電動汽車充電樁的優(yōu)化選擇

胡雨婷 成都市實驗外國語學校

引言：發(fā)展電動汽車作為應對能源危機和環(huán)境污染的有效手段,受到全球各國的關注。電動汽車以其節(jié)能、減污的特點能在一定程度上解決我國能源短缺和環(huán)境污染問題,我國電動汽車的研發(fā)已取得了突破性進展,國家電網公司也在積極推進電動汽車的發(fā)展,世界各國的電動汽車正逐漸走向商品化及應用階段,因此電動汽車的發(fā)展將成為中國汽車工業(yè)的必由之路。中國電動汽車產業(yè)發(fā)展需要在政府政策、商業(yè)模式創(chuàng)新、合作伙伴以及公眾意識提升幾個方面加大投入,從而加快中國電動汽車產業(yè)發(fā)展。

隨著電動汽車數量的增長，充電基礎設施的需求也越來越大，充電樁的建設成為制約電動汽車發(fā)展的重要因素，充電樁規(guī)劃就成了當前的熱點問題。目前研究充電樁規(guī)劃多是圍繞選址與定容兩方面進行的，主要基于已有的城市格局、交通流量信息和配電網結構，考慮物理區(qū)域劃分以及電力網絡結構等因素對于充電樁規(guī)劃的約束，并取得了很大的成果。針對電動汽車充電需求增加,通過分析電動汽車充電量總體需求、多場景運行模式及商業(yè)運營模式等因素的影響,建立以交流充電樁建設和管理費用、電動汽車路上運行費用及充電等待費用最小為目標函數的交流充電樁建設模式,并給出該模式的仿真求解過程。通過算例求解驗證了該交流充電樁建設模式的可行性,可根據區(qū)域內電動汽車數量預先計算交流充電樁的建設數量及位置。該研究可有效降低交流充電樁的建設費用,快速、健康、高效地推動電動汽車產業(yè)的發(fā)展。

1 電動汽車充電樁建設影響因素分析

1.1 電動汽車充電量的總體需求

電動汽車充電量的總體需求是影響交流充電樁布局的關鍵因素。只有充電量達到一定規(guī)模之后，交流充電樁建設才能實現大規(guī)模布點。電動汽車充電量與電動汽車保有量、車輛的日均行駛里程和單位里程能耗水平等因素相關。

1.2 多場景運行模式

在不同場景運行模式下，電動汽車對其續(xù)航能力和充電時間要求也不同，從而影響著充電的方式和電能的消耗，交流充電樁建設方式和功率需求也將受到直接影響。根據不同的用戶類型，電動汽車可以分為示范區(qū)用車、集團用車、社會車輛等，每類車輛的日耗電量、出行路線、作息規(guī)律、充電時間等各不相同，需要考慮其各自特性對交流充電樁的建設影響。

1.3 商業(yè)運營模式影響

商業(yè)化運營是交流充電樁建設模式合理與否的重要指標之一，包括建設成本、充電成本、交流充電樁運營安全及能力、充電接口標準、充電樁良性發(fā)展政策等影響。既要考慮因電網改建、土地購置、環(huán)境治理等所帶來的成本，也要考慮交流充電樁建成后的社會效益。交流充電樁建設的不同地點、不同規(guī)模將直接影響到充電者的路上行駛成本和充電等待成本。

2 國際主流的三種充電樁運營模式分析

目前國際主流的充電樁運營模式有三種，它們分別是： 政府為主導的充電樁運營模式、電網企業(yè)為主導的充電樁運營模式、汽車廠商為主導的充電樁運營模式。它們各有優(yōu)缺點，接下來將對比結果分別進行如下論述：

政府為主導的充電樁運營模式，即政府作為電動汽車充電樁的投資主體，政府組織汽車廠商、電力供應商、設備供應商共同參與充電樁的建設與運營，代表國家如日本和美國。該模式適用于電動汽車發(fā)展初期、商業(yè)化運行規(guī)模較小的階段，需要政府鼓勵和扶持企業(yè)從事充電樁的建設。政府出資建設運營充電樁，產生的虧損可由財政負擔，可促進電動汽車商業(yè)化運行的實施和發(fā)展，但是隨著充電樁數量的增加，投資需求增大，政府財政將難以支撐，且該模式由于缺乏市場競爭，會導致充電樁項目效率低下。

