胡雨婷 成都市實(shí)驗(yàn)外國語學(xué)校

引言：發(fā)展電動(dòng)汽車作為應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境污染的有效手段,受到全球各國的關(guān)注。電動(dòng)汽車以其節(jié)能、減污的特點(diǎn)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(dòng)汽車的研發(fā)已取得了突破性進(jìn)展,國家電網(wǎng)公司也在積極推進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展,世界各國的電動(dòng)汽車正逐漸走向商品化及應(yīng)用階段,因此電動(dòng)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(dòng)汽車產(chǎn)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(shí)提升幾個(gè)方面加大投入,從而加快中國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的增長，充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求也越來越大，充電樁的建設(shè)成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的重要因素，充電樁規(guī)劃就成了當(dāng)前的熱點(diǎn)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(jìn)行的，主要基于已有的城市格局、交通流量信息和配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，考慮物理區(qū)域劃分以及電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(dòng)汽車充電需求增加,通過分析電動(dòng)汽車充電量總體需求、多場景運(yùn)行模式及商業(yè)運(yùn)營模式等因素的影響,建立以交流充電樁建設(shè)和管理費(fèi)用、電動(dòng)汽車路上運(yùn)行費(fèi)用及充電等待費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)的交流充電樁建設(shè)模式,并給出該模式的仿真求解過程。通過算例求解驗(yàn)證了該交流充電樁建設(shè)模式的可行性,可根據(jù)區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車數(shù)量預(yù)先計(jì)算交流充電樁的建設(shè)數(shù)量及位置。該研究可有效降低交流充電樁的建設(shè)費(fèi)用,快速、健康、高效地推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 電動(dòng)汽車充電樁建設(shè)影響因素分析

1.1 電動(dòng)汽車充電量的總體需求

電動(dòng)汽車充電量的總體需求是影響交流充電樁布局的關(guān)鍵因素。只有充電量達(dá)到一定規(guī)模之后，交流充電樁建設(shè)才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模布點(diǎn)。電動(dòng)汽車充電量與電動(dòng)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(guān)。

1.2 多場景運(yùn)行模式

在不同場景運(yùn)行模式下，電動(dòng)汽車對其續(xù)航能力和充電時(shí)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(shè)方式和功率需求也將受到直接影響。根據(jù)不同的用戶類型，電動(dòng)汽車可以分為示范區(qū)用車、集團(tuán)用車、社會(huì)車輛等，每類車輛的日耗電量、出行路線、作息規(guī)律、充電時(shí)間等各不相同，需要考慮其各自特性對交流充電樁的建設(shè)影響。

1.3 商業(yè)運(yùn)營模式影響

商業(yè)化運(yùn)營是交流充電樁建設(shè)模式合理與否的重要指標(biāo)之一，包括建設(shè)成本、充電成本、交流充電樁運(yùn)營安全及能力、充電接口標(biāo)準(zhǔn)、充電樁良性發(fā)展政策等影響。既要考慮因電網(wǎng)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(huì)效益。交流充電樁建設(shè)的不同地點(diǎn)、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(yùn)營模式分析

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

政府為主導(dǎo)的充電樁運(yùn)營模式，即政府作為電動(dòng)汽車充電樁的投資主體，政府組織汽車廠商、電力供應(yīng)商、設(shè)備供應(yīng)商共同參與充電樁的建設(shè)與運(yùn)營，代表國家如日本和美國。該模式適用于電動(dòng)汽車發(fā)展初期、商業(yè)化運(yùn)行規(guī)模較小的階段，需要政府鼓勵(lì)和扶持企業(yè)從事充電樁的建設(shè)。政府出資建設(shè)運(yùn)營充電樁，產(chǎn)生的虧損可由財(cái)政負(fù)擔(dān)，可促進(jìn)電動(dòng)汽車商業(yè)化運(yùn)行的實(shí)施和發(fā)展，但是隨著充電樁數(shù)量的增加，投資需求增大，政府財(cái)政將難以支撐，且該模式由于缺乏市場競爭，會(huì)導(dǎo)致充電樁項(xiàng)目效率低下。

