电动汽车公交系统的演变：模型、方法及未来方向的综述

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Evolution of electric bus systems: A review of models, methods, and future directions

　　黄笛|李峰|尹杰|周瑜|毕一鸣|王华|刘志远
中国南京东南大学交通学院

**摘要**
电动公交车（EBs）对于向低碳和环境可持续的城市交通系统转型至关重要。本文通过定性综合分析和文献计量分析，整合了与电动公交车相关的研究成果。文献计量分析追踪了该领域的发展轨迹，识别了具有影响力的国家和机构，并揭示了主要的主题集群。定性评审探讨了核心议题，包括电池性能与衰退、充电设施规划与共享充电策略、运营优化以及车对网（V2G）互动与实施考量。研究发现指出了一些持续存在的问题，如对电池老化的考虑不足、以利益相关者为导向的价值共享机制缺失，以及实际电力系统参与度较低，这表明需要制定更加健全且可实施的电动公交车规划与运营框架。本研究提供了综合性的视角，以支持方法论的发展和电动公交系统的实际应用。

**引言**
全球城市正面临减少交通系统碳排放的挑战，同时需确保出行服务保持经济实惠和可靠性（Zubair等，2024年）。城市公共交通，尤其是公交车服务，在日常乘客出行中发挥着重要作用，并直接影响交通拥堵和空气质量（Mahmoud等，2016年）。在此背景下，电动公交车成为降低公共交通领域温室气体排放的关键选择。过去十年中，电池技术、电力电子技术和充电设施的进步推动了全球电动公交车数量的增长。根据国际能源署的数据（2024年），全球电动公交车数量已超过63.5万辆，这反映了在政策支持下行业的持续扩张。除了减少尾气排放外，电动公交车还能降低噪音并促进更多可再生能源在交通中的使用（Avenali等，2024年）。

尽管电动公交车具有诸多优势，但其大规模部署并不仅仅是将柴油车替换为电池车那么简单（Chandra等，2024年）。电动公交系统的性能和可靠性取决于车辆、电池、充电设施、交通运营和电力系统之间的协调互动（Zhou等，2023年）。运营商必须确保每块电池的充电状态（SOC）在整个使用过程中始终处于安全和高效的范围内。这需要考虑多种因素，如线路变化、环境条件以及电池随时间老化的问题（Sesidhar等，2023年）。充电设施需要战略性地布局和设计，以确保公交车队能够获得充足且可靠的充电服务（Zhou等，2024年），同时避免过度成本和局部电网瓶颈（Yuan等，2024年）。此外，从运营角度来看，协调时刻表、车辆调度和充电计划对于解决续航限制、停留时间和电价问题至关重要（Bie等，2024年；Yang等，2015年）。这种协调对于维持服务可靠性和满足乘客需求至为关键（Bie等，2022年）。大规模部署电动公交车还会与配电网络产生新的互动关系。新兴概念如共享充电和车对网（V2G）运营使电动公交车能够成为电力系统灵活性服务的积极参与者，而不仅仅是被动的电力消费者（Ji等，2023年；Tian等，2025年）。

这些相互关联的问题引发了大量研究工作。过去十年间，研究重点从基本可行性评估转向了与电池行为、充电设施规划、运营调度和电网集成相关的更详细模型和算法。已提出了多种SOC估算方法，包括等效电路模型、电化学模型、数据驱动技术及混合方法，旨在提供稳健准确的实时估算（Wei等，2025年）。在规划方面，优化模型被用于确定充电站的位置、容量和配置，并设计电动公交车网络（Narasipuram和Mopidevi，2021年）。在需求、交通和电价不确定性条件下，开发了调度和充电策略，以最小化运营成本、能耗和排放（Dahiwale等，2024年）。同时，越来越多的研究探索共享充电方案和基于V2G的电动公交车车队，探讨这些车辆如何协助削峰、频率调节及可再生能源的整合（Lei等，2025年；Yu等，2022年）。

尽管已有不少综述论文整合了部分研究内容，但如表1所示，大多数综述的视角相对狭窄。现有调查通常聚焦于单一方面，如电池技术、状态估算、充电设施规划或电动公交车的电网集成。尽管这些研究在特定主题上提供了深入见解，但它们通常未能提供涵盖从电池建模到网络规划、运营及能源系统交互整个链条的电动车辆（EV）电池系统的整体视图。特别是不同方法之间的联系较少以综合方式探讨。

本文通过提供更广泛的视角，克服了现有研究的局限性。除了定性综合外，还纳入了近期电动公交车相关文献的文献计量分析。该分析描绘了该领域的发展历程，识别了领先国家和机构，突出了合作网络，并揭示了关键词的主要集群及其演变。基于这一定量概览，本文探讨了四个相互关联的领域：（1）适用于电动公交车应用的电池建模与SOC估算；（2）充电设施和电动公交车网络的规划；（3）电动公交车车队的运营调度与充电策略；（4）共享充电和V2G集成等新兴范式。

