電動汽車換電網絡規劃研究綜述

潘樟惠，高賜威

（江蘇省智能電網技術與裝備重點實驗室（東南大學），南京 210096）

0 引言

電動汽車的能源供給模式可分為插充和換電池（簡稱換電）2種模式。其中，插充模式又可分為慢速充電模式和快速充電模式。慢速充電所需要的充電時間長，一般需要4～8h；快速充電則不僅會給電網帶來比較大的沖擊而且會降低電池的使用壽命［1］。換電池模式是指采用更換電池的方式為電動汽車提供能源，具有降低用戶購車成本、提高用戶便捷性、延長電池全壽命周期、提高電力系統整體運行效益等優點［2-3］。

為了便于對電池充放電進行集中控制，國家電網公司一度大力倡導以“集中充電、統一配送”為特征的換電模式［4］，并在國網系統推出規模宏大的換電網絡建設規劃和試點工程建設（如在北京、杭州、青島等城市）。杭州供電公司成立了全球首個以換電為主的新能源出租汽車公司，截至2013年9月，營運車輛達210輛，已累計建設62座充換電站和配送站［5］。北京市已建成包括5座電動公交車充換電站在內的電動汽車充換電站64座，服務網絡已覆蓋其所有區縣［6］。

由于換電模式涉及產業鏈協調、電池制造技術、標準化體系、能源供給網絡建設、城市規劃等一系列問題，換電模式發展緩慢。在國外，極力推崇換電模式的以色列知名電動汽車公司Better Place也因未建立起自己的消費群，以及基礎設施建設成本居高不下等原因而宣布破產［7］。在國務院頒布的《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》中也未將換電模式作為主要的發展方向。但是換電模式作為電動汽車的一種重要能源供給模式，仍然是電動汽車發展模式的重要競爭者。

電動汽車能源供給設施建設的合理與否，會直接影響電動汽車的推廣，進而影響整個電動汽車產業鏈的發展。當前換電網絡規劃建設理論滯后于實際建設的需要，尚未形成成熟的換電網絡規劃體系，本文將總結梳理換電網絡規劃研究的進展情況，并提出相關結論和未來的發展方向，為未來換電網絡規劃理論框架的形成提供參考。

1 換電網絡規劃研究對象和內容

換電模式可分為集中充電模式和充換電模式。集中充電模式通過集中型充電站承擔大規模的電池充放電功能，并將滿電池配送至僅具備換電池功能的配送站。充換電模式以換電站為載體，同時具備電池充電及電池更換功能［4］。可見，在換電模式下的換電網絡利用集中型充電站、換電站、配送站等實現對用戶的電池能量供應。在城市土地資源緊缺時宜采用集中充電模式，將配送站建于市區，而將集中型充電站建于靠近城市外環線的地方，反之，則可采用充換電模式來降低電池物流配送管理成本。

在換電網絡設計中需要解決配置多少電池以滿足電動汽車的換電需求，對于充電站、換電站和配送站的設計需要考慮最優選址定容。此外，還需考慮充電站與配送站之間用于電池配送的物流能力問題。電動汽車充電設施的建設規劃必須與電網建設規劃相協調，才能為電動汽車提供充足可靠的電力供應。由于集中型充電站和換電站承擔著大規模電池的充放電功能，其充放電行為對電網的影響不可忽略，因此還需研究充換電站布局與傳統負荷增長的電網規劃問題的關系，實現充換電站投資建設與配電網規劃綜合效益最優。

由此可見，在換電網絡規劃中亟需解決的是電池數量規劃、配送站規劃、換電站規劃、集中型充電站規劃和考慮充換電站接入的電網規劃問題。此外，任何一個單元的規劃配置都會對其他單元的性能造成影響，而單個單元的最優規劃往往不一定能達到整體最優，因此建立各個單元獨立規劃模型的同時，必須考慮各單元規劃的協調問題。換電網絡規劃中所要考慮的基本單元及其相互關系如圖1所示。

2 換電網絡規劃

2.1 電池數量規劃

2.1.1 電池數量規劃概述

圖1 換電網絡規劃研究對象和研究內容

電池是電動汽車運行的能量來源，電動汽車配送站和換電站在不同時段能否儲備合適的滿電蓄電池滿足電動汽車的換電需求，直接影響著電動汽車換電的可靠性。如果儲備蓄電池過少，則部分電動汽車的換電需求無法即刻滿足；反之，如果數量過多，又會導致財力的浪費。此外，若充換電站不僅擔負著為電動汽車提供動力服務，而且還擔負著為電網優化運行以及提供儲能服務的職責，則其電池的數量和充放電設施容量還需要具有一定的冗余來實現其儲能功能［8］。所以合理地對換電網絡中的電池數量進行規劃顯得尤為重要。

