劉良 劉福華 宮濤 梅永振 陳林

宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)與軌道交通學(xué)院 四川省宜賓市 644099

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)新能源汽車(chē)基本進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段，隨著我國(guó)政府對(duì)“雙碳戰(zhàn)略”行動(dòng)（碳達(dá)峰、碳中和）的實(shí)施，新能源汽車(chē)在市場(chǎng)中的占比將呈總體加速上升趨勢(shì)，燃油車(chē)出現(xiàn)萎縮，新能源汽車(chē)成為汽車(chē)市場(chǎng)的增量，預(yù)計(jì)2021 年全國(guó)新能源汽車(chē)總銷(xiāo)量將達(dá)到240 萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)滲透率超過(guò)10% 以上。截至2021 年6 月數(shù)據(jù)，我國(guó)有新能源汽車(chē)近603 萬(wàn)輛（純電動(dòng)汽車(chē)保有量493 萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)總量的81.7%），占汽車(chē)保有量的2.1%（由于區(qū)域不均衡，發(fā)達(dá)地區(qū)如北京、上海占比更高，超過(guò)5%）。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)2020 年11 月20日?qǐng)?bào)道統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，國(guó)網(wǎng)智慧車(chē)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接入充電樁的最新數(shù)據(jù)為103 萬(wàn)個(gè)，其中公共充電樁為62.6 萬(wàn)，涵蓋高速公路快充站、城市公共站、公交物流專(zhuān)用站、社區(qū)私人共享樁、港口岸等各類(lèi)充電設(shè)施，形成了全球最大的充電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，2010 年-2019年我國(guó)充電樁保有量增長(zhǎng)見(jiàn)圖1。但目前充電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力和服務(wù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大量且分散的私家電動(dòng)汽車(chē)快速增長(zhǎng)的充電需求，要推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的快速普及，加速“雙碳戰(zhàn)略”，須大力提升充電站的服務(wù)水平，尤其是增加充電站數(shù)量和提升充電站的運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平，而以用戶充電需求為導(dǎo)向的充電站的選址和定容優(yōu)化，提供最大限度的便利性、經(jīng)濟(jì)性和滿意度是影響電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。

圖1 2010 年-2019 年充電樁保有量增長(zhǎng)

2 充電站選址及定容優(yōu)化策略問(wèn)題

隨著我國(guó)新能源汽車(chē)快速滲透發(fā)展，其保有量越來(lái)越大，雖然充電站（樁）的建設(shè)得到快速發(fā)展，但是充電設(shè)施和用戶需求之間的矛盾仍然較大，如何基于區(qū)域內(nèi)新能源汽車(chē)保有量增長(zhǎng)趨勢(shì)科學(xué)合理布局充電站（樁），優(yōu)化充電站（樁）容量，提高用戶需求的便利性，是加速電動(dòng)汽車(chē)的推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.1 充電站（樁）選址優(yōu)化策略問(wèn)題

2.1.1 充電站（樁）選址優(yōu)化考慮因素

（1）城市發(fā)展規(guī)劃：充電站（樁）選址要融入城市發(fā)展規(guī)劃，尤其是城市的交通網(wǎng)絡(luò)分布，應(yīng)把充電站（樁）選址和城市交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)科學(xué)合理規(guī)劃布局。

（2）電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃：電力系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)推廣應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，充電站（樁）選址要盡量保證區(qū)域電量負(fù)荷平衡，城市電力系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)時(shí)，要有前瞻性，要充分考慮電動(dòng)汽車(chē)普及后的供電質(zhì)量和供電的可靠性。

（3）充分滿足用戶需求，充電站（樁）選址要充分考慮地理位置、建站成本控制和用戶使用便利性相結(jié)合的原則。

2.1.2 充電站（樁）選址方案

（1）充電站（樁）類(lèi)型特點(diǎn)及用戶群

目前，隨著技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)的補(bǔ)能方式日新月異，但主流的還是慢充充電、直流快充和電池更換三組種。