電網企業(yè)為主導的充電樁運營模式，即電網企業(yè)作為電動汽車充電樁的投資主體，負責電動汽車充電樁的建設與運營，充電設施具有完全的商業(yè)化性質，代表國家有法國和德國。該模式適用于電動汽車商業(yè)化運行規(guī)模較大，充電用戶規(guī)模和服務需求相對穩(wěn)定，投資渠道通暢。目前已有國家電網、南方電網承擔電動汽車充電樁的建設。電網企業(yè)建設充電樁是看好充電樁的盈利前景，電網企業(yè)建充電樁具備電力資源優(yōu)勢、網絡傳輸優(yōu)勢和技術標準優(yōu)勢，但是缺少終端銷售網絡和充電樁的運營經驗。

汽車廠商為主導的充電樁運營模式，即汽車廠商為促進電動汽車的推廣需要，自己投資建設充電樁，如電動汽車生產企業(yè)通用、豐田都是自己建設運營充電樁，為用戶提供商業(yè)化的充電服務。該模式適用于電動汽車商業(yè)化運行規(guī)模較大，充電服務基礎設施良好、商業(yè)化條件成熟、投資渠道通暢的發(fā)展階段。汽車廠商投資充電樁，是將充電樁的建設視為電動汽車后市場服務的部分內容，將產品與服務價值鏈整合，也是按照市場化原則實施商業(yè)化運作。但是當充電樁大規(guī)模增加時，提供的電力和技術可能無法滿足實際需求，充電樁利潤受到電價波動的影響。

3 我國電動汽車充電樁運營模式的選擇

截至2013年底，我國各類新能源汽車累計銷售大約4.5萬輛，遠落后于美國累計銷售20萬輛，其中私人購置新能源汽車只有一小部分。電動汽車在我國還處于發(fā)展初期，電動汽車基數小，截至2013年底電網企業(yè)已累計建成1.9萬臺充電樁，并且一小區(qū)27個充電樁僅一業(yè)主開電動汽車，電網企業(yè)布局充電樁閑置情況各地都有存在，電網企業(yè)要想獲得盈利，還是處于“萬里長征第一步”都沒開始的階段。

因此現階段不宜單純采用某一種模式，較為理想的選擇應是“汽車廠商+電網企業(yè)”的聯盟模式，即汽車廠商和電網企業(yè)聯盟建設運營充電樁。電網企業(yè)具有電能提供的條件，汽車廠商擁有龐大的終端銷售網絡以及掌握著充電樁的運營經驗，二者的合作能到達互利共贏的局面。汽車廠商在電力技術問題上難以突破，而電網企業(yè)建設充電樁也離不開汽車廠商，所以雙方的聯盟可以實現優(yōu)勢互補，推動電動汽車標準統(tǒng)一，推動電動汽車市場化進程。該模式不僅具備理論依據，而且可以克服單純的電網企業(yè)主導模式和汽車廠商主導模式的缺點，能較好地滿足現階段充電樁建設與運營的需要。

4 交流充電樁建設模式分析

4.1 建設模式設計

電動汽車交流充電樁的建設應圍繞“快速、健康、高效推動電動汽車產業(yè)的發(fā)展”這一核心目標，結合技術發(fā)展趨勢和現實條件進行綜合分析。本文結合電動汽車時空分布特性，從交流充電樁管理者和使用者兩個層面考慮，既要保證使用者充電便利、充電總成本小，又要盡量降低管理者的投資、維護費用，綜合考慮交流充電樁建設費用、人工管理費用和電動汽車充電過程產生的費用，建立以總花費最小為目標函數的交流充電樁建設模式。

4.1.1 決策變量

（1）電動汽車i是否接受交流充電樁j的充電服務，即

（2）電動汽車i在交流充電樁j的等待時間 ；

（3）充電樁j的坐標位置為 。

4.1.2 目標函數

目標函數即總花費最小，包括交流充電樁建設和管理費用、電動汽車路上運行費用及充電等待費用，其中建設和管理費用包括建樁費、工人累加工資和交流充電樁維修費用。目標函數表達式為：

