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论文案例大全-电动汽车充电站选址问题研究以盘锦市为例

2021-04-09 12:54:18

  由于全球快速发展,对资源的使用也进入到了一个前所未有的阶段,在面对能源短缺和环境污染这一重大危机时,人类社会已经开始着手准备解决方案,我国现阶段正处于能源消耗结构转型的必要阶段,已经对部分如钢铁、煤炭、石油产业等传统能源行业进行了革新处理。同时,因为在总比例中汽车行业的能源消耗占据着相当大的比例,所以也需要对汽车行业进行一次彻底的革新运动,将原先的格局彻底打散。对于改革中的关键点——电动汽车,我国目前的发展情况远不及其他发达国家,所以本文针对这一重点问题,结合国内外发展现状,提出了自己的一些建议。

  本篇文章对国内外相关的信息进行了大量的收集整理,并横向对比了国内外文献中相关的信息,针对特定的信息进行对比,针对特定地区的特点及相关选址原则后做出了定性分析。在对比参考了各相关研究后,作者发现部分对充电站的选址理论是单单基于用户方面进行考虑的,如运输成本、充电成本、充电距离等,但在经过分析后,认为充电站方的建设费用及未来盈利能力也是重点决定性因素,所以本文以盘锦市为例,参考传统各充电站位置,结合电动充电站特点提出了一些充电站预想位置,在以建站成本和未来盈利为目的,最后求出确定的充电站位置,在选址时,主要以目前主流的建站费用为依据,确定出建站成本,随后再进行确定地址时,使用MATLAB软件,以车流量为依据,因为车流量决定着未来盈利,最后根据所建的模型和算法得出最后确定的位置。

  通过前几章总体的分析和对比,最后以盘锦市为例子,统计出盘锦市的数据,根据盘锦市本身的特点运用计算机对物流配送中心的位置进行选址求解,为盘锦市的充电站选址提供一定的帮助。

  1.1研究背景及意义

  1.1.1研究背景

  从人类诞生以来,到第一、二、三次工业革命,目前全球社会正式进入到了第四次工业革命之中,发展速度愈发迅速,但在这种高速上升的趋势里能源也正在被大量的消耗着,能源的需求量在各国中达到了前所未有的高度,牺牲自身环境来换取经济发展是许多国家的选择,这也使环境问题日益明显。作为一个经济快速的发展中国家——中国,正在以一种不可思议的速度复兴中,但高速发展势必会引起环境污染、资源浪费的严重后果。前几年来中国引人热议的雾霾话题,正是不合理能源消耗的直接反映。为了解决这一问题,对于我国来说正以积极的态度来面对能源结构的改变方向,除了对传统产业的改变外,想解决这些严重的社会问题汽车行业也必须改变其发展方向,必须要向清洁、节能以及环保的方向发展。

  汽车产业一直是被国家重点扶持的产业,由于快汽车产业在短时间内深度发展,人均拥有量急剧上升,导致我国在短时间内消耗了大量的石油资源,在行驶过程中,汽车因为发动机添加燃油从而产生出了大量尾气,尾气中含有的CO2、SO2及其他微小颗粒等成分会对环境造成巨大的伤害。据调查,燃油汽车产生的尾气占据了我国60%上的空气污染源。面对日益严重的资源、环境问题,电动汽车凭借着“零排放”、“低噪音”、“高发展”等优点走进了人们的视野。

  因为电动汽车独特的使用原理,能使空气的污染程度大幅降低,并且不需要依赖石油能源。然而,电动车在现阶段不能得到完全的发展,除了技术方案的问题,支撑电动汽车进行补给的基础设施发展不及时是其重要因素。充电站是电动汽车推广成功的基础,当两者的数量不匹配时,发展不够充分的充电站基础设施会使充电汽车的发展滞后。选址布局是充电设施建设的基础,所建充电站的经济性与实用性将被是否能正确选址直接影响,一个正确的充电站选址可以为以后带来非常可观的利润来源,也有益于社会发展。

  1.1.2研究意义

  目前来说,我国的经济增长幅度是远超其他国家的,在全球范围内都首屈一指,随着不断加快的城市化进程,越来越多的人开始购买汽车,2020年4月商务部表明目前我国汽车消费主要呈现4个方面特点:

  (1)买车群体逐步增长,人均持车辆不断上升,汽车产销量已经连续11年位于世界第一名,2020年末的时候预计我国汽车总量会超过美国;

