電動汽車充電樁及選址問題

1、電動汽車的發(fā)展及其充電樁的選址問題設(shè)計者：指導(dǎo)教師：摘要節(jié)能減排是我國政府強力推進的重大舉措，一系列節(jié)能減排措施的強制實施，大大緩解了經(jīng)濟快速增長帶來的環(huán)境和資源壓力，電動汽車作為一種發(fā)展前景廣闊的綠色交通工具應(yīng)運而生，為我們?nèi)粘３鲂刑峁└憷姆?wù)，也為我們生存的環(huán)境創(chuàng)造了綠色無污染的行駛。在我國政府積極推進新能源汽車的應(yīng)用與發(fā)展的同時，電動汽車充電樁作為發(fā)展電動汽車所必須的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施，具有非常重要的社會效益和經(jīng)濟效益。一場興建電動汽車充電樁的運動已經(jīng)在全國范圍內(nèi)展開。以上海市為例，針對市民對電動汽車行業(yè)發(fā)展的看法以及現(xiàn)有的電動汽車充電樁是否能被充分利用展開，對上海市市民進行問卷調(diào)查，

2、匯總并統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用Excel繪圖來形象反映電動汽車行業(yè)的前景以及擁有電動汽車的市民對充電樁的使用情況，分析得出上海市現(xiàn)有充電樁的位置明顯不合理而導(dǎo)致其利用率低的結(jié)論。為使電動汽車充電樁得到合理利用，我們在已有充電樁的基礎(chǔ)上，采用01規(guī)劃及覆蓋的數(shù)學模型對充電樁的位置進行分配，采取動態(tài)調(diào)整與靜態(tài)增設(shè)的方法，使目標函數(shù)（即對上海市規(guī)劃后的電動汽車充電樁的利用率）最大，以便推動新能源電動汽車的發(fā)展，切實做好節(jié)能減排工作。一、 調(diào)研背景1.1節(jié)能減排的大力推行自然資源是國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈，是人類生存之本。如今發(fā)展低碳經(jīng)濟是當今世界經(jīng)濟發(fā)展的潮流，是人類可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。低碳經(jīng)濟是以低能耗、低污染

3、、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟模式，核心是能源技術(shù)和減排技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和制度創(chuàng)新。我國現(xiàn)處于工業(yè)化、城市化進程加快過程中，能源需求仍在急劇增長，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)一時難以改變；同時，高耗能、高排放行業(yè)在工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占很大比例，且發(fā)展方式比較粗放。我國是世界上第二大溫室氣體排放國，減排壓力不僅來自國際社會，還來自本身。這就決定了我國發(fā)展低碳經(jīng)濟要以節(jié)能減排為重要抓手，在發(fā)展低碳產(chǎn)業(yè)的同時，更要注重“產(chǎn)業(yè)降碳”，降低能耗，減少污染，以減輕經(jīng)濟發(fā)展對資源、能源和環(huán)境的壓力。結(jié)合我國的實際國情，我們要走有中國特色的低碳環(huán)保、節(jié)能減排的發(fā)展道路，這就決定了我國發(fā)展低碳經(jīng)濟要以節(jié)能減排為重要抓手，在發(fā)展低碳

4、產(chǎn)業(yè)的同時，更要注重“產(chǎn)業(yè)降碳”，降低能耗，減少污染，以減輕經(jīng)濟發(fā)展對資源、能源和環(huán)境的壓力。1.2電動汽車應(yīng)運而生汽車產(chǎn)業(yè)是能源、資源消耗較大的產(chǎn)業(yè)，隨著汽車保有量的不斷增加，汽車尾氣排放成為環(huán)境污染較大的污染源。據(jù)統(tǒng)計，2008年，傳統(tǒng)燃油汽車消耗石油的比例是56.3%。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動汽車具有高效率、環(huán)境污染少、噪聲低的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢，實現(xiàn)交通能源動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型已是大勢所趨。2012年7月國務(wù)院發(fā)布節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20122020年），正式明確了我國發(fā)展節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)的目標。因此，電動汽車作為一種發(fā)展前景廣闊的交通工具應(yīng)運而生，積極發(fā)展電動汽車，對保障能源安全、實

