CN114987262B - 一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法及系统 - Google Patents

一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法及系统 Download PDF

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CN114987262B CN202210926098.8A CN202210926098A CN114987262B CN 114987262 B CN114987262 B CN 114987262B CN 202210926098 A CN202210926098 A CN 202210926098A CN 114987262 B CN114987262 B CN 114987262B
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Abstract

本发明涉及一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法及系统，其包括步骤：S1、获取换电站中当前处于充电状态的工作充电桩，以及工作充电桩对应的可选充电模式，其中，工作充电桩在不同的可选充电模式下以不同的输出功率对电池充电，该电池包括若干不同类型的电池；S2、建立与工作充电桩的充电模式对应的、充电结束时间间隔的目标函数，S3、基于目标函数获得工作充电桩的目标充电模式，并以目标充电模式对电池充电。实施本发明能够有效的提高换电服务质量。

Description

一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法及系统
技术领域
本发明涉及新能源汽车领域，更具体地说，涉及一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法及系统。
背景技术
与传统的化石燃料相比，新能源汽车具有零排放的优点，不仅可以减少温室气体的排放，而且可以促进可持续能源的发展，并积极响应气候法中的碳中和政策。如今新能源汽车备受多国青睐。随着新能源汽车的飞速发展，如何快速有效的为新能源汽车补充能量成为用户和行业关注的一个重要问题。目前，新能源汽车主流补充能源方式为充电站，但是充电站受电池材料特性、充电设施和充电技术的限制，存在充电时间长、电池退化、排队拥挤、距离焦虑等问题。换电站作为充电站的补充替代方式，可在数分钟内完成电能的补充。一方面，换电模型可以避免充电停车占位和充电时间长的限制，另一方面，换电模型可以对低电量电池进行集中充电，优化充电排程，减少充电损害。
当前针对换电站的研究大多忽略电池类型的多样性，研究工作集中在单一的新能源汽车电池上。然而，由于在新能源汽车市场，电池容量、包装尺寸和接口方面均没有国际标准，因此新能源汽车通常具有不同的电池类型，在同一换电站进行多种电池类型的换电操作是一个普遍情况。在这种实际情况下，换电站将面临多样性的换电需求，多种电池类型之间的资源分配问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法及系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法，包括步骤：
S1、获取换电站中当前处于充电状态的工作充电桩，以及所述工作充电桩对应的可选充电模式，其中，所述工作充电桩在不同的可选充电模式下以不同的输出功率对电池充电，所述电池包括若干不同类型的电池；
S2、建立与所述工作充电桩的充电模式对应的、充电结束时间间隔的目标函数：
Figure 104386DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 97619DEST_PATH_IMAGE002
并建立所述工作充电桩的充电模式的约束函数为
Figure 209932DEST_PATH_IMAGE003
，
其中，
Figure 279519DEST_PATH_IMAGE004
为所述工作充电桩的数量，i为所述工作充电桩按充电结束时刻的从先 到后的顺序排序的排序序号，
Figure 477282DEST_PATH_IMAGE005
为i-1工作充电桩的充电结束时刻，
Figure 743047DEST_PATH_IMAGE006
为i排序工作充电 桩的充电结束时刻，
Figure 975445DEST_PATH_IMAGE007
为基准时刻，
Figure 481513DEST_PATH_IMAGE008
为i排序与i-1排序工作充电桩结束工作的时间间 隔，
Figure 166572DEST_PATH_IMAGE009
为权重参数，
Figure 783498DEST_PATH_IMAGE010
为i排序工作充电桩的充电功率，
Figure 604824DEST_PATH_IMAGE011
为所述换电站对应的电网约 束的最大功率值；
S3、基于所述目标函数获得所述工作充电桩的目标充电模式，并以所述目标充电模式对电池充电。
优选地，在本发明的所述的换电站动态充电排程方法中，在所述步骤S2中，所述权 重参数
Figure 533990DEST_PATH_IMAGE012
满足：
Figure 706345DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 595804DEST_PATH_IMAGE014
为常数参数，
Figure 802794DEST_PATH_IMAGE015
为总电池类型数量，
Figure 650665DEST_PATH_IMAGE016
为e类型电池的目标可用数量，
Figure 310316DEST_PATH_IMAGE017
为e类型电池的当前可用数量。
优选地，在本发明的所述的换电站动态充电排程方法中，所述e类型电池的目标可 用数量
Figure 269045DEST_PATH_IMAGE016
满足：
Figure 314230DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 333002DEST_PATH_IMAGE019
为换电站内充电桩的总个数，
Figure 479949DEST_PATH_IMAGE020