  (2)结构进行变换,在农村,每个家庭的车辆总拥有量较之前增长了15.5%。这已经是第5年高于城镇的增长速度;

  (3)车辆层次逐步高端化,中高端型号车辆在市场中所占比例正逐步增加中;

  (4)绿色发展市场势头正在显露,120万辆的新能源车销量占全球总销量50%以上。

  传统燃油汽车和新能源汽车的高数量增长体现了我国经济的高速发展和对高污染现状的重视程度。充电汽车的发展以其充电站的布置完善合理为基础,在我国,充电设施的不平衡也影响的充电汽车的推进,在一线城市里可能有部分的充电站,但也存在着分布不均衡的问题,在其他的城市如盘锦,更是很难找到一个合理的充电站,所以我国现阶段急需借鉴国外的先进经验在结合我国国情进行合理的规划。

  城市的充电站规划严重变形,错误的充电站选址导致了大量的充电站被荒废而大量的用户的充电需求还无法满足,用户体验极差,所以面对电动汽车时犹豫不决最后选择放弃购买,进而影响了电动汽车的销量,所以充电站规划者在进行规划时要选择正确的数学模型,进一步构建电动汽车的整体服务网络。本文充分考虑了网络布局性、建设合理性等因素对充电站选址的影响,然后拟定了相关模型进行求解,为我国特定地区的充电站选址提出建议,为我国建设一份完整的布局网络出一份力。

  1.2研究现状

  1.2.1国外研究现状

  目前各国高度重视环保和节能在电动汽车上所体现出来的特性,在电动汽车充电站的建设和发展方面,各国在各自新能源汽车发展的方面都有了不同的收获。就国外而言,美国、日本、以色列、法国、英国、德国等都己制定了计划,并进行了一段时间的发展。

  (1)美国

  目前美国在其本土正在开展建设充电站的项目,大多是由公司和政府负责构建。加州北部的部分城市已经开始选择在人流和车流量密集的地方安装充电桩。19年10月,美国福特公司打算建造北美最大规模的电动汽车服务网络来为其电动车用户进行服务,计划建设共有超1.2万个充电站(包括直流快充站)和超3.5万个充电插头。

  (2)日本

  日本在面对现今如此严重的能源问题时,一直以严肃认真的态度对待。澳大利亚电动汽车快速充电技术Tritium在日本汽车世界(Automotive World Japan)上宣布,公司将研发出领先世界上所有电动车充电器的高功能充电器,这也代表着日本在目前世界上发展电动汽车领域的领先地位。日本在2014-2017年4年都保持着电动汽车销量的增长趋势。2014年,日本售出了3.3万辆电动汽车,排名世界第四。2017年在日本的销量达到了5.6万辆,同比增长28.15%。2018年,日本充电站比加油站还多。据日本公司称,日本有4万个快速充电站,而全国只有3.4万个加油站。

  (3)以色列

  以色列,一直以“袖珍大国”称号闻名世界,其科技实力同样是不容小觑的,今日以色列一家科技公司(StoreDot)宣布将于2020年研发出一款新型电池,可以在5分钟内充满,且将在全球范围内进行销售。他们的下一个目标是研制一款“充电5分钟,行驶300英里的电池”。一家以色列初创企业(Electreon)击败了沃尔沃(Volvo)和通用电气(general electric)的阿尔斯通(alstom)等公司,赢得了瑞典一项30亿美元的投标,将修建1,600多公里的无线充电公路。2019年,以色列官方政府发文,将联合包括基础设施、能源部在内的多个部门对市政府的道路进行研究,准备对开发出一套合适的充电站设施做出实质性支持。

  (4)法国

  2019年,电池存储领域的专家Pivot Power在其领域内一直是优秀的代名词,法国政府看中了这一特点,宣布聘请他作为专家研制相关系统,一款能增强电动汽车充电基础的设施。Pivot Power研发出了一个多等级的电池储存系统,可以在大量用户同时消耗电量时用作电网的后援支持工作。目前,该项目正在全国40多个地点进行,每个项目可以支持上百个快充式充电器同时使用,这意味着这种技术可以应用到大型商场、物流中心、公交车站等多车辆交汇场所。