2.1.2 電池數量規劃研究現狀

為了滿足電動汽車的換電需求，文獻［9］提出了電動汽車換電充裕度的概念，通過對車主用車習慣的統計學建模和充電管理策略進行分析，建立了換電充裕度的數學模型。應用Monte Carlo方法得到了換電站內不同時段滿足換電充裕度要求應該儲備的蓄電池數量，但是對充電管理策略要求較高。文獻［10］在文獻［9］的基礎上對不同情況下電動汽車電池需求和滿電蓄電池數量的關系進行分析，發現電池的額定容量、充電時長和車輛耗能水平對電動汽車的電池需求和供給有著顯著的影響，因此在進行電動汽車充電管理和V2G（vehicle to grid）運行時需予以考慮。文獻［11］以年收益最大化和充電影響最小化為目標得出換電站所需配置的電池數量。文獻［12］建立了以最小化電池購買費用、充電成本、機會成本及懲罰費用為目標函數的動態模型，通過優化得到換電站最初所需購買電池數量以及各時段充電的電池組數量。針對不同規劃時期，文獻［13］將電池組需求規劃分為遠期和近期兩個階段。遠期規劃適合做年度電池數量規劃，從而為近期規劃提供指導。近期規劃則根據最大日換電需求預測曲線建立電池數量和物流能力的綜合規劃模型，然后采用遺傳算法求解得出最優物流配送次數、物流能力及購買電池組數量，并通過靈敏度分析表明物流配送方案是影響電池組數量規劃的關鍵因素。

2.2 配送站規劃

2.2.1 配送站規劃概述

電池配送站應以能方便快捷地滿足用戶換電需求為目標而廣泛布點建設，并統一從集中型充電站獲得動力電池配送，負責電動汽車到站更換電池。電池配送站在選址時不僅要考慮服務半徑、交通、建設規模和成本，還要考慮用戶換電所需的時間成本和電池在充電站和配送站之間進行配送的物流成本［14］。

2.2.2 配送站規劃研究現狀

在配送站規劃方面，文獻［15］建立了電池配送站及道路模型，根據概率論的相關理論，提出了用電動汽車的耗電量來計算電池配送站負荷的方法，可以為電池配送站的定容選址提供參考數據。文獻［16］以用戶更換電池的總加權距離最短為目標，根據區域內交通流量，利用交叉中值法求解確定配送站的位置。文獻［14］以尋求配送站的建設成本、用戶在換電途中的耗時成本和配送站的電池配送成本最小為目標，采用Voronoi圖和改進粒子群算法相結合的方法，根據規劃范圍內的換電需求，自動生成站址和規模，并給出各個配送站的服務區域，使配送站投資及成本最小。

2.3 集中型充電站規劃

2.3.1 集中型充電站規劃概述

集中型充電站由于占地面積較大，一般建設在郊區。考慮到電池配送的方便，集中型充電站應優先選擇建設在靠近城市外環線的地方［17］，同時也需考慮集中型充電站與配送站之間的物流配送成本。由于集中型充電站的充放電準入容量直接由其接入的配電網絡決定，因此在進行集中型充電站選址規劃時，需要對配電網的實際充放電負荷接納能力進行有效評估，以保證電網及電動汽車充電站的正常、穩定、安全運營。若充電站兼具有儲能功能，則合理地將這些充電站先配置于電網的薄弱環節或者是峰谷差較大的區域，就能明顯地縮短負荷供需方之間能量流動的電氣距離，提高電網的經濟和安全效益，實現社會效益最大化［18］。

2.3.2 僅考慮充電功能的集中型充電站規劃

針對換電模式下的集中型充電站規劃，文獻［19］在配送站位置和所需電量已知的情況下，通過計算配送站的重心，采用離散粒子群算法計算得出充電站位置和配送范圍。文獻［20］通過能量等效方式進行負荷預測，將現有加油站的售油量折算成電動汽車的充電電量，通過等負荷距分配法得出集中型充電站定址定容。但以上文獻均未考慮到投資成本、交通等因素。文獻［16］以包含配電網在內的集中型充電站建設、運營維護成本最低為目標，由貪婪算法確定每個集中型充電站所覆蓋的配送站數量及服務范圍，并通過粒子群算法進行迭代尋優得到成本最低時的集中型充電站位置和容量。文獻［17］在對電池組充電功率、各類典型日充電需求分析的基礎上，提出了綜合考慮集中型充電站建設和運行成本的集中型充電站最優容量規劃模型，獲得相應集中型充電站容量、典型日充電站充電功率和充電電池組數量。通過靈敏度分析得到電池組需求量以及峰谷平電價的變化對集中型充電站的容量規劃影響巨大。

