本發(fā)明屬于過程系統(tǒng)工程領(lǐng)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(tài)線路規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

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(yuǎn)小于純電動公交車整車壽命。由于壽命短、成本高等問題在很大程度上限制了電動公交車的運(yùn)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(xué)特性和環(huán)境溫度等因素有關(guān)，而且還與動力電池的工作負(fù)荷和使用方式有關(guān)。對于純電動公交車，動力電池的容量衰減與其工作負(fù)荷有直接關(guān)系，由于其行進(jìn)路線相對固定，不同路線意味著不同的工作負(fù)荷，由此可以通過純電動公交車的調(diào)度，動態(tài)規(guī)劃行進(jìn)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(shù)，有效降低電池更新的費(fèi)用，從而有效降低純電動公交車的運(yùn)營成本。

目前，純電動公交車的調(diào)度通?？梢员硎緸橐粋€(gè)具有續(xù)航時(shí)間約束或充電時(shí)間約束的車輛調(diào)度問題進(jìn)行求解，該問題是一個(gè)整數(shù)規(guī)劃問題。一般是在傳統(tǒng)車輛調(diào)度模型的基礎(chǔ)上，增加不同形式的續(xù)航時(shí)間約束或充電時(shí)間約束，然后運(yùn)用啟發(fā)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(jìn)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(diào)度方案。目前，針對純電動公交車路線調(diào)度方案設(shè)計(jì)多集中在對調(diào)度規(guī)劃模型求解算法的改進(jìn)上，往往忽略了動力電池容量衰退特性、電動車運(yùn)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(yùn)營經(jīng)濟(jì)性的影響。因此，為了提高現(xiàn)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(fèi)用，需在考慮動力電池容量衰退特性的基礎(chǔ)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(diào)度方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在純電動公交車的整車使用年限內(nèi)，最大限度地延長動力電池的使用壽命，降低電池更新費(fèi)用，降低純電動公交車的新增投資和運(yùn)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(tài)線路規(guī)劃方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

1)首先，設(shè)運(yùn)行的純電動公交車數(shù)目固定，公交路線和運(yùn)行時(shí)刻表固定；

2)計(jì)算所有運(yùn)行線路所對應(yīng)的動力電池工作負(fù)荷；

3)計(jì)算動力電池容量隨充放電循環(huán)次數(shù)變化的容量衰減量；

4)根據(jù)公交車運(yùn)營時(shí)刻表，在整車使用年限內(nèi)劃分純電動公交車運(yùn)行線路的調(diào)度階段；

5)構(gòu)建二部圖調(diào)度模型，依次計(jì)算各階段不同調(diào)度狀態(tài)下動力電池容量衰退的總變化量；

6)通過動態(tài)規(guī)劃算法，確定全階段電動公交車路線調(diào)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(jì)算動力電池的工作負(fù)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(zhì)量；a為純電動公交車的加速度；η為純電動公交車的機(jī)械效率。

所述3)在已知電池工作負(fù)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?jǐn)?shù)隨放電電流、電池溫度、循環(huán)次數(shù)、放電深度和電池容量等參數(shù)的變化特性。

所述的電池容量衰退模型采用半經(jīng)驗(yàn)壽命模型或機(jī)理模型。

所述4)劃分純電動公交車運(yùn)行線路的調(diào)度階段是根據(jù)純電動公交車整車壽命、車次安排和時(shí)刻表，定義電動公交車調(diào)度的最小時(shí)間單位為一個(gè)階段，在純電動公交車的整車壽命周期內(nèi)，將純電動公交車運(yùn)行的調(diào)度階段劃分為n個(gè)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(diào)度的情況下行駛后的電池容量衰減量與按照動態(tài)調(diào)度方案行駛后電池容量衰減量的差值：

5-1)依次構(gòu)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(shù)目應(yīng)大于等于公交路線的數(shù)目，即|i|≥|j|，將第n-1個(gè)階段的狀態(tài)作為初始狀態(tài)，根據(jù)電池的容量衰退曲線，獲得第n個(gè)階段電動公交車i在路線j上行駛時(shí)，動力電池容量衰減的變化量構(gòu)成了一個(gè)以集合i和j為頂點(diǎn)集，以i到j(luò)的箭頭為有向邊，以電池容量衰減的變化量為權(quán)重的加權(quán)有向二部圖，其中有向邊的確定需要檢驗(yàn)純電動公交車i更換到路線j上行駛時(shí)是否滿足續(xù)航里程約束和充電時(shí)間約束，當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)約束同時(shí)滿足時(shí)，確定一條i到j(luò)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(gòu)造；

5-2)枚舉純電動公交車的所有可能調(diào)度狀態(tài)；

根據(jù)5-1)構(gòu)建的二部圖模型，圖中的每條有向邊都代表一種調(diào)度方式，將二部圖中的有向邊定義為狀態(tài)集合s，則該集合中的每一個(gè)子集都是一種可能的調(diào)度狀態(tài)，設(shè)階段n所構(gòu)造的二部圖模型中包含的有向邊個(gè)數(shù)為k,則該階段構(gòu)建的狀態(tài)集合為sⁿ，可能的調(diào)度狀態(tài)數(shù)總量mn＝2^k，并將其中的任一個(gè)調(diào)度狀態(tài)記為其中各階段的第一個(gè)狀態(tài)，s1表示不調(diào)度狀態(tài)。