慢充充電主要是利用隨車(chē)配備的車(chē)載充電機(jī)充電，把220V 或者380V 的交流電通過(guò)車(chē)載充電機(jī)整流、升壓后給電池組充電。慢充充電電流較小，根據(jù)不同的充電樁功率，電流一般在16～32A 左右，因充電功率和電池組容量不同，需要5～8小時(shí)才能充滿，充電時(shí)間較長(zhǎng)。慢充充電主要特點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)線路等要求不高，充電樁安裝成本較低，又能充分利用夜間電力低谷時(shí)段進(jìn)行充電，大大的降低了用戶的充電成本，同時(shí)因充電電流較小，便于對(duì)電池進(jìn)行深度充電，從而提升電池充放電效率，能較好的延長(zhǎng)電池壽命。因此，慢充充電主要是滿足晚上休息，白天工作的電動(dòng)車(chē)輛，尤其是越來(lái)越多的以城市內(nèi)短途代步的私家電動(dòng)汽車(chē)。

直流快充電利用安裝在地面的大功率直流充電機(jī)，經(jīng)與電池管理系統(tǒng)BMS 進(jìn)行通訊，確保安全的情況下通過(guò)直流母線直接給電池組充電。充電機(jī)功率大于50KW，直流快充因充電機(jī)功率不同輸出電流和電壓變化范圍寬，其充電電流一般為150～400A，充電電壓一般為200～800V，大多能在30 分鐘左右使電池組充至80%左右的電量，大大縮短了充電時(shí)間。直流快充充電主要特點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)線路等要求高，使得充電機(jī)安裝要求和成本較高，同時(shí)因充電電流和電壓過(guò)高，電池發(fā)熱過(guò)多，對(duì)電池冷卻要求高，導(dǎo)致電池組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，瞬時(shí)對(duì)電池的沖擊較大，使得電池的活性物質(zhì)易脫落，降低了電池使用壽命。因此，直流快充主要滿足白天長(zhǎng)期運(yùn)行的車(chē)輛，如電動(dòng)公交車(chē)、網(wǎng)約車(chē)、出租車(chē)和行駛距離比較遠(yuǎn)的城際運(yùn)行車(chē)輛。

充電站（樁）的建設(shè)時(shí)，要根據(jù)不同運(yùn)行要求的車(chē)輛及保有量對(duì)充電需求進(jìn)行綜合分析，不同運(yùn)行要求的車(chē)輛對(duì)充電的需求是不同的，充電站（樁）的布局應(yīng)根據(jù)運(yùn)行車(chē)輛適合的充電方式進(jìn)行綜合的方案設(shè)計(jì)。未來(lái)發(fā)展主流的以城市內(nèi)短途代步的私家電動(dòng)汽車(chē)的行駛路線或時(shí)間比較穩(wěn)定，可在住宅小區(qū)停車(chē)場(chǎng)及車(chē)庫(kù)，結(jié)合政府辦公場(chǎng)所、大型商業(yè)、學(xué)校、旅游景點(diǎn)、社會(huì)停車(chē)場(chǎng)、企業(yè)集中停車(chē)場(chǎng)等比較固定的區(qū)域，建設(shè)以慢充為主，輔以一定數(shù)量快充的充電站（樁），保證車(chē)輛的正常行駛和工作。電動(dòng)公交車(chē)、網(wǎng)約車(chē)、出租車(chē)和行駛距離比較遠(yuǎn)的城際運(yùn)行車(chē)輛由于運(yùn)行線路不確定，應(yīng)在合理的服務(wù)半徑內(nèi)均衡布局直流快充充電站，提高充電效率，以及時(shí)補(bǔ)充電能滿足運(yùn)行需求。綜上所述，充電站（樁）布局要結(jié)合城市規(guī)劃，以區(qū)域內(nèi)用戶需求為導(dǎo)向，優(yōu)先分布布局的完善的基于用戶充電需求的慢充充電樁，輔以合理的服務(wù)半徑的直流快充充電站構(gòu)成完整配套的充電網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同類(lèi)型新能源車(chē)輛的充電需求，才能極大的提升新能源汽車(chē)用戶充電補(bǔ)能的便利性，從而提高新能源汽車(chē)的市場(chǎng)滲透率。