本文有三个主要贡献：首先，它总结了电动公交车电池建模和SOC估算的最新进展，重点介绍了适合实际应用的方法；其次，它系统地将基础设施规划与网络设计联系到运营调度和充电管理；第三，它整合了关于共享充电和基于V2G的电动公交车的新兴研究，阐述了如何将这些车辆整合到更广泛的能源系统中。

**图1**展示了本文的综合框架，并强调了第3至6节之间的信息流动。SOC建模与预测提供了关键的输入数据，如能耗估算、到达时的电池状态及充电需求概况，这些数据为设施选址和容量确定提供了战略规划依据，并限制了运营调度和充电管理；战略规划结果定义了基础设施的限制，如充电设施的可用性和电网容量，从而限定了可行的运营范围；运营决策决定了时变的灵活性和SOC余量，这些因素影响着能否采用电网互动策略；V2G策略引入了额外的目标和约束，这些可以反馈至运营政策甚至在某些情况下影响基础设施规划。环境性能被视为一项跨层目标，通过生命周期排放、运营能耗和电网互动的潜在环境效益来体现。

本文的其余部分结构如下：第2节对电动公交车相关文献进行文献计量分析，包括发表趋势、合作模式和关键词聚类；第3节回顾了电动公交车应用中的电池模型和SOC估算方法；第4节讨论了规划问题，包括充电设施的部署和电动公交车网络的设计；第5节聚焦电动公交车运营，涵盖不确定性建模和基于人工智能的优化技术；第6节探讨了包括V2G集成在内的新兴范式；第7节总结了主要见解，并为未来可持续和智能电动公交系统的研究方向提供了指导；最后，第8节对全文进行了总结。

**文献计量分析**
近年来，关于电动公交车的研究迅速扩展，反映了学术界和实际应用领域对公共交通电动化的日益关注。文献计量分析显示，与电动公交车相关的出版物数量呈明显上升趋势，凸显了这一研究领域的重要性。如图2所示，相关出版物的数量持续增长。

**主要机构的合作网络**
全球交通系统的快速电气化催生了对智能可靠系统的迫切需求，以监测和管理电池性能。在电动公交车应用中，电池充电状态（SOC）建模与预测至关重要，因为SOC相关的输出（如SOC轨迹、不确定性界限和考虑电池衰退的能源指标）为下游规划和运营决策提供了重要信息和约束条件。

**战略规划决策**
在电动公交车系统的战略规划框架下，决策可根据其主要焦点进行分类：充电设施的长期部署和电动公交车网络的结构设计。因此，本文回顾了充电设施的选址问题，这些问题决定了电池交换站（BSSs）和快速充电站（FCSs）在投资、运营和电力系统约束下的空间布局和规模。随后，本文研究了电动公交车网络的设计。

**运营规划决策**
基于第4节回顾的战略规划结果（如充电设施的位置和规模、服务容量及电网连接限制），有效的电动公交车运营规划对于应对充电和能源补充的实际挑战至关重要。一项关键运营任务是协调车队调度和充电计划，以在基础设施和电力限制下平衡车队可用性、服务可靠性和运营成本。

**V2G运营策略**
在大多数现有的电动公交车部署和研究中，充电过程主要是单向的，电力仅从电网流向车辆（通常称为G2V充电，Vennila等，2025年）。在这种模式下，公交车作为被动的电力消费者，主要建模目标是确保运营可行性（如满足SOC和时间表约束），同时最小化能耗和运营成本（Ahmed等，2023年）。

**文献中的挑战与不足**
第3至6节共同揭示了支撑下文讨论挑战的反复出现的模式。电池建模和SOC估算是电动公交车决策的基础，因为估算误差和电池衰退效应会影响到能耗特征和充电需求概况，进而影响长期基础设施规划和短期运营可行性。在系统层面，战略规划和电网互动也至关重要。

**结论**
本文全面评估了电动公交车系统的最新发展。它明确了电池建模、充电设施规划、车队调度、共享充电和V2G运营方面的进展如何共同塑造了电动公交系统的性能。通过结合文献计量证据和技术、运营及能源相关维度的结构化综合分析，本文突显了电动公交车相关研究的日益集成性质，并指出了其中的核心贡献者。

**作者贡献声明**
黄笛：撰写原稿、数据整理、可视化、监督、概念构思；
李峰：数据整理、审稿与编辑；
尹杰：撰写原稿、方法论设计、形式化分析；
周瑜：审稿与编辑、监督、概念构思；
毕一鸣：审稿与编辑、监督；
王华：审稿与编辑、监督；
刘志远：审稿与编辑、监督、资金申请。