电动汽车充电桩的选址问题

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1、电动汽车的发展及其充电桩的选址问题设计者：指导教师：摘要节能减排是我国政府强力推进的重大举措，一系列节能减排措施的强制实施，大大缓解了经济快速增长带来的环境和资源压力，电动汽车作为一种发展前景广阔的绿色交通工具应运而生，为我们日常出行提供更便利的服务，也为我们生存的环境创造了绿色无污染的行驶。在我国政府积极推进新能源汽车的应用与发展的同时，电动汽车充电桩作为发展电动汽车所必须的重要配套基础设施，具有非常重要的社会效益和经济效益。一场兴建电动汽车充电桩的运动已经在全国范围内展开。以上海市为例，针对市民对电动汽车行业发展的看法以及现有的电动汽车充电桩是否能被充分利用展开，对上海市市民进行问卷调查，

2、汇总并统计数据，利用 Excel 绘图来形象反映电动汽车行业的前景以及拥有电动汽车的市民对充电桩的使用情况，分析得出上海市现有充电桩的位置明显不合理而导致其利用率低的结论。为使电动汽车充电桩得到合理利用，我们在已有充电桩的基础上，采用01 规划及覆盖的数学模型对充电桩的位置进行分配，采取动态调整与静态增设的方法，使目标函数（即对上海市规划后的电动汽车充电桩的利用率）最大，以便推动新能源电动汽车的发展，切实做好节能减排工作。一、 调研背景1.1 节能减排的大力推行自然资源是国家经济发展的命脉，是人类生存之本。如今发展低碳经济是当今世界经济发展的潮流，是人类可持续发展的必然选择。低碳经济是以低能耗

3、、低污染、低排放为基础的经济模式，核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新。我国现处于工业化、城市化进程加快过程中，能源需求仍在急剧增长，以煤炭为主的能源结构一时难以改变；同时，高耗能、高排放行业在工业产业结构中占很大比例，且发展方式比较粗放。我国是世界上第二大温室气体排放国，减排压力不仅来自国际社会，还来自本身。这就决定了我国发展低碳经济要以节能减排为重要抓手，在发展低碳产业的同时，更要注重“产业降碳”，降低能耗，减少污染，以减轻经济发展对资源、能源和环境的压力。结合我国的实际国情，我们要走有中国特色的低碳环保、节能减排的发展道路，这就决定了我国发展低碳经济要以节能减排为重要抓手，在

4、发展低碳产业的同时，更要注重“产业降碳”，降低能耗，减少污染，以减轻经济发展对资源、能源和环境的压力。1.2 电动汽车应运而生汽车产业是能源、资源消耗较大的产业，随着汽车保有量的不断增加，汽车尾气排放成为环境污染较大的污染源。据统计，2008 年，传统燃油汽车消耗石油的比例是 56.3%。与传统燃油汽车相比，电动汽车具有高效率、环境污染少、噪声低的节能环保优势，实现交通能源动力系统转型已是大势所趋。2012年 7 月国务院发布节能与新能源汽车产业发展规划（20122020 年），正式明确了我国发展节能与新能源汽车产业的目标。因此，电动汽车作为一种发展前景广阔的交通工具应运而生，积极发展电动汽车

5、，对保障能源安全、实施节能减排、全面推动经济增长方式的转变有着举足轻重的战略意义。同时也对中国实现汽车产业振兴、建设汽车强国之梦提供了难得的历史机遇。1.3 上海市充电桩现状根据上海市的充电桩信息可知上海已建成充换电站 24 座、充电桩 2100 个左右，涉及公交、公司、高校、停车场、高速服务区等区域。而在汽车城自建的 63 个充电桩上，两年来已经充了 3 万度电，电网充电桩两年来的累积充电量仅有 4 万度，国家电网充电桩明显使用率低。二、 调研内容 我们主要对电动汽车的发展趋势及充电桩所在位置的满意度展开调查，制作了两份调查问卷，根据问卷中的数据分析实际情况。调查数据统计与分析：1 对于“您