5-3)計(jì)算所有可能的調(diào)度狀態(tài)下對應(yīng)的動力電池容量衰退的總變化量：

在給定階段n和給定調(diào)度狀態(tài),的情況下，依次計(jì)算所有純電動公交車從階段n-1的狀態(tài)到達(dá)階段n的狀態(tài),的過程中，動力電池容量衰退的變化量，并將其加和得到該調(diào)度狀態(tài)轉(zhuǎn)化情況下動力電池容量衰退的總變化量計(jì)算中，若某個(gè)動力電池的容量已經(jīng)衰退到其額定容量的80％，則需要更換新的動力電池，后續(xù)計(jì)算以新電池的初始容量進(jìn)行計(jì)算。

所述6)在已知各階段內(nèi)公交車路線調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，全階段內(nèi)最優(yōu)的公交車路線調(diào)度方案的優(yōu)選和調(diào)度周期的確定通過以下步驟進(jìn)行：

6-1)構(gòu)造純電動公交車路線調(diào)度的狀態(tài)-階段圖

根據(jù)4)中劃分的調(diào)度階段和5-2)中確定的各階段的調(diào)度狀態(tài)，構(gòu)造純電動公交車路線調(diào)度的階段-狀態(tài)圖，圖中顯示，純電動公交車的調(diào)度過程共包含n個(gè)階段，個(gè)狀態(tài)，所有狀態(tài)的集合為各階段狀態(tài)集合的并集。相鄰階段狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系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(jì)算過程如5-3)。

6-2)確定最優(yōu)的電動公交車動態(tài)行駛線路調(diào)度周期和調(diào)度方案

該路徑的獲得采用動態(tài)規(guī)劃算法，即從最后第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(yōu)路徑，即權(quán)重加和最大的路徑，當(dāng)遞推到初始階段1時(shí)，即得到電動車運(yùn)營全階段的最優(yōu)路徑，根據(jù)最優(yōu)路徑在各階段的初始和終止?fàn)顟B(tài)，確定所有公交車的最優(yōu)調(diào)度周期和調(diào)度方案，其中，若某個(gè)階段選擇的路徑的結(jié)束狀態(tài)是不調(diào)度狀態(tài)，s1，則表示該階段內(nèi)公交車無需調(diào)度；反之，則表明該階段內(nèi)所有的公交車需要按照所選路徑對應(yīng)的調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度。

本發(fā)明在綜合考慮純電動公交車運(yùn)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(chǔ)上，通過構(gòu)建二部圖模型獲得各階段純電動公交車和路線可能的調(diào)度方案，通過計(jì)算不同調(diào)度狀態(tài)下所有電池容量衰退的總變化量，采用動態(tài)規(guī)劃的高效遞歸算法完成全過程調(diào)度周期和調(diào)度方案的優(yōu)化。本發(fā)明獲得的最優(yōu)調(diào)度方案能夠在現(xiàn)有動力電池技術(shù)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(nèi)最大限度減少動力電池更新次數(shù)，有效降低純電動公交車的運(yùn)營費(fèi)用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明純電動公交車動態(tài)線路規(guī)劃方法的實(shí)施步驟；

圖2是本發(fā)明純電動公交車運(yùn)行線路的動態(tài)規(guī)劃過程示意圖；

圖3是本發(fā)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(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，該純電動公交車運(yùn)行線路調(diào)度方法的假設(shè)如下：

1)首先，設(shè)運(yùn)行的純電動公交車數(shù)目固定，公交路線和運(yùn)行時(shí)刻表固定；

基于以上假設(shè)，延長動力電池使用壽命的純電動公交車動態(tài)線路規(guī)劃方法包括以下步驟：

2)計(jì)算所有運(yùn)行線路所對應(yīng)的動力電池工作負(fù)荷；

純電動公交車行駛在不同的線路上，路況不同，車輛運(yùn)行速度不同，其動力電池的工作負(fù)荷也不同。因而，純電動公交車中動力電池的輸出功率隨時(shí)間的變化可用于表征公交線路的路況負(fù)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(jì)算動力電池的工作負(fù)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(zhì)量；a為純電動公交車的加速度；η為純電動公交車的機(jī)械效率。

3)計(jì)算動力電池容量隨充放電循環(huán)次數(shù)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(huán)次數(shù)增加而導(dǎo)致容量衰減的百分?jǐn)?shù)。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(jìn)行計(jì)算，可采用半經(jīng)驗(yàn)壽命模型或機(jī)理模型獲得電池的容量衰退百分?jǐn)?shù)隨放電電流、電池溫度、循環(huán)次數(shù)、放電深度和電池容量等參數(shù)的變化特性。