为换电站内满电电池区域的最大存 储数量。
优选地，在本发明的所述的换电站动态充电排程方法中，
Figure 242369DEST_PATH_IMAGE021
为2、4和5中的任意一 个。
优选地，在本发明的所述的换电站动态充电排程方法中，所述e类型电池的目标可 用数量
Figure 158372DEST_PATH_IMAGE022
为一预设数值。
优选地，在本发明的所述的换电站动态充电排程方法中，在所述步骤S3中，所述基于所述目标函数获得所述工作充电桩的目标充电模式，包括：
S30、基于所述约束条件随机得到所述工作充电桩的初始充电模式集合，并设置所述初始充电模式集合的元素个数为预设值，其中，充电模式集合的元素为所有所述工作充电桩的充电模式组合；
S31、根据所述目标函数获取所述初始充电模式集合中各元素的函数值，获取所述函数值最小所对应的所述初始充电模式集合的元素并添加为候选充电模式集合的元素；
S32、多次获取所述初始充电模式集合中任意两元素，获取其中函数值较小的所述初始充电模式集合的元素添加至第一充电模式集合，并使得所述第一充电模式集合的元素数量等于所述初始充电模式集合中的元素数量；
S33、对所述第一充电模式集合中的元素进行两两分组，并对每一分组随机生成大于0小于1的第一随机数，确认所述第一随机数是否小于预设交叉概率，若是，则执行步骤S341，否则执行步骤S342；
S341、对所述第一充电模式集合中属于同一分组的元素进行双点交叉以得到两个第一元素，判断所述第一元素是否满足所述约束条件，若是，则执行步骤S352，否则，执行步骤S351，
S342、添加所述第一充电模式集合中属于该分组的元素为第二充电模式集合的元素，并执行步骤S36；
S351、对所述第一充电模式集合中属于该分组的元素分别进行单点交叉得到两个第二元素，并添加所述第二元素为所述第二充电模式集合的元素，并执行步骤S36；
S352、添加所述第一元素为所述第二充电模式集合的元素；
S36、对所述第二充电模式集合的每一个元素，分别随机生成大于0小于1的第二随机数，并判断所述第二随机数是否小于预设遗传概率，若是，则执行步骤S371，否则执行步骤S372；
S371、对所述第二充电模式集合中的元素进行变异以得到满足约束函数的第三元素，并添加所述第三元素为第三充电模式集合的元素，并执行步骤S38；
S372、添加所述第二充电模式集合中的元素为所述第三充电模式集合的元素；
S38、增加一次计数以得到累计计数，并判断所述累计计数是否大于迭代次数上限值，若是，则执行步骤S392，否则执行步骤S391；
S391、以所述第三充电模式集合为所述初始充电模式集合并清空所述第一充电模式集合、所述第二充电模式集合和所述第三充电模式集合，执行所述步骤S31；
S392、获取所述候选充电模式集合中、目标函数最小的元素为目标元素，以根据所述目标元素设置所述工作充电桩的目标充电模式。
优选地，在本发明的所述的换电站动态充电排程方法中，还包括：
S11、接收电车的换电请求信息，其中，所述换电请求信息包括所述电车到达所述换电站的到达时间、所述电车到达所述换电站时的剩余电池电量、所述电车的预设电池类型和所述电车的期望电池电量；
S12、获取在所述到达时间时、所述换电站中所述预设电池类型对应的当前可用数量，并在所述预设电池类型对应的当前可用数量大于零时接收所述换电请求信息；
S13、根据所述换电请求信息更新所述换电站中预设电池类型对应的当前可用数量，并执行所述步骤S1。
优选地，在本发明的所述的换电站动态充电排程方法中，还包括：
S14、在所述电车完成电池更换后，判断所述换电站中是否有空闲充电桩，若有，则执行步骤S15、否则执行步骤S16；
S15、切换一空闲充电桩为工作充电桩以对该更换电池充电，并执行所述步骤S1；
S16、设置所述更换电池为等待状态，并在所述工作充电桩切换为所述空闲充电桩时获取处于等待状态的电池进行充电，并再次切换所述空闲充电桩为工作充电桩，并执行所述步骤S1。
优选地，在本发明的所述的换电站动态充电排程方法中，还包括：
在所述工作充电桩切换为空闲充电桩时，获取所述工作充电桩的电池类型以更新所述电池类型对应的当前可用数量。
本发明还构造一种基于多类型电池的换电站动态充电排程系统，包括：
获取单元，用于获取换电站中当前对电池充电的工作充电桩，以及所述工作充电桩对应的可选充电模式，其中，所述工作充电桩在不同的可选充电模式下以不同的输出功率对电池充电，所述电池包括若干不同类型的电池；
函数建立单元，用于建立与所述工作充电桩的充电模式对应的、充电时间的最小时间间隔的目标函数：
Figure 82466DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 451130DEST_PATH_IMAGE002
并建立所述工作充电桩的充电模式的约束函数为
Figure 929DEST_PATH_IMAGE003
，
其中，
Figure 37018DEST_PATH_IMAGE024
为所述工作充电桩的数量，i为所述工作充电桩按充电结束时刻的从先 到后的顺序排序的排序序号，
Figure 132013DEST_PATH_IMAGE005
为i-1工作充电桩的充电结束时刻，
Figure 253553DEST_PATH_IMAGE025
为i排序工作充电 桩的充电结束时刻，
Figure 357775DEST_PATH_IMAGE007
为基准时刻，
Figure 982792DEST_PATH_IMAGE008
为i排序与i-1排序工作充电桩结束工作的时间间 隔，
Figure 514267DEST_PATH_IMAGE026
为权重参数，
Figure 857524DEST_PATH_IMAGE027
为i排序工作充电桩的充电功率，
Figure 749125DEST_PATH_IMAGE011
为所述换电站对应的电网约 束的最大功率值；
执行单元，用于基于所述目标函数获得所述工作充电桩的目标充电模式，并以所述目标充电模式对电池充电。
实施本发明的一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法及系统，具有以下有益效果：能够有效的提高换电服务质量。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明换电站动态充电排程方法一实施例的流程示意图；
图2是本发明换电站动态充电排程方法另一实施例的流程示意图；
图3是一换电站换电需求时间分布示意图；