電網(wǎng)企業(yè)為主導(dǎo)的充電樁運(yùn)營模式，即電網(wǎng)企業(yè)作為電動(dòng)汽車充電樁的投資主體，負(fù)責(zé)電動(dòng)汽車充電樁的建設(shè)與運(yùn)營，充電設(shè)施具有完全的商業(yè)化性質(zhì)，代表國家有法國和德國。該模式適用于電動(dòng)汽車商業(yè)化運(yùn)行規(guī)模較大，充電用戶規(guī)模和服務(wù)需求相對穩(wěn)定，投資渠道通暢。目前已有國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)承擔(dān)電動(dòng)汽車充電樁的建設(shè)。電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)充電樁是看好充電樁的盈利前景，電網(wǎng)企業(yè)建充電樁具備電力資源優(yōu)勢、網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)勢和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢，但是缺少終端銷售網(wǎng)絡(luò)和充電樁的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。

汽車廠商為主導(dǎo)的充電樁運(yùn)營模式，即汽車廠商為促進(jìn)電動(dòng)汽車的推廣需要，自己投資建設(shè)充電樁，如電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)通用、豐田都是自己建設(shè)運(yùn)營充電樁，為用戶提供商業(yè)化的充電服務(wù)。該模式適用于電動(dòng)汽車商業(yè)化運(yùn)行規(guī)模較大，充電服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)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(shè)視為電動(dòng)汽車后市場服務(wù)的部分內(nèi)容，將產(chǎn)品與服務(wù)價(jià)值鏈整合，也是按照市場化原則實(shí)施商業(yè)化運(yùn)作。但是當(dāng)充電樁大規(guī)模增加時(shí)，提供的電力和技術(shù)可能無法滿足實(shí)際需求，充電樁利潤受到電價(jià)波動(dòng)的影響。

3 我國電動(dòng)汽車充電樁運(yùn)營模式的選擇

截至2013年底，我國各類新能源汽車?yán)塾?jì)銷售大約4.5萬輛，遠(yuǎn)落后于美國累計(jì)銷售20萬輛，其中私人購置新能源汽車只有一小部分。電動(dòng)汽車在我國還處于發(fā)展初期，電動(dòng)汽車基數(shù)小，截至2013年底電網(wǎng)企業(yè)已累計(jì)建成1.9萬臺(tái)充電樁，并且一小區(qū)27個(gè)充電樁僅一業(yè)主開電動(dòng)汽車，電網(wǎng)企業(yè)布局充電樁閑置情況各地都有存在，電網(wǎng)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(xiàn)階段不宜單純采用某一種模式，較為理想的選擇應(yīng)是“汽車廠商+電網(wǎng)企業(yè)”的聯(lián)盟模式，即汽車廠商和電網(wǎng)企業(yè)聯(lián)盟建設(shè)運(yùn)營充電樁。電網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)以及掌握著充電樁的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，二者的合作能到達(dá)互利共贏的局面。汽車廠商在電力技術(shù)問題上難以突破，而電網(wǎng)企業(yè)建設(shè)充電樁也離不開汽車廠商，所以雙方的聯(lián)盟可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，推動(dòng)電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，推動(dòng)電動(dòng)汽車市場化進(jìn)程。該模式不僅具備理論依據(jù)，而且可以克服單純的電網(wǎng)企業(yè)主導(dǎo)模式和汽車廠商主導(dǎo)模式的缺點(diǎn)，能較好地滿足現(xiàn)階段充電樁建設(shè)與運(yùn)營的需要。

4 交流充電樁建設(shè)模式分析

4.1 建設(shè)模式設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車交流充電樁的建設(shè)應(yīng)圍繞“快速、健康、高效推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展”這一核心目標(biāo)，結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢和現(xiàn)實(shí)條件進(jìn)行綜合分析。本文結(jié)合電動(dòng)汽車時(shí)空分布特性，從交流充電樁管理者和使用者兩個(gè)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(hù)費(fèi)用，綜合考慮交流充電樁建設(shè)費(fèi)用、人工管理費(fèi)用和電動(dòng)汽車充電過程產(chǎn)生的費(fèi)用，建立以總花費(fèi)最小為目標(biāo)函數(shù)的交流充電樁建設(shè)模式。

4.1.1 決策變量

（1）電動(dòng)汽車i是否接受交流充電樁j的充電服務(wù)，即

（2）電動(dòng)汽車i在交流充電樁j的等待時(shí)間 ；

（3）充電樁j的坐標(biāo)位置為 。

4.1.2 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)即總花費(fèi)最小，包括交流充電樁建設(shè)和管理費(fèi)用、電動(dòng)汽車路上運(yùn)行費(fèi)用及充電等待費(fèi)用，其中建設(shè)和管理費(fèi)用包括建樁費(fèi)、工人累加工資和交流充電樁維修費(fèi)用。目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

