朱婕 張龍 王笑超

摘 要：電動汽車的普及有助于減輕環(huán)保的壓力.與常規(guī)的電動汽車相比，基于無線充電技術(shù)的電動汽車具有充電時(shí)間短、電池開銷小等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注.本文設(shè)計(jì)了一種面向無線充電的電動公交車優(yōu)化充電策略，提出了一種兩階段的無線充電電動巴士充電策略.綜合考慮電力價(jià)格在時(shí)域和空域兩維度上的波動性，最小化無線充電公交系統(tǒng)的總的開銷.最后，基于真實(shí)世界數(shù)據(jù)集“合肥快速公交系統(tǒng)”對本文提出的算法和策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證.

關(guān)鍵詞：無線充電；電動汽車；充電策略

中圖分類號：TM910.6；U469.72 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.015

0 引言

近年來，隨著溫室氣體排放、環(huán)境壓力的增大，電動汽車（Electric vehicle，EV）逐漸成為研究熱點(diǎn)[1].按照充電方式，電動汽車可以劃分為：常規(guī)電動汽車[2-4]（normal EVs），電池替換電動汽車[5]（battery swapping EVs，BSEV）和無線充電汽車[6]（wirelessly charging EVs，WCEV）.在常規(guī)EV中，車載電池容量要足夠大以完成一次完整的旅行，充電時(shí)間較長，汽車電池的開銷較大.在BSEV中，車輛可以在專業(yè)的充電站進(jìn)行更換電池，專業(yè)而昂貴的充電站縮小了BSEV的應(yīng)用范圍.在無線充電汽車系統(tǒng)中，充電設(shè)備安裝在路邊或路面，當(dāng)WCEV移動到附近或經(jīng)過充電設(shè)備時(shí)，電網(wǎng)對WCEV進(jìn)行充電.無線充電技術(shù)發(fā)展至今，已足夠保證安全、高效地為WCEV供電.與常規(guī)的EV相比，WCEV可以在路面給汽車充好電，其電池容量可以減小，在停車場的充電時(shí)間可以縮短，對電網(wǎng)的影響減小.與BSEV相比，WCEV的充放電策略設(shè)計(jì)可以更加靈活.

文獻(xiàn)[6-8]對無線充電公交系統(tǒng)的設(shè)備開銷進(jìn)行介紹，包括公交車站點(diǎn)的選取，公交車電池容量的大小等.然而，如何減少無線充電電動公交車（Wireless Charging Electric Bus，WCEB）系統(tǒng)的電力運(yùn)行開銷，依舊是一個公開的問題.與系統(tǒng)設(shè)備開銷只需要支付一次相比，WCEB系統(tǒng)需要每天都面對系統(tǒng)的運(yùn)行開銷.具體地，WCEB系統(tǒng)的運(yùn)行開銷與電力價(jià)格模型息息相關(guān).在智能電網(wǎng)中，階梯電價(jià)是現(xiàn)有流行的一種電價(jià)模型，其中電力價(jià)格包含兩部分：批發(fā)電價(jià)和零售電價(jià).在每一天開始的時(shí)候，電網(wǎng)根據(jù)歷史信息估計(jì)不同的應(yīng)用在不同時(shí)隙的預(yù)留電量；在剩余的24 h內(nèi)，當(dāng)用戶使用的電量低于預(yù)留電量時(shí)，其電力價(jià)格為批發(fā)電價(jià)，多余的電量需要返回給電網(wǎng)；反之，當(dāng)用戶所需電量大于預(yù)定值時(shí)，其多余的電量的價(jià)格是零售電價(jià)，遠(yuǎn)大于批發(fā)價(jià)格.至此，在階梯電價(jià)模型下，電網(wǎng)內(nèi)用戶優(yōu)化充放電策略顯得極有必要.

本文將對無線充電的公交系統(tǒng)的充放電策略進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).WCEB可以在每個公交車站或公交停車場通過無線充電技術(shù)獲得電力.在階梯電價(jià)模型下，充放電策略會直接影響到WCEB系統(tǒng)的運(yùn)行開銷.電價(jià)在時(shí)間和空間均存在變化.為了保證電力供需平衡，峰均比（Peak-to-Average Ratio，PAR）限制和電池容量的限制導(dǎo)致WCEB并不能在某一個特定的地方獲得大量的電量.此外，WCEB的充放電策略還與電池容量、初始荷電狀態(tài)（State of charge，SOC）以及電力需求有關(guān).當(dāng)電力價(jià)格較低、電池容量較大且電力需求旺盛的WCEB會獲得更多的充電，反之亦然[9].基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于無線充電的公交系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)，考慮時(shí)域和空域兩方面電力價(jià)格和電力需求的波動，構(gòu)造WCEB系統(tǒng)運(yùn)行開銷最小化問題；然后，基于預(yù)測的WCEB運(yùn)行速度和預(yù)留電量，給出了一種兩階段的最優(yōu)的WCEB充電策略；最后，基于真實(shí)世界數(shù)據(jù)集——合肥市包河區(qū)快速公交系統(tǒng)，對本文所提出的算法和策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，包含2個公交停車場和2*（M-2）個對稱的公交車站.無線充電設(shè)備安裝在公交車場和公交車站.由于電網(wǎng)的分布和公交車站的地理位置，將公交車站、停車場劃分為若干個小組，組內(nèi)電力價(jià)格是一致的.假定公交車站/停車場的編號為[m]，WCEB的編號為[n]，單程的公交車站/停車場的總個數(shù)為[M]，WCEB的總車輛數(shù)為[N]，[m∈1， 2， ???， M]. [ m=1]和[m=M]分別表示首尾的兩個停車場.定義[Gi]為屬于組[i]的車輛集合，停車場是一個獨(dú)立的小組.由于是公交系統(tǒng)的緣故，WCEB需要在預(yù)定的公交車上停留.假定車輛在每一個公交車站臺停留的時(shí)間是一致的，WCEB在任意公交車站獲得的電量是恒定的，為[Es].車輛與路邊接入點(diǎn)（Access Point，AP）之間存在雙向的車載組織網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Ad hoc NETwork，VANET）.車與車、車與路邊公交車站、車與中心控制器之間存在完整的通信網(wǎng)絡(luò).

