SSB蓄电池优化电动汽车共享系统运营与电池管理：整合V2G、B2G与换电策略

2026-04-09 20:19:37

共享电动汽车（SEVs）已成为促进城市可持续交通发展的潜在解决方案。然而，确保SEV系统高效运行及电池有效管理仍是一项复杂挑战。为解决这一问题，本文提出一个集成优化框架，该框架同时考虑车网互动（V2G）、电池入网（B2G）、插充模式与换电模式。所提方法基于时空能源网络模型，同步优化电池充放电调度与SEV运营（包括车辆调配和电池更换）。目标是在满足运营约束和应对SEV系统能源管理复杂性的前提下实现利润最大化。针对大规模问题的高度复杂性，本文提出了一种基于列生成技术的启发式算法。此外，本研究采用滚动时域方法以实现动态运营条件下的实时决策。通过大量实验评估了关键参数的影响，包括滚动时域设置、充电速率、车队规模以及备用电池数量。同时对比分析了不同能源管理策略的效能，方案涵盖单一插电充电模式及其与电池更换、车联网（V2G）、电池回馈电网（B2G）等技术的组合应用。数值结果表明，在分时租赁需求较低的场景下，单一插电充电模式具有显著成本优势。当共享电动车队规模受限、充电速率较低或分时租赁需求高涨时，电池更换作为辅助充电方式尤其有效。本研究为共享电动出行系统中车辆运营与能源管理的协同优化提供了理论依据。