6、认为电动汽车有什么优点？（节能减排、时尚潮流、方便实用、经济实惠和其他）”问题，问卷一、问卷二均涉及，通过 Excel 绘出条形统计图如下：图 1 市民眼中的电动车优点由统计图可知：电动汽车具备各方面的优点，但其节能减排的优点还是显而易见的，尤其体现在问卷二（已购买电动汽车的车主）上，百分比高达 ，%82这普遍说明了人们够买电动汽车的原因几乎都是由于其节能减排的优点。2.对于问卷一“您认为电动汽车方便吗？（方便、不方便和不清楚）”问题，见下图。图 2 电动汽车的方便性接着，对问题“如果不方便，您认为不方便的原因主要体现在哪里？（购买阶段、维护阶段、充电阶段和其他）”做了条形图分析。图 3 电动

7、汽车不方便的原因由上述两个统计图的数据分析得出人们对于电动汽车的实用性表现得不太乐观的结论，尤其体现在充电方面。那么，如何解决充电不方便的问题呢？对充电桩的分布我们建立采取动静结合的方法，即数学模型动态调整与静态增设。3. 对于问卷二中“您所选的充电场所一般固定吗？（固定、不固定）”和“您觉得现有的充电桩分布是否合理？（合理、不合理和不清楚）”这两个问题，统计结果如下。图 4 充电场所是否固定统计图图 5 充电桩分布是否合理统计图由数据可以得知，大多数车主对电动汽车进行充电位置是固定的，这意味着部分充电桩可能未得到利用。结合图 5 可知，市民认为充电桩的分布不合理，因此合理规划充电桩的位置是解

8、决充电不方便的关键。4.对于问卷二“您的电动汽车平均每次充多长时间？”和问题“您是否了解短时间充电会缩短电动汽车电池的寿命?”根据数据，绘制统计图如下。图 6 充电时间统计图图 7 市民对短时间缩短电动车寿命的了解程度统计图由数据可知，目前人们对电动车充电的时间大多都在三小时之内，而不缩短电动汽车电池的寿命是一次充电 3 至 5 小时，显然，人们对此了解过少。因此，我们在设计充电桩位置时，需要兼顾人们的需求和可充电时间长这两个方面。5.对于问卷二“您认为社会公共充电站应配套建设在什么位置？（多选）（4S店、超市附近、娱乐和商业场所、停车场及其他）”根据数据，绘制统计图如下。图 8 公共充电桩所

9、建位置统计图三、 建立充电桩的合理布置的数学模型3.1 前期-模型的准备：（1）我们选取上海市一中心区域进行规划，使得内容简洁明了，模型直观，随着区域扩大，此数学模型依然适用。（2）根据搜集数据得知每次充电时间在 3 至 5 小时最佳，既可保证电池寿命，又不至于浪费太多时间。然而 3 至 5 小时也并非短时间，因而，为了节约人们时间，充电桩应选在人们需要花较长时间的场所附近，这样，在人们忙于自己的事情时电动汽车也得以充电。由此，我们选取停车场，超市，娱乐场所，4S店为备选充电桩安放位置，如图 9，共 16 处。图 9 上海市某一中心区域（3）根据电动汽车的发展程度，我们将充电桩布置分为三阶段。

10、第一阶段：电动汽车发展的起步阶段（目前阶段）目标：根据现有电动汽车车流量及充电情况，计算出相应的充电桩建造数量，使得充电桩可以充分利用。第二阶段：电动汽车发展的快速发展阶段（电动汽车占有率显著提升阶段）目标：在充电桩覆盖全区域的前提下，达到所需充电桩数量最少，充电桩的重复覆盖度最大。第三阶段：电动汽车发展的跨越式发展阶段(电动汽车逐步代替汽车阶段)目标：在充电桩重复覆盖全区域的前提下，保证等待充电车辆最少，且各充电桩工作量较均衡。3.2 模型的假设1假设所使用数据均准确且符合实际；2假设所选区域的时均车流量呈结构分布，且 18 时至 19 时的车流量最大；3假设所选区域仅有 8 条主要道路有车

