一種能夠延長動力電池使用壽命的純電動公交車動態線路規劃方法與流程
2024-03-21 02:42:05
本發明屬於過程系統工程領域，特別涉及一種能夠延長動力電池使用壽命的純電動公交車動態線路規劃方法。
背景技術：
動力電池是純電動公交車的核心部件，為車輛提供動力源。動力電池是電動公交車的主要成本要素之一，其使用壽命遠小於純電動公交車整車壽命。由於壽命短、成本高等問題在很大程度上限制了電動公交車的運營性能，其根源是動力電池的容量衰退。動力電池性能的下降不僅與電池自身的充放電電化學特性和環境溫度等因素有關，而且還與動力電池的工作負荷和使用方式有關。對於純電動公交車，動力電池的容量衰減與其工作負荷有直接關係，由於其行進路線相對固定，不同路線意味著不同的工作負荷，由此可以通過純電動公交車的調度，動態規划行進路線，以延緩動力電池的容量衰減，延長電池的使用壽命，在整車生命周期中減少電池更新次數，有效降低電池更新的費用，從而有效降低純電動公交車的運營成本。
目前，純電動公交車的調度通常可以表示為一個具有續航時間約束或充電時間約束的車輛調度問題進行求解，該問題是一個整數規劃問題。一般是在傳統車輛調度模型的基礎上，增加不同形式的續航時間約束或充電時間約束，然後運用啟發式算法，如遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、混合免疫算法等方法進行求解，以獲得使用車輛最少、空駛距離最短或碳排放最少的公交車路線調度方案。目前，針對純電動公交車路線調度方案設計多集中在對調度規劃模型求解算法的改進上，往往忽略了動力電池容量衰退特性、電動車運行特性以及工作路況特性三者之間的相互影響，也未考慮到電池容量衰退特性對純電動公交車運營經濟性的影響。因此，為了提高現有純電動公交車的利用率，降低因動力電池容量衰減所引起的電池更新費用，需在考慮動力電池容量衰退特性的基礎上，建立延長純電動公交車動力電池的使用壽命的電動公交車調度方法。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種在純電動公交車的整車使用年限內，最大限度地延長動力電池的使用壽命，降低電池更新費用，降低純電動公交車的新增投資和運營成本的能夠延長動力電池使用壽命的純電動公交車動態線路規劃方法。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是：
1)首先，設運行的純電動公交車數目固定，公交路線和運行時刻表固定；
2)計算所有運行線路所對應的動力電池工作負荷；
3)計算動力電池容量隨充放電循環次數變化的容量衰減量；
4)根據公交車運營時刻表，在整車使用年限內劃分純電動公交車運行線路的調度階段；
5)構建二部圖調度模型，依次計算各階段不同調度狀態下動力電池容量衰退的總變化量；
6)通過動態規划算法，確定全階段電動公交車路線調度方案。
所述2)在已知純電動公交車行駛速度v(t)的情況下，通過下式計算動力電池的工作負荷：
pb(t)＝v(t)(fr+fa+ma)/η
其中，pb表示電池功率；v表示純電動公交車的速度；fr為滾動阻力；fa為空氣動力阻力；m為純電動公交車的質量；a為純電動公交車的加速度；η為純電動公交車的機械效率。
所述3)在已知電池工作負荷pb(t)的情況下，通過電池容量衰退模型獲得電池的容量衰退百分數隨放電電流、電池溫度、循環次數、放電深度和電池容量等參數的變化特性。
所述的電池容量衰退模型採用半經驗壽命模型或機理模型。
所述4)劃分純電動公交車運行線路的調度階段是根據純電動公交車整車壽命、車次安排和時刻表，定義電動公交車調度的最小時間單位為一個階段，在純電動公交車的整車壽命周期內，將純電動公交車運行的調度階段劃分為n個階段。
所述5)動力電池容量衰減變化量定義為公交車在不調度的情況下行駛後的電池容量衰減量與按照動態調度方案行駛後電池容量衰減量的差值：
5-1)依次構造各階段的二部圖模型；