  (5)英国

  英国作为老牌强国,自然也不会放过这机会。2020年3月份,英国政府宣布将花费15亿英镑用于充电站相关工作研发,这笔钱将专项用于电动场站的基础建设工作,其中建设大型的公共用充电站会花费掉5亿元英镑,目的是建设一个“城市充电中心”,剩下的10亿英镑会被用作分散的接头充电桩建设。据报道,英国已经开始研发一种固定飞轮来为电动汽车储存电力,这种飞轮能够在不断电的情况下进行一百万次的充放电

  1.2.2国内研究现状

  我国的电动汽车发展正在一个高速发展的阶段,目前虽然部分汽车厂家已经生产了一些电动汽车,但对于更为重要且基础的电动汽车充电设施的布局上,仍处于一个摸索前行的阶段,针对充电站的选址问题可以参考相关问题选址理论。

  应用了两步搜索数据分析方法的赵书强和李志伟[1]对自己的模型进行了创新。他们根据最新城市道路信息情况,提出充电站的预设最优选址,再使用Voronoi图对每个候选站的最大服务区域进行计算。

  康继光、卫振林等人将更换电池与不可拆卸电池直接进行充电两者的优缺点进行比较后提出了确定充电站容量的方法[2]。

  吴春阳、黎灿兵等专家对充电站的整体布局提出了自己的见解,制定了一个整体流布置流程,先根据计算出的合理地点进行规划;第二步以吸引顾客为目的对布局进行规划进而实现商业盈利的模式[3]。

  徐凡、俞国勤等分析了电动汽车充电站选址的影响因素,根据电动汽车的充电需求并对充电站的合理布局原则提出了建议[4]。

  周文峰等人[5]重点研究了如何确定最佳充电站位置,更好地为电动汽车服务。对电动汽车的通勤长度、车辆数量、行驶距离等因素进行了分析研究,并绘制了相应的加权网络图。通过这种方式,周文峰等人对多重约束进行计算,最终得到了理想的结果。

  张港和李明等人[6]认为电动汽车充电站作为城市公共基础服务设施的位置既要考虑地理位置还要充分考虑用户的实际充电需求,从而确定容量和位置。本文以通过市场需求为目标的充电站为研究对象,之后建立了一个拥有多重性目标的模型来进行规划,其目的是未来得出充电站投资人和用户的成本并使其最小化。其中模型是由用户行驶路径和用户随机分布组成的双重模型,分析城市充电站服务范围内可服务电动汽车的最大数量,设计新的用户充电需求模型。

  刘锴等人[7]在研究中,充电站的选址应关注电动汽车行驶里程、充电时间等因素进而解决以上问题,作者建立了基于软件仿真满足用户总距离最小的动态位置优化模型,该模型充分考虑整个生产过程的连续性充电站的建设,提出了逐步优化和许多倍的实际措施优化的服务能力和实际案例来证明模型的优势和适用范围。结果表明,将该模型和优化方法应用于路网的选址,可以保证良好的连续性,为城市电动汽车充电站分期建设提供理论支持和决策方法。

  寇凌峰在《区域电动汽车充电站规划的模型与算法》一文中确定研究电动汽车充电站的位置和大小的方法,建立了最低成本为目标的电动汽车充电站选址模型,利用模拟退火方法[8]全面分析了变电所位置的距离和充电站设置投资和电动汽车等影响因素。

  1.3主要内容与研究思路

  1.3.1主要内容

  根据目前我国充电站发展进程,针对建设方在建设时会遇到的一些实际问题进行了合理讨论。主要研究内容如下:

  第一章,整篇文章的总结,大体上对本文的研究背景进行了说明,对目前国内外的研究现状做了归纳对比并在以上内容的基础上对本文要探讨的主要问题——解决充电站选址问题的研究方法和思路进行了大致的讲解。

  第二章,针对第一章提出的充电站选址问题,重点列出了在选址前要提前了解的原则以避免出现错误,同时在建立模型时用定性分析的手段提供一个理论基础。最后,对建站时可能会遇到的问题进行了分析举例,并提出了一些对充电站选址会产生影响的因素。

  第三章,相关模型的构建。面对建设一个充电站所需的成本和未来这个充电站会产生的收益问题,建设了一个模型并加入相应的约束条件使选址方法更加科学合理。

  第四章以盘锦市为例,为了验证所建立模型的有效性和可行性,将所建立的模型和算法应用于电动汽车充电站的选址。

  第五章,结论与展望。本文对全文的研究、模型和算法进行了总结说明,最后对未来充电站发展进行合理预测,并提出了使充电站选址设计更加科学合理的建议。

  1.3.2研究思路

  本文研究思路如图1.1所示

  图1.1论文思路

  2相关理论及研究概论

  2.1电动汽车及充电站的基本概念

  2.1.1电动汽车概述

  近些年正在迅猛发展的电动汽车是在发展已久的传统燃油汽车基础上进行研发的,所以两者的根本性整体框架类似,但是电动汽车的动力源是电池,而普通燃油汽车的动力源则是燃料。

