CN107220730A - 一种能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法 - Google Patents

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Abstract

一种能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法。在综合考虑纯电动公交车运行特性、动力电池的容量衰退特性以及公交车线路路况特性以及三者之间相互影响的基础上，通过构造二部图模型获得各阶段纯电动公交车和路线可能的调度方案，通过计算不同调度状态下所有电池容量衰退的总变化量，采用动态规划的递归算法完成全过程调度周期和调度方案的优化。本发明获得的最优调度方案能够在现有动力电池技术水平下最大限度上延长电动公交车中动力电池的使用寿命，在整车寿命周期内最大限度减少动力电池更新次数，有效降低纯电动公交车的运营费用。

Description

一种能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规 划方法
技术领域
本发明属于过程系统工程领域，特别涉及一种能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法。
背景技术
动力电池是纯电动公交车的核心部件，为车辆提供动力源。动力电池是电动公交车的主要成本要素之一，其使用寿命远小于纯电动公交车整车寿命。由于寿命短、成本高等问题在很大程度上限制了电动公交车的运营性能，其根源是动力电池的容量衰退。动力电池性能的下降不仅与电池自身的充放电电化学特性和环境温度等因素有关，而且还与动力电池的工作负荷和使用方式有关。对于纯电动公交车，动力电池的容量衰减与其工作负荷有直接关系，由于其行进路线相对固定，不同路线意味着不同的工作负荷，由此可以通过纯电动公交车的调度，动态规划行进路线，以延缓动力电池的容量衰减，延长电池的使用寿命，在整车生命周期中减少电池更新次数，有效降低电池更新的费用，从而有效降低纯电动公交车的运营成本。
目前，纯电动公交车的调度通常可以表示为一个具有续航时间约束或充电时间约束的车辆调度问题进行求解，该问题是一个整数规划问题。一般是在传统车辆调度模型的基础上，增加不同形式的续航时间约束或充电时间约束，然后运用启发式算法，如遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、混合免疫算法等方法进行求解，以获得使用车辆最少、空驶距离最短或碳排放最少的公交车路线调度方案。目前，针对纯电动公交车路线调度方案设计多集中在对调度规划模型求解算法的改进上，往往忽略了动力电池容量衰退特性、电动车运行特性以及工作路况特性三者之间的相互影响，也未考虑到电池容量衰退特性对纯电动公交车运营经济性的影响。因此，为了提高现有纯电动公交车的利用率，降低因动力电池容量衰减所引起的电池更新费用，需在考虑动力电池容量衰退特性的基础上，建立延长纯电动公交车动力电池的使用寿命的电动公交车调度方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在纯电动公交车的整车使用年限内，最大限度地延长动力电池的使用寿命，降低电池更新费用，降低纯电动公交车的新增投资和运营成本的能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)首先，设运行的纯电动公交车数目固定，公交路线和运行时刻表固定；
2)计算所有运行线路所对应的动力电池工作负荷；
3)计算动力电池容量随充放电循环次数变化的容量衰减量；
4)根据公交车运营时刻表，在整车使用年限内划分纯电动公交车运行线路的调度阶段；
5)构建二部图调度模型，依次计算各阶段不同调度状态下动力电池容量衰退的总变化量；
6)通过动态规划算法，确定全阶段电动公交车路线调度方案。
所述2)在已知纯电动公交车行驶速度v(t)的情况下，通过下式计算动力电池的工作负荷：
PB(t)＝v(t)(Fr+Fa+ma)/η
其中，PB表示电池功率；v表示纯电动公交车的速度；Fr为滚动阻力；Fa为空气动力阻力；m为纯电动公交车的质量；a为纯电动公交车的加速度；η为纯电动公交车的机械效率。
所述3)在已知电池工作负荷PB(t)的情况下，通过电池容量衰退模型获得电池的容量衰退百分数随放电电流、电池温度、循环次数、放电深度和电池容量等参数的变化特性。
所述的电池容量衰退模型采用半经验寿命模型或机理模型。
所述4)划分纯电动公交车运行线路的调度阶段是根据纯电动公交车整车寿命、车次安排和时刻表，定义电动公交车调度的最小时间单位为一个阶段，在纯电动公交车的整车寿命周期内，将纯电动公交车运行的调度阶段划分为N个阶段。