定義公交車集合為i，所有線路的集合為j,且公交車的數目應大於等於公交路線的數目，即|i|≥|j|，將第n-1個階段的狀態作為初始狀態，根據電池的容量衰退曲線，獲得第n個階段電動公交車i在路線j上行駛時，動力電池容量衰減的變化量構成了一個以集合i和j為頂點集，以i到j的箭頭為有向邊，以電池容量衰減的變化量為權重的加權有向二部圖，其中有向邊的確定需要檢驗純電動公交車i更換到路線j上行駛時是否滿足續航裡程約束和充電時間約束，若且唯若兩個約束同時滿足時，確定一條i到j的有向邊，否則邊不存在，依次類推到第n階段，完成各階段二部圖模型的構造；
5-2)枚舉純電動公交車的所有可能調度狀態；
根據5-1)構建的二部圖模型，圖中的每條有向邊都代表一種調度方式，將二部圖中的有向邊定義為狀態集合s，則該集合中的每一個子集都是一種可能的調度狀態，設階段n所構造的二部圖模型中包含的有向邊個數為k,則該階段構建的狀態集合為sn，可能的調度狀態數總量mn＝2k，並將其中的任一個調度狀態記為其中各階段的第一個狀態，s1表示不調度狀態。
5-3)計算所有可能的調度狀態下對應的動力電池容量衰退的總變化量：
在給定階段n和給定調度狀態,的情況下，依次計算所有純電動公交車從階段n-1的狀態到達階段n的狀態,的過程中，動力電池容量衰退的變化量，並將其加和得到該調度狀態轉化情況下動力電池容量衰退的總變化量計算中，若某個動力電池的容量已經衰退到其額定容量的80％，則需要更換新的動力電池，後續計算以新電池的初始容量進行計算。
所述6)在已知各階段內公交車路線調度方案的基礎上，全階段內最優的公交車路線調度方案的優選和調度周期的確定通過以下步驟進行：
6-1)構造純電動公交車路線調度的狀態-階段圖
根據4)中劃分的調度階段和5-2)中確定的各階段的調度狀態，構造純電動公交車路線調度的階段-狀態圖，圖中顯示，純電動公交車的調度過程共包含n個階段，個狀態，所有狀態的集合為各階段狀態集合的併集。相鄰階段狀態之間的轉化關係可表示為所有電動公交車中動力電池容量衰退的總變化量計算過程如5-3)。
6-2)確定最優的電動公交車動態行駛線路調度周期和調度方案
該路徑的獲得採用動態規划算法，即從最後第n階段開始，由階段n向初始階段1的方向逐階段遞推，尋找各階段到第n階段的最優路徑，即權重加和最大的路徑，當遞推到初始階段1時，即得到電動車運營全階段的最優路徑，根據最優路徑在各階段的初始和終止狀態，確定所有公交車的最優調度周期和調度方案，其中，若某個階段選擇的路徑的結束狀態是不調度狀態，s1，則表示該階段內公交車無需調度；反之，則表明該階段內所有的公交車需要按照所選路徑對應的調度方案進行調度。
本發明在綜合考慮純電動公交車運行特性、動力電池的容量衰退特性以及公交車線路路況特性以及三者之間相互影響的基礎上，通過構建二部圖模型獲得各階段純電動公交車和路線可能的調度方案，通過計算不同調度狀態下所有電池容量衰退的總變化量，採用動態規劃的高效遞歸算法完成全過程調度周期和調度方案的優化。本發明獲得的最優調度方案能夠在現有動力電池技術水平下最大限度上延長電動公交車中動力電池的使用壽命，在整車壽命周期內最大限度減少動力電池更新次數，有效降低純電動公交車的運營費用。
附圖說明
圖1是本發明純電動公交車動態線路規劃方法的實施步驟；
圖2是本發明純電動公交車運行線路的動態規划過程示意圖；
圖3是本發明任一階段n純電動公交車與公交線路的二部圖模型。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，該純電動公交車運行線路調度方法的假設如下：
1)首先，設運行的純電動公交車數目固定，公交路線和運行時刻表固定；
基於以上假設，延長動力電池使用壽命的純電動公交車動態線路規劃方法包括以下步驟：
2)計算所有運行線路所對應的動力電池工作負荷；
純電動公交車行駛在不同的線路上，路況不同，車輛運行速度不同，其動力電池的工作負荷也不同。因而，純電動公交車中動力電池的輸出功率隨時間的變化可用於表徵公交線路的路況負荷。在已知純電動公交車行駛速度v(t)的情況下，通過下式計算動力電池的工作負荷：
pb(t)＝v(t)(fr+fa+ma)/η
其中，pb表示電池功率；v表示純電動公交車的速度；fr為滾動阻力；fa為空氣動力阻力；m為純電動公交車的質量；a為純電動公交車的加速度；η為純電動公交車的機械效率。