图4是一换电站换电一类型电池需求变化时间分布图；
图5是一换电站换电另一类型电池需求变化时间分布图；
图6是一换电站换电又一类型电池需求变化时间分布图；
图7是一换电站换电又一类型电池需求变化时间分布图；
图8是本发明换电站动态充电排程系统的逻辑框图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，在本发明的一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法第一实 施例中，包括步骤：S1、获取换电站中当前处于充电状态的工作充电桩，以及工作充电桩对 应的可选充电模式，其中，工作充电桩在不同的可选充电模式下以不同的输出功率对电池 充电，所述电池包括若干不同类型的充电电池。具体的，不同规格的新能源汽车通常具有不 同的电池类型，例如，包括不同的电池材料、电池容量和外形尺寸等。其中最为直观、最为重 要的差异为电池容量。其中对充电排程影响最大的为电池的电池容量，因此，基于不同额定 容量来定义不同种类的电池以得到多种类型的电池。在一实施例中，可以定义电池类型为
Figure 759807DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 196604DEST_PATH_IMAGE029
为不同额定容量的电池类型集合，
Figure 27157DEST_PATH_IMAGE030
为第e种电池类型 的额定容量，
Figure 473182DEST_PATH_IMAGE015
为电池类型的总个数。其次，换电服务订单定义为
Figure 72791DEST_PATH_IMAGE031
，其中
Figure 946069DEST_PATH_IMAGE032
为换电订单集合，
Figure 510255DEST_PATH_IMAGE033
为第
Figure 494392DEST_PATH_IMAGE034
个换电订单，
Figure 214086DEST_PATH_IMAGE035
为接收到的订单总量。总的决策时刻集合定义为
Figure 258266DEST_PATH_IMAGE036
，其中
Figure 63411DEST_PATH_IMAGE037
为决策时刻集合，
Figure 851238DEST_PATH_IMAGE038
为第
Figure 425439DEST_PATH_IMAGE039
个决策时刻，
Figure 640519DEST_PATH_IMAGE040
为需要决策的总个数。在一实施例中，以决策时 刻定义触发执行充电排程的过程的触发时刻。
此外，对应换电站内，其可以定义多个功能区域，例如电池等待区域
Figure 916649DEST_PATH_IMAGE041
、电 池充电区域
Figure 508167DEST_PATH_IMAGE042
、满电电池区域
Figure 936875DEST_PATH_IMAGE043
。电池等待区域的最大存储数量为
Figure 322857DEST_PATH_IMAGE044
， 满电电池区域的最大存储数量为
Figure 102594DEST_PATH_IMAGE020
，电池充电区域的充电桩被定义为
Figure 232224DEST_PATH_IMAGE045
，其中
Figure 515438DEST_PATH_IMAGE046
为充电桩集合，
Figure 337900DEST_PATH_IMAGE047
代表第j个充电桩，
Figure 588622DEST_PATH_IMAGE019
为充电桩总个数。 此外，
Figure 256363DEST_PATH_IMAGE048
，其中
Figure 659663DEST_PATH_IMAGE049
表示第j个充电桩的工作状态，若充电桩处于空闲状态，则
Figure 653027DEST_PATH_IMAGE050
；否则，若充电桩处于繁忙状态，则
Figure 141777DEST_PATH_IMAGE051
。
Figure 347630DEST_PATH_IMAGE052
为第j个充电桩处于繁忙状态时，在该 充电桩上充电的电池，
Figure 605436DEST_PATH_IMAGE053
，其中
Figure 18969DEST_PATH_IMAGE054
为该电池的类型，
Figure 729436DEST_PATH_IMAGE055
为该电池当前时刻的电量，
Figure 4560DEST_PATH_IMAGE056
为该电池的健康程度，
Figure 382451DEST_PATH_IMAGE057
为该电池期望达 到的电量。在一具体的实施例中，充电桩具有四种不同的输出功率
Figure 452038DEST_PATH_IMAGE058
，其中
Figure 915381DEST_PATH_IMAGE059
代表慢充的输出功率、
Figure 728616DEST_PATH_IMAGE060
代表正常速 率充电的输出功率，
Figure 961014DEST_PATH_IMAGE061
代表快充的输出功率，
Figure 453700DEST_PATH_IMAGE062
代表超快充的输出功率。各功能 区域内的电池个数为
Figure 404338DEST_PATH_IMAGE063
（
Figure 21265DEST_PATH_IMAGE064
：电池等待区域内的电池个数，
Figure 108169DEST_PATH_IMAGE065
：电池充电区域内的电池个数，
Figure 785138DEST_PATH_IMAGE066
：满电电池区域内的电池个数）。值得注意的是
Figure 957494DEST_PATH_IMAGE067
（
Figure 112531DEST_PATH_IMAGE068
：电池充电区域内的未充满电池个数，
Figure 319522DEST_PATH_IMAGE069
：电池充 电区域内的已充满电池个数，因此站内所有的满电电池个数
Figure 151080DEST_PATH_IMAGE070
。
S2、建立与工作充电桩的充电模式对应的、充电结束时间间隔的目标函数：
Figure 810732DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 769461DEST_PATH_IMAGE071
；
并建立工作充电桩的充电模式的约束函数为
