电动公交充电系统成本分析方法、系统、装置及介质与流程

技术特征：
1.一种电动公交充电系统成本分析方法，其特征在于，包括以下步骤：定义电动公交充电系统的生命周期成本，所述生命周期成本包括初始投资、未来额外投资和和年度经常性投资；定义初始投资包括充电设施的初始建设成本、初始公交车辆购置成本和初始电池采购成本，确定三种充电模式的初始投资；定义年度经常性投资包括运营成本和温室气体排放成本，确定三种充电模式的年度经常性投资；定义未来额外投资包括技术更换成本，确定三种充电模式的未来额外投资；设计三种充电模式下电动公交系统的运行模式，并计算三种充电模式对应的生命周期成本；其中，三种充电模式为静态充电站模式、电池更换站模式和动态无线充电车道模式。2.根据权利要求1所述的一种电动公交充电系统成本分析方法，其特征在于，所述生命周期成本的公式表达式如下：f
lcc
＝f
cap
f
op
f
ghg
f
rep
其中，f
lcc
为生命周期成本，f
cap
是初始投资，f
op
是运营成本，f
ghg
表示温室气体排放成本，f
rep
表示技术更换成本。3.根据权利要求2所述的一种电动公交充电系统成本分析方法，其特征在于，所述初始投资的公式表达式如下：f
cap
＝f
co
f
ba
f
bus
其中，f
co
表示初始建设成本，f
bus
表示初始公交车辆购置成本，f
ba
表示初始电池采购成本；三种充电模式下初始建设成本f
co
的计算方式如下：在静态充电站模式scs下，初始建设成本f
co
包括建设终端充电站的成本和建设机会充电站的成本，表达式如下：式中，x
i
表示是否选择构建公交车站i为机会充电站；c
end
为建设终端充电站的成本，c
c，o
为机会充电站的单位建设成本；在电池更换站模式bss下，初始建设成本f
co
是建设交换充电站的固定成本c
c，s
；在动态无线充电车道模式dwcl下，初始建设成本f
co
包括终端充电站的成本和充电车道的建设成本；所述充电车道的建设成本包括每个网段的建设成本和部署地下馈线和铺设路面的建设成本；初始建设成本f
co
的表达式如下：式中，c
end
为建设终端充电站的成本，z
i
为是否选择公交车站i与公交车站i 1之间的路线设置充电车道，c
c，t
和c
c，l
分别表示每个网段的建设成本和每公里充电车道的建设成本，d
i
表示公交车站i和公交车站i 1之间的充电车道长度。4.根据权利要求3所述的一种电动公交充电系统成本分析方法，其特征在于，三种充电
模式的初始建设成本的表达式如下：三种充电模式的电池采购成本的表达式如下：式中，c
ba
为电池价格，e为电池容量，n
ba
为电池数量，在静态充电站模式scs和动态无线充电车道模式dwcl模式下，电池数量与公交车队中的公交车数量q相同；初始公交车辆购置成本的表达式如下：f
bus
＝c
bus
q式中，c
bus
是公交车的单价。5.根据权利要求4所述的一种电动公交充电系统成本分析方法，其特征在于，所述运营成本包括电力消耗成本和维护成本，所述运营成本的表达式如下：式中，f
energy，j
为电力消耗成本，f
maintenance，j
是维护成本，j表示年份；d
rate
表示折扣率；三种充电模式下电力消耗成本的表达式如下：上式中，对于静态充电站模式scs，能耗包括终端充电功耗和机会充电功耗两部分；年能源成本是完成单个线路消耗的能源乘以全年服务的总线路次数的结果，用ftn
day
表示；在终端站充电过程中，所用电量为soc
max-soc
i
乘以能效α
end
和终端站的单位电费c
p，end
；机会充电站的能源成本可以从充电时间t
c，o
和相应的充电功率p
c，o
得到；α
c，o
和c
p，o
分别表示机会充电站的充电效率和单位电费；对于电池更换站模式bss，令y
k
表示在线路k是否更换电池；第j年消耗的能量是k次线路消耗的能量乘以公交车队规模和一年的总运营天数的总和；对于动态无线充电车道模式dwcl，电力消耗成本包括两部分：终端站消耗和充电通道的成本；终端站消耗为：所用电量为soc
max-soc
i
乘以能效α
end
和终端站的单位电费c
p，end
；充电通道的成本是由充电通道消耗的所有电量的总和得出的：令变量z
i
和d
i
分别表示从公交站i到公交站i 1的路线是否构建为充电车道和充电车道的长度；维护成本包括公交车的维护成本和设施的维护成本，第j年的维护成本的表达式如下：
因为公交车的维护成本和设施的维护成本是恒定的，因此第j年的维护成本取决于车队中公交车数量q和电池数量n
ba
，以及充电模式；温室气体排放成本的货币价值的表达式如下：式中，c
β
是用于将排放转换为资本成本的货币标量，d
rate
是年折现率；f
ghg，facility
为温室气体排放量，f
ghg，e-bus
表示电动公交车产生的全生命周期温室气体排放成本。6.根据权利要求5所述的一种电动公交充电系统成本分析方法，其特征在于，所述技术更换成本f
rep
是为了计算生命周期运行过程中发生的资本成本；所述技术更换成本f
rep