（2）充電站（樁）選址方案

在建設(shè)充電站時(shí)，以直流快充為主，建設(shè)成本高，要結(jié)合市政、高速路網(wǎng)、公交場(chǎng)站，盡量在公交場(chǎng)站、樞紐站、首末站、出租車(chē)場(chǎng)站、公園、高速休息區(qū)等進(jìn)行充電站規(guī)劃建設(shè)，同時(shí)合理利用現(xiàn)有加油加氣站進(jìn)行充電站改造。

在建設(shè)充電樁時(shí)，以交流慢充為主，建設(shè)成本較低，要結(jié)合政府辦公場(chǎng)所、大型商業(yè)區(qū)、學(xué)校、旅游景點(diǎn)、社會(huì)停車(chē)場(chǎng)、企業(yè)區(qū)域、小區(qū)內(nèi)停車(chē)位、車(chē)庫(kù)等，規(guī)劃建設(shè)共享型主導(dǎo)的充電樁網(wǎng)絡(luò)，提升充電樁的利用率。

2.1.3 充電站（樁）選址優(yōu)化問(wèn)題

（1）充電站（樁）選址與電動(dòng)汽車(chē)保有量和充電需求分布優(yōu)化問(wèn)題

電動(dòng)汽車(chē)保有量指的區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量，可通過(guò)交警部門(mén)查詢當(dāng)?shù)氐怯浀碾妱?dòng)車(chē)輛數(shù)據(jù)，并通過(guò)分析區(qū)域內(nèi)不同使用屬性的電動(dòng)車(chē)輛數(shù)量和充電需求，前瞻性的合理布局充電站（樁）。在充電站（樁）選址優(yōu)化過(guò)程中，要結(jié)合該區(qū)域電動(dòng)汽車(chē)的保有量和使用屬性為基礎(chǔ)，充分考慮不同類(lèi)型用戶的充電需求分布，盡量使得區(qū)域內(nèi)的充電站（樁）設(shè)施數(shù)量和服務(wù)能力與電動(dòng)汽車(chē)保有量成正比例增長(zhǎng)，以滿足日益增長(zhǎng)的新能源汽車(chē)充電服務(wù)需求。

（2）充電站（樁）選址與服務(wù)半徑優(yōu)化問(wèn)題

充電站（樁）服務(wù)半徑與電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛能力有極大的關(guān)系，隨著電池技術(shù)、充電技術(shù)和整車(chē)技術(shù)的不斷提升，服務(wù)半徑可以適當(dāng)加大。目前大多的電動(dòng)汽車(chē)綜合工況續(xù)航里程（充滿電）為400～600公里之間，考慮電池容量衰減和實(shí)際道路使用情況，真實(shí)的路況下只能行駛200～400 公里左右。為有效保障電動(dòng)汽車(chē)的持續(xù)行駛能力，減少用戶的里程焦慮，充電站（樁）的服務(wù)半徑以100km（甚至更短）計(jì)算為宜，在充分考慮周邊的電動(dòng)汽車(chē)分布數(shù)量基礎(chǔ)上，盡可能降低與用戶間的路徑長(zhǎng)度，充電站（樁）在規(guī)劃布局過(guò)程可以借鑒非常成熟的加油站布局網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)半徑規(guī)定，這樣就能大大減少用戶的用車(chē)顧慮，提高電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)滲透率。

（3）充電站（樁）選址與城市總體規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化問(wèn)題

充電站（樁）選址布局規(guī)劃時(shí)，要考慮電動(dòng)汽車(chē)的快速普及趨勢(shì)，充分對(duì)接城市總體規(guī)劃和路網(wǎng)規(guī)劃，前瞻性地科學(xué)計(jì)算電動(dòng)汽車(chē)的充電增長(zhǎng)需求進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，根據(jù)不同城市區(qū)域，電動(dòng)汽車(chē)與公共充電樁配比、公共充電服務(wù)半徑（公里）發(fā)展規(guī)劃見(jiàn)表1。政府相關(guān)部門(mén)要指導(dǎo)和引領(lǐng)充電站（樁）的規(guī)劃建設(shè)，尤其是合理的規(guī)劃布局區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)與路網(wǎng)，以滿足電動(dòng)汽車(chē)的用電調(diào)度需求，從而確保結(jié)合城市建設(shè)發(fā)展規(guī)劃對(duì)充電站（樁）進(jìn)行合理的布局能滿足電動(dòng)汽車(chē)保有量（增長(zhǎng)趨勢(shì)）對(duì)充電的需求，盡量避免出現(xiàn)重復(fù)投資而造成資源浪費(fèi)。

