圖8）。統(tǒng)計對于不同用途的車輛進(jìn)行交流充電時長，可對車載充電機等充電系統(tǒng)壽命設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

圖8 單車月充電時長分析結(jié)果

3.6 單車月充電次數(shù)

80%以上的私人乘用車用戶，月充電次數(shù)最多為8 次。80%以上的出租車用戶，月充電次數(shù)最多為16次（圖9）。統(tǒng)計不同用途車輛的充電次數(shù)，可對充電座的端子插拔壽命設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐，提升充電座溫升的安全設(shè)計。

圖9 單車月充電次數(shù)分析結(jié)果

3.7 充電開始時間

交流充電開始時間在2:00～7:00 占比較少。相對交流充電，直流充電開始時間分布比較均勻，且在凌晨2:00～7:00 充電占比較多。從車輛用途維度分析，不同車輛用途對于交流充電開始時間比例無明顯影響，出租車相比私人乘用車在2:00～7:00 啟動充電占比較多（圖10）。針對運營車輛用戶夜間直流充電，可優(yōu)化功能設(shè)計滿足特定場景需求。

圖10 充電開始時間分析結(jié)果

3.8 停車至充電時間間隔

直流充電中，90%的車輛在停車后30 min 內(nèi)啟動充電；交流充電中，74%的車輛在停車后30 min內(nèi)啟動充電。出租車中，91%用戶在停車后30 min 內(nèi)啟動充電；私人乘用車中，76%用戶在停車后30 min啟動充電（圖11）。從數(shù)據(jù)分析可知現(xiàn)階段大部分用戶對定時充電需求較小，多為停車后立即充電，可根據(jù)用戶習(xí)慣調(diào)整功能設(shè)計側(cè)重點。

圖11 停車至充電時間間隔分析結(jié)果

3.9 充電結(jié)束至行駛時間間隔

直流充電中，75%用戶結(jié)束充電后30 min 內(nèi)再次行駛。交流充電中，35%用戶結(jié)束充電后30 min 內(nèi)再次行駛，50%停放4～12 h以上，推測為交流充電2種場景：公共交流充電結(jié)束后快速駛離，家庭充電結(jié)束會停放較長時間。高活躍度用戶，80%用戶直流充電結(jié)束后30 min內(nèi)再次行駛（圖12）。

圖12 充電結(jié)束至行駛時間間隔分析結(jié)果

3.10 單次充電量

單次交流充電量分布較為平均，高活躍度與低活躍度用戶差異不大，推測交流充電時，用戶主要為隨停隨充使用場景。單次直流充電量分布主要集中在30%～80%，推測直流充電為公共充電，用戶單次充電需要補充較多電量。

低活躍度用戶直流充電，單次充電量集中在SOC達(dá)到50%～85%，推測為私人用戶通常在SOC較低時直流充電，一次充電量較多；高活躍度用戶直流充電，單次充電量集中在SOC達(dá)到30%～85%，推測為運營類用戶有隨時補充電需求（圖13）。

圖13 單次充電量分析結(jié)果

3.11 充電開始電池最低溫度

直流充電開始，電池最低溫度90%集中在10～35 ℃之間，其中25～30 ℃占比最多為27%。對比東北、上海、廣東等地區(qū)，充電開始電池最低溫度中：-20～-10 ℃占比不到0.2%，在東北地區(qū)-10～0 ℃僅占比4.34%（圖14）。可根據(jù)此充電開始溫度統(tǒng)計，優(yōu)化充電加熱控制策略，保證大多數(shù)用戶充電時間最短。

圖14 充電開始電池最低溫度分析結(jié)果

4 分析結(jié)論與啟示

不同用戶類型充電行為偏好差異較大，在設(shè)計充電系統(tǒng)前，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品目標(biāo)市場用戶的實際使用習(xí)慣進(jìn)行產(chǎn)品性能壽命設(shè)計、功能定義及策略開發(fā)。通過用戶充電行為的量化數(shù)據(jù)設(shè)計針對性產(chǎn)品，避免設(shè)計不足造成用戶抱怨，也避免設(shè)計過剩造成浪費。