  电动汽车主要有三个种类:纯电动汽车(Battery Electric Vehicle,BEV)、燃料电池汽车(Plug In Hybrid Electric Vehicle,FCEV)和混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)。

  (1)纯电动汽车(BEV)

  纯电动汽车(BEV)的整个车体组成构造与传统燃油汽车类似,还有额外的动力电池、驱动电机、电气设备等。纯电动汽车主要有零排放、无污染、无噪音、节能、经济等优点。但纯电动汽车有一个很致命的局限性--续航里程暂时达不到人类所需的标准,而且充电费用相比燃油汽车较贵一点,充电时间也更长一些。

  (2)燃料电池汽车(FCEV)

  燃料电池汽车(FCEV)是属于新型的动力汽车,与纯电动汽车的动力源不同,内燃机依然承担着这一艰巨任务,电动机为辅助驱动运行方式。小污染能达到节能环保,外充电方便,可作为纯电动汽车使用是其主要优点:与此同时,与纯电动汽车相比,这款车更强大,因为它有一个额外的电力系统和更长的行驶里程。缺点:成本相对较高。

  (3)混合动力汽车(HEV)

  该车型实现了发动机驱动系统与电动驱动系统两者互相结合,实现两者同步驱动,多重动力系统同时工作。使车辆在启动阶段由电池驱动的电动机启动;在爬升过程中,发动机与内燃机一起为车辆提供动力。当刹车或下坡时,它有一个刹车能量反馈系统。通过反馈系统来为电池进行循环式的充电目的。因为一直在循环工作所以油耗更低一些。因为不需要充电所以电池组小使成本低,电动模式和燃油模式两套系统互相配合使用,这些特点组成了其最大的优势。缺点:价格贵、车型少、纯电动续航里程少、维护成本高(两套系统)。[9]

  2.1.2电动汽车充电站概述

  电动汽车充电站是指站内同时拥有三台及以上的交流充电桩或非车载充电器在工作时能够实时监控充电器和动力电池的运行和使用的场所。目前来说虽然国家大力提倡发展电动汽车,但是在很短的时间内让电动车进入普通百姓的家庭是不容易的。电动汽车充电站的联合网络想真正建立起来是需要一定时间的,因为电动充电站有一个显著特性,就是在工作时需要一种瞬间的电力支持,而传统电网初建时未考虑这个问题。因此,必须建立一个专门的充电网络,但因为电动汽车充电的需求不同,类型是多样的,没有统一的标准,因此建设充电站必须考虑需求的不同类型的电动汽车充电。

  以下为详细介绍:

  (1)交流充电桩

  交流充电桩是我们生活中所定义的“慢速充电”,具有车载充电机的电动汽车通常用它来进行充电。这种充电桩是目前生活中最常见的充电基础设施。但充电时间较长是它的最大缺点。交流充电桩研发技术低端、研发成本相对不高,但充电效率低。交流桩(慢充)对电网要求较低,可直接接入220V民用线路,单桩功率多为3.5kW和7kW,且无需对电网进行改造,方便维护[10]。

  (2)直流充电桩

  直流充电桩也被称为“快速充电”,它是采用直接输出电流的方式为动力电池进行充电,快速充电方式与常规充电方式截然相反,一般用150-400A电流进行充电,且10-30min就可以充满电,和燃油汽车加油时间相近。快大功率、快速的充电会造成电池寿命减少。直流快充桩功率大、充电快,但成本高,适合向大功率和智能化方向发展。只要设置在大型的干道旁,大型的干道上车流量多、且在基数大的情况下有充电需求的用户也会增多。在当前的市场上直流充电桩的总体建设成本是高于交流的,所以目前来说数量也更少一些。

  (3)集中更换制

  由于我国目前大部分地区当地的经济、地理条件还达不到一个完美的水平,导致无法安装一个完善的电网设备,同时还会面对着土地资源缺乏问题,在这两种条件下建设分散式的充电站不够稳妥,所以考虑选择集中式充电模式。集中式更换系统是指将车辆集中到一个专门的电池更换点,放电耗尽的电池,并安装充满电的电池。整个充电过程只需几分钟,相比快速充电来说它的优势在于时间更短。增强了用户的便利性,同时降低了操作成本。