Figure 830958DEST_PATH_IMAGE003
，
其中，
Figure 849729DEST_PATH_IMAGE072
为所述工作充电桩的数量，i为所述工作充电桩按充电结束时刻的从先 到后的顺序排序的排序序号，
Figure 996677DEST_PATH_IMAGE073
为i-1工作充电桩的充电结束时刻，
Figure 493517DEST_PATH_IMAGE025
为i排序工作充电 桩的充电结束时刻，
Figure 409521DEST_PATH_IMAGE007
为基准时刻，
Figure 848461DEST_PATH_IMAGE008
为i排序与i-1排序工作充电桩结束工作的时间间 隔，
Figure 217125DEST_PATH_IMAGE009
为权重参数，
Figure 783236DEST_PATH_IMAGE027
为i排序工作充电桩的充电功率，
Figure 288167DEST_PATH_IMAGE011
为所述换电站对应的电网约 束的最大功率值。具体的，基于换电站内电池的状态，将第
Figure 648741DEST_PATH_IMAGE074
决策时刻，处于繁忙工作状态 充电桩的输出功率作为待求解变量，将换电站在该决策时刻的总输出功率的上限作为约束 条件，以最小化各充电电池的满电时间间隔的加权求和函数为优化目标，建立具有多种电 池类型的新能源汽车换电站充电排程数学模型。
其可以理解，换电站内具有多个充电桩，并且每个充电桩可以选择不同的充电输 出功率。因此该具有多种电池类型的换电站充电排程的决策解可以定义为每个充电桩的输 出功率：
Figure 770281DEST_PATH_IMAGE075
，其中
Figure 608924DEST_PATH_IMAGE076
为第i个充电桩的充电输出 功率，
Figure 748787DEST_PATH_IMAGE077
为可供选择的充电输出功率集合
Figure 280262DEST_PATH_IMAGE078
，
Figure 623519DEST_PATH_IMAGE079
代表该充电桩处于繁忙的工作状态，即该充电桩上有电池在充电。值得注意的是，与慢充充 电功率相比，使用超快充充电功率的充电时间虽然明显缩短，但是受到电池损害和电网约 束的限制，并不是每个充电桩都可以使用快充。因此，这也是一个典型的资源分配问题。
在面向具有多种电池类型的换电站中，不仅需要考虑到站的新能源汽车的电池类 型的不确定性及到达模式的不确定性，还希望最大化满足换电站的服务质量
Figure 531432DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure 276534DEST_PATH_IMAGE081
。在决策时刻
Figure 978911DEST_PATH_IMAGE082
，将目标函数定义如下：
Figure 809464DEST_PATH_IMAGE001
(1)
Figure 989909DEST_PATH_IMAGE083
(2)
Figure 859293DEST_PATH_IMAGE084
(3)
Figure 732571DEST_PATH_IMAGE085
(4)
Figure 50420DEST_PATH_IMAGE086
(5)
其中，公式（1）是一个最小化各充电电池的满电时间间隔的加权求和函数，其中权 重
Figure 34557DEST_PATH_IMAGE087
用于调节电池类型与各充电电池的充电优先级，公式（1）中
Figure 754251DEST_PATH_IMAGE008
的定义如公式（4）所示， 其表示i充电电池充满的时刻
Figure 798431DEST_PATH_IMAGE025
与i-1充电电池充满的时刻
Figure 603576DEST_PATH_IMAGE005
之间的差值，并且
Figure 640671DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure 214871DEST_PATH_IMAGE089
为选择的决策时间也可以为基准时间，其中，i用来标识工作充电桩按充电结束时刻的 从先到后的顺序排序的排序序号。约束条件公式（5）表示换电站内总充电功率不能超过电 网约束的最大功率值
Figure 429952DEST_PATH_IMAGE011
。
在一实施例中，权重
Figure 456814DEST_PATH_IMAGE012
的定义可以如公式（2）所示，其中
Figure 48332DEST_PATH_IMAGE090
为常数参数，
Figure 211460DEST_PATH_IMAGE091
用于平衡各电池类型，
Figure 597442DEST_PATH_IMAGE022
为第e类型电池的目标可用数量，
Figure 626447DEST_PATH_IMAGE092
为当 前时刻第e类型电池的当前可用数量。这里电池的可用状态理解为电池充满电的状态。在一 些实施例中，也可以通过其他方式设置各个电池类型对应的权重。其中，
Figure 756077DEST_PATH_IMAGE090
值越大，越倾向 于分配高的充电功率给当前电量较多的电池。在一些实施例中，
Figure 39291DEST_PATH_IMAGE021
可以为2、4和5中的任意 一个。
在一实施例中，可以基于公式（3）得到某一类型电池的目标可用数量
Figure 861753DEST_PATH_IMAGE022
，其中
Figure 863207DEST_PATH_IMAGE019
为换电站内充电桩的个数，
Figure 530949DEST_PATH_IMAGE020
为换电站内满电电池区域的最大存储数量，
Figure 934249DEST_PATH_IMAGE015
为总 电池类型数。该计算的目的是基于换电站内对电池的容纳数量使得各种类型的可用电池达 到一个比较均衡的状态。在一实施例中，还可以直接进行目标可用数量的设置，使得其为一 个具体的数值。
S3、基于目标函数获得工作充电桩的目标充电模式，并以目标充电模式对电池充电。具体的，基于该目标函数即得到最优的充电模式，使得工作充电桩的充电状态为最优状态。
如图2所示，在一实施例中，在步骤S3中，基于目标函数获得工作充电桩的目标充电模式，包括：
S30、基于约束条件随机得到工作充电桩的初始充电模式集合，并设置初始充电模式集合的元素个数为预设值，其中，充电模式集合的元素为同一时刻所有工作充电桩的充电模式组合；
