电动汽车充电桩的优化选择

胡雨婷 成都市实验外国语学校

引言：发展电动汽车作为应对能源危机和环境污染的有效手段,受到全球各国的关注。电动汽车以其节能、减污的特点能在一定程度上解决我国能源短缺和环境污染问题,我国电动汽车的研发已取得了突破性进展,国家电网公司也在积极推进电动汽车的发展,世界各国的电动汽车正逐渐走向商品化及应用阶段,因此电动汽车的发展将成为中国汽车工业的必由之路。中国电动汽车产业发展需要在政府政策、商业模式创新、合作伙伴以及公众意识提升几个方面加大投入,从而加快中国电动汽车产业发展。

随着电动汽车数量的增长，充电基础设施的需求也越来越大，充电桩的建设成为制约电动汽车发展的重要因素，充电桩规划就成了当前的热点问题。目前研究充电桩规划多是围绕选址与定容两方面进行的，主要基于已有的城市格局、交通流量信息和配电网结构，考虑物理区域划分以及电力网络结构等因素对于充电桩规划的约束，并取得了很大的成果。针对电动汽车充电需求增加,通过分析电动汽车充电量总体需求、多场景运行模式及商业运营模式等因素的影响,建立以交流充电桩建设和管理费用、电动汽车路上运行费用及充电等待费用最小为目标函数的交流充电桩建设模式,并给出该模式的仿真求解过程。通过算例求解验证了该交流充电桩建设模式的可行性,可根据区域内电动汽车数量预先计算交流充电桩的建设数量及位置。该研究可有效降低交流充电桩的建设费用,快速、健康、高效地推动电动汽车产业的发展。

1 电动汽车充电桩建设影响因素分析

1.1 电动汽车充电量的总体需求

电动汽车充电量的总体需求是影响交流充电桩布局的关键因素。只有充电量达到一定规模之后，交流充电桩建设才能实现大规模布点。电动汽车充电量与电动汽车保有量、车辆的日均行驶里程和单位里程能耗水平等因素相关。

1.2 多场景运行模式

在不同场景运行模式下，电动汽车对其续航能力和充电时间要求也不同，从而影响着充电的方式和电能的消耗，交流充电桩建设方式和功率需求也将受到直接影响。根据不同的用户类型，电动汽车可以分为示范区用车、集团用车、社会车辆等，每类车辆的日耗电量、出行路线、作息规律、充电时间等各不相同，需要考虑其各自特性对交流充电桩的建设影响。

1.3 商业运营模式影响

商业化运营是交流充电桩建设模式合理与否的重要指标之一，包括建设成本、充电成本、交流充电桩运营安全及能力、充电接口标准、充电桩良性发展政策等影响。既要考虑因电网改建、土地购置、环境治理等所带来的成本，也要考虑交流充电桩建成后的社会效益。交流充电桩建设的不同地点、不同规模将直接影响到充电者的路上行驶成本和充电等待成本。

2 国际主流的三种充电桩运营模式分析

目前国际主流的充电桩运营模式有三种，它们分别是： 政府为主导的充电桩运营模式、电网企业为主导的充电桩运营模式、汽车厂商为主导的充电桩运营模式。它们各有优缺点，接下来将对比结果分别进行如下论述：

政府为主导的充电桩运营模式，即政府作为电动汽车充电桩的投资主体，政府组织汽车厂商、电力供应商、设备供应商共同参与充电桩的建设与运营，代表国家如日本和美国。该模式适用于电动汽车发展初期、商业化运行规模较小的阶段，需要政府鼓励和扶持企业从事充电桩的建设。政府出资建设运营充电桩，产生的亏损可由财政负担，可促进电动汽车商业化运行的实施和发展，但是随着充电桩数量的增加，投资需求增大，政府财政将难以支撑，且该模式由于缺乏市场竞争，会导致充电桩项目效率低下。