4)根據(jù)公交車運(yùn)營時(shí)刻表，在整車使用年限內(nèi)劃分純電動公交車運(yùn)行線路的調(diào)度階段；

如圖2所示，根據(jù)純電動公交車整車壽命、車次安排和時(shí)刻表，定義電動公交車調(diào)度的最小時(shí)間單位為一個(gè)階段，在純電動公交車的整車壽命周期內(nèi)，將純電動公交車運(yùn)行的調(diào)度階段劃分為n個(gè)階段，劃分情況。

5)構(gòu)建二部圖調(diào)度模型，依次計(jì)算各階段不同調(diào)度狀態(tài)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(diào)度的情況下行駛后的電池容量衰減量與按照動態(tài)調(diào)度方案行駛后電池容量衰減量的差值。

不同階段內(nèi)公交車的所有可能的路線調(diào)度方案可按如下步驟進(jìn)行計(jì)算：

5-1)依次構(gòu)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(shù)目應(yīng)大于等于公交路線的數(shù)目，即|i|≥|j|。將第n-1個(gè)階段的狀態(tài)作為初始狀態(tài)，可根據(jù)電池的容量衰退曲線，獲得第n個(gè)階段電動公交車i在路線j上行駛時(shí)，動力電池容量衰減的變化量，則附圖3就構(gòu)成了一個(gè)以集合i和j為頂點(diǎn)集，以i到j(luò)的箭頭為有向邊，以電池容量衰減的變化量為權(quán)重的加權(quán)有向二部圖，其中有向邊的確定需要檢驗(yàn)純電動公交車i更換到路線j上行駛時(shí)是否滿足續(xù)航里程約束和充電時(shí)間約束。當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)約束同時(shí)滿足時(shí)，才可以確定一條i到j(luò)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(gòu)造。

5-2)枚舉純電動公交車的所有可能調(diào)度狀態(tài)；

根據(jù)5-1)構(gòu)建的二部圖模型，圖中的每條有向邊都代表一種調(diào)度方式。將二部圖中的有向邊定義為狀態(tài)集合s，則該集合中的每一個(gè)子集都是一種可能的調(diào)度狀態(tài)。設(shè)階段n所構(gòu)造的二部圖模型中包含的有向邊個(gè)數(shù)為k,則該階段構(gòu)建的狀態(tài)集合為sn，可能的調(diào)度狀態(tài)數(shù)總量mn＝2k，并將其中的任一個(gè)調(diào)度狀態(tài)記為其中各階段的第一個(gè)狀態(tài)，s1表示不調(diào)度狀態(tài)。

5-2)計(jì)算所有可能的調(diào)度狀態(tài)下對應(yīng)的動力電池容量衰退的總變化量。

在給定階段n和給定調(diào)度狀態(tài),的情況下，依次計(jì)算所有純電動公交車從階段n-1的狀態(tài)到達(dá)階段n的狀態(tài),的過程中，動力電池容量衰退的變化量，并將其加和得到該調(diào)度狀態(tài)轉(zhuǎn)化情況下動力電池容量衰退的總變化量

計(jì)算中，若某個(gè)動力電池的容量已經(jīng)衰退到其額定容量的80％，則需要更換新的動力電池，后續(xù)計(jì)算以新電池的初始容量進(jìn)行計(jì)算。

6)通過動態(tài)規(guī)劃算法，確定全階段電動公交車路線調(diào)度方案。

在已知各階段內(nèi)公交車路線調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，全階段內(nèi)最優(yōu)的公交車路線調(diào)度方案的優(yōu)選和調(diào)度周期的確定可通過以下步驟進(jìn)行：

6-1)構(gòu)造電動公交車路線調(diào)度的狀態(tài)-階段圖

根據(jù)4)中劃分的調(diào)度階段和5-2)中確定的各階段的調(diào)度狀態(tài)，構(gòu)造純電動公交車路線調(diào)度的階段-狀態(tài)圖，如圖2所示。圖中顯示，純電動公交車的調(diào)度過程共包含n個(gè)階段，個(gè)狀態(tài)，所有狀態(tài)的集合為各階段狀態(tài)集合的并集。相鄰階段狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系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(jì)算過程如5-3)。

6-2)確定最優(yōu)的電動公交車動態(tài)行駛線路調(diào)度周期和調(diào)度方案

為了在整個(gè)純電動公交車運(yùn)營年限內(nèi)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(tài)-階段圖中尋找一條最優(yōu)路徑，使得該路徑上對應(yīng)的動力電池壽命衰減的變化量加和最大，從而實(shí)現(xiàn)削減電動公交車運(yùn)營成本的目的。該路徑的獲得可采用動態(tài)規(guī)劃算法，即從最后第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(yōu)路徑，即權(quán)重加和最大的路徑。當(dāng)遞推到初始階段1時(shí)，即可得到電動車運(yùn)營全階段的最優(yōu)路徑。根據(jù)最優(yōu)路徑在各階段的初始和終止?fàn)顟B(tài)，即可確定所有公交車的最優(yōu)調(diào)度周期和調(diào)度方案。其中，若某個(gè)階段選擇的路徑的結(jié)束狀態(tài)是s1，則表示該階段內(nèi)公交車無需調(diào)度；反之，則表明該階段內(nèi)所有的公交車需要按照所選路徑對應(yīng)的調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)度。