本發(fā)明涉及新能源汽車動力電池回收領域，特別涉及一種基于改進遺傳算法的新能源汽車動力電池梯次利用選址與網絡優(yōu)化設計方法。

背景技術：

1、新能源車企之間的競爭逐漸白熱化，全球汽車動力電池原料的緊張，加上場地成本、建設成本等，新能源汽車企業(yè)、電池廠商的總成本因此逐漸遞增。況且，新能源汽車的綠色屬性很大程度上取決于材料的回收利用，特別是動力電池等關鍵部件的梯次利用及報廢后的無害化處理。動力電池如果處理不當，會對環(huán)境造成重大污染，增加汽車全生命周期的碳排放。因此，如何降本減碳，成為新能源汽車各企業(yè)急需思考的現實問題。

2、退役后的電池主要有回收拆解和梯次利用兩種處理模式?；厥詹鸾庵笇顟B(tài)較差的動力電池直接破碎拆解，提取其中的鎳、鋰等金屬并重新利用。梯次利用是指將性能尚可的退役電池拆解得到電池模塊，然后將一致性好的電池模塊重組得到梯次利用電池產品，應用于通信基站儲能、低速電動車等領域。

3、廢舊電池回收網絡模型一般包括收集中心、回收和再收集中心、廢物處理中心三大主體。收集中心將收購來的多種廢舊電池進行拆卸，然后拆解完成的小電池將根據質量進行測試和分類。通常，廢舊電池中的電池可以根據其容量大致分為以下3類：1級(l1)–容量高于初始容量的80％；2級(l2)–容量在初始容量的60％到80％之間；3級(l3)–容量低于初始容量的60％。

4、根據測試結果，將針對不同質量的電池采取不同的下游處理策略，具體操作如下：(1)l1級電池將被運送到再制造工廠并重新組裝成新的電車電池；(2)l2級電池將被運輸到回收工廠，部分電池運輸到再制造工廠并在直接作為電池再利用，回收廠的其他l2級電池將被拆解并運送到再制造廠，以制造新的電池單元；(3)l3級電池和再制造廠和回收廠的廢物將直接運送到廢物處理中心。

5、目前缺少新能源汽車動力電池梯次利用選址與網絡優(yōu)化技術。

技術實現思路

1、本發(fā)明要克服現有技術的上述缺點，結合動力電池回收網絡模型，提供一種基于改進遺傳算法的新能源汽車動力電池梯次利用選址與網絡優(yōu)化設計方法。該方法能夠確定網絡節(jié)點的數量和位置，以及電池在網絡中的流量，從而最小化網絡運營總成本，其中總成本包括運輸成本、固定成本、采購成本、處理成本和與碳排放相關的環(huán)境成本。

2、本發(fā)明給出的新能源汽車動力電池梯次利用選址與網絡優(yōu)化設計方法科學合理，計算快捷，使用方便且通用性強。為企業(yè)不僅降低了選址的固定與購置成本，還節(jié)約了物流運輸所需的運輸成本及能耗成本，具有實際的應用價值。

3、為了實現上述目的，本發(fā)明提供了提供一種基于改進遺傳算法的新能源汽車動力電池梯次利用選址與網絡優(yōu)化設計方法，包括以下步驟：

4、(1)構建動力電池回收網絡成本模型，在第一階段計算選址成本方案

5、所述步驟(1)具體是指，構建新能源汽車動力電池梯次利用選址成本模型，包括購置成本與固定成本，步驟(1)中，第一階段目標函數為：

6、z1＝zbc+zfc???????(1)

7、式中，zbc為第一階段收集中心回收電池購置總成本；zfc為第一階段各中心建造選址固定總成本。其中，

8、

9、qbk為收集中心k收購廢舊電池的總量；αu為不同質量等級u(l1/l2/l3)的電池的百分比；ru為不同質量水平u(l1/l2/l3)的電池的單位購置成本；fck為收集中心k的建造固定成本；fcj為回收及再制造中心j的建造固定成本；fch為廢物處理中心h的建造固定成本；xk為0-1變量，收集中心k如果開放決策變量為1，否則為0；xj為0-1變量，回收及再制造中心j如果開放決策變量為1，否則為0；xh為0-1變量，廢物處理中心h如果開放決策變量為1，否則為0。

10、(2)通過以上選址方案得到網絡中心選址成本，在第二階段以網絡物流運費成本最低為目標函數，以物流路線容量和中心能力為約束條件，構成混合整數規(guī)劃模型

11、步驟(2)中，確定選址方案后的第二階段目標函數為：

12、z2＝zpc+ztc+zfec+ztec????(4)

13、公式(4)中，zpc為電池回收網絡中的各中心的加工總成本；ztc為電池回收網絡中的各中心間電池運輸總成本；zfec為電池回收網絡中的各中心的加工過程產生的碳排放成本；ztec為電池回收網絡中的各中心間產品運輸過程產生的碳排放成本。