电网企业为主导的充电桩运营模式，即电网企业作为电动汽车充电桩的投资主体，负责电动汽车充电桩的建设与运营，充电设施具有完全的商业化性质，代表国家有法国和德国。该模式适用于电动汽车商业化运行规模较大，充电用户规模和服务需求相对稳定，投资渠道通畅。目前已有国家电网、南方电网承担电动汽车充电桩的建设。电网企业建设充电桩是看好充电桩的盈利前景，电网企业建充电桩具备电力资源优势、网络传输优势和技术标准优势，但是缺少终端销售网络和充电桩的运营经验。

汽车厂商为主导的充电桩运营模式，即汽车厂商为促进电动汽车的推广需要，自己投资建设充电桩，如电动汽车生产企业通用、丰田都是自己建设运营充电桩，为用户提供商业化的充电服务。该模式适用于电动汽车商业化运行规模较大，充电服务基础设施良好、商业化条件成熟、投资渠道通畅的发展阶段。汽车厂商投资充电桩，是将充电桩的建设视为电动汽车后市场服务的部分内容，将产品与服务价值链整合，也是按照市场化原则实施商业化运作。但是当充电桩大规模增加时，提供的电力和技术可能无法满足实际需求，充电桩利润受到电价波动的影响。

3 我国电动汽车充电桩运营模式的选择

截至2013年底，我国各类新能源汽车累计销售大约4.5万辆，远落后于美国累计销售20万辆，其中私人购置新能源汽车只有一小部分。电动汽车在我国还处于发展初期，电动汽车基数小，截至2013年底电网企业已累计建成1.9万台充电桩，并且一小区27个充电桩仅一业主开电动汽车，电网企业布局充电桩闲置情况各地都有存在，电网企业要想获得盈利，还是处于“万里长征第一步”都没开始的阶段。

因此现阶段不宜单纯采用某一种模式，较为理想的选择应是“汽车厂商+电网企业”的联盟模式，即汽车厂商和电网企业联盟建设运营充电桩。电网企业具有电能提供的条件，汽车厂商拥有庞大的终端销售网络以及掌握着充电桩的运营经验，二者的合作能到达互利共赢的局面。汽车厂商在电力技术问题上难以突破，而电网企业建设充电桩也离不开汽车厂商，所以双方的联盟可以实现优势互补，推动电动汽车标准统一，推动电动汽车市场化进程。该模式不仅具备理论依据，而且可以克服单纯的电网企业主导模式和汽车厂商主导模式的缺点，能较好地满足现阶段充电桩建设与运营的需要。

4 交流充电桩建设模式分析

4.1 建设模式设计

电动汽车交流充电桩的建设应围绕“快速、健康、高效推动电动汽车产业的发展”这一核心目标，结合技术发展趋势和现实条件进行综合分析。本文结合电动汽车时空分布特性，从交流充电桩管理者和使用者两个层面考虑，既要保证使用者充电便利、充电总成本小，又要尽量降低管理者的投资、维护费用，综合考虑交流充电桩建设费用、人工管理费用和电动汽车充电过程产生的费用，建立以总花费最小为目标函数的交流充电桩建设模式。

4.1.1 决策变量

（1）电动汽车i是否接受交流充电桩j的充电服务，即

（2）电动汽车i在交流充电桩j的等待时间 ；

（3）充电桩j的坐标位置为 。

4.1.2 目标函数

目标函数即总花费最小，包括交流充电桩建设和管理费用、电动汽车路上运行费用及充电等待费用，其中建设和管理费用包括建桩费、工人累加工资和交流充电桩维修费用。目标函数表达式为：

(1)式中：n为电动汽车总数量；m为交流充电桩总数量；Zij为充电决策变量，当第i辆电动汽车在第j个交流充电桩充电时值为1，否则为0；dij为第i辆电动汽车到第j个交流充电桩的加权距离；tij为第i辆电动汽车到第j个交流充电桩的充电等待时间；Uj0为第j个交流充电桩建设及管理费用；Uj1为第j个交流充电桩可能的维修费用；Wi1为第i辆电动汽车单位行驶距离消耗费用；Wi2为第i辆电动汽车单位等待时间消耗费用。