S31、根据目标函数获取初始充电模式集合中各元素的函数值，获取函数值最小所对应的初始充电模式集合的元素并添加为候选充电模式集合的元素；
S32、多次获取初始充电模式集合中任意两元素，获取其中函数值较小的初始充电模式集合的元素添加至第一充电模式集合，并使得第一充电模式集合的元素数量等于初始充电模式集合中的元素数量；
S33、对第一充电模式集合中的元素进行两两分组，并对每一分组随机生成大于0小于1的第一随机数，确认第一随机数是否小于预设交叉概率，若是，则执行步骤S341，否则执行步骤S342；
S341、对第一充电模式集合中属于同一分组的元素进行双点交叉以得到两个第一元素，判断第一元素是否满足约束条件，若是，则执行步骤S352，否则，执行步骤S351；
S342、添加第一充电模式集合中属于该分组的元素为第二充电模式集合的元素，并执行步骤S36；
S351、对第一充电模式集合中属于该分组的元素分别进行单点交叉得到两个第二元素，并添加第二元素为第二充电模式集合的元素，并执行步骤S36；
S352、添加第一元素为第二充电模式集合的元素；
S36、对第二充电模式集合的每一个元素，分别随机生成大于0小于1的第二随机数，并判断第二随机数是否小于预设遗传概率，若是，则执行步骤S371，否则执行步骤S372；
S371、对第二充电模式集合中的元素进行变异以得到满足约束函数的第三元素，并添加第三元素为第三充电模式集合的元素，并执行步骤S38；
S372、添加第二充电模式集合中的元素为第三充电模式集合的元素；
S38、增加一次计数以得到累计计数，并判断累计计数是否大于迭代次数上限值，若是，则执行步骤S392，否则执行步骤S391；
S391、以第三充电模式集合为初始充电模式集合并清空第一充电模式集合、第二充电模式集合和第三充电模式集合，执行步骤S31；
S392、获取候选充电模式集合中、目标函数最小的元素为目标元素，以根据目标元素设置工作充电桩的目标充电模式。
具体的，进行初始化设置，可以设置初始条件迭代次数
Figure 927612DEST_PATH_IMAGE093
和算法基本参数 种群数量
Figure 400051DEST_PATH_IMAGE094
、最大迭代次数
Figure 137063DEST_PATH_IMAGE095
、预设交叉概率
Figure 394869DEST_PATH_IMAGE096
、预设遗传概率
Figure 293555DEST_PATH_IMAGE097
，设置满足 公式（5）定义的约束函数的初始种群
Figure 269601DEST_PATH_IMAGE098
（对应为初始充电模式集合），其中种群内个 体为当前所有工作充电桩的充电模式组合。这里可以理解种群个体为一个一维向量。基于 目标函数对初始种群
Figure 544724DEST_PATH_IMAGE098
计算个体的适应度。即可以理解为基于每一一维向量得到一 个目标函数的函数值。将其中函数值最小的个体作为候选充电模式集合的元素，形成候选 充电模式集合，也理解为最优种群集合。
对初始种群中的个体采用二进制竞标赛选择方法，选择该种群中优秀个体直接遗 传到下一代或通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。选择操作建立在种群个体的适 应度评估基础上。其中交叉过程为：随机生成一个0-1之间的随机数，若该随机数小于预设 交叉概率
Figure 657037DEST_PATH_IMAGE099
，则将两个体进行双点交叉，若交叉后的个体不满足约束条件，则将两个体独自 进行单点交叉操作。
对于交叉过程得到个体进行变异得到新的个体，其中变异的过程：随机生成一个 0-1之间的随机数，若该随机数小于预设遗传概率
Figure 992203DEST_PATH_IMAGE097
，则将个体进行变异操作，若变异后的 个体不满足约束条件，则取消变异。初始种群经过选择、交叉、变异运算之后得到下一代种 群。对得到的下一种群进行计数得到计数
Figure 442164DEST_PATH_IMAGE100
若计数
Figure 520978DEST_PATH_IMAGE101
，则以进化过程中所 得到的最优种群集合中的具有最佳适应度个体的作为最优输出，终止计算。其中，最佳适应 度为目标函数的函数值最小。最终得到最优个体对应的充电模式组合为工作充电桩的充电 模式进行充电作业。
可选的，在本发明的换电站动态充电排程方法中，还包括：
S11、接收电车的换电请求信息，其中，换电请求信息包括电车到达换电站的到达时间、电车到达换电站时的剩余电池电量、电车的预设电池类型和电车的期望电池电量；
S12、获取在到达时间时、换电站中预设电池类型对应的当前可用数量，并在预设电池类型对应的当前可用数量大于零时接收换电请求信息；
S13、根据换电请求信息更新换电站中预设电池类型对应的当前可用数量，并执行步骤S1。
具体的，假设第
Figure 753376DEST_PATH_IMAGE102
辆新能源汽车到达换电站并提交换电请求
Figure 993865DEST_PATH_IMAGE033
，包括到达时间
Figure 944503DEST_PATH_IMAGE103
、到达时的电池电量
Figure 561430DEST_PATH_IMAGE104
、电池健康
Figure 648334DEST_PATH_IMAGE105
、电池类型
Figure 59724DEST_PATH_IMAGE106
和期望换电电池电量
Figure 481347DEST_PATH_IMAGE107
。换电站需求订单管理系统根据站内电池状态接受或者拒绝该换电请求。如果当 前时刻站内满电电池与订单需求的类型相匹配，即
Figure 901964DEST_PATH_IMAGE108
（
Figure 843375DEST_PATH_IMAGE109
：换电站内与换电订单的 电池类型
Figure 691245DEST_PATH_IMAGE106
相匹配的满电电池个数），换电站需求订单管理系统将接受第
Figure 350897DEST_PATH_IMAGE110
辆新能源汽车 的换电请求
Figure 309626DEST_PATH_IMAGE033
并且
Figure 371123DEST_PATH_IMAGE111
，执行换电需求指令响应模块，第
Figure 389894DEST_PATH_IMAGE112
