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本论文提出一种整合多模型框架，评估电动公交退役电池在储能场景中梯次利用潜力及经济环境效益的方法，以温州为例，预测至2035年退役电池年容量达1.9GWh，应用后可降低城市居民用电碳排放10%，创造年经济收益超6000万元，提升城市能源韧性。
徐文珠|郭文通|高坤|杨成成|尚冠一丹|尹谢行|姚文斌|金胜
中国浙江省杭州市浙江大学土木工程学院智能交通系统研究所，邮编310058
摘要
电动公交车的快速部署对电网稳定性和可持续电池回收带来了双重压力。通过梯级利用退役电池的剩余容量，为实现循环经济和碳中和提供了一条战略路径。本研究提出了一个综合多模型框架，结合了车辆行为模拟、电池退化建模、退役流程预测和效益分析，以评估在储能场景中部署二手电动公交车电池（EBSLBs）的潜力及其经济和环境效益。以中国温州为例的研究表明，到2035年每年将有超过1.9 GWh的EBSLBs容量可供使用。利用这些储能资源储存被削减的可再生能源并管理高峰电力负荷，可以将城市居民电力消耗的人均碳排放量减少10%，并产生超过6亿元人民币的年度经济效益，从而增强城市能源韧性并支持低碳发展。
引言
全球气候变化加剧了对低碳交通的需求，加快了交通领域的电气化进程，以减轻环境压力。作为城市公共交通电气化的支柱，电动公交车已成为全球低碳出行战略的重要组成部分，许多国家正在积极推广其大规模应用（Dong等人，2024年；Tu等人，2024年）。在美国和欧盟等地区，已经引入了补贴计划和严格的排放法规，以加速向可持续交通的转变。包括印度、韩国和德国在内的新兴市场也因有利政策激励而在电动公交车领域实现了强劲增长。全球范围内，中国处于电动公交车采用的最前沿，这得益于其健全的政策和成熟的制造供应链。到2024年，全球电动公交车车队数量达到约73万辆，其中中国就有65万辆，占全球市场的约90%（国际能源署，2024年）。
虽然电动公交车的快速部署推动了能源转型（Pei等人，2024年），但也带来了新的挑战。高峰时段的大规模同时充电给电网带来了巨大压力，可能影响其稳定性和可靠性（Neigum和Wang，2024年）。此外，电动公交车的广泛采用预计将产生大量退役电池，加剧了对资源效率低下和环境影响的担忧（Z. Li等人，2024年）。在这种背景下，有效管理退役电池对于促进资源循环利用和减轻生态风险至关重要。梯级利用是指对退役电池进行系统测试、翻新和重新包装，以便在其他领域进行二次应用，这是一种可持续的解决方案，因为电池在退役后通常仍保留70%-80%的容量，适用于微型电动汽车（EVs）、电信基站和储能系统（ESSs）等二次应用（Lai等人，2021年；Ma等人，2024年）。将退役电池整合到电网级储能中不仅延长了它们的使用寿命，还提供了一种成本效益高的方式来平衡电网负荷并改善需求侧管理。尽管人们对电池二次应用越来越感兴趣，但现有研究主要集中在私人电动汽车上，这些车辆的使用模式受用户多样性和相对较低的负载循环影响较大（Wang和Liu，2025年；Zhang等人，2024a）。尽管电动公交车实际上是电动汽车的一个子集，但它们的电池在运行条件上存在根本差异，包括高负载循环服务、固定路线运行、频繁充电以及车队级别的同步部署和退役。重要的是，电动公交车的退役通常是批量且集中管理的，受政策要求、采购周期和车队更新策略驱动，而不是分散的个别退役（Pei等人，2024年；Tepe等人，2023年；Zhou等人，2024年）。这些特点导致了不同的退化结果、退役动态和二次应用供应情况，这些情况无法通过传统的基于电动汽车的评估框架得到充分反映。此外，大多数先前的研究仅关注单一方面的分析（如电池寿命预测（Severson等人，2019年；Timilsina等人，2023年）、二次应用场景分析或效益评估（Al-Alawi等人，2022年；Rufino Júnior等人，2023年），或者依赖于关于电池老化和可用性的简化假设（Al-Wreikat等人，2022年；Michelini等人，2023年），因此缺乏一个将实际运营、退化、退役流程和二次应用联系起来的车队规模框架。为了解决这些不足，本研究旨在开发一个综合框架，以量化电动公交车电池在现实运行条件下的寿命，并随后评估城市规模上退役电动公交车电池的二次应用潜力、经济和环境效益。所提出的综合模型有机地连接了电动公交车行为模拟、电池退化估算、退役电池流动预测和退役电池储能系统（RB-ESSs）的效益评估，从而实现了从车辆服务到二次应用的连续定量分析，避免了不同阶段模型边界不一致造成的碎片化问题。研究结果为公共交通运营商和政策制定者提供了定量支持和案例分析，以优化电动公交车运营调度策略和退役电池资源分配。本研究的技术路线图如图1所示。
