一种北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法与流程

本发明涉及电动公交车运营技术领域，特别是一种北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法。

背景技术：

纯电动公交车是城市绿色公共交通形式之一，使用越来越广泛。目前，纯电动公交车充电时间主要为1h-4.5h范围(称为慢充车辆)，白天8h运营中要进行1-2次充电(补电)，也可以晚上利用峰谷电价充电。但是车辆集中充电时间分布和排队等待充电现象影响车辆正常发车计划，同时调度配车比传统公交车辆增加，即配车比增加，从成本上和公交场站空间冗余不足方面都是存在很多困难和问题。

现有最接近的技术是换电池的纯电动公交车运用，电池在一个较为半封闭空间的电池架上，保温性能好，冬天适当减少续航里程。集中充电换电池方式，充电时间长，一般1.5h-3.5h，为了不影响公交日常调度，就要增加备用车辆数，同时，这种纯电动公交车的锂电池使用寿命理论上为5年，实际运用中电池后期衰减快，这种纯电动车电池和车辆的使用寿命8-10年不一致，车辆运营的8年间需要换一批新电池，成本占车辆总成本60％以上。换电池模式，公交换电池场站布设位置受公交线路长度和空驶里程影响，应与公交首末站相邻，电池电量支持车辆运行线路长度不超过20km，电池续航时间为3-4h，因此备用电池数量较多，备用电池比在1:1.5-2.3之间，集中充电柜和机器手所需场地较大不具备大规模推广。现有纯电动公交车技术方案缺陷为纯电动公交车充电时间长，带来充电桩、备用电池和车辆配置的增加，成本和公交场地压力大，制约了纯电动车推广普及。

公开号为cn104627008a的专利文件公开了一种新型电动汽车公交系统，该系统主要包括电动公交车，以及为电动公交车充电的电动公交车充电站系统，所所述的电动公交车包括公交车以及公交车上的蓄电池储存箱，所述的公交车站包括充电室、电池卸载台、电池装载台，所述的电动公交车依靠电池储存箱内的蓄电池作为动力运载乘客，当公交车低电量的时候公交车进入公交车充电站，卸载下低电量的电池，插上满电的电池，然后驶出公交充电站，继续运行，而换下的低电量电池，将会在公交车充电站，充满电后即可换下低电量的电池，为其他公交车进行供电。该申请也采用的是更换电池的方法，存在的问题是，备用电池较多集中充电柜和机器手所需场地较大不具备大规模推广。

公开号为cn103679372a的专利文件公开了一种电动公交充换电站的分层协调充电控制方法，以控制中心为上级，以各充电站为下级，将晚间电动公交车下班进入充电站充电到次日上班前的时段作为可调度时段，通过ar模型预测可调度时段各充电站充电电量需求；在可调度时段，上级控制中心根据预测的充电电量，制定各充电站充电策略并下发充电站，各充电站则确定站内充电方案，对站内电动公交进行有序充电。该申请采用是夜间充电白天运行的方法使用电动公交车，容易造成上午电动公交车电量足运行速度快而下午电量不足运行速度慢的情况，而白天充电站闲置，不能很好地被利用。

公开号为cn104615850a的专利文件公开了一种公交充电调度方法与系统，其中方法为获取电动公交剩余电量和所述线路行驶距离，计算电动公交出站最低电量，当大于时，判定非必须充电，当小于或者等于时，判定必须充电，当必须充电时，根据预设电动公交调度时刻表，获取下一次出站间隔时间t1，计算采用最大电流充电达到最低电量所需时间t2，利用公式t＝t1-t2-t3，计算电动公交偏差时间t，其中t3为电动公交最小等待时间，当t大于等于零时，选取t较小的有线充电，当t小于零时，向操作人员反馈无法按照预定电动公交调度时刻表中的时间出站。在该申请中，当电动公交车充电后，很有可能不是以满电量出行，而电动公交车长期以非满电量运行，容易对电动公交车和电池造成损害，增加电动公交车的维修频率，减少电池的寿命。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明采用的快充纯电动公交车是指采用钛酸铁锂、多元复合锂电池的8-20min充满电的公交车，该种快充类型纯电动公交车满足白天充电不影响公交调度发车计划。快充型电动公交车设计续航里程80-150km，纯电动公交车实际线路长度决定续航里程的运营圈数，从而根据线路长度、每日运营调度发车方案，日均充电次数不同，车辆集中充电时间分布和排队等待充电现象等技术指标制定配车数量和充电桩数量，适应车辆正常调度发车计划，使得充电桩既能满足电动车快速充电不影响调度发车计划，也能满足充电桩在空闲时间为其他社会车辆充电，提高充电桩利用率。