辆新能源汽车将进行换 电操作。否则拒绝换电请求，
Figure 520530DEST_PATH_IMAGE113
，该新能源汽车离开换电站。其中，
Figure 282950DEST_PATH_IMAGE114
为二进制 变量，表示换电订单
Figure 198953DEST_PATH_IMAGE034
是否被接受，1表示接受，0表示拒绝。
若
Figure 388626DEST_PATH_IMAGE111
，第
Figure 22870DEST_PATH_IMAGE110
辆新能源汽车卸载下的低电量电池
Figure 323401DEST_PATH_IMAGE115
并装载与之电池类型 相匹配的满电电池（由于换电操作时间通常需要3-5分钟，相对总的时间可以忽略，在这里 忽略换电操作时间）。电池
Figure 93911DEST_PATH_IMAGE115
将保留在换电站内排队进行充电。此时相当于换电站的当前 可用电池数量发生了变化，为了使得其能满足后面订单的需要，因此需要对当前工作充电 桩的充电状态进行优化。即执行步骤S1，进行当前的最优充电模式的确认。
可选的，在本发明的换电站动态充电排程方法中，还包括：
S14、在电车完成电池更换后，判断换电站中是否有空闲充电桩，若有，则执行步骤S15、否则执行步骤S16；
S15、切换一空闲充电桩为工作充电桩以对该更换电池充电，并执行步骤S1；
S16、设置更换电池为等待状态，并在工作充电桩切换为空闲充电桩时获取处于等待状态的电池进行充电，并再次切换空闲充电桩为工作充电桩，并执行步骤S1。
具体的，在更换完电池后，可以判断电池充电区域
Figure 454485DEST_PATH_IMAGE042
中的充电桩是否有空 闲，若有空闲
Figure 559713DEST_PATH_IMAGE116
，则将电池
Figure 663935DEST_PATH_IMAGE115
送至电池充电区域
Figure 554531DEST_PATH_IMAGE042
，电池充电区域
Figure 86007DEST_PATH_IMAGE042
内电池个数增加一个
Figure 429263DEST_PATH_IMAGE117
，否则
Figure 71597DEST_PATH_IMAGE118
，将
Figure 816699DEST_PATH_IMAGE115
暂存在电池等待 区域
Figure 519076DEST_PATH_IMAGE041
，电池等待区域
Figure 595967DEST_PATH_IMAGE041
内的电池增加一个
Figure 41991DEST_PATH_IMAGE119
。暂存在电池等待区 域的电池将按照先到先服务的原则等待充电桩空闲，电池
Figure 907179DEST_PATH_IMAGE115
将按充电排程所调度的充电 功率进行充电，若
Figure 780457DEST_PATH_IMAGE115
电池充满，即
Figure 832727DEST_PATH_IMAGE120
（
Figure 82443DEST_PATH_IMAGE121
：电池
Figure 802137DEST_PATH_IMAGE115
的当前电量）， 判断满电电池存储单元是否有存储空间，若有存储空间
Figure 846316DEST_PATH_IMAGE122
，将电池
Figure 635150DEST_PATH_IMAGE115
送至满电电池区域
Figure 422977DEST_PATH_IMAGE123
，满电电池区域
Figure 997178DEST_PATH_IMAGE124
的电池个数增加一个
Figure 212259DEST_PATH_IMAGE125
； 否则，电池将暂存在电池充电区域
Figure 504700DEST_PATH_IMAGE126
。此时
Figure 830639DEST_PATH_IMAGE127
为满电电池，将服务后续的订单。
可选的，在本发明的换电站动态充电排程方法中，还包括：在工作充电桩切换为空闲充电桩时，获取工作充电桩的电池类型以更新电池类型对应的当前可用数量。具体的，其还可以在工作充电桩完成当前充电后，将该充电完成的电池设置为可用状态，此时更新当前充电站的可用电池数量信息，可以根据该更新来更新充电桩的充电模式，即执行步骤S1。
在一具体实施例中，具有三种电池类型的换电站在运营业时间6：00-0：00内的接 收到的换电需求为例，如图3所示。三种电池类型的额定容量分别为换电站内电池等待区域 的最大存储数量
Figure 524925DEST_PATH_IMAGE044
为6，满电电池区域的最大存储数量
Figure 910907DEST_PATH_IMAGE020
为6，充电桩总个数
Figure 674333DEST_PATH_IMAGE128
为 6，并且各充电桩具有四种输出功率可供选择：
Figure 803963DEST_PATH_IMAGE129
，
Figure 352756DEST_PATH_IMAGE130
，
Figure 909639DEST_PATH_IMAGE131
，
Figure 911093DEST_PATH_IMAGE132
，电池的类型为
Figure 844414DEST_PATH_IMAGE133
。换电站的总充电功率上限为
Figure 247714DEST_PATH_IMAGE134
。各类型电池的目标个数为
Figure 975498DEST_PATH_IMAGE135
，
Figure 713516DEST_PATH_IMAGE136
，
Figure 450528DEST_PATH_IMAGE137
。初始时 刻，换电站内的满电池个数
Figure 708334DEST_PATH_IMAGE066
为6，各满电电池类型数量比例为1：1：1，正在充电的电池 个数
Figure 607020DEST_PATH_IMAGE068
为6，电池等待区域内的充电个数
Figure 583066DEST_PATH_IMAGE064
为0。基于改进的带约束的遗传算法的 各参数取值为种群数量
Figure 858190DEST_PATH_IMAGE138
为60，最大迭代次数为60，预设交叉概率
Figure 970502DEST_PATH_IMAGE096
为0.9，预设遗 传概率
Figure 305668DEST_PATH_IMAGE097