所述5)动力电池容量衰减变化量定义为公交车在不调度的情况下行驶后的电池容量衰减量与按照动态调度方案行驶后电池容量衰减量的差值：
5-1)依次构造各阶段的二部图模型；
定义公交车集合为I，所有线路的集合为J,且公交车的数目应大于等于公交路线的数目，即|I|≥|J|，将第n-1个阶段的状态作为初始状态，根据电池的容量衰退曲线，获得第n个阶段电动公交车i在路线j上行驶时，动力电池容量衰减的变化量构成了一个以集合I和J为顶点集，以i到j的箭头为有向边，以电池容量衰减的变化量为权重的加权有向二部图，其中有向边的确定需要检验纯电动公交车i更换到路线j上行驶时是否满足续航里程约束和充电时间约束，当且仅当两个约束同时满足时，确定一条i到j的有向边，否则边不存在，依次类推到第N阶段，完成各阶段二部图模型的构造；
5-2)枚举纯电动公交车的所有可能调度状态；
根据5-1)构建的二部图模型，图中的每条有向边都代表一种调度方式，将二部图中的有向边定义为状态集合S，则该集合中的每一个子集都是一种可能的调度状态，设阶段n所构造的二部图模型中包含的有向边个数为k,则该阶段构建的状态集合为Sn，可能的调度状态数总量Mn＝2k，并将其中的任一个调度状态记为其中各阶段的第一个状态，S1表示不调度状态。
5-3)计算所有可能的调度状态下对应的动力电池容量衰退的总变化量：
在给定阶段n和给定调度状态,的情况下，依次计算所有纯电动公交车从阶段n-1的状态到达阶段n的状态,的过程中，动力电池容量衰退的变化量，并将其加和得到该调度状态转化情况下动力电池容量衰退的总变化量计算中，若某个动力电池的容量已经衰退到其额定容量的80％，则需要更换新的动力电池，后续计算以新电池的初始容量进行计算。
所述6)在已知各阶段内公交车路线调度方案的基础上，全阶段内最优的公交车路线调度方案的优选和调度周期的确定通过以下步骤进行：
6-1)构造纯电动公交车路线调度的状态-阶段图
根据4)中划分的调度阶段和5-2)中确定的各阶段的调度状态，构造纯电动公交车路线调度的阶段-状态图，图中显示，纯电动公交车的调度过程共包含N个阶段，个状态，所有状态的集合为各阶段状态集合的并集。相邻阶段状态之间的转化关系可表示为所有电动公交车中动力电池容量衰退的总变化量计算过程如5-3)。
6-2)确定最优的电动公交车动态行驶线路调度周期和调度方案
该路径的获得采用动态规划算法，即从最后第N阶段开始，由阶段N向初始阶段1的方向逐阶段递推，寻找各阶段到第N阶段的最优路径，即权重加和最大的路径，当递推到初始阶段1时，即得到电动车运营全阶段的最优路径，根据最优路径在各阶段的初始和终止状态，确定所有公交车的最优调度周期和调度方案，其中，若某个阶段选择的路径的结束状态是不调度状态，S1，则表示该阶段内公交车无需调度；反之，则表明该阶段内所有的公交车需要按照所选路径对应的调度方案进行调度。
本发明在综合考虑纯电动公交车运行特性、动力电池的容量衰退特性以及公交车线路路况特性以及三者之间相互影响的基础上，通过构建二部图模型获得各阶段纯电动公交车和路线可能的调度方案，通过计算不同调度状态下所有电池容量衰退的总变化量，采用动态规划的高效递归算法完成全过程调度周期和调度方案的优化。本发明获得的最优调度方案能够在现有动力电池技术水平下最大限度上延长电动公交车中动力电池的使用寿命，在整车寿命周期内最大限度减少动力电池更新次数，有效降低纯电动公交车的运营费用。
附图说明
图1是本发明纯电动公交车动态线路规划方法的实施步骤；
图2是本发明纯电动公交车运行线路的动态规划过程示意图；
图3是本发明任一阶段n纯电动公交车与公交线路的二部图模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，该纯电动公交车运行线路调度方法的假设如下：
1)首先，设运行的纯电动公交车数目固定，公交路线和运行时刻表固定；
基于以上假设，延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法包括以下步骤：
2)计算所有运行线路所对应的动力电池工作负荷；
纯电动公交车行驶在不同的线路上，路况不同，车辆运行速度不同，其动力电池的工作负荷也不同。因而，纯电动公交车中动力电池的输出功率随时间的变化可用于表征公交线路的路况负荷。在已知纯电动公交车行驶速度v(t)的情况下，通过下式计算动力电池的工作负荷：
PB(t)＝v(t)(Fr+Fa+ma)/η
其中，PB表示电池功率；v表示纯电动公交车的速度；Fr为滚动阻力；Fa为空气动力阻力；m为纯电动公交车的质量；a为纯电动公交车的加速度；η为纯电动公交车的机械效率。
3)计算动力电池容量随充放电循环次数变化的容量衰减量；