本研究的主要贡献如下：
•本研究提出了一个综合建模框架，用于量化EBSLBs的梯级利用效益，该框架整合了四个相互关联的子模型，包括车辆运营模拟、电池退化建模、退役电池流动预测和二次应用效益评估。通过将电池服务阶段、退役决定和二次应用阶段有机联系起来，该综合框架实现了从首次使用到二次应用的连续量化，有效消除了由于模型边界不匹配导致的评估不一致性问题。
•本研究开发了一种新的电池寿命预测方法，该方法在现实运行条件下进行预测，提高了预测准确性和物理可解释性。基于电动公交车的实际运行数据和环境温度，采用高保真FASTSim模型来重建充电-放电曲线和SoC演变，从而在复杂运行条件下捕捉电池老化特性。
•本研究创新性地进行了城市规模的梯级利用潜力及其相关效益的系统评估。通过将电动公交车部署轨迹与动态政策情景和市场机制相结合，该研究量化了有效的储能供应及其时间特性，并建立了经济和环境决策指标，为优化城市退役电池资源分配和政策设计提供了实证支持。
本文的其余部分安排如下：第2节回顾了关于电池寿命预测和退役电池梯级利用的现有文献。第3节介绍了所提出综合模型的开发和组成部分。第4节使用温州的电动公交车车队作为案例研究，评估了EBSLBs在储能应用中的再利用潜力和相关效益。第5节讨论了相关政策影响，并概述了当前模型的局限性。最后，第6节总结了研究的关键结论。
章节片段
文献综述
评估退役电池的梯级利用潜力需要精确预测电池寿命和剩余容量。这一评估过程涉及电池生命周期的两个关键阶段：（i）车辆服务期间的性能退化特性（确定退役时间）和（ii）退役后的应用场景分析（定义利用价值）。针对这些核心问题，现有的国内外研究主要集中在
模型概述
本研究开发了一个综合模型，结合了电池退化、未来电动公交车车队部署和市场参与度，以量化EBSLBs的可用容量及其在短期储能中的潜力，同时系统地评估了它们在二次应用场景中的循环经济潜力和经济效益（见图2）。电动公交车行为模拟系统整合了GPS轨迹数据与车辆和电池信息，生成高分辨率的SoC序列
电动公交车的典型工作条件
我们收集了中国温州市三个典型站点的260辆电动公交车的GPS轨迹数据，以预测2025年至2035年的储能潜力。通过K均值聚类分析，将电动公交车初步分为五个驾驶强度等级，涵盖了从高密度短距离城市路线到长距离郊区快车的各种运营场景（见图3（a）。
讨论
电动公交车车队的快速扩张对电网稳定性和退役电池资源的有效利用提出了双重挑战。为了解决这些问题，本研究提出了一种将EBSLBs整合到储能系统（ESSs）中的新策略，旨在减轻高峰负荷并增强可再生能源的电网整合。因此，我们开发了一个综合框架，包括车辆运营特性分析、电池退化建模、退役电池存储供应预测等
结论
本研究通过提出基于区域能源需求的储能解决方案，解决了与大规模电动公交车车队部署相关的资源利用挑战。以温州电动公交车车队为例，开发了一个多维度评估模型，定量评估了2025年至2035年EBSLBs的梯级利用潜力及其相关效益。该综合框架通过提供全面的、连续的评估，促进了EBSLBs的评估
作者声明
我们声明本手稿是原创的，之前未发表过，也没有在其他地方被考虑发表。
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CRediT作者贡献声明
徐文珠：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、验证、方法论、形式分析、数据整理、概念化。郭文通：方法论、数据整理。高坤：撰写 – 审稿与编辑、概念化。杨成成：撰写 – 初稿、数据整理。尚冠一丹：撰写 – 审稿与编辑。尹谢行：撰写 – 审稿与编辑。姚文斌：撰写 – 审稿与编辑。金胜：撰写 – 审稿与编辑、监督
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：72361137006）、杭州市农业和社会发展项目（项目编号：20241203A21）以及浙江省自然科学基金（资助编号：LR23E080002）的支持。