为0.1。利用基于改进的带约束的遗传算法求解上述充电排程数学模型，得到的 各时刻换电站内的各类型电池数量变化如图4至图7所示。从图4至图7可以看出换电站电池 数量的变化与订单的分布情况具有强相关性，并且依照目标函数求解得到的充电排程下的 各电池类型数量相对平衡。
表1.某决策场景1中，处于繁忙工作状态下的充电桩的充电排程
Figure 755629DEST_PATH_IMAGE139
表2.某决策场景2中，处于繁忙工作状态下的充电桩的充电排程
Figure 834443DEST_PATH_IMAGE140
可知，无论在决策场景1中，还是在决策场景2中，按基于改进的带约束的遗传算法求解出的充电排程电池充满电的时间间隔累计和最小。从电量需求角度考虑，需求较低的电池能较快的充满，并且尽可能为需求电量高的电池分配较高的输出功率。从电池类型平衡考虑，该充电排程能尽可能快速将各类型的满电池数量快速达到目标数量。
表3.不同数据集下的表现
Figure 801262DEST_PATH_IMAGE141
注：444/6/4c-4f/300中444/代表等待电池区域最大存储数量为4，充电桩个数为 4，满电电池区域最大存储数量为4；6/代表每小时6个订单；4c-4f/代表初始正在充电的电 池个数为4，满电电池个数为4；300代表换电站最大充电功率为
Figure 307330DEST_PATH_IMAGE142
。
从表3可知，本申请采用的决策方法对比其他充电排程决策方法在其他数据集上表现效果均最好，主要体现在换电服务质量最高。
另，如图8所示，本发明的一种基于多类型电池的换电站动态充电排程系统，包括：
获取单元110，用于获取换电站中当前对电池充电的工作充电桩，以及工作充电桩对应的可选充电模式，其中，工作充电桩在不同的可选充电模式下以不同的输出功率对电池充电；
函数建立单元120，用于建立与工作充电桩的充电模式对应的、充电时间的最小时间间隔的目标函数：
Figure 992389DEST_PATH_IMAGE143
，
Figure 609315DEST_PATH_IMAGE144
，
并建立工作充电桩的充电模式的约束函数为
Figure 696220DEST_PATH_IMAGE145
，
其中，
Figure 373189DEST_PATH_IMAGE146
为所述工作充电桩的数量，i为所述工作充电桩按充电结束时刻的从先 到后的顺序排序的排序序号，
Figure 794812DEST_PATH_IMAGE147
为i-1工作充电桩的充电结束时刻，
Figure 215429DEST_PATH_IMAGE025
为i排序工作充电 桩的充电结束时刻，
Figure 422419DEST_PATH_IMAGE148
为基准时刻，
Figure 270290DEST_PATH_IMAGE149
为i排序与i-1排序工作充电桩结束工作的时间间 隔，
Figure 664362DEST_PATH_IMAGE150
为权重参数，
Figure 623091DEST_PATH_IMAGE151
为i排序工作充电桩的充电功率，
Figure 684588DEST_PATH_IMAGE152
为所述换电站对应的电网约 束的最大功率值；
执行单元130，用于基于目标函数获得工作充电桩的目标充电模式，并以目标充电模式对电池充电。
具体的，这里的基于多类型电池的换电站动态充电排程系统各单元之间具体的配合操作过程具体可以参照上述基于多类型电池的换电站动态充电排程方法，这里不再赘述。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于多类型电池的换电站动态充电排程方法，其特征在于，包括步骤：
S1、获取换电站中当前处于充电状态的工作充电桩，以及所述工作充电桩对应的可选充电模式，其中，所述工作充电桩在不同的可选充电模式下以不同的输出功率对电池充电，所述电池包括若干不同类型的电池；
S2、建立与所述工作充电桩的充电模式对应的、充电结束时间间隔的目标函数：
Figure 45655DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 37882DEST_PATH_IMAGE002
并建立所述工作充电桩的充电模式的约束函数为
Figure 326781DEST_PATH_IMAGE003
，
其中，
Figure 302827DEST_PATH_IMAGE004
为所述工作充电桩的数量，i为所述工作充电桩按充电结束时刻的从先到后 的顺序排序的排序序号，
Figure 312371DEST_PATH_IMAGE005
为i-1工作充电桩的充电结束时刻，
Figure 690263DEST_PATH_IMAGE006
为i排序工作充电桩的 充电结束时刻，
Figure 884484DEST_PATH_IMAGE007
为基准时刻，
Figure 613406DEST_PATH_IMAGE008
为i排序与i-1排序工作充电桩结束工作的时间间隔，
Figure 426641DEST_PATH_IMAGE009
为权重参数，
Figure 659039DEST_PATH_IMAGE010
为i排序工作充电桩的充电功率，
Figure 165107DEST_PATH_IMAGE011
为所述换电站对应的电网约束的最 大功率值；
S3、基于所述目标函数和所述约束函数获得所述工作充电桩的目标充电模式，并以所述目标充电模式对电池充电；其中
在所述步骤S2中，所述权重参数
Figure 974800DEST_PATH_IMAGE012
满足：
Figure 591726DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 678631DEST_PATH_IMAGE014
为常数参数，
Figure 621179DEST_PATH_IMAGE015
为总电池类型数量，
Figure 793534DEST_PATH_IMAGE016
为e类型电池的目标可用数量，
Figure 73206DEST_PATH_IMAGE017
为e类型电池的当前可用数量；
在所述步骤S3中，所述基于所述目标函数和所述约束函数获得所述工作充电桩的目标充电模式，包括：
S30、基于约束条件随机得到所述工作充电桩的初始充电模式集合，并设置所述初始充电模式集合的元素个数为预设值，其中，充电模式集合的元素为所有所述工作充电桩的充电模式组合；
