電動汽車的發(fā)展及其充電樁的選址問題

電動汽車的發(fā)展及其充電樁的選址問題摘要節(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，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0—1規(guī)劃及覆蓋的數(shù)學(xué)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(biāo)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。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(dāng)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、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（2012—2020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(biāo)。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。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？”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)計圖建立充電樁的合理布置的數(shù)學(xué)模型3.1前期--模型的準(zhǔn)備：（1）我們選取上海市一中心區(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(xué)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(biāo)：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，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(biāo)：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(biāo)：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(zhǔn)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)學(xué)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(biāo)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(biāo)最高。1．求車流量取所選區(qū)域為控制體⑤⑤⑥③④②①控制體⑧⑦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?xí)r（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？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。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(biāo)。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編程運行可得階矩陣圖如下：地點12345678910111213141516綜合評價指標(biāo)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(xué)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(biāo)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。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(biāo)：列目標(biāo)函數(shù)。充電樁的重復(fù)覆蓋度最大：約束條件：可以看到，目標(biāo)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(xué)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(biāo)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)≌加新蕿椤Ｖ匦掠嬎阒档玫?，即此時所選區(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(biāo)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。。。。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(xué)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(dāng)“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(dāng)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(dāng)“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？A．4S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)在什么位置？（多選）A．4s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.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(dāng)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.您認為電動汽車環(huán)保嗎？A．環(huán)保（100%）B.不環(huán)保（0%）C.不能確定(0%)3.您認為電動汽車有