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
1.1 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?,?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。
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。
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,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。
表4-1
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。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。
6.1 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。