5、施節(jié)能減排、全面推動經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變有著舉足輕重的戰(zhàn)略意義。同時也對中國實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)振興、建設(shè)汽車強國之夢提供了難得的歷史機遇。1.3上海市充電樁現(xiàn)狀根據(jù)上海市的充電樁信息可知上海已建成充換電站24座、充電樁2100個左右，涉及公交、公司、高校、停車場、高速服務(wù)區(qū)等區(qū)域。而在汽車城自建的63個充電樁上，兩年來已經(jīng)充了3萬度電，電網(wǎng)充電樁兩年來的累積充電量僅有4萬度，國家電網(wǎng)充電樁明顯使用率低。二、 調(diào)研內(nèi)容 我們主要對電動汽車的發(fā)展趨勢及充電樁所在位置的滿意度展開調(diào)查，制作了兩份調(diào)查問卷，根據(jù)問卷中的數(shù)據(jù)分析實際情況。調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析：1 對于“您認為電動汽車有什么優(yōu)點？（節(jié)能減排、時尚潮

6、流、方便實用、經(jīng)濟實惠和其他）”問題，問卷一、問卷二均涉及，通過Excel繪出條形統(tǒng)計圖如下：圖1 市民眼中的電動車優(yōu)點由統(tǒng)計圖可知：電動汽車具備各方面的優(yōu)點，但其節(jié)能減排的優(yōu)點還是顯而易見的，尤其體現(xiàn)在問卷二（已購買電動汽車的車主）上，百分比高達，這普遍說明了人們夠買電動汽車的原因幾乎都是由于其節(jié)能減排的優(yōu)點。2.對于問卷一“您認為電動汽車方便嗎？（方便、不方便和不清楚）”問題，見下圖。圖2 電動汽車的方便性接著，對問題“如果不方便，您認為不方便的原因主要體現(xiàn)在哪里？（購買階段、維護階段、充電階段和其他）”做了條形圖分析。圖3 電動汽車不方便的原因由上述兩個統(tǒng)計圖的數(shù)據(jù)分析得出人們對于電動汽

7、車的實用性表現(xiàn)得不太樂觀的結(jié)論，尤其體現(xiàn)在充電方面。那么，如何解決充電不方便的問題呢？對充電樁的分布我們建立采取動靜結(jié)合的方法，即數(shù)學模型動態(tài)調(diào)整與靜態(tài)增設(shè)。3. 對于問卷二中“您所選的充電場所一般固定嗎？（固定、不固定）”和“您覺得現(xiàn)有的充電樁分布是否合理？（合理、不合理和不清楚）”這兩個問題，統(tǒng)計結(jié)果如下。圖4充電場所是否固定統(tǒng)計圖圖5 充電樁分布是否合理統(tǒng)計圖由數(shù)據(jù)可以得知，大多數(shù)車主對電動汽車進行充電位置是固定的，這意味著部分充電樁可能未得到利用。結(jié)合圖5可知，市民認為充電樁的分布不合理，因此合理規(guī)劃充電樁的位置是解決充電不方便的關(guān)鍵。4.對于問卷二“您的電動汽車平均每次充多長時間？”

8、和問題“您是否了解短時間充電會縮短電動汽車電池的壽命?”根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制統(tǒng)計圖如下。圖6 充電時間統(tǒng)計圖圖7 市民對短時間縮短電動車壽命的了解程度統(tǒng)計圖由數(shù)據(jù)可知，目前人們對電動車充電的時間大多都在三小時之內(nèi)，而不縮短電動汽車電池的壽命是一次充電3至5小時，顯然，人們對此了解過少。因此，我們在設(shè)計充電樁位置時，需要兼顧人們的需求和可充電時間長這兩個方面。5.對于問卷二“您認為社會公共充電站應(yīng)配套建設(shè)在什么位置？（多選）（4S店、超市附近、娛樂和商業(yè)場所、停車場及其他）”根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制統(tǒng)計圖如下。圖8 公共充電樁所建位置統(tǒng)計圖三、 建立充電樁的合理布置的數(shù)學模型3.1前期-模型的準備：（1）我們選