(1)式中：n為電動(dòng)汽車總數(shù)量；m為交流充電樁總數(shù)量；Zij為充電決策變量，當(dāng)?shù)趇輛電動(dòng)汽車在第j個(gè)交流充電樁充電時(shí)值為1，否則為0；dij為第i輛電動(dòng)汽車到第j個(gè)交流充電樁的加權(quán)距離；tij為第i輛電動(dòng)汽車到第j個(gè)交流充電樁的充電等待時(shí)間；Uj0為第j個(gè)交流充電樁建設(shè)及管理費(fèi)用；Uj1為第j個(gè)交流充電樁可能的維修費(fèi)用；Wi1為第i輛電動(dòng)汽車單位行駛距離消耗費(fèi)用；Wi2為第i輛電動(dòng)汽車單位等待時(shí)間消耗費(fèi)用。

該模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)模型，充分考慮了不同電動(dòng)汽車到不同交流充電樁的距離及充電等待時(shí)間等多個(gè)因素的影響，且建模過程中使用了加權(quán)系數(shù)，使得理論距離更接近實(shí)際距離，更符合實(shí)際，因而模型更為準(zhǔn)確、可靠。

4.1.3 約束條件

目標(biāo)函數(shù)式(1)中包含需求約束、空間約束和時(shí)間約束3個(gè)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(shù)。

（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(dòng)汽車的平均充電電量；α為每日整個(gè)規(guī)劃區(qū)域所有電動(dòng)汽車中有充電需求的用戶比例；η為電動(dòng)汽車充電速率比率，一般取值 0.5，1，2 等，分別對應(yīng)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(gè)充電樁每日平均等待電動(dòng)汽車接入時(shí)間，單位h；Pb為單臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)交流充電樁的充電功率， 。

2)空間約束。第i輛汽車到第j個(gè)充電樁的距離小于等于充電電動(dòng)汽車發(fā)出充電預(yù)警后允許行駛的最大交通距離。設(shè)定交流充電樁的坐標(biāo)為(Xj，Yj)，需充電電動(dòng)汽車坐標(biāo)為(xj，yj)，則加權(quán)距離即可能的實(shí)際行駛距離為：

其中（i=1，2，…，n）

（3）式中：ωi為第i輛電動(dòng)汽車距離加權(quán)系數(shù)；Dlimit為設(shè)定的被充電電動(dòng)汽車發(fā)出充電預(yù)警后允許行駛的最大交通距離；交流充電樁位置坐標(biāo)(Xj，Yj)根據(jù)區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車數(shù)量隨機(jī)選取，需充電電動(dòng)汽車坐標(biāo)(xj，yj) 同樣隨機(jī)選取。

3) 時(shí)間約束。第i輛電動(dòng)汽車到第j個(gè)交流充電樁的充電排隊(duì)等待時(shí)間需滿足下式要求：

（4）式中：Nij為第i個(gè)電動(dòng)汽車到達(dá)交流充電樁j處時(shí)等待充電的電動(dòng)汽車個(gè)數(shù)；τ為每輛電動(dòng)汽車充電時(shí)間，一般取1h。

4.2 建設(shè)模式求解流程分析

針對上述交流充電樁建設(shè)模式，需要通過仿真分析最優(yōu)化的交流充電樁位置及數(shù)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(shè)模式求解流程

圖1 中，需要根據(jù)假定的交流充電樁信息和實(shí)際的電動(dòng)汽車信息構(gòu)建包含電動(dòng)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(shù)量和建設(shè)位置等信息，電動(dòng)汽車信息包含所有電動(dòng)汽車出發(fā)時(shí)的剩余電量、出發(fā)時(shí)刻及對應(yīng)位置等信息。通過分析電動(dòng)汽車i在時(shí)刻t的狀態(tài)信息，引導(dǎo)該輛電動(dòng)汽車去最合理的交流充電樁充電。該仿真過程可根據(jù)區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車數(shù)量及相關(guān)交通信息確定合理的交流充電樁建設(shè)數(shù)量及位置，避免因多投資建樁產(chǎn)生額外費(fèi)用。

該優(yōu)化布局方案是在收集某區(qū)域可能的電動(dòng)汽車用戶行為特性基礎(chǔ)上，根據(jù)電動(dòng)汽車充電負(fù)荷預(yù)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(shí)時(shí)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(dòng)汽車用戶行為特性等，并針對該特性建立相應(yīng)的“車—樁信息庫模型”。

5 結(jié)論

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