一种基于电动公交充电换车的充电桩数量设置方法

1.本发明属于智能交通领域，涉及城市公交线路动态调度技术领域，更具体地说，涉及一种考虑电动公交充电换车策略的充电桩数量设置方法。


背景技术：

2.电动公交由于行驶里程的限制，需要中途充电，因此，需要为电动公交部署一定的充电基础设施。目前，电动公交主要分为三类，包括插电式充电站、电池交换站和无线充电车道，无线充电车道成本昂贵，在实际应用中受限，插电式充电站充电时间较长，而电池交换站的换电池过程可以缩短公交的充电时间，但目前也需要10min左右的换电时长，因此将进一步研究如何降低公交充电时间的充电策略。
3.因此，本发明提出一种基于电动公交充电换车的充电桩数量设置方法，对于需要充电的车辆，提出了一种换车策略，即车辆驶入充电桩后，无需排队就可进行充电，该充电桩充满电的“备用车”继续完成充电车辆的行驶任务，可减少充电车辆在站内停留时间，此外，本文研究基于公交充电换车策略，进一步确定了充电站内的最佳充电桩数量。如何安排车辆的充电调度计划，通过建立公交充电换车约束，确定充电桩最佳布设数量方案，是本专利重点解决的问题。
4.经过现有技术的文献检索发现，大部分文献通过插电式充电站、电池交换站和无线充电车道给电动公交充电，且大多研究关于关于充电站选址，对站内充电桩数量优化较少，目前没有针对充电换车策略的最佳充电桩布设的研究。