9、取上海市一中心區(qū)域進行規(guī)劃，使得內(nèi)容簡潔明了，模型直觀，隨著區(qū)域擴大，此數(shù)學模型依然適用。（2）根據(jù)搜集數(shù)據(jù)得知每次充電時間在3至5小時最佳，既可保證電池壽命，又不至于浪費太多時間。然而3至5小時也并非短時間，因而，為了節(jié)約人們時間，充電樁應(yīng)選在人們需要花較長時間的場所附近，這樣，在人們忙于自己的事情時電動汽車也得以充電。由此，我們選取停車場，超市，娛樂場所，4S店為備選充電樁安放位置，如圖9，共16處。圖9 上海市某一中心區(qū)域（3）根據(jù)電動汽車的發(fā)展程度，我們將充電樁布置分為三階段。第一階段：電動汽車發(fā)展的起步階段（目前階段）目標：根據(jù)現(xiàn)有電動汽車車流量及充電情況，計算出相應(yīng)的充電樁建造數(shù)量

10、，使得充電樁可以充分利用。第二階段：電動汽車發(fā)展的快速發(fā)展階段（電動汽車占有率顯著提升階段）目標：在充電樁覆蓋全區(qū)域的前提下，達到所需充電樁數(shù)量最少，充電樁的重復(fù)覆蓋度最大。第三階段：電動汽車發(fā)展的跨越式發(fā)展階段(電動汽車逐步代替汽車階段)目標：在充電樁重復(fù)覆蓋全區(qū)域的前提下，保證等待充電車輛最少，且各充電樁工作量較均衡。3.2模型的假設(shè)1假設(shè)所使用數(shù)據(jù)均準確且符合實際；2假設(shè)所選區(qū)域的時均車流量呈結(jié)構(gòu)分布，且18時至19時的車流量最大；3假設(shè)所選區(qū)域僅有8條主要道路有車輛通過；4假設(shè)電動汽車車主在每天的各個時間段充電概率相同，忽略個人喜好和其他因素。3.3模型的建立與求解3.3.1第一階段數(shù)

11、學模型由于電動汽車發(fā)展的起步階段電動汽車數(shù)量較少，因此建模目標則為在充電樁建造數(shù)量最少的前提下，使得充電樁的覆蓋最大，即綜合評價指標最高。1求車流量取所選區(qū)域為控制體控制體圖10 流入控制體的車流量僅考慮條道路單向流入控制體的車流量，統(tǒng)計得時至時（一小時內(nèi)）的組數(shù)據(jù)：（單位：輛）。 根據(jù)公式： 則解得電動汽車日均車流量：注：年我國電動汽車占有率為。 2求充電概率已知其中，日均充電次數(shù)可通過調(diào)查問卷二問題10（您多久會對電動汽車充一次電？A一天一次() B.一天兩次及以上() C.兩天一次() D.三天一次()）計算得出，日均充電次數(shù)為次；每次均充電時間由問題11（您的電動汽車平均每次充多長時間

12、？A一小時以下() B.一到兩小時() C.二到三小時() D.三到四小時() E.四小時以上()）計算得出，次均充電時間為小時。則解得充電概率：注：由于人們外出充電時間大多在之間，故概率只計算此小時內(nèi)。3求應(yīng)建設(shè)充電樁數(shù)量取，即最少建造2個充電樁。Ø 0-1覆蓋模型：符號說明：表示點到點的距離。：點所屬類型的權(quán)重。：點的綜合評價指標。 由上海市地圖易得其超市、娛樂場所等的分布，根據(jù)這些場所兩兩間的距離我們進行0-1覆蓋。設(shè) ，列寫0-1覆蓋模型如下：其中，權(quán)重由圖8可得，則可得，。1-3為超市編號，4、5為4S店編號，6-12為娛樂場所編號，13-16為停車場編號。運用Matlab