本发明提供一种北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法，包括以下步骤：

步骤1：给出关键参数的互动关系；

步骤2：构建线路长度组合情境下的运力配车规模条件下的充电高峰点分布和充电排队模型关系；

步骤3：构建不同线路长度组合条件下的车桩比优化算法关系。

优选的是，所述关键参数包括车辆运行中空调、车内照明、车内路签报站显示和行驶用电的用电结构，单位km能耗系数，线路长度-速度，运营圈数，调度配车时刻表和充电时间中至少一种。

在上述任一方案中优选的是，所述互动关系包括如下关系中至少一种：

1)车辆不同季节用能结构的4种情景，理论分析方法和示范运行数据中测算出四种情景下行驶用电量；

2)不同道路工况下的速度对应单位公里耗电系数，形成所述四种情景下单位公里耗电系数适应的线路长度；

3)不同线路长度-速度的组合情况下，行驶用电所能支持的运营圈数；

4)基于线路调度配车时刻表，和上述相互关系，得到每个运营车辆需要仅充电站充电时间和投入到下一次调度发车等互动关系。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤2还为根据电动公交车行驶电量，甄别适合的公交线路长度，结合高峰发车间隔行程的调度时刻表，得到的优化模型方法为公交线路配车数(线路配车是以高峰配车数为标准)理论方法，公式为：式中，i是指第i条公交线路，ωi是指线路的配车数量，li是指线路长度(km)，vi是指线路平均运行速度(km/h)，q是指线路高峰小时客流量，mi是指线路运营车辆的额定载客人数，ηi是指线路满载率。

在上述任一方案中优选的是，所述优化模型方法还为计算运送速度，所述运送速度是指运送乘客的实际速度，其计算方法为：v运送＝[l/(t1+t2)]×60，式中，v运送是指运送速度(km/h)，l是指线路长度(km)，t1是指行驶时间(min)，t2是指沿线各站停留时间(min)。

在上述任一方案中优选的是，所述优化模型方法还为计算运营速度，用于衡量车辆的周转快慢，其计算方法为：v运营＝[l/(t1+t2+t3)]×60式中，v运营是指运营速度(km/h)，l是指线路长度(km)，t1是指行驶时间(min)，t2是指沿线各站停留时间(min)，t3是指始发站停站时间(min)。

在上述任一方案中优选的是，所述优化模型方法还为计算行驶电量对应的运营圈数，其计算方法为：n圈数＝e总电量×l续航里程./(2l×ψej(v))，式中，n圈数是指给定线路长度下的运营圈数，e总电量是指车辆可用的行驶总电量(kwh)，l续航里程.是指行驶电量对应的车辆续航里程，ψej(v)是指给定速度下的第j种情景下车辆单位公里能耗系数。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤3包括以下子步骤：

步骤31：根据用电结构和道路工况下的速度，确定单位km能耗系数和续航里程下的运营圈数；

步骤32：根据发车时刻表，给出每个线路长度下，车辆运行圈数和进入充电站时刻，运营的电动车相继到达充电站，形成充电排队系统；

步骤33，在全天运营条件下，确定充电桩数量，对比运营车辆形成最优桩车比；步骤34：低温天气情况，降功率运行的备用车辆和充电桩比例分析方法。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤32为到达充电站的车辆服从负指数分布，平均到达率记为λ.；充电桩充电服务率记为μ的多个充电桩服务台符合m/m/c/m/m模型。

在上述任一方案中优选的是，所述最优桩车比的计算方法如下：

根据所述m/m/c/∞/m多充电桩服务台模型，并列c个充电桩服务台，系统空闲的概率：

系统中(每小时)充电车辆平均数：

(每小时)等待充电的车辆平均数：

式中，ws——车辆进入充电站逗留时间的期望值；ls是指进入充电站的平均车辆数(队长期望值)；c是指充电桩数量；μ是指充电桩服务率；ρ是指充电桩服务强度；lq是指进入充电站等待充电的平均车辆数(队列长期望值)；m是指纯电动公交车数量；λ是指纯电动公交车需要充电，到达充电站的平均到达率。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤33还为采用模拟方式测算充电桩数量c，然后和运营纯电动车辆进行比较，给出充电桩和运营车辆的比例关系。