11、辆通过；4假设电动汽车车主在每天的各个时间段充电概率相同，忽略个人喜好和其他因素。3.3 模型的建立与求解3.3.1 第一阶段数学模型由于电动汽车发展的起步阶段电动汽车数量较少，因此建模目标则为在充电桩建造数量最少的前提下，使得充电桩的覆盖最大，即综合评价指标最高。1求车流量 Q取所选区域为控制体 控制体 图 10 流入控制体的车流量仅考虑 条道路单向流入控制体的车流量，统计得 时至 时（一小时内）8 189的 组数据： （单位：辆）。 ,24 38,7 16,30 25,根据公式： 245.0最 大 时 均 车 流 量电 动 汽 车 占 有 率电 动 汽 车 日 均 车 流 量则解得电动汽车

12、日均车流量：天 ）辆（ /74.18 24)18934721863025(.0% Q注： 年我国电动汽车占有率为 。 23%.2求充电概率 p已知 24/ 每 次 充 电 时 间日 均 充 电 次 数充 电 概 率 其中，日均充电次数可通过调查问卷二问题 10（您多久会对电动汽车充一次电？A一天一次( ) B.一天两次及以上( ) C.两天一次( ) D.436%17三天一次( )）计算得出，日均充电次数为 次；%12.1每次均充电时间由问题 11（您的电动汽车平均每次充多长时间？A一小时以下( ) B.一到两小时 ( ) C.二到三小时( ) D.三到23%48四小时( ) E.四小时以上(

13、 )）计算得出，次均充电时间为 小521.时。则解得充电概率： 084.16.1p注：由于人们外出充电时间大多在 之间，故概率只计算此 小2mpa16时内。3求应建设充电桩数量 Z57.16084.716PQ充 电 桩 数 量取 ，即最少建造 2 个充电桩。2Z 0-1 覆盖模型：符号说明：表示 点到 点的距离。ijaij： 点所属类型的权重。jp： 点的综合评价指标。 iY由上海市地图易得其超市、娱乐场所等的分布，根据这些场所两两间的距离我们进行 0-1 覆盖。设 ，列写 0-1 覆盖模型如下：50a ,1ijijx16jjiipxY其中，权重 由图 8 可得，则可得 ， ， ，jp7.03

14、172.05447.016p。1-3 为超市编号，4 、5 为 4S 店编号，6-12 为娱乐场所编59.0163号，13-16 为停车场编号。运用 Matlab 编程运行可得 阶矩阵图如下：16这里，我们取 第一大与第二大。iY地点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16综合评价指标 2.012.62.752.381.441.66 2.55 2.55 4.08 3.78 2.59 3.53 2.71 3.65 1.18 2.32排名 14 10 9 12 15 13 6 7 1 2 5 3 8 4 16 113.3.2 第二阶段数学模型由于第二阶段是电动

15、汽车发展的快速发展阶段，电动汽车占有率显著提升，因而目标是在充电桩覆盖全区域的前提下，达到所需充电桩数量最少，充电桩的重复覆盖度最大。 0-1 规划模型在第一阶段 0-1 覆盖的模型下，进行 0-1 规划。 设 。 ,10点 建 充 电 站在 点 建 充 电 站不 在 ici由第二阶段的目标：列目标函数。充电桩的重复覆盖度最大： ijijxc16ma约束条件：16jij可以看到，目标函数最大值为 28，程序见附件，每个点都需要建充电站。3.3.3 第三阶段数学模型由于第三阶段是电动汽车发展的跨越式发展阶段，电动汽车逐步代替汽车阶段，因而目标是在充电桩重复覆盖全区域的前提下，保证等待充电车辆最少

16、，且各充电桩工作量较均衡。在此，我们仿照加油站布置模式来规划充电桩分配问题。所谓智能电网智能充电桩，就是随着物联网技术的不断发展，未来的充电站控制中心能透过定位服务，协助驾驶人找出距离最近、无车充电的充电桩，避免了等待充电情况的发生。由于第三阶段是在电动汽车的市场占有率明显提升为基础的，因此，的占有率已不再适用。在此，我们取占有率为 。重新计算 值得到%07. %10Z，即此时所选区域需要建设 个充电桩。286Z286将每个点距离最近的 5 个点（不含该点）所对应的五个距离标出来，覆盖度 Aij 是 ij 两点间距离，除了最近五个距离，自身是ijiApw/1，其他都是无穷大。 根据 Wi,分配 286 个充电桩，即 Zi=【286*Wi/Wi】 3.3.4 充电桩位置的合