13、 編程運行可得階矩陣圖如下：地點12345678910111213141516綜合評價指標2.012.62.752.381.441.662.552.554.083.782.593.532.713.651.182.32排名14109121513671253841611這里，我們?nèi)〉谝淮笈c第二大。3.3.2第二階段數(shù)學模型由于第二階段是電動汽車發(fā)展的快速發(fā)展階段，電動汽車占有率顯著提升，因而目標是在充電樁覆蓋全區(qū)域的前提下，達到所需充電樁數(shù)量最少，充電樁的重復(fù)覆蓋度最大。Ø 0-1規(guī)劃模型在第一階段0-1覆蓋的模型下，進行0-1規(guī)劃。 設(shè) 。 由第二階段的目標：列目標函數(shù)。充電樁的重復(fù)覆

14、蓋度最大： 約束條件：可以看到，目標函數(shù)最大值為28，程序見附件，每個點都需要建充電站。3.3.3第三階段數(shù)學模型由于第三階段是電動汽車發(fā)展的跨越式發(fā)展階段，電動汽車逐步代替汽車階段，因而目標是在充電樁重復(fù)覆蓋全區(qū)域的前提下，保證等待充電車輛最少，且各充電樁工作量較均衡。在此，我們仿照加油站布置模式來規(guī)劃充電樁分配問題。所謂智能電網(wǎng)智能充電樁，就是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的充電站控制中心能透過定位服務(wù)，協(xié)助駕駛?cè)苏页鼍嚯x最近、無車充電的充電樁，避免了等待充電情況的發(fā)生。由于第三階段是在電動汽車的市場占有率明顯提升為基礎(chǔ)的，因此，的占有率已不再適用。在此，我們?nèi)≌加新蕿?。重新計算值得到，?/p>

15、此時所選區(qū)域需要建設(shè)個充電樁。將每個點距離最近的5個點（不含該點）所對應(yīng)的五個距離標出來，覆蓋度 Aij是ij兩點間距離，除了最近五個距離，自身是1，其他都是無窮大。 根據(jù)Wi,分配286個充電樁，即Zi=【286*Wi/Wi】 3.3.4充電樁位置的合理分配結(jié)論。四、 創(chuàng)新與應(yīng)用1電動汽車應(yīng)運而生，但其充電設(shè)施不夠完善，節(jié)能減排效果不夠明顯。以經(jīng)濟高速發(fā)展的上海市為研究對象，通過問卷調(diào)查形式了解電動汽車的發(fā)展趨勢及現(xiàn)有充電樁位置分配是否合理。我們在對充電樁位置進行分配時，融入建模思想，構(gòu)建數(shù)學模型，以達到最優(yōu)規(guī)劃。參考文獻附件1電動汽車發(fā)展的調(diào)查問卷當“節(jié)能減排”融入經(jīng)濟發(fā)展的主旋律時，電動

16、汽車作為一種發(fā)展前景廣闊的綠色交通工具應(yīng)運而生。為了解電動汽車的發(fā)展情況，我們小組進行了這次問卷調(diào)查，對您的合作和支持，我們表示衷心的感謝。性別：男 女1.您覺得環(huán)保重要嗎？A非常重要 B.比較重要 C.不重要 D.不能確定2.您駕車出行的目的?A.上班 B.假期出游 C.專業(yè)司機 D.其他3.您知道電動汽車嗎？A.知道并了解 B.聽說過但不了解 C.不了解4.您認為電動汽車環(huán)保嗎？A環(huán)保 B.不環(huán)保 C.不清楚5.1您認為電動汽車方便嗎？A.方便 B.不方便 C.不清楚5.2如果不方便，您認為不方便的原因主要體現(xiàn)在哪里：A.購買階段 B.維護階段 C.充電階段 D.其他6.您會購買的汽車類型