  2.1.3电动汽车充电方式的分析与对比

  以充电装置为思考基础,来对各充电车进行分类,大体上可以分为两类:车载充电装置汽车、非车载充电装置汽车。如果按照充电方式进行分类的话可以分为快速充电、慢速充电、更换电池和无线充电这四种方式。接下来本文主要按充电方式进行分类,以四种方式分别进行说明,这四种充电方式都有各自的优缺点和适用范围。

  (1)快速充电

  快速充电也被称为地面充电。这个想法的原理是在紧急情况下使用超过标准要求的大电流给电池充电,迫使电池在短时间内充电到其容量的80%,因此它也被用户用作紧急充电工作。充电的速度接近于直接向内燃机中注入燃料的速度。然而,充电站占地与传统充电方式相比面积小,适合于交通流量大、充电速度快的场所。此外,快速充电电池比传统的车载电池寿命更长。快速充电本质上是一种紧急充电,但只能在短时间内使用。但总体层面来说并不建议经常使用快速充电模式进行充电。

  (2)慢速充电

  也被称为常规充电或者车载充电,汽车上配备的充电设备一般是用来给汽车充电的,家用电源或专用充电桩供电可以为其充电。传统的充电方式存在充电时间长、充电要求低、总成本低等明显缺陷。为了保证电力供应的稳定,电网需要在夜间提供较高的功率,因为夜间使用的设备相对较少,同样的电量不使用会造成了很大的浪费。其优点是可以对电池进行深层次充电,提升电池的充电效率和放电效率,以实现电池寿命的延长。

  (3)更换电池

  也被称为机械充电。这种方法对于用户来说是最直接的,因为与其他充电方法相比,它花费的时间最短,通常5分钟就可以完成整体操作。但是,各厂家没有统一电池的规格、尺寸等标准是更换电池的充电方式最大的限制不能保证每个电池的性能是一样的。另一个原因是目前市场被国家电网垄断后整个市场得不到一个良好的竞争,导致整个发展市场缺乏快速、充分的发展。

  (4)无线充电

  无线充电是指充电时能量不通过电缆传输的方式进行充电。其技术通常电磁感应、磁共振和无线电波进行工作。安装在车上的感应充电器是使用的第一步。然而,由于技术和基础设施的限制,无线充电技术目前还不能大规模应用。目前被普遍看好的无线充电技术是利用电磁感应和磁共振进行电能传输。但现阶段发展过程问题过多,还需要时间准备。

  2.2电动汽车充电站选址原则与影响因素

  建设充电设施对发展电动汽车起着决定性的作用,但我国目前充电站要面对的重大问题是建站时形成不了形成统一的标准和准则。对于充电站的选址问题中如何选址关系到充电站能否顺利运营以及电动汽车用户的便利使用等重要问题。充电站的选址不仅是决定充电汽车的发展的问题,更是决定人类未来能源污染如何解决的问题。充电站优良的选址是充电站建设的根本,因此建设充电站务必遵守一定的选址原则[11]。

  2.2.1充电站选址原则

  (1)便利性原则

  在进行选址工作前应充分考虑车道条件、车流量以及电动汽车充电站入口的便利性。流畅的车道条件、足够的车流量、便利的入口不仅影响着充电站的收益,也决定了充电站的实用性。如果多车道且主次干道不堵塞,则充电站的交通便利性越高,电动汽车充电站的价值就越高。

  如果不进行路网规划,充电站的利用率将会大大降低,前期及后续的费用不能有效使用,造成大幅度浪费。同时,也要考虑对交通网络的影响,过于靠近通行路口的话会导致车流过多造成交通堵塞的问题。

  对于不同的分布地点,充电站的选址规则也会有所不同。对于上班族来说,充电站应该设置在居民区和一些企业的停车场。对于其他城镇居民,可在商场、餐厅等人流较大的区域设置充电站。同时,对于日常的电动公交车、出租车等交通工具,在公交车站和专用停车场设置充电站。