表1 不同城市區(qū)域電動(dòng)汽車(chē)與公共充電樁配比和公共充電服務(wù)半徑規(guī)劃表

（4）充電站（樁）選址與區(qū)域的輸配電網(wǎng)優(yōu)化問(wèn)題

在進(jìn)行充電站（樁）布局規(guī)劃時(shí)，隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，充電電壓和功率要求越來(lái)越高，對(duì)輸配電網(wǎng)的要求也越來(lái)越高，要充分考慮日益增長(zhǎng)的電動(dòng)汽車(chē)充電需求的電力供應(yīng)。由于充電站（樁）的充電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生高電流的諧波，尤其是高壓直流快充會(huì)引起正負(fù)電荷快速變化，導(dǎo)致電壓波動(dòng)從而影響電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。因此，應(yīng)將充電站（樁）布局規(guī)劃融入?yún)^(qū)域的輸配電網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，合理布局一定容量的充電儲(chǔ)能一體站，既能保證充電站（樁）的電力供應(yīng)需求，又能抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)，提升電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。

2.2 充電站（樁）容量?jī)?yōu)化策略問(wèn)題

2.2.1 充電站（樁）定容優(yōu)化考慮因素

充電站（樁）的定容主要是考慮電動(dòng)汽車(chē)充電需求及電網(wǎng)分配，最大化的滿足用戶充電需求的同時(shí)，又不浪費(fèi)資源，是影響充電站（樁）的建站利潤(rùn)最大化關(guān)鍵。

2.2.2 充電站（樁）定容優(yōu)化問(wèn)題

對(duì)充電站（樁）定容優(yōu)化時(shí)，要以區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的保有量和使用屬性為基礎(chǔ)，考慮增長(zhǎng)實(shí)際，科學(xué)的計(jì)算出充電的總需求量，并得出區(qū)域內(nèi)充電需求點(diǎn)的位置，然后根據(jù)各需求點(diǎn)的距離和用戶需求，合理分配規(guī)劃建設(shè)充電站（樁）站，最后以各充電站（樁）分配到的充電需求總和計(jì)算出各充電站（樁）的容量。

充電站（樁）定容優(yōu)化的最終目標(biāo)是要使得用戶的充電成本最小化，那就需要充電站（樁）容量要盡量和用戶需求電量一致。在優(yōu)化布局各個(gè)充電站（樁）的容量時(shí)，要以區(qū)域內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)的保有量為基礎(chǔ)，因?yàn)樵谝欢〞r(shí)期內(nèi)需求點(diǎn)的電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量和充電需求量成正比關(guān)系；同時(shí)要考慮電動(dòng)汽車(chē)的使用屬性，也就是要看充電需求是不是固定位置和固定時(shí)期的，比如電動(dòng)公交車(chē)、公務(wù)用車(chē)和私家代步車(chē)，這些車(chē)輛的充電需求位置和時(shí)期基本是固定的。在容量?jī)?yōu)化時(shí)，要結(jié)合充電站（樁）的選址優(yōu)化進(jìn)行同步優(yōu)化，以使得用戶從產(chǎn)生充電需求到充電站（樁）的具體距離最短，以完成充電過(guò)程的需求所產(chǎn)生的成本（包括時(shí)間成本）也最低，從而達(dá)到充電成本最小化的最終目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)推廣是必然趨勢(shì)，論文針對(duì)現(xiàn)有充電網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力難以滿足即將到來(lái)的大量且分散的城市內(nèi)短途代步私家電動(dòng)汽車(chē)的充電需求問(wèn)題，提出了基于用戶充電需求的充電站（樁）選址定及容優(yōu)化問(wèn)題，并就電動(dòng)汽車(chē)充電站（樁）選址和定容優(yōu)化策略做了詳細(xì)的分析研究，分析了充電站（樁）選址和定容的具體方向和思路，提出了可在成本最優(yōu)化、社會(huì)效益最大化的前提下，提高充電便利性的基本路徑，對(duì)快速推動(dòng)我國(guó)“雙碳戰(zhàn)略”實(shí)施具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。