2.3.3 考慮充放電功能的集中型充電站規劃

若在條件允許時選擇集中型充電站與可再生能源電廠一起合理規劃布局，利用集中型充電站內蓄電池對可再生能源進行儲能，則可以協助解決間歇性能源并網運行問題，從而實現優化配置資源［21-22］，減少碳排放。考慮到投資運行成本，文獻［23］以年收益最大化為目標，采用微分進化算法得出含光伏發電系統的電動汽車充電站，包括光伏電池組在內的各單元容量優化配置方法。文獻［24］以總成本最小為目標，采用差分進化算法得出包括風力發電機額定功率和電動汽車電池額定容量在內的各參數優化值，證明該系統可以滿足電動汽車電池的充電需求。

2.4 換電站規劃

2.4.1 換電站規劃概述

由于換電站同時具有電池充電及電池更換的功能，相當于配送站和集中型充電站位于同一地址，因此在進行規劃時不僅要考慮在配送站規劃時所需考慮的因素，還要考慮在進行集中型充電站規劃時所需考慮的因素。

2.4.2 僅考慮充電功能的換電站規劃

目前鮮有文獻對僅考慮充電功能的換電站規劃進行研究。文獻［25］基于全壽命周期成本（LCC）和換電收益，以最大化凈現值（NPV）為目標，采用差分進化算法得出換電站在配電系統中的最優選址定容。

2.4.3 考慮充放電功能的換電站規劃

利用換電站內蓄電池的充放電功能同樣可以優化資源配置。文獻［18］建立了微電網型換電站中各分布式電源的最優規劃模型，通過對模型的研究表明該模型可以很好地整合風力發電機、光伏電池組、儲能電池和局部負荷之間的運行關系，可以在保證電動汽車換電的同時，充分利用可再生能源的優勢。文獻［26］考慮了換電站的換電收益、電池的放電收益、換電站的建設和運行成本，提出以換電站凈收入最大化為目標的位置和容量優化模型，并通過一個實際規劃驗證了模型的有效性。文獻［27］在考慮動力電池梯次利用的情況下，以光伏換電站的年最大利潤為目標，建立了優化系統容量配置的數學模型，根據動力電池的容量退化模型和電動汽車的日行駛里程統計模型，采用蒙特卡洛模擬法得到動力電池在規劃年限內每年梯次利用的容量比例，最后通過微分進化算法對算例進行求解，得到光伏換電站系統的最優容量配置。

2.5 充換電站接入的電網規劃

2.5.1 充換電站接入的電網規劃概述

隨著電動汽車的快速發展和廣泛應用，充換電站中大量電池的充放電將改變配電網負荷結構和特性，引起配電網負荷的增長并導致配電網的投資與運行成本的增加［28］。

在考慮充換電站負荷特性的基礎上，全面優化規劃配電網架結構，能夠有效地縮小容量要求、降低網絡損耗，有效地降低建設投資和維護費用，為國家和電力公司帶來可觀的經濟效益［29］。然而，傳統的配電網規劃準則可能無法適用于電動汽車電池大規模接入的情景，因此亟需研究統一考慮充換電站布局優化和滿足傳統負荷增長的配電網擴展規劃問題。

2.5.2 充換電站接入的電網規劃研究現狀

目前已有文獻對分布式充電站接入的電網規劃問題進行了研究［29-30］。文獻［29］建立了以配電網和電動汽車充電站投資及運行成本最小為優化目標的模型，采用改進的樹形結構編碼單親遺傳算法（ITSE-PGA）對模型進行求解，結果表明將充電站的選址定容考慮到配電網優化模型中，可有效減少包含充電站在內的配電網的總投資與運行成本。文獻［30］以充電站和配電網的投資與運行成本最小為目標，建立了考慮充電站布局優化的配電網規劃模型，并提出一種新的網絡輻射狀約束來保證所規劃配電網的輻射狀結構。以上文獻所建立起來的模型對研究換電模式下的考慮充換電站接入的電網規劃問題具有一定的指導意義。針對充換電站接入的電網規劃問題，文獻［3］在綜合考慮電力網絡和交通網絡因素后，建立了集中型充電站的定址分容模型，并通過在模型中納入電網擴展因素來解決集中型充電站接入的電網規劃問題；通過靈敏度分析表明，新建線路傳輸容量和待選站址地價是影響集中型充電站定址分容的關鍵因素。

3 結論與展望

本文主要對換電網絡規劃問題進行了分析，并從電池數量、配送站、集中型充電站、換電站以及電網等幾個方面對換電網絡規劃目前的研究情況進行了總結和梳理。

目前，我國在電動汽車充換電站的建設方面已經開展了研究探索和示范建設，然而相應的換電網絡規劃尚缺乏成熟的理論和方法，更沒有形成統一的電動汽車充換電網絡建設標準，這些都嚴重影響電動汽車產業的推進。因此，需要盡快做好電動汽車充換電設施規劃研究，將換電網絡規劃納入城市或區域規劃內統籌考慮，夯實理論基礎，制定相關指導標準，為未來電動汽車換電網絡大規模規劃建設提供堅實的理論基礎。

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