  (2)经济性原则

  运营一个电动汽车充电站需要很多钱,这需要提前规划。除了建筑面积的优势外,选址还应考虑该地区的土地成本。变压器和充电器的定期检查和维护是充电站建成后充电站的固定费用。但是,如果对以前的工作规划不满意,维护成本会大大增加。我国最新的电动汽车财政支持政策中明确提出了地方政府要大力支持充电站的建设并提供经济方面的支持。各城市将根据自身情况制定电动汽车充电站补贴政策。因此,选址前应充分了解当地政府对建设充电站的支持政策,结合政策后可以减少投资成本。

  同时也要考虑到,电动汽车充电站建成后可能会对周围的环境及周围居民的生活造成一定程度的影响。因此,在选址前,有必要调查村民的支持。居民的负面反馈将给充电站的建设带来重大障碍,难以获得政府批准。

  (3)社会性原则

  充电站的选址必须符合国家的相关规定。建站前就要了解当地的政策,并在征得周围居民同意后才可动工。

  2014年,我国发布了《电动汽车充电站设计规范》,对充电站的相关技术标准进行了规范。作为一种服务设施,其建设不应影响周边环境。同时要注意充电站与周围居民的距离,因为电动汽车充电时可能会产生噪音。

  2.2.2充电站选址影响因素

  (1)地区经济发展因素

  充电站作为一种基础设施,规划的不合理将会给运营带来巨大损失,所以站址通常根据周边区域的发达程度进行选择。相对发达的地区,主干线较多、车流量较大。而且发达区域也是人群密集的区域,所需的充电量会比较大,所以在对充电站进行选址时,应该尽量在发达的商业地区建造更多的充电站。

  该地区居民的经济能力紧密也对该地区未来的充电需求有着影响因素。目前,由于政府的大力倡导,人们对更加节能环保的电动汽车越来越感兴趣,因此,基数决定数量,未来的电动汽车数量的增加会让充电需求也会随之増大,所以居民是否能负担得起的经济能力也是电动汽车充电站选址的重要影响因素。

  电动汽车充电站基本设备正常运行成本主要包括充电成本、人员成本和设备维护成本三部分。三部分中设备维修费用占着很大的比例。现在我国充电站基础设施的数量不足,所以只要有一个充电设备故障都会导致大范围的电动汽车充电受到影响,因为充电站的维护必须及时,但电动汽车行业的专业维修人员储备明显不足。

  (2)充电需求安全因素

  城市电动车的充电需求可以通过全市车量的主要通行网络进行推断,而且单车的行驶里程也是充电需求的影响因素。例如,当公交车运行时,可以在公交车站的位置建造充电站,在晚上休息时间进行充电。同时,充电站至少要能满足公交车的正常运行。对于出租车运营而言,由于出租车灵活性高,充电设施的选址应尽量选择在出租车经常运营的区域内,总的来说电动车充电站选址应该根据具体的电网分布情况来进行规划。

  随着人们对电动汽车需求的不断增加,社会对电动汽车充电站提出了高速度、标准化、智能化等要求。为了保证充电站的覆盖,充电站不仅要为私家车提供充电服务,还要具备为专车服务的能力。因此,一些充电站应该配备专门的充电站。同时,专用充电站还应考虑消防和安全问题,使建设成本降到最低。

  电动汽车充电站在充电过程中消耗大量电能,因此在选择充电站选址时必须考虑电网的安全性。电力安全是第一要务。当充电站突然启动,电网不能及时响应时,将严重危及生命财产安全

  (3)区域网络发展因素

  在区域电网方面,电动汽车充电过程中需要大量电网操作的支持,因此,在充电站的规划选址应该充分考虑电网的区域分布,这样才可以确保安全稳定。

  气象网,气象条件指的是地区的温度高低、风力大小、降水量多少等指标。当地温度及湿度对充电时状态有较大的影响。低温环境下,充电效率较低,导致电能消耗急剧增加。温度过高时,内部器件不易散热,内部温度上升,电池本身长时间处于高温环境也会降低其使用寿命;也要考虑风力对其影响,风会加速电池老化,增加电池更换频率,降低经济效益。

  地质网,地质学将决定建造充电站的难度。如果土壤太松或太硬,施工就会受阻,因为如果土壤太松,就会有坍塌的危险,如果土壤太硬,就会增加施工难度。因此,在选址前进行区域地质调查是十分必要的。另外,还要对地下水和土地的腐蚀情况进行调查,否则充电站会受到破坏。

