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Subjects:
Transportation Science & Technology
目标是最小化所有 BEB 的总充电成本。考虑峰谷电价和随时间变化的充电功率两个重要因素来描述真实的充电情况。
- charging scheduling
- battery electric bus
- peak and valley electricity price
一、简介
近几十年来，纯电动公交车（BEB）的应用在全球许多城市迅速发展。BEB 在减少碳排放方面发挥着积极作用。受益于其环保特性，许多政府都实施了相关补贴政策来促进公共交通系统的电气化[ 1,2,3 ]。国内一些大城市已率先推广应用BEB。以深圳为例，截至2017年底，城市交通网络中公交车占比已达100%。郑州也已全面用新能源客车替代燃油客车，到2020年底，纯电动客车占比达到40%[ 4]]。许多国际城市，例如伦敦、芝加哥和华盛顿，多年前也在其城市交通系统中使用了 BEB [ 5 ]。
尽管BEB在能耗和环保方面具有显着优点，但电池技术限制带来的里程焦虑是BEB推广的严重障碍[ 6 ]。与燃油公交车相比，电动汽车的充电时间通常较长，削弱了其运营管理的灵活性[ 7 , 8 ]。BEB主要采用夜间集中充电的方式补充电能。由于充电时间较长且充电桩资源有限，夜间充电可能无法满足所有BEB白天运营的能源需求[ 9]。因此，一些BEB需要在白天返回充电站进行短时间充电。在夜间和白天充电中，峰谷电价和电网功率限制对 BEB 充电时间表和成本具有至关重要的影响。合理的白天和夜间联合充电时间表有助于减少高峰时段的充电活动[ 10 , 11 ]。这将以较低的成本满足公交系统的电力需求，并提高充电桩的利用率[ 12 ]。
2、纯电动汽车充电调度
近年来，学者们在纯电动汽车（BEV）领域开展了各种研究，如BEV能耗分析[ 13,14 ] 、 BEV充电站的就座问题[ 15,16,17 ]以及优化BEB充电调度[ 18 ]。安等人。(2011)[ 19 ]针对接入智能电网的纯电动汽车开发了一种最优的分散充电控制算法，利用充电中断灵活的特点来减轻电网的电力负荷。桑德斯特罗姆等人。(2012) [ 20]探索了考虑电网功率约束的纯电动汽车灵活充电策略，结合电压和功率对电网的影响，提出了纯电动汽车充电调度新方法。该策略缓解了分销网络的拥堵，同时满足纯电动汽车不断变化的需求。弗拉斯等人。(2014) [ 21]指出，大型纯电动汽车的充电需求可能会大幅增加电网的电力负荷，适当的协调充电策略可以有效降低高电力需求对电网的影响。BEV调度与BEB调度虽然有很多相似之处，但在运营管理上却存在根本区别：（1）前者行驶路线不规则，充电地点灵活，而后者行程固定、充电站固定；(2)前者根据纯电动汽车的不同出发地和目的地进行充电决策，而纯电动汽车则按照固定的行驶路线进行充电时间表决策。因此，与纯电动汽车相比，电动汽车的充电调度约束更强，充电需求同质化程度更高。
3、BEB充电站选址优化
BEB充电站选址优化对BEB日常充电时间表影响较大。关于公交网络充电站选址和基础设施规划的研究有很多[ 22,23,24 ]。西利亚等人。(2017) [ 25 ] 开发了斯德哥尔摩公交网络的优化模型，以确保充电基础设施的可用性和效率。魏等人。(2018)[ 26 ]从时空特性的角度优化BEB系统的部署，最小化BEB采购和充电站配置的总成本。林等人。(2019) [ 27]研究了与大型BEB充电站相关的规划问题，考虑了多级网络和电网功率限制；目标是最大限度地减少总建筑成本。An（2020）[ 28 ]采用了不确定需求下BEB的基础设施优化，并考虑了电池容量、天气因素和道路交通条件对优化方案的影响。王等人。(2022)[ 29 ]提出了BEB充电桩配置和车队调度的组合优化模型，旨在确定BEB的最佳电池容量和车队规模。费罗等人。(2023) [ 30] 研究了与 BEB 充电站位置和容量相关的联合优化问题，目标是最小化总运营成本。上述关于BEB充电基础设施规划和部署的研究主要侧重于战略层面的决策。研究结果可为城市BEB基础设施建设提供有益参考。