纯电动公交车中电池容量的衰减量是指电池容量随循环次数增加而导致容量衰减的百分数。在已知电池工作功率PB(t)的情况下，可通过已有的电池容量衰退模型进行计算，可采用半经验寿命模型或机理模型获得电池的容量衰退百分数随放电电流、电池温度、循环次数、放电深度和电池容量等参数的变化特性。
4)根据公交车运营时刻表，在整车使用年限内划分纯电动公交车运行线路的调度阶段；
如图2所示，根据纯电动公交车整车寿命、车次安排和时刻表，定义电动公交车调度的最小时间单位为一个阶段，在纯电动公交车的整车寿命周期内，将纯电动公交车运行的调度阶段划分为N个阶段，划分情况。
5)构建二部图调度模型，依次计算各阶段不同调度状态下动力电池容量衰退的总变化量；
动力电池容量衰减变化量定义为公交车在不调度的情况下行驶后的电池容量衰减量与按照动态调度方案行驶后电池容量衰减量的差值。
不同阶段内公交车的所有可能的路线调度方案可按如下步骤进行计算：
5-1)依次构造各阶段的二部图模型；
如图3所示，定义公交车集合为I，所有线路的集合为J,且公交车的数目应大于等于公交路线的数目，即|I|≥|J|。将第n-1个阶段的状态作为初始状态，可根据电池的容量衰退曲线，获得第n个阶段电动公交车i在路线j上行驶时，动力电池容量衰减的变化量，则附图3就构成了一个以集合I和J为顶点集，以i到j的箭头为有向边，以电池容量衰减的变化量为权重的加权有向二部图，其中有向边的确定需要检验纯电动公交车i更换到路线j上行驶时是否满足续航里程约束和充电时间约束。当且仅当两个约束同时满足时，才可以确定一条i到j的有向边，否则边不存在。依次类推到第N阶段，完成各阶段二部图模型的构造。
5-2)枚举纯电动公交车的所有可能调度状态；
根据5-1)构建的二部图模型，图中的每条有向边都代表一种调度方式。将二部图中的有向边定义为状态集合S，则该集合中的每一个子集都是一种可能的调度状态。设阶段n所构造的二部图模型中包含的有向边个数为k,则该阶段构建的状态集合为Sn，可能的调度状态数总量Mn＝2k，并将其中的任一个调度状态记为其中各阶段的第一个状态，S1表示不调度状态。
5-2)计算所有可能的调度状态下对应的动力电池容量衰退的总变化量。
在给定阶段n和给定调度状态,的情况下，依次计算所有纯电动公交车从阶段n-1的状态到达阶段n的状态,的过程中，动力电池容量衰退的变化量，并将其加和得到该调度状态转化情况下动力电池容量衰退的总变化量
计算中，若某个动力电池的容量已经衰退到其额定容量的80％，则需要更换新的动力电池，后续计算以新电池的初始容量进行计算。
6)通过动态规划算法，确定全阶段电动公交车路线调度方案。
在已知各阶段内公交车路线调度方案的基础上，全阶段内最优的公交车路线调度方案的优选和调度周期的确定可通过以下步骤进行：
6-1)构造电动公交车路线调度的状态-阶段图
根据4)中划分的调度阶段和5-2)中确定的各阶段的调度状态，构造纯电动公交车路线调度的阶段-状态图，如图2所示。图中显示，纯电动公交车的调度过程共包含N个阶段，个状态，所有状态的集合为各阶段状态集合的并集。相邻阶段状态之间的转化关系可表示为所有电动公交车中动力电池容量衰退的总变化量计算过程如5-3)。
6-2)确定最优的电动公交车动态行驶线路调度周期和调度方案
为了在整个纯电动公交车运营年限内最大限度地利用动力电池的容量，延长电池使用寿命，可从该状态-阶段图中寻找一条最优路径，使得该路径上对应的动力电池寿命衰减的变化量加和最大，从而实现削减电动公交车运营成本的目的。该路径的获得可采用动态规划算法，即从最后第N阶段开始，由阶段N向初始阶段1的方向逐阶段递推，寻找各阶段到第N阶段的最优路径，即权重加和最大的路径。当递推到初始阶段1时，即可得到电动车运营全阶段的最优路径。根据最优路径在各阶段的初始和终止状态，即可确定所有公交车的最优调度周期和调度方案。其中，若某个阶段选择的路径的结束状态是S1，则表示该阶段内公交车无需调度；反之，则表明该阶段内所有的公交车需要按照所选路径对应的调度方案进行调度。

Claims (7)

1.一种能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法，其特征在于：
1)首先，设运行的纯电动公交车数目固定，公交路线和运行时刻表固定；
2)计算所有纯电动公交车运行线路所对应的动力电池工作负荷；
3)计算动力电池容量随充放电循环次数变化的容量衰减量；
4)根据公交车运营时刻表，在整车使用年限内划分纯电动公交车运行线路的调度阶段；
5)构建二部图调度模型，依次计算各阶段不同调度状态下动力电池容量衰退的总变化量；
6)通过动态规划算法，确定全阶段电动公交车路线调度方案。
