高速路上電動(dòng)汽車(chē)充電樁解析

北京航空航天大學(xué) 任延吾

高速路上電動(dòng)汽車(chē)充電樁解析

北京航空航天大學(xué) 任延吾

隨著電動(dòng)汽車(chē)在政策推動(dòng)下的蓬勃發(fā)展，從2015年以來(lái)，我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。充電樁被認(rèn)為一直是阻礙電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的最后一道障礙，為解決此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的很多高速公路上已經(jīng)安裝了充電樁，而充電站的間隔以及充電樁的數(shù)量安排應(yīng)滿(mǎn)足許多條件。本文基于對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力、在高速公路上的行駛速度以及充電時(shí)間的數(shù)據(jù)分析電動(dòng)汽車(chē)在高速公路上的充電需求。結(jié)合高速公路里程以及車(chē)流量計(jì)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(mǎn)足高速公路上電動(dòng)汽車(chē)充電的需求且保證資源最大程度上的節(jié)約最優(yōu)方案。

充電樁；電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航；充電需求；最優(yōu)方案

1.問(wèn)題的背景與重述

1.1 問(wèn)題背景

一直以來(lái)，電動(dòng)車(chē)的續(xù)航能力一直被消費(fèi)者們?cè)嵅。瑢?duì)于電動(dòng)車(chē)的車(chē)主來(lái)說(shuō)不能跑長(zhǎng)途，不能跑高速公路。不過(guò)這個(gè)現(xiàn)象已經(jīng)得到解決。2015年初，國(guó)內(nèi)首個(gè)高速快充網(wǎng)絡(luò)——京滬高速公路電動(dòng)汽車(chē)快充網(wǎng)絡(luò)全線(xiàn)貫通。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，北京、上海、天津、河北等11個(gè)省市已經(jīng)在高速公路的服務(wù)區(qū)內(nèi)建設(shè)電動(dòng)汽車(chē)充換電站，合肥、山西等省市已規(guī)劃在高速路建充電樁，為電動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)城際互聯(lián)提供重要支撐。

1.2 問(wèn)題重述

選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系用來(lái)評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力和充電時(shí)間。建立高速公路車(chē)流量模型，研究電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)流量。根據(jù)上述結(jié)果，從不會(huì)造成資源擁堵以及浪費(fèi)的角度，合理安排充電站間隔以及充電樁的數(shù)量。

2.問(wèn)題分析

不同品牌不同型號(hào)的電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力是不一樣的，因此在分析電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力時(shí)，為減小誤差，建立與實(shí)際更貼近的模型，需要先通過(guò)續(xù)航能力將車(chē)型進(jìn)行分類(lèi)，將續(xù)航能力差距比較小的車(chē)型分為一類(lèi)，然后通過(guò)對(duì)同一類(lèi)車(chē)型續(xù)航能力的加權(quán)平均得到該類(lèi)車(chē)型的續(xù)航能力，得到幾中不同的電動(dòng)汽車(chē)模型。而且由于混合動(dòng)力汽車(chē)的續(xù)航能力普遍較弱，且與純電動(dòng)汽車(chē)差距較大，絕大多數(shù)情況下不會(huì)采用電力行駛，因此作為干擾因素不在此進(jìn)行分析。

而對(duì)于高速公路來(lái)說(shuō)，需要建立數(shù)學(xué)模型來(lái)研究車(chē)流量，應(yīng)當(dāng)結(jié)合高速公路的實(shí)際情況，道路結(jié)構(gòu)等因素全部考慮其中，將不同車(chē)流量情況分開(kāi)進(jìn)行分析，得出最優(yōu)安排方案。

3.模型假設(shè)

對(duì)于問(wèn)題解決中的電動(dòng)汽車(chē)模型和高速公路模型，有必要對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行假設(shè)以簡(jiǎn)化模型。

道路平坦，無(wú)施工現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)交通事故影響車(chē)輛通行。

不考慮車(chē)變道帶來(lái)的時(shí)間損耗，換道、并入分岔道以及進(jìn)入充電站的動(dòng)作在瞬間完成，不單獨(dú)消耗一個(gè)時(shí)刻。

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

假設(shè)高速公路上的出入口在同一位置。

電動(dòng)汽車(chē)在高速公路上為勻速行駛，速度為定值。

將電動(dòng)汽車(chē)假設(shè)為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，不考慮其自身長(zhǎng)度。

將電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行分類(lèi)，同一類(lèi)的電動(dòng)汽車(chē)的各項(xiàng)指標(biāo)相同。