引言

汽车共享服务作为一种车辆租赁形式，为市民提供了无需承担所有权负担的用车机会。从车辆预订到取车、归还及结算的整个流程，通常通过用户友好的移动应用程序完成。这一模式不仅使用户免于承担与车辆所有权相关的财务负担（如保险费与停车费支出），还提供了灵活性与便利性，从而推动其快速发展（Mounce and Nelson, 2019）。因此，汽车共享极有潜力成为未来首选出行模式之一。
近年来，由于环境危机持续恶化，减少温室气体排放的紧迫性日益加剧。电动汽车（EVs）被普遍认为是降低交通运输领域化石燃料消耗、排放及能源成本的有效途径（Rupp等，2019）。实证研究表明，电动汽车的推广应用与适宜的充电策略相结合，可使温室气体排放减少3.6%-32%（Van Fan等，2022；Albrechtowicz，2023）。此外，电动汽车的燃料费转化效率可达约64%，显著优于传统内燃机车辆20%-30%的效率水平（Albrechtowicz，2023）。这些综合优势促使全球各国政府实施针对性政策以加速电动汽车的普及。
电动汽车共享与电动出行的结合已形成共生融合。共享电动汽车(SEVs)将汽车共享固有的便捷性与可及性同电动汽车的生态效益相结合，这一整合标志着向创建更可持续、高效交通系统迈出了重要一步。众多汽车共享企业已对SEVs运营进行投资布局，例如中国的EVCARD和欧洲的Zity。然而，SEVs的发展仍面临电动汽车自身局限性所带来的挑战。里程焦虑与充电时长问题——尤其是使用廉价慢充方案时——构成SEVs运营中的主要障碍。
为提高运营效率，运营商必须优化能源补给流程，确保电动汽车（EV）能够及时完成充电。目前，电动汽车的充电方式主要有两种：换电模式与插电充电。由于成本效益与适应性优势，插电充电在实践中占据主导地位。然而该方法仍存在显著局限，即便采用快速充电技术，其充电时长仍然较长。相比之下，电池更换技术具有为车辆快速替换亏电电池与满电电池的显著优势，使其特别适用于长途出行或紧急情况。电池更换模式的出现彻底改变了电动汽车的能量补充时长，使其达到与传统燃油车快速加油相当的水平。这种高效性对于分时租赁等时间敏感性服务尤为关键。因此，电池更换技术正日益被视为插电充电的重要互补解决方案。此外，汽车共享平台本质上非常适合推动电池组标准化，因为它们可以在车队中强制执行统一的电池组要求。目前，Zbee和Gogoro等共享出行企业已开始提供换电服务。尽管存在这些进展，但正如我们将阐述的，在开发同时包含充电技术及其与共享电动汽车运营整合的综合模型方面，仍存在显著差距。
随着对电网依赖程度的持续加深，电网正承受日益增长的压力，尤其在用电高峰期。为应对峰荷需求带来的挑战，多国政府已实施需求侧管理政策，如分时电价机制——通过提高高峰时段电价来激励负荷转移。此外在此背景下，电动汽车（EV）亦能通过车网互动（V2G）技术为能源管理作出贡献。V2G是一种双向能量交换系统，可使电动汽车将储存的能量回馈至电网，并在需要时从电网获取能量。在电网用电高峰期间，电动汽车可向电网放电以缓解电力需求压力。除平衡供需外，V2G通过提升效率和运行可靠性，有助于增强电力系统的整体安全性（Sturmberg等，2024；Wenlong等，2026）。另一项创新是将电池直接双向连接至电网，称为电池到电网（B2G），其运行独立于电动汽车。V2G与B2G可带来多重效益，包括降低电动汽车车主成本、提升系统灵活性及电网稳定性（Noel等，2019；Liao等，2021）。
若共享电动汽车(SEV)配备车辆到电网(V2G)技术且其电池具备电池到电网(B2G)功能，则SEV与电池不仅能提升电网稳定性，还能为运营商创造额外收益。这种集成模式催生了一种新型应用场景：电动汽车与电池可同时参与汽车共享服务系统与电力传输系统。在此背景下，用户、SEV和电池三者形成的复杂耦合关系给运营商带来了巨大的运营挑战。若处理不当，这种复杂的交互作用可能导致系统效率降低、用户满意度下降及利润缩减。因此，在考虑这种错综互依关系的前提下，如何有效协调SEV与电池的调度策略显得至关重要。然而目前鲜有研究尝试解决这一现实问题。
汽车共享系统（尤其单程模式）中另一个广受认可的挑战是车辆失衡问题（Lu等，2021；Huang等，2018）。单程系统允许用户在不同地点取车与还车，这种灵活性虽然提升了便利性，但由于需求波动，常导致某些站点车辆短缺而其他站点车辆过剩。此类失衡现象会降低车辆利用率。针对这一挑战，车辆调度已成为业界公认的有效策略。该流程涉及将过剩车辆从库存量较高的站点调配至车辆短缺的站点，从而实现更均衡的车辆分布。为最大化系统效率，车辆调度应与充电操作进行协同优化。若缺乏协调优化，单纯的车辆调度可能无意间延误充电进程，进而影响整体系统效率。这种协同机制有望提高充电基础设施的利用率，并增加车辆可用性。
随着互联网技术的进步，SEV系统在数字平台上运行，用户可通过智能手机随时发起乘车请求。不同公司的预约方式存在差异，主要分为提前预约和即时预约两类。提前预约需设置截止时间（例如一天前），以便运营商获得充分信息进行决策。相比之下，即时预约允许用户在临近出发时刻提交请求，因而具备更高的灵活性。然而，这种灵活性也带来了优化挑战，因为新请求必须与正在进行的车辆及电池调度计划实时协同管理。运营者需动态决策应响应的新请求，并统筹分配SEV与电池活动，同时考量电网波动、交通状况导致的车辆行驶时间等外部因素。若缺乏有效的动态策略，即时预约系统可能无法高效应对时变需求。
为解决上述问题，本研究提出了一种时空-能量网络流模型，用于优化协调运营决策，包括共享电动汽车（SEV）充放电、车辆与电池的换电操作以及SEV调度。该框架整合了多种能量管理策略，涵盖插电充电、电池更换、车网互动（V2G）及电池回馈电网（B2G）。针对模型的计算复杂性，我们提出了一种基于列生成（CG-based）的启发式算法。为实现实时决策，采用了滚动时域优化框架。通过数值实验与敏感性分析，对所提模型及算法进行了验证。