2.根据权利要求1所述的能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法，其特征在于：所述2)在已知纯电动公交车行驶速度v(t)的情况下，通过下式计算动力电池的工作负荷：
PB(t)＝v(t)(Fr+Fa+ma)/η
其中，PB表示电池功率；v表示纯电动公交车的速度；Fr为滚动阻力；Fa为空气动力阻力；m为纯电动公交车的质量；a为纯电动公交车的加速度；η为纯电动公交车的机械效率。
3.根据权利要求1所述的能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法，其特征在于：所述3)在已知电池工作负荷PB(t)的情况下，通过电池容量衰退模型获得电池的容量衰退百分数随放电电流、电池温度、循环次数、放电深度和电池容量等参数的变化特性。
4.根据权利要求3所述的能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法，其特征在于：所述的电池容量衰退模型采用半经验寿命模型或机理模型。
5.根据权利要求1所述的能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法，其特征在于：所述4)划分纯电动公交车运行线路的调度阶段是根据纯电动公交车整车寿命、车次安排和时刻表，定义电动公交车调度的最小时间单位为一个阶段，在纯电动公交车的整车寿命周期内，将纯电动公交车运行的调度阶段划分为N个阶段。
6.根据权利要求1所述的能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法，其特征在于：所述5)动力电池容量衰减变化量定义为公交车在不调度的情况下行驶后的电池容量衰减量与按照动态调度方案行驶后电池容量衰减量的差值：
5-1)依次构造各阶段的二部图模型；
定义公交车集合为I，所有线路的集合为J,且公交车的数目应大于等于公交路线的数目，即|I|≥|J|，将第n-1个阶段的状态作为初始状态，根据电池的容量衰退曲线，获得第n个阶段电动公交车i在路线j上行驶时，动力电池容量衰减的变化量构成了一个以集合I和J为顶点集，以i到j的箭头为有向边，以电池容量衰减的变化量为权重的加权有向二部图，其中有向边的确定需要检验纯电动公交车i更换到路线j上行驶时是否满足续航里程约束和充电时间约束，当且仅当两个约束同时满足时，确定一条i到j的有向边，否则边不存在，依次类推到第N阶段，完成各阶段二部图模型的构造；
5-2)枚举纯电动公交车的所有可能调度状态；
根据5-1)构建的二部图模型，图中的每条有向边都代表一种调度方式，将二部图中的有向边定义为状态集合S，则该集合中的每一个子集都是一种可能的调度状态，设阶段n所构造的二部图模型中包含的有向边个数为k,则该阶段构建的状态集合为Sn，可能的调度状态数总量Mn＝2k，并将其中的任一个调度状态记为其中的第一个调度状态，表示不调度状态；
5-3)计算所有可能的调度状态下对应的动力电池容量衰退的总变化量：
在给定阶段n和给定调度状态,的情况下，依次计算所有纯电动公交车从阶段n-1的状态到达阶段n的状态,的过程中，动力电池容量衰退的变化量，并将其加和得到该调度状态转化情况下动力电池容量衰退的总变化量计算中，若某个动力电池的容量已经衰退到其额定容量的80％，则需要更换新的动力电池，后续以新电池的初始容量进行计算。
7.根据权利要求1所述的能够延长动力电池使用寿命的纯电动公交车动态线路规划方法，其特征在于：所述6)在已知各阶段内公交车路线调度方案的基础上，全阶段内最优的公交车路线调度方案的优选和调度周期的确定通过以下步骤进行：
6-1)构造纯电动公交车路线调度的状态-阶段图
根据4)中划分的调度阶段和5-2)中确定的各阶段的调度状态，构造纯电动公交车路线调度的阶段-状态图，图中显示，纯电动公交车的调度过程共包含N个阶段，共有个状态，所有状态的集合为各阶段状态集合的并集，相邻阶段状态之间的转化关系可表示为所有电动公交车中动力电池容量衰退的总变化量计算过程如5-3)；
6-2)确定最优的电动公交车动态行驶线路调度周期和调度方案
该路径的获得采用动态规划算法，即从最后第N阶段开始，由阶段N向初始阶段1的方向逐阶段递推，寻找各阶段到第N阶段的最优路径，即权重加和最大的路径，当递推到初始阶段1时，即得到电动车运营全阶段的最优路径，根据最优路径在各阶段的初始和终止状态，确定所有公交车的最优调度周期和调度方案，其中，若某个阶段选择的路径的结束状态是S1，则表示该阶段内公交车无需调度；反之，则表明该阶段内所有的公交车需要按照所选路径对应的调度方案进行调度。
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