  3电动汽车充电站选址模型构建

  3.1问题描述

  在经过前两章缜密分析后可知,电动汽车充电站的选址问题是一个复杂且涉及多门科的理论,电动汽车充电站作为一种新型的能源补给公共服务设施,充电站科学合理的选址布局能有效解决电动汽车充电服务过程中的问题,提高电动汽车使用的便利性,进而满足用户需求,促进销售量,改善市场环境。

  本章在充电站选址问题上参考了Wang[12]的思想,他假设充电站的建站费用和充电桩的数量是线性关系,但经过仔细分析之后可得出两者之间存在三种关系:

  (1)充电桩的建设要进行基础设施的提前布置,充电桩的数量越多时,总体成本越低。

  (2)充电站的建站费用和充电桩的数量是线性关系。

  (3)建设前要对电网进行改造,随着充电桩的数量不同,电网的费用也随之变化。

  本章中考虑了充电站建设费用与充电桩的数量之间的关系,通过此模型对选址问题进行假设,进而提出方案[13]。

  3.2模型假设

  充电站的正确选址对于电动汽车的发展是战略层面的主要问题,便利的充电站地址可以有效地降低了成本,节约资源协同生产和消费两个过程。在关于选址这方面的研究,我们可以看到有关学者是单纯以运输成本来考虑本问题,这其实与实践并不完全吻合,本文是以考虑基础建站费用为目标出发,构建了由多个限制条件组成的数学模型可以更贴近实际生活中所遇到的问题,并通过分支定界法来解决实际问题[14]。

  (1)通过仔细的分析论证,得出充电站的所有候选站点,这些候选点的选择过程均符合相关选址原则,也符合政府出台的相关安全规定。

  (2)考虑了各需求点的网络散点情况。

  (3)由于建设成本及相关要求,决定在七个地点中选择三个,总成本不超过1500万。

  (4)Z1、Z2、Z3三者中至少选择一个;

  (5)Z4、Z5、Z6、Z7四者中至少选择一个;

  (6)Z1、Z3、Z5、Z7四者至少选择两个;

  (7)Z2、Z4、Z6、Z7四者最多选择三个;

  3.3符号说明

  表1模型符号

  符号含义

  Xi

  Zi候选充电站

  最终充电站

  3.4模型构建

  根据以上条件及符号,充电站的定容和选址问题可以进行建模,

  这是一个0-1整数规划问题,设xi为相应的Zi的变量,

  即有0-1变量Xi=,这里i=1,2,…,10。

  最终建立整数规划数学模型如下:

  MaxZ=7500X1+8000X2+8500X3+4500X4+6000X5+3500X6+3000X7(1)

  约束条件为:

  600X1+550X2+450X3+475X4+500X5+450X6+475X7≤1500(2)

  三个选址点的总建设成本小于等于1500万

  X1+X2+X3≥1(3)

  X1、X2、X3三者中至少选择一个

  X4+X5+X6+X7≥1(4)

  X4、X5、X6、X7四者中至少选择一个

  X1+X3+X5+X7≥2(5)

  X1、X3、X5、X7四者至少选择两个

  X2+X4+X6+X7≤3(6)

  X2、X4、X6、X7四者最多选择三个

  Xi≥0,且Xi为0-1变量,i=1,2,…,10

  4充电站选址案例分析——以盘锦市为例

  4.1城市概况

  随着近年来国家政策的引导下,我国电动车经济蓬勃发展,高污染的生活也逐步改善,而且充电站是我国电动车项目发展的基础之一,截至2019年底,全国新能源汽车保有量已经到了381万辆,与2018年底相比增加了120万辆,增长幅度为46.05%。北京时间7月2日,2019世界新能源汽车大会2日在海南博鳌召开,国家主席习近平致贺信,信中习总书记强调,中国坚持走绿色、低碳、可持续发展道路,愿同国际社会一道,加速推进新能源汽车科技创新和相关产业发展。

  与此同时,盘锦市积极建设自己的电动汽车发展网络,2018年6月15号,盘锦市启动新能源汽车专用号牌。随着公共交通的稳步发展,2017年8月,盘锦被列为第一批“十三五”规划期间建设的城市。根据该计划,第一批“公交城市”将于2020年底建成。盘锦市政府正在打造以繁荣的经济、良好的生态以及拥有自身特色的现代化文明城市。