14、公式(4)中，

15、

16、其中，qcrkj為收集中心k將廢舊電池拆解為小電池后流入回收中心j的總量；qcmkj為收集中心k將廢舊電池拆解為小電池后流入再制造中心j的總量；qwjh為回收和再制造中心j流入廢物處理中心h的廢物的總量；qcwkh為收集中心k將廢舊電池拆解為小電池后流入廢物處理中心h的總量；pcck為收集中心k處理單位小電池的處理成本；pcrj回收中心j處理單位小電池的處理成本；pcmj再制造中心j處理單位小電池的處理成本；pcwh廢物處理中心h處理單位小電池的處理成本；w為回收中心廢物利用后流向再制造中心小電池數與回收中心接收數的比例。

17、公式(4)中，

18、

19、其中，tcc為單位電池的運輸成本；tcw為單位廢物的運輸成本；dkj為收集中心k與回收和再制造中心j之間的距離；dkh為收集中心k與廢物處理中心h之間的距離；djh為回收和再制造中心j與廢物處理中心h之間的距離。

20、公式(4)中，

21、

22、

23、其中，fct為單位碳排放需繳納的碳稅成本；feck為收集中心k處理一個單位的廢舊電池所產生的碳排放量；ferj為回收中心j處理一個單位的小電池所產生的碳排放量；femj為再制造中心j處理一個單位的小電池所產生的碳排放量；fewh為廢物處理中心h處理一個單位廢物或小電池所產生的碳排放量。

24、公式(4)中，

25、

26、其中，te為運輸一個單位的小電池每公里所產生的碳排放量。

27、整個混合整數規(guī)劃模型主要有三方面約束：數量、質量與容量。

28、數量約束，指從收集中心流出的電池數量與回收和再制造中心以及廢物處理中心的流入電池數量保持一致，其公式如下：

29、

30、bc為單位廢舊電池內小電池的數量。

31、質量約束，指從回收和再制造中心流入廢物處理中心的生產廢物質量與回收和再制造中心將流入的電池處理產生的廢物質量保持一致，其公式如下：

32、

33、wb表示廢舊電池拆解后單位小電池的重量；表示回收再制造中心流出的廢物與處置中心的數量比。

34、容量約束，指各處理中心的處理能力是有限度的，其公式如下：

35、

36、

37、式中，kk為收集中心k最大的處理能力；jj為回收和再制造中心j最大的處理能力；hh為廢物處理中心h最大的處理能力。其中，決策變量主要包括各中心流量及選址決策點：

38、qbk，qcrkj，qcmkj，qwjh≥0?????????????????(14)

39、xk，xj，xh∈(0，1)(15)

40、(3)采用改進的遺傳算法對兩階段混合整數規(guī)劃模型進行求解，得到求解結果

41、所述步驟(3)具體包括以下步驟：(a)初始化選址方案，初始化電池需求數量，總迭代次數，種群數量；(b)使用二重結構規(guī)則初始化編碼及解碼染色體對，即附加碼及0-1變量碼，隨機產生的染色體對應的選址方案需要滿足容量約束，即所選中心容量要容納所有的需求，從而產生初始種群；(c)根據步驟二第一階段的目標函數，計算初始方案的固定成本與購置成本，根據步驟二第二階段的目標函數，使用線性規(guī)劃工具linprog函數進行網絡設計優(yōu)化，精確計算出各中心服務與運輸成本，將各成本求和取倒數作適應度值公式，計算第一代種群的適應度，并進行選擇、交叉、變異操作，形成新一代種群；(d)隨機產生一個選擇概率，使用規(guī)則判別，個體按照既定參數有比例的選擇錦標賽或者輪盤賭方法產生子代，保證種群多樣化和優(yōu)秀基因保留；(e)隨機產生一個交叉概率，用部分映射交叉(pmx)算子來產生有效子代；(f)隨機產生一個變異概率，用逆位遺傳算子來產生有效子代，對父代個體隨機選擇兩個變異點，兩點間的上行附加碼按相反順序重新排列，而下行的變量碼順序則保持不變。(g)輸出當前代種群中最優(yōu)選址方案、運輸路線、電池數量與最小成本；(h)最后，達到迭代次數之后，得到收斂后的最優(yōu)結果。

42、(4)根據求解結果分析得到動力電池回收選址與網絡優(yōu)化設計方案

43、本發(fā)明通過上述技術方案，制定了考慮碳稅的動力電池回收網絡成本混合整數規(guī)劃模型，提出的方法可以在多種己知備選方案下，選擇有效合理的選址方案，然后在最優(yōu)選址方案的基礎上，給出最優(yōu)的網絡優(yōu)化方案。

44、由上述技術方案可知，本發(fā)明有益特點如下：

45、第一，本發(fā)明可以降本增效，提高各中心利用率；

46、第二，本發(fā)明可以平衡選址方案與網絡優(yōu)化方案之間的關系

47、第三，本發(fā)明有利于電池回收企業(yè)在初期市場調研，投入實施階段提供參考。