3)計算動力電池容量隨充放電循環次數變化的容量衰減量；
純電動公交車中電池容量的衰減量是指電池容量隨循環次數增加而導致容量衰減的百分數。在已知電池工作功率pb(t)的情況下，可通過已有的電池容量衰退模型進行計算，可採用半經驗壽命模型或機理模型獲得電池的容量衰退百分數隨放電電流、電池溫度、循環次數、放電深度和電池容量等參數的變化特性。
4)根據公交車運營時刻表，在整車使用年限內劃分純電動公交車運行線路的調度階段；
如圖2所示，根據純電動公交車整車壽命、車次安排和時刻表，定義電動公交車調度的最小時間單位為一個階段，在純電動公交車的整車壽命周期內，將純電動公交車運行的調度階段劃分為n個階段，劃分情況。
5)構建二部圖調度模型，依次計算各階段不同調度狀態下動力電池容量衰退的總變化量；
動力電池容量衰減變化量定義為公交車在不調度的情況下行駛後的電池容量衰減量與按照動態調度方案行駛後電池容量衰減量的差值。
不同階段內公交車的所有可能的路線調度方案可按如下步驟進行計算：
5-1)依次構造各階段的二部圖模型；
如圖3所示，定義公交車集合為i，所有線路的集合為j,且公交車的數目應大於等於公交路線的數目，即|i|≥|j|。將第n-1個階段的狀態作為初始狀態，可根據電池的容量衰退曲線，獲得第n個階段電動公交車i在路線j上行駛時，動力電池容量衰減的變化量，則附圖3就構成了一個以集合i和j為頂點集，以i到j的箭頭為有向邊，以電池容量衰減的變化量為權重的加權有向二部圖，其中有向邊的確定需要檢驗純電動公交車i更換到路線j上行駛時是否滿足續航裡程約束和充電時間約束。若且唯若兩個約束同時滿足時，才可以確定一條i到j的有向邊，否則邊不存在。依次類推到第n階段，完成各階段二部圖模型的構造。
5-2)枚舉純電動公交車的所有可能調度狀態；
根據5-1)構建的二部圖模型，圖中的每條有向邊都代表一種調度方式。將二部圖中的有向邊定義為狀態集合s，則該集合中的每一個子集都是一種可能的調度狀態。設階段n所構造的二部圖模型中包含的有向邊個數為k,則該階段構建的狀態集合為sn，可能的調度狀態數總量mn＝2k，並將其中的任一個調度狀態記為其中各階段的第一個狀態，s1表示不調度狀態。
5-2)計算所有可能的調度狀態下對應的動力電池容量衰退的總變化量。
在給定階段n和給定調度狀態,的情況下，依次計算所有純電動公交車從階段n-1的狀態到達階段n的狀態,的過程中，動力電池容量衰退的變化量，並將其加和得到該調度狀態轉化情況下動力電池容量衰退的總變化量
計算中，若某個動力電池的容量已經衰退到其額定容量的80％，則需要更換新的動力電池，後續計算以新電池的初始容量進行計算。
6)通過動態規划算法，確定全階段電動公交車路線調度方案。
在已知各階段內公交車路線調度方案的基礎上，全階段內最優的公交車路線調度方案的優選和調度周期的確定可通過以下步驟進行：
6-1)構造電動公交車路線調度的狀態-階段圖
根據4)中劃分的調度階段和5-2)中確定的各階段的調度狀態，構造純電動公交車路線調度的階段-狀態圖，如圖2所示。圖中顯示，純電動公交車的調度過程共包含n個階段，個狀態，所有狀態的集合為各階段狀態集合的併集。相鄰階段狀態之間的轉化關係可表示為所有電動公交車中動力電池容量衰退的總變化量計算過程如5-3)。
6-2)確定最優的電動公交車動態行駛線路調度周期和調度方案
為了在整個純電動公交車運營年限內最大限度地利用動力電池的容量，延長電池使用壽命，可從該狀態-階段圖中尋找一條最優路徑，使得該路徑上對應的動力電池壽命衰減的變化量加和最大，從而實現削減電動公交車運營成本的目的。該路徑的獲得可採用動態規划算法，即從最後第n階段開始，由階段n向初始階段1的方向逐階段遞推，尋找各階段到第n階段的最優路徑，即權重加和最大的路徑。當遞推到初始階段1時，即可得到電動車運營全階段的最優路徑。根據最優路徑在各階段的初始和終止狀態，即可確定所有公交車的最優調度周期和調度方案。其中，若某個階段選擇的路徑的結束狀態是s1，則表示該階段內公交車無需調度；反之，則表明該階段內所有的公交車需要按照所選路徑對應的調度方案進行調度。