包括电池更换成本和公交更换成本，技术更换成本f
rep
的公式表达式如下：达式如下：qτ
l
/τ
bus
为自然寿命；第j年电池的低健康状态eoh通过以式(22)计算，其中soh0＝100％；上式中，ξ
day
表示每日容量衰减率，n
day
表示每年运行的天数；电池的eol是一个恒定的阈值，范围为新电池容量的70％-80％；更换后的电池可随后用于静态应用；当第j年的soh达到阈值时，根据式(23)进行替换，并对替换过程施加约束；mω
j
soh
j
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)上式中，m表示一个大的给定数字，变量ω
j
表示电池是否在第j年更换；在式(24)中，设置了另一个约束，以确保不迟于电池的自然寿命更换电池，mω
j
j
calendar-j＞0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)上式中，j
calendar
表示电池根据其自然退化可以运行的最大年数；每日容量衰减率ξ
day
根据充电方式计算，如式(25)所示：上式中，ξ
scs，cycle
和ξ
dwcl.cycle
表示一个运行周期的退化，日退化通过将循环退化乘以频率f运行小时数t并除以车队规模q来获得；ξ
bss，day
表示bss模式的每日退化；对于静态充电站模式scs，式(26)显示了退化模型及其计算过程；每个充放电过程包括一个终端站充电时间、次机会充电次数和i次放电次数：
其中，其中，其中，上式中，e
d
表示每公里的能耗，l
i
表示站点i-1到站点i的距离，ah
i，d
表示放电期的最终电量，ah
i，c
表示一次机会充电活动的最终电量，ah
end
表示终端站充电的最终电量；对于电池更换站模式bss，每个充放电过程包括不超过一次的电池更换和i次放电；放电过程理想化为与充电过程对称；其中，上式中，ah
sc，k
表示线路k中的最终电量；对于动态无线充电车道模式dwcl，dwcl充电和放电过程的每个周期，包括一个终端站充电时间，采用式(32)计算：上式中，为在途无线充电次数，i为放电次数；充电和放电过程中的转移电量可以由(34)到(36)计算；由(34)到(36)计算；由(34)到(36)计算；
上式中，ah
i，d
表示放电期的最终电量，ah
i，cl
表示在途无线充电活动i的最终电量，ah
end
表示终端站充电的最终电量。7.根据权利要求6所述的一种电动公交充电系统成本分析方法，其特征在于，所述设计三种充电模式下电动公交系统的运行模式，并计算三种充电模式对应的生命周期成本，包括：静态充电站模式scs包括一个固定的终端充电站和一些部署在中间公交车站的机会充电站，公交车在终端站充满电，电池电量为：在服务期间发生放电，每公里单位功耗为e
d
，那么每公里soc减少量为e
d
/e，乘以距离l
i
；对于公交站i，到达的soc可以通过递归公式得到，如式(38)所示：如果选择公交车站x
i
，i∈i作为机会充电站，则二进制变量x
i
为1；如果有可用的充电设施，电动公交可以在停在i公交站时充电；充电时，soc从增加到电池在公交车站i处可以获得的电量可以通过将电功率p
c，o
乘以停止时间t
stop
再除以电池容量e计算得出；p
c，o
t
stop
x
i
/e包含两个变量x
i
和e，因此是非线性的；得到的递归公式如(39)所示：为确保电池soc始终高于下限soc
min
，将公式(40)设置为约束：终端站可提供soc增加量为f
c，end
t
end
/e，且公式(41)保证电动公交车在终端站充满电；此外，公式(42)可确保有足够的公交在运营时间内以服务频率f提供服务；这个优化问题有四个变量，x
i
是一个二进制变量，表示公交车站i是否被构建为机会充电站；对于公交车队规模，e表示初始电池容量，q表示公交车队规模，公式(43)-(46)描述了变量的可变域；x
i
∈{0，1}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(43)ω
j
∈{0，1}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(44)(44)求解静态充电站模式scs的最低成本f
lc
：对于电池更换站模式bss，表示电池在更换之前经历的循环次数；总循环次数k可以通过将频率f乘以运行小时数t并除以车队规模q来计算，然后，将一天的总循环数四舍五入为整数，如公式(48)所示：
根据总循环次数k，设置决策变量y
k
，y
k
是一个二元变量，表示电池是否在电路处交换；由于一天内的运行距离是一致的，因此可以通过引入一个新的决策变量n
k
来进一步简化交换的活动，该变量表示交换前电动公交经历的循环次数；y
k
从(49)中的n
k
获得的：公交在早上的第一次服务(线路k＝0)中处于满的soc(即电池电量soc
max
)，如下所示：对于单位循环，距离为耗电量为然后，可以得到soc减小对于循环k，到达soc(即)可以通过基于循环k-1减去e
d
l
