一种基于电池容量衰退与工作负荷倒序匹配的纯电动公交车运行路线规划方法

摘要

一种基于电池容量衰退与工作负荷倒序匹配的纯电动公交车运行路线规划方法，首先，设该纯电动公交车运行的线路和时刻表固定，所配备的动力电池规格和容量相同，每天从车场出发到返回车场的行驶里程小于车辆的最大行驶里程；计算所有运行线路所对应的电池的工作负荷；根据各阶段电池的初始和终止状态，依次计算各阶段不同调度状态下电池的总容量衰退变化量；确定纯电动公交车的路线调度方案。本发明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工作负荷特性及三者之间相互影响的基础上，通过各阶段的公交车序列和线路序列的倒序匹配，实现各阶段内公交车中动力电池更换次数最少，在整车使用寿命周期内实现动力电池寿命的充分利用。

说明书

技术领域

本发明属于过程系统工程领域，特别涉及一种基于电池容量衰减与工作负荷倒序匹配的纯电动公交车运行路线规划方法。

背景技术

作为汽车产业发展的重要方向之一，新能源汽车获得广泛的认同和关注，并在交通运输系统中得到逐步推广，特别是纯电动汽车已逐渐补充到以传统化石燃料汽车为主导的公共交通系统中。以锂离子电池为动力源的纯电动公交车，因其行驶过程平稳、噪声低、无污染等突出优点，是新能源汽车的重点发展方向之一，已成为城市公共交通系统的重要组成部分。

纯电动汽车以动力电池储存的电能驱动电机运转，带动汽车运行，具有结构简单灵活、无污染物排放的特点。动力电池是纯电动汽车的核心部件之一，也是纯电动汽车的主要成本要素之一。目前。动力电池还存在比容量小、电池容量衰退快、使用寿命短、造价昂贵等问题，其使用寿命往往远小于电动汽车的整车寿命，导致纯电动公交汽车购置、电池更新和运行的成本较高。城市中运行的纯电动公交车主要在市区内固定的路线上运行，路程较短，能源补给方便。因此，在现有的电池技术条件下，确定合理的车辆运行调度和路线规划，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，可有效地降低纯电动公交车的运营成本，这对于纯电动公交车的推广应用具有重要意义。

纯电动公交车运行调度模式主要可分为单线调度模式和区域调度模式两类。目前，电动公交车的运行调度主要采用单线调度模式，即仅针对一条固定线路上的车辆进行优化管理，各条公交线路之间相互独立。而区域调度模式则是针对多条线路和一个或多个车场进行一体化调度，运行的车辆可被安排在不同的线路上交叉运行。然而，针对电动公交车区域调度方案设计，目前主要通过调度车辆的发车频率，编制运行时刻表，优化所需的车辆数目。而往往忽视了动力电池容量衰退特性、纯电动公交车运行特性以及运行线路的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。为了高效利用现有纯电动公交车资源，考虑动力电池容量衰退特性和运行线路路况特性，充分延长纯电动公交车动力电池的使用寿命，降低因动力电池失效的电池更新费用，需建立考虑动力电池容量衰退特性的纯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行成本的基于电池容量衰退与工作负荷倒序匹配的纯电动公交车运行路线规划方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先，设该纯电动公交车运行的线路和时刻表固定，每辆纯电动公交车配备的动力电池规格和容量相同，纯电动公交车每天从车场出发到返回车场的行驶里程小于车辆的最大行驶里程；

2)划分纯电动公交车运行线路的调度阶段；

3)计算所有运行线路所对应的纯电动公交车电池的工作负荷；

4)计算纯电动公交车动力电池的容量随充放电循环次数变化的容量衰减量；

5)根据各阶段纯电动公交车电池的初始和终止状态，依次计算各阶段不同调度状态下纯电动公交车电池的总容量衰退变化量；

6)确定纯电动公交车的路线调度方案。

所述2)根据纯电动公交车的整车使用年限，定义电动公交车调度的最小时间单位为一个阶段，将公交车运行线路的调度阶段划分为N个阶段。

所述3)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：

P_B(t)＝v(t)(F_r+F_a+ma)/η

其中，P_B表示电池功率；v表示纯电动公交车的速度；F_r为滚动阻力；F_a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4)在已知电池工作负荷P_B(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5)按如下步骤进行计算：

5-1)根据第一个阶段初始状态所有纯电动公交车电池的初始容量，计算所有公交车中电池的替换周期集合T¹；

5-2)将所有纯电动公交车按照其电池的替换周期降序排列，构成纯电动公交车序列；

将所有的路线按照纯电动公交车电池的替换周期升序排列，构成纯电动公交车路线序列；

将纯电动公交车序列和纯电动公交车路线序列依次对应匹配得到倒序匹配下的调度方案，记纯电动公交车序号为i,纯电动公交车路线序号为j，则匹配(i,j)表示第i个纯电动公交车将在第二个阶段行驶在第j条路线上；

5-3)在第一个阶段，纯电动公交车按照倒序匹配下的调度方案运行，通过计算调度后各纯电动公交车中动力电池容量衰退的变化量并将其加和，即得到该阶段进行路线调度后，所有纯电动公交车中动力电池容量衰减的变化总量反之，则所有纯电动公交车中动力电池容量衰减对应的总的容量衰减变化量为0；

5-4)将第一阶段实施调度和未实施调度的两个状态定义为第二阶段的初始状态，和分别计算两种初始状态下所有纯电动公交车中电池的替换周期集合和按照5-2)中的倒序匹配下的调度方案和5-3)中的容量衰减变化量计算方法，分别计算在初始状态和下，实施倒序匹配法确定的调度方案下对应的纯电动公交车电池容量衰减变化量，和