  4.2相关参数设置

  充电站是一种高精尖、高效率、高使用率的民用设施,在全国各省市都要进行设置,目前,根据相关文件研究,建设一个充电站大约需要450万的成本,在辽宁省盘锦市范围内进行建设,目前已经根据车流量较大的基础上选取了一个区域内的七个地点,虽然建设一个充电站基础成本相同,但根据五个地点不同,成本也略有浮动,如表2所示。

  表2各充电站基础建设成本

  地点费用/万元

  Z1中心医院600

  Z2市客运站550

  Z3金融大厦450

  Z4宝石花医院525

  Z5万达广场500

  Z6兴隆加油站450

  Z7盘锦京环环卫驿站475

  车流量决定着未来收益如表3所示,现需要做出决策,选出哪个点作为充电站建设地点,可使未来发展最好。

  表3为拟定的车流量大的五个地点

  地点车流量(辆/日)

  Z1中心医院7500

  Z2市客运站8000

  Z3金融大厦8500

  Z4宝石花医院4500

  Z5万达广场6000

  Z6兴隆加油站3500

  Z7盘锦京环环卫驿站3000

  4.3模型求解

  文章考虑到市区级基础设施的各种条件约束的影响,因为充电站只能做到以点供面的功能,所以各充电站的管辖范围内选取规则类似,整个盘锦市充电站布置数量过多,本文选取一例进行计算说明

  这是一个0-1整数规划问题,设xi为相应的Zi的变量,即有

  即有0-1变量Xi=,这里i=1,2,…,10。

  最终建立整数规划数学模型如下:

  MaxZ=7500X1+8000X2+8500X3+4500X4+6000X5+3500X6+3000X7

  限制条件为

  600X1+550X2+450X3+475X4+500X5+450X6+475X7≤1500

  X1+X2+X3≥1

  X4+X5+X6+X7≥1

  X1+X3+X5+X7≥2

  X2+X4+X6+X7≤3

  Xi≥0,且Xi为0-1变量,i=1,2,…,10

  最后通过MATLAB软件计算得出,

  图1计算结果

  如图1所示,在假设共有七个预选点后,通过建立代码可知,输入模型及约束条件后,通过系统计算可知

  执行代码共迭代35次。得出结果为三个地点应为X2、X3、X5,此时在总限1500万的投资下,要花费1500万元,具体结果参照表4。

  表4最佳选址方案

  地点建站费用车流量是否选建

  Z1中心医院600 7500×

  Z2市客运站550 8000√

  Z3金融大厦450 8500√

  Z4宝石花医院525 4500×

  Z5万达广场500 6000√

  Z6兴隆加油站450 3500×

  Z7盘锦京环环卫驿站475 3000×

  4.4选址结果分析

  选址问题一直是重点问题,本文利用分支定界法对资金有限制的情况下,有约束的条件下对问题进行优化,为同种问题提供思想。

  通过对盘锦市内的配送网络为例,进行对模型算法的实例分析,结果表现出本文是通过考虑多层级的车流流通,以及运输成本、建设成本,来快速准确地确定充电站的位置和最小成本以及各种备选方案。

  本文通过对盘锦市内的重点位置进行综合性的分析,之所以选择本文的七个地点,是进行了综合考虑后的结果,其中前五个地点是平时车流量较多的区域,包括中心医院(盘锦市的权威医院,重点医院)、涉及到多数人群的金融广场、购物中心、客运中心,后两个地点是基于普通加油地点进行的考虑,普通汽油加油站在选址时就综合了多项条件进行考察,在结合充电站特有条件后进行了重新选址,更有安全性、便利性考虑。

  本文最终选择的七个地点都是经过多重考虑的,选择为充电站选址的主要原因是因为根据分支定界法所计算出的详细位置是在金融广场附近。但是,金融广场附近并无其他可以建造充电站的地方,并且需要建造充电站的影响因素是具有人口流量大,经济比较发达,并且能配送距离覆盖到各个交通道路。所以各种条件限制,我们综合各种方面考虑选择金融广场为充电站是最优的。

  本文综合考虑用建站成本模型来求出盘锦市充电中心的位置,在过程中,我们先通过区域的车流量建立表格考虑投资成本和预测利润,最后利用车流量和利润通过分支定界法来算出充电站的位置。目前,本篇论文的数据是通过查询肯定存在一定的误差,但还是具有很大程度的可行性,,但是由于本人选择的区域不够充分,所以今后的各种研究可以通过多种充电中心的顺利进行验证和优化,希望在研究方面能有改善,希望能得到更完善的模型算法。