17、是？A傳統(tǒng)燃油汽車 B.電動汽車 C.不確定7.您認為電動汽車有什么優(yōu)點？A節(jié)能減排 B.時尚潮流 C.方便實用 D.經(jīng)濟實惠 E.其他8.您認為電動汽車會取代燃油汽車嗎？A.當科技足夠發(fā)達時，肯定會 B.短時間不會C有可能 D.不會9.對于電動汽車的發(fā)展您有什么建議？附件2電動汽車及其充電樁建設(shè)的調(diào)查問卷當“節(jié)能減排”融入經(jīng)濟發(fā)展的主旋律時，電動汽車作為一種發(fā)展前景廣闊的綠色交通工具應(yīng)運而生。為了解大家對電動汽車及其充電設(shè)備建設(shè)的觀點，我們小組進行了這次問卷調(diào)查，對您的合作和支持，我們表示衷心的感謝。性別：男 女1.您覺得環(huán)保重要嗎？A非常重要 B.比較重要 C.不重要 D.不能確定2.您認

18、為電動汽車環(huán)保嗎？A環(huán)保 B.不環(huán)保 C.不能確定3.您認為電動汽車有什么優(yōu)點？A節(jié)能減排 B.時尚潮流 C.方便實用 D.經(jīng)濟實惠 E.其他4.您駕車的目的？A.上班代步 B.周末休閑自駕 C.專業(yè)司機 D.其他5.您平時大都在哪些充電樁對電動汽車進行充電？A4S店 B.大型超市停車場 C.娛樂場所停車場 D.酒店停車場 E.其他6.您更傾向于在哪里充電？A在自己的家里給電池充電 B.超市充電樁 C.娛樂場所充電樁 D.酒店充電樁 E.其他 7.您所選的充電場所一般固定嗎？A固定 B不固定8.您覺得現(xiàn)有的充電樁分布是否合理？A.合理 B.不合理 C.不清楚9. 您認為社會公共充電站應(yīng)配套建設(shè)

19、在什么位置？（多選）A4s店 B.超市 C.娛樂、商業(yè)場所 D.停車場 E.其他10.您多久會對電動汽車充一次電？A一天一次 B.一天兩次及以上 C.兩天一次 D.三天一次11.您的電動汽車平均每次充多長時間？A一小時以下 B.一到兩小時 C.二到三小時 D.三到四小時 E.四小時以上12.您是否了解短時間充電會縮短電動汽車電池的壽命?A.了解 B.聽說過但不了解 C.不知道13.對于電動汽車的發(fā)展您有什么建議？附件3問卷一統(tǒng)計結(jié)果（我們在上海市不同地區(qū)隨機發(fā)放了200份問卷一，對象為行人或駕車者）男性57% 女性43%1.您覺得環(huán)保重要嗎？A非常重要（89%） B.比較重要 (11%) C.

20、不重要（0%） D.不能確定（0%）2.您駕車出行的目的?A.上班(52%) B.假期出游(13%) C.專業(yè)司機（3%） D.其他（32%）3.您知道電動汽車嗎？A.知道并了解（8%） B.聽說過但不了解（74%） C.不了解(18%)4.您認為電動汽車環(huán)保嗎？A環(huán)保（98%） B.不環(huán)保(0%) C.不清楚(2%)5.1您認為電動汽車方便嗎？A.方便（21%） B.不方便（66%） C.不清楚（13%）5.2如果不方便，您認為不方便的原因主要體現(xiàn)在哪里：A.購買階段（15%） B.維護階段（20%） C.充電階段（63%） D.其他（2%）6.您會購買的汽車類型是？A傳統(tǒng)燃油汽車（72%） B.電動汽車(16%) C.不確定(12%)7.您認為電動汽車有什么優(yōu)點？A節(jié)能減排(65%) B.時尚潮流(8%) C.方便實用(6%) D.經(jīng)濟實惠(12%) E.其他(9%)8.您認為電動汽車會取代燃油汽車嗎？A.當科技足夠發(fā)達時，肯定會(49%) B.短時間不會(38%)C有可能(10%) D.不會(3%)附件4問卷二統(tǒng)計結(jié)果（我們在上海市不同地區(qū)隨機發(fā)放了100份問卷二，對象為電動汽車駕駛者）男性72% 女性28%1.您覺得環(huán)保重要嗎？A非常重要（100%） B.比較重要（0%） C.不重要（0%） D.不能確定（0%）2.您認為電