4.1 充電系統(tǒng)策略開發(fā)

通過“充電方式”及“充電開始電池溫度”數(shù)據(jù)分析，從策略開發(fā)層面考慮應(yīng)對不同用戶設(shè)計不同充電策略，例如私人用戶較少使用直流充電，電池系統(tǒng)可適當(dāng)提升直流充電請求電流，以縮短快充時間；而針對運營類用戶，日常使用直流充電，電池系統(tǒng)需適當(dāng)降低充電電流，以保證動力電池使用壽命；根據(jù)充電開始電池溫度統(tǒng)計結(jié)果，可以優(yōu)化充電加熱控制策略，例如在電池溫度0 ℃時，啟動邊充電邊加熱功能，使電池在0 ℃以上加熱及充電的總時間最短，以保證大多數(shù)用戶的使用體驗。由于私家車與運營車用戶充電偏好差異較大，可針對運營車輛取消車載充電機，配置便攜式直流充電設(shè)備；并且結(jié)合車輛使用地區(qū)和用戶類型，確定電池加熱器（Positive Temperature Coefficient，PTC）的配置，如南方私人用戶由于直流充電使用率低且電池溫度較高，可不配置PTC。

4.2 充電系統(tǒng)產(chǎn)品性能壽命設(shè)計

通過“月充電次數(shù)”、“月充電時長”及“單次充電量”數(shù)據(jù)分析，可對產(chǎn)品的性能及壽命設(shè)計提供依據(jù)，例如可根據(jù)交流充電時長，確定車載充電機（On-Board Charger，OBC）的產(chǎn)品壽命及可靠性；根據(jù)不同用戶類型的充電頻次數(shù)據(jù)，確定充電座的插拔壽命及可靠性設(shè)計，保障充電座溫升等安全性能；通過直流充電次數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可在充電座標(biāo)準(zhǔn)壽命要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行帶載5 000 次的插拔壽命試驗，并且可根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，提前預(yù)警相關(guān)總成的安全風(fēng)險。

4.3 充電系統(tǒng)功能定義

通過“充電結(jié)束至行駛時間”、“停車至充電啟動時間”、“單次充電時長”、“充電開始SOC”、“充電結(jié)束SOC”及“充電開始時間”數(shù)據(jù)分析，可對車輛的功能定義、設(shè)計提供以下依據(jù)：多數(shù)用戶充電開始SOC高于車輛低電量報警值，可開發(fā)自定義低電量提醒設(shè)置功能；多數(shù)用戶充電至100%結(jié)束，可開發(fā)自定義充電限值功能，引導(dǎo)用戶在日常使用時將充電限值設(shè)置為SOC為90%，長途使用設(shè)置為SOC為100%，避免用戶進(jìn)行不必要的滿充，以提升動力電池壽命；針對運營車輛用戶夜間直流充電使用需求，應(yīng)思考特定場景功能優(yōu)化設(shè)計，例如冬季夜間直流充電，應(yīng)保證電池加熱時車輛空調(diào)可以使用。

5 結(jié)束語

基于國家平臺數(shù)據(jù)建立優(yōu)質(zhì)樣本庫，通過對大數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)識別與挖掘，從時、空、人、車多維度進(jìn)行充電規(guī)律挖掘及影響因素分析，通過數(shù)據(jù)分析驅(qū)動充電安全設(shè)計，并結(jié)合數(shù)據(jù)資源和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，挖掘數(shù)據(jù)背后蘊藏的豐富價值，以改善當(dāng)前新能源汽車安全問題和促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文是數(shù)據(jù)信息流資源加速新能源汽車研發(fā)領(lǐng)域電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化發(fā)展的體現(xiàn)，與線下數(shù)據(jù)形成互補，為充電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及充電安全設(shè)計提供強有力數(shù)據(jù)支撐。