高速路上電動汽車充電樁解析

北京航空航天大學 任延吾

高速路上電動汽車充電樁解析

北京航空航天大學 任延吾

隨著電動汽車在政策推動下的蓬勃發展，從2015年以來，我國已經成為全球最大的電動汽車市場。充電樁被認為一直是阻礙電動汽車發展的最后一道障礙，為解決此問題，國內的很多高速公路上已經安裝了充電樁，而充電站的間隔以及充電樁的數量安排應滿足許多條件。本文基于對電動汽車續航能力、在高速公路上的行駛速度以及充電時間的數據分析電動汽車在高速公路上的充電需求。結合高速公路里程以及車流量計算出在不同地段如何安排充電站和充電樁。制定出能夠使得充電樁能夠滿足高速公路上電動汽車充電的需求且保證資源最大程度上的節約最優方案。

充電樁；電動汽車續航；充電需求；最優方案

1.問題的背景與重述

1.1 問題背景

一直以來，電動車的續航能力一直被消費者們詬病，對于電動車的車主來說不能跑長途，不能跑高速公路。不過這個現象已經得到解決。2015年初，國內首個高速快充網絡——京滬高速公路電動汽車快充網絡全線貫通。據不完全統計，北京、上海、天津、河北等11個省市已經在高速公路的服務區內建設電動汽車充換電站，合肥、山西等省市已規劃在高速路建充電樁，為電動汽車實現城際互聯提供重要支撐。

1.2 問題重述

選取合適的評價指標體系用來評價電動汽車的續航能力和充電時間。建立高速公路車流量模型，研究電動汽車的車流量。根據上述結果，從不會造成資源擁堵以及浪費的角度，合理安排充電站間隔以及充電樁的數量。

2.問題分析

不同品牌不同型號的電動汽車的續航能力是不一樣的，因此在分析電動汽車續航能力時，為減小誤差，建立與實際更貼近的模型，需要先通過續航能力將車型進行分類，將續航能力差距比較小的車型分為一類，然后通過對同一類車型續航能力的加權平均得到該類車型的續航能力，得到幾中不同的電動汽車模型。而且由于混合動力汽車的續航能力普遍較弱，且與純電動汽車差距較大，絕大多數情況下不會采用電力行駛，因此作為干擾因素不在此進行分析。

而對于高速公路來說，需要建立數學模型來研究車流量，應當結合高速公路的實際情況，道路結構等因素全部考慮其中，將不同車流量情況分開進行分析，得出最優安排方案。

3.模型假設

對于問題解決中的電動汽車模型和高速公路模型，有必要對實際情況進行假設以簡化模型。

道路平坦，無施工現場，無交通事故影響車輛通行。

不考慮車變道帶來的時間損耗，換道、并入分岔道以及進入充電站的動作在瞬間完成，不單獨消耗一個時刻。

將高速公路假設為一條直線，且沿途路況相同，不考慮因地形因素而無法建設充電站的情況。

假設高速公路上的出入口在同一位置。

電動汽車在高速公路上為勻速行駛，速度為定值。

將電動汽車假設為一個質點，不考慮其自身長度。

將電動汽車進行分類，同一類的電動汽車的各項指標相同。

電動汽車車流量按照高速公路總車流量的固定百分比來計算。

模擬過程中，車流量保持不變。

假設電動汽車進入高速公路時電量為固定100%。

假設沿高速公路相反方向行駛的車流量以及其他環境因素均相同。

4.符號說明

表4-1

5.問題求解

5.1 電動汽車模型的建立

根據表5.1中對各型號電動汽車續航能力的統計可以發現，只有一個車型的續航達到了480km，其余車型續航都在300以下，因此該車型可以為高檔車型。在其余車型中，除了3個車型的續航在250km以上，其他車型的車型續航都在200km以下，因此根據續航里程將電動汽車分為三類，一類為高檔電動汽車，編號為1，其續航里程在300km以上，第二類為中檔電動汽車編號為2，其續航里里程為250-300km，最后一類為低檔電動汽車，編號為3，其續航里程在250km以下。假設電動汽車在高速公路上的行駛速度為固定值100km/h，由于該行駛速度不是能夠保證電動汽車最大續航的行駛速度，以及實際路況對電動汽車的影響，電動汽車實際最大續航為理論最大續航的80%。將電動汽車分類后，根據表5.1可以獲取出各型號電動汽車的市場占有率，其中不考慮市場占有率低于1%的車型。且假設所有電動汽車進入高速公路時電量為100%。

表5-1

根據以上數據可以計算出三種類型電動汽車的加權平均最大續航為：

這三類電動汽車的比例為 3:7:57 因此所占電動汽車的百分比分別為4.4%，10.4%，85.1%。

5.2 高速公路模型的建立

假設單向高速公路是一條線段，且與相反方向的情況完全相同，因此只需要研究單一方向上的情況即可。已發展較為完善的京滬高速為例，車流量日均2.6萬輛。假設該車流量固定不變，則可以計算出平均每小時的車流量為1083輛。且2015年我國電動汽車銷售量約占我國汽車銷售總量的2%，以該比例計算，平均每小時電動汽車車流量為22輛，按照三類電動汽車的比例計算，每小時三類電動汽車的車流量分別為1輛、2輛、19輛。假設每一個出口的電動汽車車流量相同，均為22輛，則通過以上數據可以得出：

5.3 充電站模型的建立

根據京滬高速上充電樁的規格標準顯示，電動汽車在高速公路上一次充電30分鐘可將電量充滿。電動汽車在電量剩余不足以行駛一個相鄰充電站間隔時必須進行充電，可行駛距離大于兩個相鄰充電站間隔以上時不需充電,且保證當電動汽車最大續航大于兩個充電站間隔。根據上述分析可以得出：

所以本著節約的原則，充電站間距應盡可能最大化，因此根據以上數據分析，充電站間隔應為50 km，即：

5.4 充電站內充電樁個數分析

在保持車流量不變且高速公路各路段情況相同的前提下，各單位長度的路段中，充電站以及充電樁的使用情況相同，每小時通過充電站的三類電動汽車的個數分別為1，2，19輛。

對于第一類電動汽車，其最大續航為380km，平均每通過7個充電站需要充電一次，則通過一個充電站需要充電的概率為。同理可得第二類第三類電動汽車。

通過一個充電站需要充電的概率為。

通過以上分析可以得出，一個充電站每小時需要充電的電動汽車數量X為：

假設每輛車到達充電站的時間是隨機的，一小時內這些電動汽車充電需要的總時間為：

每個充電樁每小時可以提供1小時的充電時間，因此為保證進入車輛都能夠滿足充電需求，需要充電樁數量：

綜上所述，高速公路上充電站的間隔應為50km，且每個充電站應配備5個充電樁。

6.模型的評價

6.1 模型的優點

通過分類方法將電動汽車進行分類，使所建立的模型更加符合實際情況。

結合高速公路實際情況進行高速公路模型的設計，可以簡明的將電動汽車在高速公路上的情況模擬出來。

6.2 模型的不足

忽略了不同時間段車流量的變化對充電情況造成的影響。

在計算充電樁數量時，沒有對車輛進入充電站的時間以及充電時間進行動態分析，忽略了同時多輛汽車同時進入的可能。數據來源較為片面，并不能夠做到真正切合實際，需要科學計算后方可實施。