一種電動汽車充電樁的布局規劃方法①

保麗霞, 王秋蘭, 季 楠, 王東波, 王 超, 朱薛豪

(1.上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司,上海 200011;2.天津經濟技術開發區建設和交通局,天津 300450;3.吉林大學交通學院,吉林 長春 130000)

0 引 言

隨著電動汽車數量的增加,對電動充電樁的需求也在增加。電動充電樁的位置規劃需要考慮城市道路網、交通線路、商業區和居民區等因素,并確保經濟可行性[1-2]。目前,國內的電動充電樁位置規劃研究還處于初步階段,充電樁的建設已成為制約電動汽車發展的重要因素。

2019年9月19日,中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》中提到的“開展綠色出行行動,倡導綠色低碳出行理念;科學規劃建設城市停車設施,加強充電、加氫、加氣和公交站點等設施建設”。2020年3月4日,中央政治局常委會會議提出新能源汽車充電樁作為“新基建”,已是國家經濟發展布局的重中之重。充電設施的合理布局規劃,逐漸成為了國內各大中型城市的熱點問題。

提出了一種充電樁規劃方法。首先,分析了電動汽車發展不平衡對規劃的影響,確定了充電需求;然后,將社會充電樁作為輔助充電樁,根據充電樁的位置確定設施的位置。最后,考慮了電動汽車充電時間對充電負載的影響,以確定充電樁的容量。

1 充電樁規劃流程

1.1 配置原則

根據《電動汽車充電基礎設施發展指南(2015-2020年)》的相關要求,結合實際運行反饋的情況,不同類型車輛充電基礎設施的配置原則:

1)公交車在公交首末站設置專用充電站,按照8:1或16:1配置;

2)網約車、出租車在出行熱力區附近規劃建設公共快充站,按車樁比3:1配置;

3)環衛、物流、郵政及公安巡邏車輛按車樁比1:1配置,需要夜間慢充和臨時快充補電;

4)公務用車按車樁比1:1配置,需要夜間慢充和臨時快充補電;

5)私家車在小區公共或專用停車位進行充電,按車樁比1:1配置,夜間補電頻率高。

1.2 規劃流程

根據不同類型電動車的充電需求,將充電樁分為市域內、私人、配建和公共四種類型[3-4],以滿足不同類型電動汽車的充電需求。通過最短充電距離建模確定充電樁位置,預測充電負荷并滿足容量,充電樁數量由電動車輛最大充電負載決定[5],圖1為充電樁規劃流程圖。

2 充電樁規劃方法

為了滿足道路上的緊急充電需求,可以將其分配給路網中的各個分支[6]。充電需求量取決于交通流量和道路長度的乘積,因此公式(1)中的充電需求量會隨著這些因素的增加而增加。

QU,t,i∝di·vi

(1)

可以綜合考慮道路的實際情況、環境因素、政策因素和地理信息,在道路上選擇候選站點。

圖1 充電樁的總體規劃流程

2.1 目標函數

綜合考慮建設投資成本、運營成本和用戶收費成本,目標函數為年運營投資綜合成本最小,見式(2):

minC(Nch,Ys,XD)=

cinv(Nch,Ys)+coper(Nch,Ys,XD)

(2)

cinv(Nch,Ys)為電動汽車充電站投資成本,coper(Nch,Ys,XD)為充電站運行成本。電動汽車用戶的成本主要與用戶與充電站之間的距離和充電需求有關,見式(3)、(4)。

(3)

(4)

年投資成本是決策變量Nch和Ys的線性函數,由未來成本換算成當前成本加上資產回收系數δ,見式(5)

(5)

利用Floyd最短路徑算法計算從充電需求點到候選充電站的最短路徑。

2.2 約束條件

2.2.1 充電需求約束

(6)

2.2.2 一般約束條件

電動汽車充電站數量的約束如式(7)所示。

(7)

每個充電站的容量也有一定的上下限,也就是充電器數量的約束。

(8)

(9)

(10)

而充電需求Dj必須在某一個站點滿足,所以xij也遵循以下約束:

(11)

2.3 模型建立

根據以上分析,快速充電站規劃優化模型可推廣為以下數學模型:

(12)

3 實例分析

以天津市經開區為例,運用上述模型和方法對電動汽車充電設施進行規劃。根據天津市交科委公布的數據,天津市機電動汽車保有量約為29.5萬輛,電動私家車18.7萬輛,綠標出租車1.2萬輛,電動公務用車1.6輛,電動公交車約7,500輛左右。由于不同類型電動汽車的滲透率不同,結合電動汽車發展趨勢,對未來不同年份汽車規模進行預測,如表1。

表1 天津不同類型汽車規模預測

根據2021年經開區的常住人口占全市總人口的比例約為11.6%,可知該區汽車保有量約占全市汽車保有量的10%。根據以上數據可計算出該區的充電需求,如表2和圖3所示。

表2 不同充電類型的充電需求

圖3 天津市2024年-2030年充電需求預測

針對天津市經開區東區的快速充電樁規劃,需要對經開區路網進行簡化和提取。原路網及規劃后路網如圖4所示。

(a)經開區東區原道路結構

(b)經開區東區簡化后道路網絡結構

圖5 經開區原充電站分布圖

圖6 經開區規劃后充電站分布圖

網絡中共有45個節點和64個分支。根據支路所在的區域、距離城市中心的距離以及某些支路的一些實際測量數據來估算交通流量。然后對各分支的長度和交通流量進行歸一化,將需求分配給不同的分支。

表3 每個充電站的充電樁數量分布

4 結 論

預測了不同電動汽車類型的電動汽車整體充電需求。將充電需求分為慢速、常規、快速三種類型,對于不同充電類型,分別設計了基于充電需求和基于路網結構的充電樁規劃方法。并以天津市經濟開發區的充電樁選址規劃作為實例分析,驗證了該方法的有效性,為近遠期充電設施的規劃建設提供可操作的支撐。