5-5)重复5-4)直到第N个阶段纯电动公交车电池容量衰减变化量的计算结束。

所述若某个纯电动公交车电池的容量已经衰退到其额定容量的80％，则更换新的电池，后续以新电池的初始容量进行计算。

所述6)是根据5)中的计算过程构造状态-阶段图,电动公交车的调度过程共包含N个阶段，2N-1个状态，相邻状态之间的转化关系表示为所有电动公交车中动力电池容量衰退的总变化量△Φ，即从第N阶段开始，由阶段N向阶段1方向逐阶段递推，寻找各阶段到阶段N的最优路径，当递推到初始点阶段1时，即得到纯电动公交车运营全阶段的最优路径。

本发明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工作负荷特性及三者之间相互影响的基础上，通过各阶段的公交车序列和线路序列的倒序匹配，实现各阶段内公交车中动力电池更换次数最少，在整车使用寿命周期内实现动力电池寿命的充分利用。

附图说明

图1是本发明根据公交车整车使用年限，划分公交车运行线路调度的阶段图。

图2是本发明第n个阶段公交车与公交路线的倒序匹配过程图；

图3是本发明纯电动公交车线路的动态调度示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的具体步骤如下：

1)首先，设该纯电动公交车运行的线路和时刻表固定，且每条路线运行若干辆公交车；每辆纯电动公交车配备的动力电池规格和容量相同，纯电动公交车每天从车场出发到返回车场的行驶里程小于车辆的最大行驶里程，保证车辆的剩余电量能够安全返回到车场充电，每天仅在夜晚非运营时间内充电一次；

2)纯电动公交车运行线路的调度阶段划分；

如图1所示，根据纯电动公交车的整车使用年限，定义电动公交车调度的最小时间单位为一个阶段，将公交车运行线路的调度阶段划分为N个阶段。

3)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，其动力电池的工作功率也不同。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工作负荷。在已知纯电动公交车行驶速度v(t)的情况下，可通过下式计算动力电池的工作负荷：

P_B(t)＝v(t)(F_r+F_a+ma)/η

其中，P_B表示电池功率；v表示纯电动公交车的速度；F_r为滚动阻力；F_a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；

4)计算动力电池容量随充放电循环次数变化的容量衰减量；

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的不断增加而衰减的百分数。在已知电池工作负荷P_B(t)的情况下，可通过已有的电池容量衰退模型，如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的变化特性。

5)根据各阶段的初始和终止状态，依次计算各阶段不同调度状态下动力电池的总容量衰退变化量；

当纯电动公交车动力电池容量衰退至额定容量的80％时所对应的循环次数称为电池的循环寿命，则电池的替换周期，T可记为电池的循环寿命与电池每天充放电循环次数的比值；

动力电池容量衰减变化量定义为：纯电动公交车在不调度情况下行驶后的电池容量衰减量与按照确定的调度方案行驶后电池容量衰减量的差值。则所有纯电动公交车中动力电池每个阶段的容量衰退变化总量可按如下步骤进行计算：

5-1)根据第一个阶段初始状态所有纯电动公交车电池的初始容量，计算所有公交车中电池的替换周期集合T¹；

5-2)如图2所示，将所有纯电动公交车按照其电池的替换周期降序排列，构成公交车序列；

将所有的路线按照纯电动公交车电池的替换周期升序排列，构成纯电动公交车路线序列；

将纯电动公交车序列和纯电动公交车路线序列依次对应匹配得到倒序匹配下的调度方案，记纯电动公交车序号为i,纯电动公交车路线序号为j，则匹配(i,j)表示第i个纯电动公交车将在第二个阶段行驶在第j条路线上；

5-3)在第一个阶段，纯电动公交车按照倒序匹配下的调度方案运行，通过计算调度后各纯电动公交车中动力电池容量衰退的变化量并将其加和，即得到该阶段进行路线调度后，所有纯电动公交车中动力电池容量衰减的变化总量反之，则所有纯电动公交车中动力电池容量衰减对应的总的容量衰减变化量为0；

5-4)将第一阶段实施调度和未实施调度的两个状态定义为第二阶段的初始状态，和分别计算两种初始状态下所有纯电动公交车中电池的替换周期集合和按照5-2)中的倒序匹配下的调度方案和5-3)中的容量衰减变化量计算方法，分别计算在初始状态和下，实施倒序匹配法确定的调度方案下对应的纯电动公交车电池容量衰减变化量，和

5-5)重复5-4)中的过程，直到第N个阶段电池容量衰减变化量的计算结束。计算中若某个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。

6)确定电动公交车的路线调度方案。

如图3所示,根据5)中的计算过程构造状态-阶段图,电动公交车的调度过程共包含N个阶段，2N-1个状态，相邻状态之间的转化关系表示为所有电动公交车中动力电池容量衰退的总变化量△Φ；

为了在整个公交车运营年限内最大限度的利用动力电池的容量，延长电池使用寿命，可从状态-阶段图中寻找一条最优路径，使得该路径上对应的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投资和运行成本的目的。该问题可采用动态规划算法，即从第N阶段开始，由阶段N向阶段1方向逐阶段递推，寻找各阶段到阶段N的最优路径，当递推到初始点阶段1时，即可得到纯电动公交车运营全阶段的最优路径。根据得到的最优路径，即可确定所有纯电动公交车的调度方案。若某个阶段选择的路径的终止状态是S₀，则表示该阶段内公交车无需调度，若选择的路径的终止状态是S₁，则表明该阶段内所有的公交车需要按照图1所示的倒序匹配方法确定的调度方案进行调度。