i
/e的递归公式得到，如公式(51)所示：如果电路k涉及电池交换，y
k
＝1，即1-y
k
＝0，所以否则y
k
＝0，1-y
k
＝1，在这种情况下，递归公式适用；这个过程可以总结在公式(52)中；为确保电池soc始终高于下限soc
min
，将公式(53)设置为约束；如果电池soc高于soc
min
，还要保证电池能够提供足够的能量来完成这个行程线路；在这里，引入soc
safe
作为下限阈值，下限阈值始终使电动公交能够返回其出发站，如下所示：my
k
≤soc
safe-soc
k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(54)此外，公式(56)确保有足够的公交在公交系统中运行；在更换站，用完的电池更换为充满电的电池；更换的电池需要在更换站充电；这个充电过程需要的时间少于t
c，s
；然后，为了提供一致的服务，需要冗余电池，如公式(57)所示；这个优化问题有四个变量，这里，y
k
是一个二元变量，表示电池是否在线路处交换；e表示初始电池容量，q表示公交车队规模；有一个新变量n
ba
，它表示电池的数量；等式(58)-(60)描述了变量的可变域；y
k
∈{0，1}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(58)(58)求解电池更换站模式bss的最低成本f
lc
：动态无线充电车道模式dwcl包括一个固定的终端充电站，在任意一个公交车站i和公交车站i 1之间可以部署多条动态充电车道；公交车在终端站(编号为0)充满电，电池电量
为soc
max
；soc0＝soc
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(62)在服务期间发生放电，每公里单位功耗为e
c，l
，然后soc随着(l
i-d
i
)的增加而减小，对于从公交车站i-1到公交车站i的线路，到达的soc(即soc
i 1
)可以通过递归公式)可以通过递归公式计算，如(63)所示：为确保电池soc始终高于下限soc
min
，将(64)设置为约束soc
i
≥soc
min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(64)此外，公式(65)确保有足够数量的公交车在运营时间内维持服务频率f；为保证运营过程的顺利进行，我们首先计算了公交车的总运营时间，包括在途旅行时间∑
i
l
i
/v，公交站点上下车时间以及终端站充电时间；终端站可以为低soc电池提供充电并且(66)保证电动公交车在终端站充满电；约束(67)-(68)描述了可变域：z
i
∈{0，1}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(67)求解动态无线充电车道模式dwcl的最低成本f
lc
：8.一种电动公交充电系统成本分析系统，其特征在于，包括：成本定义模块，用于定义电动公交充电系统的生命周期成本，所述生命周期成本包括初始投资、未来额外投资和和年度经常性投资；初始投资计算模块，用于定义初始投资包括充电设施的初始建设成本、初始公交车辆购置成本和初始电池采购成本，确定三种充电模式的初始投资；运营成本计算模块，用于定义年度经常性投资包括运营成本和温室气体排放成本，确定三种充电模式的年度经常性投资；未来投资计算模块，用于定义未来额外投资包括技术更换成本，确定三种充电模式的未来额外投资；运行模式确定模块，用于设计三种充电模式下电动公交系统的运行模式，并计算三种充电模式对应的生命周期成本；其中，三种充电模式为静态充电站模式、电池更换站模式和动态无线充电车道模式。9.一种电动公交充电系统成本分析装置，其特征在于，包括：至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现权利要求1-7任一项所述方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如权利要求1-7任一项所述方法。

技术总结
本发明公开了一种电动公交充电系统成本分析方法、系统、装置及介质，其中方法包括：定义电动公交充电系统的生命周期成本，定义初始投资包括充电设施的初始建设成本、初始公交车辆购置成本和初始电池采购成本，确定三种充电模式的初始投资；定义年度经常性投资包括运营成本和温室气体排放成本，确定三种充电模式的年度经常性投资；定义未来额外投资包括技术更换成本，确定三种充电模式的未来额外投资；设计三种充电模式下电动公交系统的运行模式，并计算三种充电模式对应的生命周期成本。本发明通过从经济和环境方面定义生命周期成本，根据生命周期成本对三种充电模式进行分析，使评价结果贴合实际情况，可广泛应用于充电成本优化技术领域。技术领域。技术领域。


技术研发人员：裴明阳 林培群 黄鑫
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2021.10.18
技术公布日：2022/2/8