在上述任一方案中优选的是，所述备用车辆和充电桩比例分析方法包括：

n圈数＝e总电量×l续航里程./(2l×ψej(v))。

在上述任一方案中优选的是，所述备用车辆和充电桩比例分析方法还包括：

min(te,t运)≤t'＜min(t运，talarm)，talarm＝βte，式中，talarm是报警电量的soc比例(％)，te是指道路工况下续航里程对应的运行时间，t运营是指公交车辆调度运营时间，t运是指续航里程对应的车辆调度运营圈数对应的时间。

本发明提出的方法解决兼顾电动车用电结构和线路长度、运力配置影响下的充电高峰时段和排队问题，既满足公交车辆运营发车计划，又能提高充电桩全天利用效率，使得车辆运用综合成本最低。

附图说明

图1为按照本发明的北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法的一优选实施例的流程图。

图2为按照本发明的北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法的一优选实施例的公交调度发车和对应车辆充电时刻示意图。

图3为按照本发明的北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法的如图2所示实施例的快充纯电动公交车运营关键参数的测算示意图。

图4为按照本发明的北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法的如图2所示实施例的基于北京的高峰时间调度下的线路长度-配车关系测算示意图。

图5为按照本发明的北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法的如图2所示实施例的不同用电结构下车辆运行的能耗和续航能力关系示意图。

图6为按照本发明的北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法的如图2所示实施例的快充纯电动公交车运行状况、利用率统计示意图。

图7为按照本发明的北方气候快充纯电动公交车运营调度优化方法的一优选实施例的电动车的系统能量关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例一

计算方法分为三个层次，第一层，给出关键参数的互动关系；第二层面，构建线路长度组合情境下的运力配车规模条件下的充电高峰点分布和充电排队模型关系；第三个层面构建不同线路长度组合条件下的车桩比优化算法关系。给出了极限天气运用的技术方案和可行性分析，比其他电动车更具有推广。

执行步骤100，给出关键参数的互动关系。快充模式纯电动公交车的关键参数为车辆运行中空调、车内照明、车内路签报站显示和行驶用电的用电结构，单位km能耗系数，线路长度-速度，运营圈数，调度配车时刻表，充电时间等关键参数及相互关系。

主要互动关系为

(1)车辆春夏秋冬不同季节用能结构分为4种情景，理论分析方法和示范运行数据中测算出四种情景下行驶用电量；

(2)不同道路工况下的速度对应单位km耗电系数，形成四种情景下单位km耗电系数适应的线路长度；

(3)不同线路长度-速度的组合情况下，行驶用电所能支持的运营圈数；

(4)基于线路调度配车时刻表，和上述相互关系，得到每个运营车辆需要仅充电站充电时间和投入到下一次调度发车等互动关系。

执行步骤110，构建线路长度组合情境下的运力配车规模条件下的充电高峰点分布和充电排队模型关系。由于纯电动公交车行驶电量限制，需要甄别适合的公交线路长度，结合高峰发车间隔形成的调度时刻表，得出优化模型方法为：

公交线路配车数(线路配车是以高峰配车数为标准)理论方法，以第i条公交线路为例，

式中，ωi——线路的配车数量；

li——线路长度，km；

vi——线路平均运行速度，km/h；

q——线路高峰小时客流量；

mi——线路运营车辆的额定载客人数；

ηi——线路满载率。

运送速度，运送速度是指运送乘客的实际速度。这种速度才是乘客乘车的速度。乘客乘车时所花的时间是由这个速度决定的。计算方法为：

v运送＝[l/(t1+t2)]×60

式中，v运送——运送速度，km/h；

l——线路长度，km；

t1——行驶时间，min；

t2——沿线各站停留时间，min。

运营速度，运营速度又称周转速度或营业速度。是衡量车辆的周转快慢，反映运营管理水平和车辆利用效率的指标。因企业的大部分支出与周转速度成反比，所以企业都努力追求提高周转速度。计算方法为：

v运营＝[l/(t1+t2+t3)]×60

式中，v运营——运营速度，km/h；

l——线路长度，km；

t1——行驶时间，min；

t2——沿线各站停留时间，min；

t3——始发站停站时间，min；

行驶电量对应的运营圈数

n圈数＝e总电量×l续航里程./(2l×ψej(v))

式中，n圈数——给定线路长度下的运营圈数；

e总电量——车辆可用的行驶总电量，kwh；

l续航里程.——行驶电量对应的车辆续航里程；

ψej(v)——给定速度下的第j种情景下车辆单位公里能耗系数

执行步骤120，构建不同线路长度组合条件下的车桩比优化算法关系。

执行子步骤121，根据用电结构和道路工况下的速度，确定单位km能耗系数和续航里程下的运营圈数；

执行子步骤122，根据发车时刻表，给出每个线路长度(一般以0.5km为单位，外推线路长度)下，车辆运行圈数和进入充电站时刻，运营的电动车相继到达充电站，形成充电排队系统。经示范运行统计观测数据得到，到达充电站的车辆服从负指数分布，平均到达率记为λ.；充电桩充电服务率记为μ的多个充电桩服务台符合m/m/c/m/m模型。