技术实现要素：

5.技术问题：针对现有研究的不足，本发明的目的是提供一种基于电动公交充电换车的充电桩数量设置方法，根据各站点需要充电的公交，通过合理得安排每个站点的充电调度计划，使得每个充电桩能够完成换车过程，以系统总成本最低为目标，确定充电桩最佳布设方案。
6.技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于电动公交充电换车的充电桩数量设置方法，包括如下步骤：步骤1：输入与电动公交充电需求相关的各项参数，包括各站点需要充电的公交数量，每辆公交在相应公交站驶入充电站的时刻，输入与充电站相关的各项参数，包括充电站备选位置、站内允许设置的最大充电桩个数、车辆充至满电时间长、乘客在充电站内的换乘时间、单位时间的充电桩接入成本、单位充电桩布设成本，输入电动公交驶入充电站的相关参数，包括充电站与产生充电需求的公交站之间的距离、电动公交的平均行驶速度；步骤2：根据各公交站需要充电的公交车数量，建立电动公交就近选择充电桩的约束，计算研究时段内与行驶时间相关的充电桩接入成本；步骤3：根据每辆车在相应公交站驶入充电站的时刻、与所选充电站间的行驶时间，计算每辆公交车辆到达充电站内相应充电桩的时间，通过比较同一充电桩先后紧邻到
达公交的时间间隔与车辆充至满电所需时间和乘客换车时间的大小，建立站内公交无需排队等待即可充电换车的约束，计算相应的充电桩布设成本；步骤4：根据各公交站需要充电公交的充电桩选择情况，以研究时段内与行驶时间相关的充电桩接入成本、充电桩布设成本的加权和最小为目标，确定充电站内最佳充电桩数量。
7.本发明中，步骤1包括如下步骤：输入与电动公交充电需求相关的各项参数，包括：用n表示所有站点需要充电的公交数量，则每辆需要充电的车辆可表示为n∈{1,2,
…
,n}；用表示车辆n驶入充电站的时刻，单位为min；输入与充电站相关的各项参数，包括：用p表示备选充电站集合，则每个充电站可表示为p，p∈p；用m
p
表示充电站p内允许设置的最大充电桩个数，则充电站站内每个充电桩可表示为m∈{1,2,
…
,m
p
}；用ts公交充至满电时长，单位为min，tr表示乘客在充电站内的换乘时间，单位为min；用c2单位时间的充电桩接入成本，单位为元/min，用c3表示单位充电桩布设成本，单位为元/个；输入电动公交驶入充电站的相关参数，包括：用l
n,p
表示初始时刻车辆n所在站点与充电站p之间的距离，单位为km；用v表示电动公交的平均行驶速度，单位为km/h；
8.本发明中，根据各公交站需要充电的公交车数量，建立电动公交就近选择充电桩的约束，计算研究时段内与行驶时间相关的充电桩接入成本，包括如下步骤：步骤21：根据各公交站需要充电的公交车数量，建立电动公交就近选择充电桩的约束，如公式(1)所示：公式(2)中，y
n,p,m
为二元变量，y
n,p,m
＝1表示车辆n选择充电站p内的第m个充电桩充电，反之则不选择，v
p,m
为二元变量，v
p,m
＝1表示充电站p内的第m个充电桩需投人使用，反之则不投入使用；步骤22：计算与行驶时间相关的充电桩接入成本，如公式(2)所示：公式(2)中，l
n,p
表示初始时刻车辆n所在站点与充电站p之间的距离，单位为km；用v表示电动公交的平均行驶速度，单位为km/h；c2表示单位时间的充电桩接入成本，单位为元/min；cb表示考虑电动公交行驶时间的充电桩总接入成本，单位为元；
9.本发明中，根据每辆车在相应公交站驶入充电站的时刻、与所选充电站间的行驶时间，计算每辆公交车辆到达充电站内相应充电桩的时间，通过比较同一充电桩先后紧邻到达公交的时间间隔与车辆充至满电所需时间和乘客换车时间的大小，建立站内公交无需排队等待即可充电换车的约束，计算相应的充电桩布设成本，包括如下步骤：步骤31：根据车辆n在相应公交站驶入充电站的时刻单位为min，车辆n与所选充电站p间的行驶时间t
n,p
，单位为min，计算车辆n到达充电站p内相应充电桩m的时间t
n,p,m
，单位为min，如公式(3)所示：步骤32：通过比较同一充电桩先后紧邻到达公交的时间间隔与车辆充至满电所需时间的大小，建立站内公交无需排队等待即可充电换车的约束，如公式(4)-(5)所示：
公式(4)-(5)中，t
n',p,m
表示车辆n'到达充电站p内相应充电桩m的时间；y
n',p,m
＝1表示车辆n'选择充电站p内相应充电桩m充电，反之则不选择；x
n,n',p,m
为二元变量；m表示一个非常大的正数；ts表示公交充至满电时长，单位为min，tr表示乘客在充电站内的换乘时间，单位为min；步骤33：对公交驶入充电桩及研究时间范围t内每个充电桩的最大充电次数做出约束，如公式(6)-(9)所示：p
max
＝ceil(t/(ts tr))
ꢀꢀꢀꢀ
(7)(7)公式(9)-(10)中，p
max
表示每个充电桩的最大充电次数，t表示研究时间范围，单位为min；步骤34：计算相应的充电桩布设成本，如公式(10)所示：在公式(10)中，c3表示单位充电桩布设成本，单位为元/个；cc表示充电桩布设总成本，单位为元；
10.本发明中，步骤4包括如下步骤：步骤4：以研究时段内与行驶时间相关的充电桩接入成本、充电桩布设成本的加权和最小为目标，确定充电站内最佳充电桩数量，目标函数如公式(11)所示：minimize c＝cb ccꢀꢀꢀꢀ
(11)在公式(11)中，c表示该模型的总成本，单位为元。
11.本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明方法针对城市公交线路充电桩布设问题，提出了电动公交充电换车策略，根据每辆车充电桩选择情况，计算获取充电桩最佳布设方案，本发明提出的充电换车策略，可使公交无需排队即可充电，与充满电的“备用车”进行换车，使公交行驶任务的延误尽可能降低，此外，还获得了充电站内最佳充电桩布设数量。
附图说明
12.图1为本发明的总体流程图；
13.图2为充电车辆所在公交站点示意图；
14.图3为各充电站示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图1-3和实施例，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明的实施方式并不受所述示例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
16.实施例1以边长为25km构造一个正方形，产生充电需求的四个公交站点分别位于正方形四个顶点上，如附图2所示，四个公交站点分别为a、b、c、d，分别需要充电的车辆数为3、2、2、3，需要充电的总车辆数n＝10辆，所有充电站内采用快充模式，车辆充至满电时长为ts＝15min，乘客在充电站内的换乘时间tr＝5min；充电站共5个，分别为p1、p2、p3、p4、p5，如附图3所示；每个充电站允许设置的最大充电桩数量m
p
＝15，电动公交的平均行驶速度为v＝20km/h，初始时刻车辆n所在站点与充电站p之间的距离l
n,p
，如表1所示，车辆n驶入充电站的时刻如表2所示，单位时间的充电桩接入成本c2＝100元/min，单位充电桩布设成本c3＝10000元/个。表1：各公交站点充电车辆与各备选充电站的距离表1：各公交站点充电车辆与各备选充电站的距离表2：车辆开始驶往充电站的时间
17.实施例2根据步骤2、步骤3、步骤4式(1)-(10)和目标函数公式(11)，计算得到实施例1的最佳充电站桩布设方案，同时，获得了各公交站点需要充电车辆的充电桩选择方案、被选充电桩各充电公交的到达时刻，结果如表3所示。表3：最佳充电站桩布设方案应用本发明方法，目标函数c的值为60500元。