该模型是一个动态模型，充分考虑了不同电动汽车到不同交流充电桩的距离及充电等待时间等多个因素的影响，且建模过程中使用了加权系数，使得理论距离更接近实际距离，更符合实际，因而模型更为准确、可靠。

4.1.3 约束条件

目标函数式(1)中包含需求约束、空间约束和时间约束3个约束条件。

1)需求约束：该地区总的充电桩需求量小于等于该地的充电桩总数。

（2）式中：η-1nα/(24-tj)为交流充电桩充电速率约束；Qnnα/(24Pb)为充电功率约束；Qn为每辆电动汽车的平均充电电量；α为每日整个规划区域所有电动汽车中有充电需求的用户比例；η为电动汽车充电速率比率，一般取值 0.5，1，2 等，分别对应0.5C，1C，2C速率充电，其中C为电池充电电流与电池额定容量的比值；tj为第j个充电桩每日平均等待电动汽车接入时间，单位h；Pb为单台标准交流充电桩的充电功率， 。

2)空间约束。第i辆汽车到第j个充电桩的距离小于等于充电电动汽车发出充电预警后允许行驶的最大交通距离。设定交流充电桩的坐标为(Xj，Yj)，需充电电动汽车坐标为(xj，yj)，则加权距离即可能的实际行驶距离为：

其中（i=1，2，…，n）

（3）式中：ωi为第i辆电动汽车距离加权系数；Dlimit为设定的被充电电动汽车发出充电预警后允许行驶的最大交通距离；交流充电桩位置坐标(Xj，Yj)根据区域内电动汽车数量随机选取，需充电电动汽车坐标(xj，yj) 同样随机选取。

3) 时间约束。第i辆电动汽车到第j个交流充电桩的充电排队等待时间需满足下式要求：

（4）式中：Nij为第i个电动汽车到达交流充电桩j处时等待充电的电动汽车个数；τ为每辆电动汽车充电时间，一般取1h。

4.2 建设模式求解流程分析

针对上述交流充电桩建设模式，需要通过仿真分析最优化的交流充电桩位置及数量，本节给出该仿真求解流程分析，如图1所示。

图1交流充电桩建设模式求解流程

图1 中，需要根据假定的交流充电桩信息和实际的电动汽车信息构建包含电动汽车和交流充电桩的车—桩信息库，其中交流充电桩信息包含充电桩数量和建设位置等信息，电动汽车信息包含所有电动汽车出发时的剩余电量、出发时刻及对应位置等信息。通过分析电动汽车i在时刻t的状态信息，引导该辆电动汽车去最合理的交流充电桩充电。该仿真过程可根据区域内电动汽车数量及相关交通信息确定合理的交流充电桩建设数量及位置，避免因多投资建桩产生额外费用。

该优化布局方案是在收集某区域可能的电动汽车用户行为特性基础上，根据电动汽车充电负荷预测建立可能的“车—桩信息库模型”，通过判断车辆行驶状态实时更新“车—桩信息库模型”，最终得到可能的交流充电桩最优分布位置。针对其他区域交流充电桩的优化，同样需要分析该区域电动汽车用户行为特性等，并针对该特性建立相应的“车—桩信息库模型”。

5 结论

在以上资料背景下，综合多方面电动汽车充电桩的影响因素，提出一种考虑时间约束的交流充电桩建设模式，通过对有充电需求电动汽车空间行驶距离、等待充电时间以及交流充电桩建设管理等费用的计算，得出较为优化的交流充电桩建设方案，使得充电综合费用最小。结果表明，该方案可快速确定合理的交流充电桩数量和位置，降低投资风险，为电动汽车的健康、快速、高效发展提供有力保障。