执行子步骤123，假定全天运营条件下，确定充电桩数量，对比运营车辆形成桩车比。排队等待充电车辆的数量(队列长)为零，充电不排队，充电桩最富裕；一般情况下应给出比较经济的桩车比，即假定排队长度为1，多个充电桩服务台的台数计算满足下列公式：

m/m/c/∞/m多充电桩服务台模型，单队，并列c个充电桩服务台

系统空闲的概率：

系统中(每小时)充电车辆平均数：

(每小时)等待充电的车辆平均数：

式中，ws——车辆进入充电站逗留时间的期望值；ls——进入充电站的平均车辆数(队长期望值)；c——充电桩数量；μ——充电桩服务率；ρ——充电桩服务强度；lq——进入充电站等待充电的平均车辆数(队列长期望值)；m——纯电动公交车数量；λ——纯电动公交车需要充电，到达充电站的平均到达率。

注：高峰运行的公交线路，平峰充电，排队长可以放宽到10辆。

采用模拟方式测算充电桩数量c，然后和运营纯电动车辆进行比较，给出充电桩和运营车辆的比例关系。富裕情况，桩车比为1:5；经济高效运用的比例为1:8，即一个充电桩服务八辆纯电动公交车。

执行子步骤124，低温天气情况，降功率运行的备用车辆和充电桩比例分析方法。

备车比是指纯电动公交车因充电排队而影响正常调度所补充的车辆比例。

充电结束后离开时间点≥发车时间隔次数，为增补车辆数。

n圈数＝e总电量×l续航里程./(2l×ψej(v))

min(te,t运)≤t'＜min(t运，talarm)

talarm＝βte，talarm是报警电量的soc比例(％)，

式中，te——道路工况下续航里程对应的运行时间；t运营——公交车辆调度运营时间；t运——续航里程对应的车辆调度运营圈数对应的时间

系数α取值范围[0.714,1],其中0.714为冬季低温降功率可使用的电量soc的比例系数50/70＝0.714，α取值＝1，意味着正常行驶电量(soc为70％)；β取值范围[1.142,1.40],其中系数1.142为常温报警用电的系数关系，1.40为冬季低温报警用电的系数，

本项发明区别于现有传统公交车配车方法。要兼顾电动车用电结构和线路长度、运力配置影响下的充电高峰时段和排队问题，以及不同线路组合，合理调配充电时间，即满足公交车辆运营发车计划，又能提高充电桩全天利用效率。所采用的每项技术手段逐一说明其在本发明中所起的作用或功能，公交最佳运营方案给出合理的车桩比优化方法，使得车辆运用综合成本最低。

快充技术有别于现有技术主要表现为：快充技术上解决：带电量少，自重轻，充电时间短，满足高峰3h运行，平峰充电，并及时投入到发车队列中，不影响调度发车计划，因此和传统车辆相比，不会明显增加车辆，而且充电桩数量与车辆的比例将会减少。同时，也可以提高充电桩的利用率。尤其是在北京北方极限天气，根据极限天气公交车辆特点形成运营调度与充电协调的配车和备车比。本项发明内容：根据快充纯电动公交车电容和充电时间(长度、道路工况、客流高峰断面量影响下)；确定替换传统车辆数量的配车比；线路长度与调度时刻表充电桩和车辆的桩车比最佳范围；纯电动公交车bms系统给出的关键参数，soc剩余电量比，续航里程与运营线路长度相互关系；构建线路长度组合情境下的运力配车规模条件下的充电高峰点分布和充电排队模型关系，桩车比优化测算充电多服务台排队模型等构建模型方法；北京冬季低温低速降功率运营(线路、配车、充电)方案；电池寿命测算方法。

实施例二

结合两年来怀柔新城快充纯电动公交车示范运行的实践，对快充纯电动公交车在北京郊区县市大规模推广提供技术经济性可行性条件下，基础设施配置、线路选择，如桩车比最佳设置，快充电动车运营绩效、能耗、调度计划统计，给出高效、节能、环保和运行效率技术经济性。