3 實(shí)驗(yàn)分析

采用合肥BRT系統(tǒng)路線“B1”作為實(shí)驗(yàn)評估模型，對所提算法和優(yōu)化策略進(jìn)行分析.總的公交車站數(shù)為[M=26]，全程為[22.5km].BRT的數(shù)據(jù)來源于合肥市現(xiàn)代快速公交和可持續(xù)交通研究所[11].發(fā)車間隔[1qt=10min]，BRT的運(yùn)行時(shí)間是6：00 AM到11：00 PM.其中，7：00 AM到10：00 AM和5：00 PM到9：00 PM屬于高峰時(shí)段，平均速度[vl=17km/h]，路面能量損耗系數(shù)[ηm=1.2]；其余時(shí)段，平均速度為[vh=22km/h]，[ηm=1.0].公交停車場設(shè)定在首尾兩個公交車站，也被視為是兩個特別的組.存在雙向的VANET網(wǎng)絡(luò)，以確保中心控制器與組控制器、WCEB三者中間數(shù)據(jù)傳遞暢通.基于文獻(xiàn)[12]的電價(jià)模型和電力負(fù)載與電價(jià)之間的等價(jià)關(guān)系，本文給出了不同組在不同時(shí)隙的電價(jià)，如圖2所示.電力價(jià)格只是在時(shí)隙變化開始時(shí)發(fā)生變化，且在整個時(shí)隙保持不變.假定電價(jià)系數(shù)分別為[α1=1.2]，[α2=0.8].

WCEB采用鋰電池[13]，電池容量統(tǒng)一為[Ecn，max=200 kWh]，運(yùn)行電力損耗為[20 kWh/km].電池最低的存儲電量為[Ecn，min=20 kWh].當(dāng)WCEB在一個公交車站決定充電時(shí)，其可獲得的電量為[Es=60 kWh]；在停車場，其充電效率為[Ps=10 kWh/min].本文提出了一種兩階段算法，將其標(biāo)記為“Two-step optimal”.為了與之比較，采用一種常規(guī)的貪婪算法（Greedy），在該算法中，WCEB僅依據(jù)其自身的SOC決定是否充電.當(dāng)其SOC低于運(yùn)行電力需求時(shí)，WCEB開始充電直到充滿.

圖3表示在不同電池容量情況下不同SOC情況下的運(yùn)行開銷.由圖可見，本文所提的“Two-step optimal”算法中，隨著電池容量的增大，電力開銷會減小.隨著預(yù)存電量的增大，電力開銷依舊會下降.這是因?yàn)樵诮o出的系統(tǒng)模型中，WCEB首次離開停車場時(shí)充滿電.當(dāng)電池容量越大時(shí)，WCEB系統(tǒng)的運(yùn)行開銷減??；其次，當(dāng)電池容量越大，WCEB可以在電價(jià)較低時(shí)存儲更多的電量，所以運(yùn)行開銷減小.然而，當(dāng)電池容量達(dá)到一定程度時(shí)（[Ecn，max≥140 kWh]），本文所提算法保持平衡，這是因?yàn)閃CEB的充電受到3個因素的影響：電力價(jià)格、電池容量和組內(nèi)公交車站的數(shù)量，后者直接關(guān)系到在組內(nèi)的充電次數(shù).當(dāng)電池容量很大，且電力價(jià)格很低時(shí)，WCEB的充電還受到了充電次數(shù)的影響.當(dāng)WCEB經(jīng)過所有的公交車站且充滿電時(shí)，其電力開銷開始平穩(wěn)，不再增長.與之相對應(yīng)，在貪婪算法中，其電力開銷隨著電池容量的增大而波動.這是因?yàn)樵谪澙匪惴ㄖ?，其WCEB充電并沒有考慮電價(jià)的影響，只是在需要的時(shí)候?qū)⑵潆姵爻錆M即可，所以造成電力開銷波動.基于上述分析，本文所提策略是有效的，適合基于WCEB的公共交通系統(tǒng).

4 小結(jié)

基于無線充電汽車的特點(diǎn)——在路面行駛時(shí)充電，提出了一種適合于無線充電公交系統(tǒng)的充電優(yōu)化策略.WCEB公交車站的充電策略和在停車場的充電時(shí)間被聯(lián)合優(yōu)化，以最小化系統(tǒng)的運(yùn)行開銷.最后，基于合肥BRT模型，對所提充電策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評估，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性.

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