S31、根据所述目标函数获取所述初始充电模式集合中各元素的函数值，获取所述函数值最小所对应的所述初始充电模式集合的元素并添加为候选充电模式集合的元素；
S32、多次获取所述初始充电模式集合中任意两元素，获取其中函数值较小的所述初始充电模式集合的元素添加至第一充电模式集合，并使得所述第一充电模式集合的元素数量等于所述初始充电模式集合中的元素数量；
S33、对所述第一充电模式集合中的元素进行两两分组，并对每一分组随机生成大于0小于1的第一随机数，确认所述第一随机数是否小于预设交叉概率，若是，则执行步骤S341，否则执行步骤S342；
S341、对所述第一充电模式集合中属于同一分组的元素进行双点交叉以得到两个第一元素，判断所述第一元素是否满足所述约束条件，若是，则执行步骤S352，否则，执行步骤S351，
S342、添加所述第一充电模式集合中属于该分组的元素为第二充电模式集合的元素，并执行步骤S36；
S351、对所述第一充电模式集合中属于该分组的元素分别进行单点交叉得到两个第二元素，并添加所述第二元素为所述第二充电模式集合的元素，并执行步骤S36；
S352、添加所述第一元素为所述第二充电模式集合的元素；
S36、对所述第二充电模式集合的每一个元素，分别随机生成大于0小于1的第二随机数，并判断所述第二随机数是否小于预设遗传概率，若是，则执行步骤S371，否则执行步骤S372；
S371、对所述第二充电模式集合中的元素进行变异以得到满足约束函数的第三元素，并添加所述第三元素为第三充电模式集合的元素，并执行步骤S38；
S372、添加所述第二充电模式集合中的元素为所述第三充电模式集合的元素；
S38、增加一次计数以得到累计计数，并判断所述累计计数是否大于迭代次数上限值，若是，则执行步骤S392，否则执行步骤S391；
S391、以所述第三充电模式集合为所述初始充电模式集合并清空所述第一充电模式集合、所述第二充电模式集合和所述第三充电模式集合，执行所述步骤S31；
S392、获取所述候选充电模式集合中、目标函数最小的元素为目标元素，以根据所述目标元素设置所述工作充电桩的目标充电模式。
2.根据权利要求1所述的换电站动态充电排程方法，其特征在于，所述e类型电池的目 标可用数量
Figure 280196DEST_PATH_IMAGE016
满足：
Figure 128066DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 53297DEST_PATH_IMAGE019
为换电站内充电桩的总个数，
Figure 12026DEST_PATH_IMAGE020
为换电站内满电电池区域的最大存储数 量。
3.根据权利要求1所述的换电站动态充电排程方法，其特征在于，
Figure 932577DEST_PATH_IMAGE021
为2、4和5中的任意 一个。
4.根据权利要求1所述的换电站动态充电排程方法，其特征在于，所述e类型电池的目 标可用数量
Figure 951349DEST_PATH_IMAGE016
为一预设数值。
5.根据权利要求1所述的换电站动态充电排程方法，其特征在于，所述方法还包括：
S11、接收电车的换电请求信息，其中，所述换电请求信息包括所述电车到达所述换电站的到达时间、所述电车到达所述换电站时的剩余电池电量、所述电车的预设电池类型和所述电车的期望电池电量；
S12、获取在所述到达时间时、所述换电站中所述预设电池类型对应的当前可用数量，并在所述预设电池类型对应的当前可用数量大于零时接收所述换电请求信息；
S13、根据所述换电请求信息更新所述换电站中预设电池类型对应的当前可用数量，并执行所述步骤S1。
6.根据权利要求5所述的换电站动态充电排程方法，其特征在于，所述方法还包括：
S14、在所述电车完成电池更换后，判断所述换电站中是否有空闲充电桩，若有，则执行步骤S15、否则执行步骤S16；
S15、切换一空闲充电桩为工作充电桩以对更换电池充电，并执行所述步骤S1；
S16、设置所述更换电池为等待状态，并在所述工作充电桩切换为所述空闲充电桩时获取处于等待状态的电池进行充电，并再次切换所述空闲充电桩为工作充电桩，并执行所述步骤S1。
7.根据权利要求5所述的换电站动态充电排程方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述工作充电桩切换为空闲充电桩时，获取所述工作充电桩的电池类型以更新所述电池类型对应的当前可用数量。
8.一种基于多类型电池的换电站动态充电排程系统，其特征在于，应用于权利要求1至7任意一项所述的换电站动态充电排程方法，包括：
获取单元，用于获取换电站中当前对电池充电的工作充电桩，以及所述工作充电桩对应的可选充电模式，其中，所述工作充电桩在不同的可选充电模式下以不同的输出功率对电池充电，所述电池包括若干不同类型的电池；
函数建立单元，用于建立与所述工作充电桩的充电模式对应的、充电时间的最小时间间隔的目标函数：
Figure 98296DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 126295DEST_PATH_IMAGE022
并建立所述工作充电桩的充电模式的约束函数为
Figure 42299DEST_PATH_IMAGE003
，
其中，
Figure 91026DEST_PATH_IMAGE023
为所述工作充电桩的数量，i为所述工作充电桩按充电结束时刻的从先到后 的顺序排序的排序序号，
Figure 725270DEST_PATH_IMAGE005
为i-1工作充电桩的充电结束时刻，
Figure 25801DEST_PATH_IMAGE006
为i排序工作充电桩的 充电结束时刻，
Figure 61890DEST_PATH_IMAGE007
为基准时刻，
Figure 281519DEST_PATH_IMAGE008
为i排序与i-1排序工作充电桩结束工作的时间间隔，
Figure 668638DEST_PATH_IMAGE009
为权重参数，
Figure 772860DEST_PATH_IMAGE010
为i排序工作充电桩的充电功率，
Figure 397877DEST_PATH_IMAGE011
为所述换电站对应的电网约束的最 大功率值；
执行单元，用于基于所述目标函数和所述约束函数获得所述工作充电桩的目标充电模式，并以所述目标充电模式对电池充电。
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