(1)式中：n為電動汽車總數量；m為交流充電樁總數量；Zij為充電決策變量，當第i輛電動汽車在第j個交流充電樁充電時值為1，否則為0；dij為第i輛電動汽車到第j個交流充電樁的加權距離；tij為第i輛電動汽車到第j個交流充電樁的充電等待時間；Uj0為第j個交流充電樁建設及管理費用；Uj1為第j個交流充電樁可能的維修費用；Wi1為第i輛電動汽車單位行駛距離消耗費用；Wi2為第i輛電動汽車單位等待時間消耗費用。

該模型是一個動態(tài)模型，充分考慮了不同電動汽車到不同交流充電樁的距離及充電等待時間等多個因素的影響，且建模過程中使用了加權系數，使得理論距離更接近實際距離，更符合實際，因而模型更為準確、可靠。

4.1.3 約束條件

目標函數式(1)中包含需求約束、空間約束和時間約束3個約束條件。

1)需求約束：該地區(qū)總的充電樁需求量小于等于該地的充電樁總數。

（2）式中：η-1nα/(24-tj)為交流充電樁充電速率約束；Qnnα/(24Pb)為充電功率約束；Qn為每輛電動汽車的平均充電電量；α為每日整個規(guī)劃區(qū)域所有電動汽車中有充電需求的用戶比例；η為電動汽車充電速率比率，一般取值 0.5，1，2 等，分別對應0.5C，1C，2C速率充電，其中C為電池充電電流與電池額定容量的比值；tj為第j個充電樁每日平均等待電動汽車接入時間，單位h；Pb為單臺標準交流充電樁的充電功率， 。

2)空間約束。第i輛汽車到第j個充電樁的距離小于等于充電電動汽車發(fā)出充電預警后允許行駛的最大交通距離。設定交流充電樁的坐標為(Xj，Yj)，需充電電動汽車坐標為(xj，yj)，則加權距離即可能的實際行駛距離為：

其中（i=1，2，…，n）

（3）式中：ωi為第i輛電動汽車距離加權系數；Dlimit為設定的被充電電動汽車發(fā)出充電預警后允許行駛的最大交通距離；交流充電樁位置坐標(Xj，Yj)根據區(qū)域內電動汽車數量隨機選取，需充電電動汽車坐標(xj，yj) 同樣隨機選取。

3) 時間約束。第i輛電動汽車到第j個交流充電樁的充電排隊等待時間需滿足下式要求：

（4）式中：Nij為第i個電動汽車到達交流充電樁j處時等待充電的電動汽車個數；τ為每輛電動汽車充電時間，一般取1h。

4.2 建設模式求解流程分析

針對上述交流充電樁建設模式，需要通過仿真分析最優(yōu)化的交流充電樁位置及數量，本節(jié)給出該仿真求解流程分析，如圖1所示。

圖1交流充電樁建設模式求解流程

圖1 中，需要根據假定的交流充電樁信息和實際的電動汽車信息構建包含電動汽車和交流充電樁的車—樁信息庫，其中交流充電樁信息包含充電樁數量和建設位置等信息，電動汽車信息包含所有電動汽車出發(fā)時的剩余電量、出發(fā)時刻及對應位置等信息。通過分析電動汽車i在時刻t的狀態(tài)信息，引導該輛電動汽車去最合理的交流充電樁充電。該仿真過程可根據區(qū)域內電動汽車數量及相關交通信息確定合理的交流充電樁建設數量及位置，避免因多投資建樁產生額外費用。

該優(yōu)化布局方案是在收集某區(qū)域可能的電動汽車用戶行為特性基礎上，根據電動汽車充電負荷預測建立可能的“車—樁信息庫模型”，通過判斷車輛行駛狀態(tài)實時更新“車—樁信息庫模型”，最終得到可能的交流充電樁最優(yōu)分布位置。針對其他區(qū)域交流充電樁的優(yōu)化，同樣需要分析該區(qū)域電動汽車用戶行為特性等，并針對該特性建立相應的“車—樁信息庫模型”。

5 結論

在以上資料背景下，綜合多方面電動汽車充電樁的影響因素，提出一種考慮時間約束的交流充電樁建設模式，通過對有充電需求電動汽車空間行駛距離、等待充電時間以及交流充電樁建設管理等費用的計算，得出較為優(yōu)化的交流充電樁建設方案，使得充電綜合費用最小。結果表明，該方案可快速確定合理的交流充電樁數量和位置，降低投資風險，為電動汽車的健康、快速、高效發(fā)展提供有力保障。