如图2所示，给出不同线路长度下，发车间隔和车辆平均速度为v＝15km/h情况下第一辆车调度发车时刻表，背景颜色表示不同用电结构下，需要充电的时刻，对于公交车辆调度按照先后顺序排列，从而测得纯电动公交车需要充电时间分布即平峰时间充电和高峰时间充电等信息。

如图3所示，给出公交调度考虑的主要因素和纯电动车运用的关键参数相互关系。每行代表一个线路长度。第1至第4列为基于线路断面客流量和公交车上的满载率设计范围；第5列至第11列为纯电动车在速度为v＝25/h情况下，运行一圈时间，每圈消耗电量，纯电动车soc剩余电量可支撑的圈数，纯电动车续航里程的运行时间，以及对应的总耗电量，完成一个续航里程后的充电时间和采用早晚高峰时段密集发车的运行对应的续航里程圈数；第12列至第20列为纯电动车司乘人员配班8h工作期间完成的工作计划和统计定额的测算，包括8h工作期间司乘人员配班实际完成的运行圈数，运行时间，以及运行期间车辆充电次数，全天车辆运行过程中对应充电次数的总时间，司乘人员完成公里数定额和高峰运营模式可能完成的公里数等。

如图4所示，图中左侧列给出早高峰的发车间隔(发车间隔时间点如运算关系框中所示,为上一时刻和这时刻间隔,例如z42＝z41(上一时刻min)+6/60(发车间隔min)，设定配车数量和编号(一)、(二)，…等。以线路长度2km,车速为15km/h为例，主对角线上为按照发车间隔配置的车辆编号，当车辆返回首站时刻小于下一次发车时刻就可投入到下一个发车对列中，从而得到单位小时用的车辆数；主对角线上方三角形区域的数据为车辆按照发车间隔时间和运行速度下一次到达发车首站的时刻；横向为每个线路长度下全天运营时间的调度发车时刻和配车编号以及每辆车实际运行的圈数的关系。

如图5所示，图中每行对应线路长度，每列给出北京四季车辆运营中空调和车内照明等不同用电结构下行驶用电量不同，每km用电系数也不同情况下，纯电动公交车适合的线路长度测算，其中情景1为前述的基本测算关系，情景2到情景4为用电结构中行驶用电量逐渐减少情况下，纯电动公交车适应的线路长度，其中情景4为冬天暖风空调和低温低速行驶状况下的车辆适合线路长度测算关系。

如图6所示，图中展示出北京怀柔示范运行的具体车辆示范运行实际测试数据，对上述理论分析的参数确定和取值范围是理论方法和测算结果相一致性的一个补充说明。可以看到在使用本优化方法后，电动公交车的利用率大多数都在95％以上，只有一辆电动公交车为88％。因此，本优化方法能够大幅提高电动公交车的利用率。

实施例三

如图7所示，快充客车的划分依据，是以充电倍率大小来划分的。充电倍率小于3c的属于非快充类纯电动客车，而充电倍率高于(含)3c则属于快充类纯电动客车类。从这表里还可以看出，政策层面提倡快充类纯电动客车技术水平是15c以上。

1)“c”的基本含义：c是一个导出单位，即是一个相对单位。是以车载动力电池额定容量对照电流大小的一种表示方法。比如车载动力电池额定容量600毫安时(0.6安时)，相对这台车而言，1c电流就是600毫安(0.6安)。如果车载动力电池额定容量不同，这个c对应电流的大小也是不一样的。1c永远对应的是某一台车载动力电池的额定容量。

2)“c”的基本用途：实际充电是针对某一台、具体车而言的。

①用1c电流充电，即用这个车的额度电池容量大小相同电流进行充电；

②如果用0.1c电流充电，即用这个车的额度电池容量的0.1大小电流进行充电；

③如果用10c电流充电，即用这个车的额度电池容量的10倍大小电流进行充电。

3)“c”的对用户的意义。车是用户的，用户车上电池容量是已经固定了的。

①如果用1c电流充电，其时间为1个小时(即60分钟)；

②如果用0.33c电流充电，其时间为3.03小时(即182分钟)；

③如果用6c电流充电，其时间为1/6小时(即10分钟)。

结论是：纯电动汽车电能补充时间能与传统燃油时间在同一水平上，是我们大家共同追求的。这次文件里提出了15c充电倍率的慨念，即4分种时间可充到额度容量。

为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

可能以许多方式来实现本发明的方法、装置和系统。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本发明的方法和系统。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本发明的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本发明实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本发明的方法的机器可读指令。因而，本发明还覆盖存储用于执行根据本发明的方法的程序的记录介质。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。