4. BEB充电调度
在BEB的日常运行中，电能补充有三种基本类型：夜间集中充电、白天机会充电和电池交换[ 31 , 32 ]。夜间集中充电是指夜间非营业时间充电站进行BEB充电活动。通过电池更换，BEB 可以在几分钟内在电池更换站将低电量电池更换为充满电的电池。机会充电通常发生在 BEB 两次出行之间的白天；与夜间充电相比，它通常需要更短的时间，但充电成本更高。
一些作者考虑了与夜间集中充电相关的调度问题。胡巴迪等人。(2019)[ 33 ]提出了夜间充电时间表，该时间表考虑了电池退化成本对充电方案的影响。郑等人。(2022a)[ 34 ]在考虑峰谷电价和电池退化成本的情况下，制定了一套针对BEB夜间集中充电的最佳充电方案。建议的时间表有效地减少了高峰时段的充电活动并节省了充电成本。在他们的研究中，作者既没有考虑充电桩随时间变化的功率，也没有考虑白天充电。郑等人。(2022b) [ 35] 考虑夜间集中充电调度问题中BEB充电时间的不确定性；他们的目标是尽量减少预期的总充电成本。他们证明了问题的 NP 难度，并开发了一种基于场景简化的增强样本平均近似（eSAA）方法以及改进的遗传算法来解决大规模实例。作者关注的是隔夜充电，没有考虑机会充电和峰谷电价的影响。贾希克等人。(2019)[ 36 ]优化BEB集中充电时间表，平衡白天高峰时段的高电费和负荷高峰约束。
一些研究重点关注 BEB 的机会收费。阿卜杜勒瓦赫德等人。(2020)[ 32 ]研究了BEB的机会充电调度，并开发了两种基于离散时间和离散事件的优化框架。作者假设所有 BEB 最初都已充满电，并且所有充电桩的功率保持恒定。这项工作没有考虑电网功率限制对充电时间表的影响。他等人。(2020)[ 37 ]考虑了电力需求成本对机会充电计划的影响，提出了优化BEB充电计划的网络建模框架。卡塞拉等人。(2021) [ 38]提出了电网负荷约束下基于公交需求响应计划的最优BEB充电方案。他们没有考虑峰谷电价和充电时间表可变充电功率的影响。张等人。(2021)[ 39 ]研究了考虑电池损耗成本和非线性充电的BEB机会充电调度问题。该问题被描述为非线性规划模型，并通过分支定界算法求解。作者假设 BEB 一旦充电，就必须充电到其初始充电状态。刘等人。(2021) [ 12]考虑了充电桩实时电量考虑的BEB充电调度问题，提出了列生成算法来解决该问题。他们假设所有 BEB 都有固定的充电时间；然而，BEB 在现实世界中可能需要不同的充电时间，具体取决于其剩余电量。
关于电池更换主题的结果很少。李等人。(2014)[ 40 ]提出了电池交换模式下的BEB计划，其目标是最小化总运营成本。Chen和Song（2018）[ 41 ]比较了两种充电方法：机会充电和电池交换。对比结果表明，换电技术可以缓解高峰用电，但需要更多的固定资产投资，例如购买更多电池。安等人。(2019)[ 42 ]通过在当地电动公交系统中嵌入换电技术，平衡了高峰时段用电造成的高额电费。
对于与白天和夜间联合充电调度相关的问题，文献中的结果很少。阿卜杜勒瓦赫德等人。（2020）[ 32 ]和刘等人。(2021) [ 12] 是采用一日决策周期的两篇相关作品。然而，他们都假设所有BEB在夜间都充满电；也就是说，他们的模型中不涉及隔夜充电调度问题。在这项工作中，我们研究了BEB的白天和夜间联合充电调度，即一个充电调度的时间范围涵盖一整天。我们考虑充电桩峰谷电价和时变功率两个关键因素对充电时间表的影响。我们的目标是提供一个总充电成本最小的充电时间表，确定每个充电桩的实时功率，并在电网功率约束下减少高峰时段的充电活动。
This entry is adapted from the peer-reviewed paper 10.3390/su151310728
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