電動(dòng)汽車(chē)車(chē)流量按照高速公路總車(chē)流量的固定百分比來(lái)計(jì)算。

模擬過(guò)程中，車(chē)流量保持不變。

假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入高速公路時(shí)電量為固定100%。

假設(shè)沿高速公路相反方向行駛的車(chē)流量以及其他環(huán)境因素均相同。

4.符號(hào)說(shuō)明

表4-1

5.問(wèn)題求解

5.1 電動(dòng)汽車(chē)模型的建立

根據(jù)表5.1中對(duì)各型號(hào)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力的統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn)，只有一個(gè)車(chē)型的續(xù)航達(dá)到了480km，其余車(chē)型續(xù)航都在300以下，因此該車(chē)型可以為高檔車(chē)型。在其余車(chē)型中，除了3個(gè)車(chē)型的續(xù)航在250km以上，其他車(chē)型的車(chē)型續(xù)航都在200km以下，因此根據(jù)續(xù)航里程將電動(dòng)汽車(chē)分為三類(lèi)，一類(lèi)為高檔電動(dòng)汽車(chē)，編號(hào)為1，其續(xù)航里程在300km以上，第二類(lèi)為中檔電動(dòng)汽車(chē)編號(hào)為2，其續(xù)航里里程為250-300km，最后一類(lèi)為低檔電動(dòng)汽車(chē)，編號(hào)為3，其續(xù)航里程在250km以下。假設(shè)電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)最大續(xù)航的行駛速度，以及實(shí)際路況對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的影響，電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際最大續(xù)航為理論最大續(xù)航的80%。將電動(dòng)汽車(chē)分類(lèi)后，根據(jù)表5.1可以獲取出各型號(hào)電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)占有率，其中不考慮市場(chǎng)占有率低于1%的車(chē)型。且假設(shè)所有電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)入高速公路時(shí)電量為100%。

表5-1

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出三種類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)的加權(quán)平均最大續(xù)航為：

這三類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的比例為 3:7:57 因此所占電動(dòng)汽車(chē)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(shè)單向高速公路是一條線(xiàn)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(fā)展較為完善的京滬高速為例，車(chē)流量日均2.6萬(wàn)輛。假設(shè)該車(chē)流量固定不變，則可以計(jì)算出平均每小時(shí)的車(chē)流量為1083輛。且2015年我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售量約占我國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)售總量的2%，以該比例計(jì)算，平均每小時(shí)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)流量為22輛，按照三類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的比例計(jì)算，每小時(shí)三類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)流量分別為1輛、2輛、19輛。假設(shè)每一個(gè)出口的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)流量相同，均為22輛，則通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以得出：

5.3 充電站模型的建立

根據(jù)京滬高速上充電樁的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)顯示，電動(dòng)汽車(chē)在高速公路上一次充電30分鐘可將電量充滿(mǎn)。電動(dòng)汽車(chē)在電量剩余不足以行駛一個(gè)相鄰充電站間隔時(shí)必須進(jìn)行充電，可行駛距離大于兩個(gè)相鄰充電站間隔以上時(shí)不需充電,且保證當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)最大續(xù)航大于兩個(gè)充電站間隔。根據(jù)上述分析可以得出：

所以本著節(jié)約的原則，充電站間距應(yīng)盡可能最大化，因此根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，充電站間隔應(yīng)為50 km，即：

5.4 充電站內(nèi)充電樁個(gè)數(shù)分析

在保持車(chē)流量不變且高速公路各路段情況相同的前提下，各單位長(zhǎng)度的路段中，充電站以及充電樁的使用情況相同，每小時(shí)通過(guò)充電站的三類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)的個(gè)數(shù)分別為1，2，19輛。

對(duì)于第一類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)，其最大續(xù)航為380km，平均每通過(guò)7個(gè)充電站需要充電一次，則通過(guò)一個(gè)充電站需要充電的概率為。同理可得第二類(lèi)第三類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)。

通過(guò)一個(gè)充電站需要充電的概率為。

通過(guò)以上分析可以得出，一個(gè)充電站每小時(shí)需要充電的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量X為：

假設(shè)每輛車(chē)到達(dá)充電站的時(shí)間是隨機(jī)的，一小時(shí)內(nèi)這些電動(dòng)汽車(chē)充電需要的總時(shí)間為：

每個(gè)充電樁每小時(shí)可以提供1小時(shí)的充電時(shí)間，因此為保證進(jìn)入車(chē)輛都能夠滿(mǎn)足充電需求，需要充電樁數(shù)量：

綜上所述，高速公路上充電站的間隔應(yīng)為50km，且每個(gè)充電站應(yīng)配備5個(gè)充電樁。

6.模型的評(píng)價(jià)

6.1 模型的優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)分類(lèi)方法將電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行分類(lèi)，使所建立的模型更加符合實(shí)際情況。

結(jié)合高速公路實(shí)際情況進(jìn)行高速公路模型的設(shè)計(jì)，可以簡(jiǎn)明的將電動(dòng)汽車(chē)在高速公路上的情況模擬出來(lái)。

6.2 模型的不足

忽略了不同時(shí)間段車(chē)流量的變化對(duì)充電情況造成的影響。

在計(jì)算充電樁數(shù)量時(shí)，沒(méi)有對(duì)車(chē)輛進(jìn)入充電站的時(shí)間以及充電時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，忽略了同時(shí)多輛汽車(chē)同時(shí)進(jìn)入的可能。數(shù)據(jù)來(lái)源較為片面，并不能夠做到真正切合實(shí)際，需要科學(xué)計(jì)算后方可實(shí)施。