CN111199080A - 一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，属于电动汽车领域。本发明首先根据现有电动汽车的保有量与电动汽车的行驶统计数据，得出电动汽车的总充电需求；其次，通过电动汽车用户的充电行为把充电需求进行分类，由不同类型充电设施对应满足；然后，将道路网的结构抽象出来，考虑到不同类型充电设施间的相互影响，建立一个以总投资成本、运维成本、电量成本和充电站用户成本最小为目标的线性规划模型，最后再通过约束条件优化得到各类充电设施的规划方案。本发明能够更好地指导充电设施的规划建设，满足城市电动汽车充电需求。

Description

一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划 方法

技术领域

本发明涉及电动汽车充电设施规划方法，尤其涉及一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，属于电动汽车领域。

背景技术

与传统高污染、高能耗的燃油汽车相比，使用电力替代石油或天然气等进行驱动的电动汽车噪声低、能效高，无污染物排出，在节能、环保和清洁等方面具有明显的优势，被认为是降低化石能源依赖和减少二氧化碳排放的有效解决方法，正受到各国政府和相关企业的高度关注。由于受到目前电池容量和续航里程的限制，电动汽车主要行驶在城市内，因此，在城市内对电动汽车充电设施进行合理规划具有迫切需求和重要的现实意义。

目前，对电动汽车充电设施的规划研究较多，并且多数仅针对充电站进行规划，极少有同时考虑充电桩规划的情况，由于充电桩慢速充电是电动汽车重要的能量补给方式，且充电设施间具有互补特性，因此同时规划公共充电站和分散的公共及私有充电桩显得尤为重要。

发明内容

基于此，本发明为满足充电设施的规划需求，提出了一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，通过该方法可以得到合理的城市内充电规划方案，满足电动汽车充电需求，降低规划成本，提高规划的经济性。一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：对城市电动汽车充电需求进行预测和分类；具体包括：首先，通过城市电动汽车保有量的预测，依据不同车辆类型和电动汽车渗透率来计算电动汽车的保有量，然后利用不同电动汽车的驾驶行为以及充电场所、充电模式的选择，将电动汽车充电需求分为多种类型，从而得到不同类型的电动汽车充电需求。

步骤2：综合规划电动汽车充电设施；根据不同类型的电动汽车充电需求，采用不同类型的充电设施满足其需求，并且所有充电设施均需考虑规划的投资成本、运维成本和其他成本，以综合成本最小为目标，建立统一的规划模型；然后，在城市范围内，根据充电需求分布、充电设施分布和城市道路交通状况对充电设施进行综合规划。

步骤3：对规划方案进行优化；通过建立充电需求约束条件和一般约束条件优化所建模型，其中一般约束条件包括：电动汽车充电站容量约束，电动汽车充电站数量约束，路网中充电需求逻辑约束，以此优化规划方案。

步骤4：形成电动汽车充电设施综合规划方案。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，解决了目前关于电动汽车充电设施规划仅针对充电站进行规划，极少同时考虑充电桩规划的问题。本发明在规划充电设施时考虑并定量分析了不同类型充电设施间的相互影响，建立了同时考虑充电站和充电桩规划的统一模型。同时，本发明的城市内电动汽车充电规划方案更加合理，不仅有助于降低规划成本，而且有助于提高规划的经济性。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为规划区道路网络结构示意图。

图3为快速充电站规划方案示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本实施例以某城市城区为例进行电动汽车充电设施的综合规划，将该区域道路网络进行简化和提取，其道路网结构如图2所示，该区域共包含48个路网节点，如图中数字序号1-48标识；路段110段，路段长度均为1km。认为该区域内的汽车数量处于进出动态平衡的状态，充电需求分布在路网的节点上。该区域2015年私家车、出租车和公务车的保有量分别为88860辆，1048辆和963辆。由于生活水平的提高，私家车保有量增长迅速，出租车和公务车由于政策的限制，几乎没有增长，因此假设私家车、出租车和公务车的年平均增长率分别为15％，2％和1％。

步骤1：对城市电动汽车充电需求进行预测和分类；

1)基于规划水平年城市机动车保有量及电动汽车渗透率的预测，可以得到电动汽车的保有量：

式中：a为车辆类型；t为规划水平年；A为车辆类型集合，A＝{P_r,P_a,P_u}集合中分别表示私家车、出租车和公务车；

为第t年a类型电动汽车的数量，

为a类型电动汽车的渗透率，该渗透率根据充电设施规划水平年城市电动汽车的数量得出，

为第t年a类型电动汽车的渗透率，γ_a为a类型车辆的年增长率。

按照本例中的情况，根据式(1)得到电动汽车保有量预测值，如表1所示：

表1

2)进一步地，预测城市内电动汽车的总充电需求：

式中：Q_t为第t年电动汽车的日均总充电需求；L_a、B_a和S_a分别为a类电动汽车的日均行驶里程、电池容量和平均续航里程，可通过调研统计数据得到。

3)根据建设场所对电动汽车进行分类：建设在居民区的私人充电桩(RCP1)、建设在居民区的公共充电桩(RCP2)、建设在工作场所的公共充电桩(WCP)、建设在商业区的公共充电桩(CCP)和建设在道路沿线的快速充电站(FCS)；

4)根据不同类型电动汽车的驾驶行为和充电模式，将其充电需求以一定的比例划分到上述五类充电设施上，则分类后的充电需求如式(3)所示。

式中：L_a为a类电动汽车的日均行驶里程，b为充电设施类型，B为充电设施类型集合，B＝{RCP1,RCP2,WCP,CCP,FCS},Q_b,t为第t年b类充电设施的充电需求，λ_a,b为a类电动汽车在b类充电设施上的充电需求比例。λ_a,b值大小将直接影响不同类型的充电需求大小，进而影响充电设施的规划，本实例中根据不同电动汽车的特点，得到规划的λ_a,b的一种取值组合如表2所示。根据式(3)得到本实例中不同年份不同类型的电动汽车日均充电需求，如表3所示。

表2

表3(单位10⁴kW·h)

步骤2：综合规划电动汽车充电设施；

1)根据道路网中车流量大小对快速充电需求按照比例进行分配，得到路网中快速充电需求的分布，如式(4)所示：

式中，j为充电需求点；N_D为路网中分布的充电求点的集合；D_j为j点的快速充电需求大小；v_j为路段车流量。本实例将2025年作为规划年，依据该区域路网中各节点车流量情况，通过式(4)计算出的各节点的快速充电需求如表4所示。

表4

2)建立目标函数，以最小化充电设施的年平均综合成本为目标，具体包括：投资、运成和购电成本、充电站用户成本；

投资成本：

式中，B'为除去私人充电桩之外的其他充电设施的集合，B'＝{RCP2,WCP,CCP,FCS}；

为充电设施的投资成本；S_b为充电设施的使用寿命，α为切现率。

运维成本：

式中，

和

分别为不同充电设施单位充电功率的年平均运维成本，N_RCP2、N_WCP、N_CCP分别为3类充电桩的数量，P_RCP2、P_WCP、P_CCP分别为单台充电桩的充电功率，n_i为充电站i内充电机的数量，P_CH为充电站内单台充电机的充电功率。

购电成本：

式中，H为规划年的总天数；

为不同充电设施所采用的电价。

充电站的用户成本：

式中，H为规划年的总天数，d_i,j为j点到充电站i的最短距离；c_D为单位路程单位充电需求的用户成本，可通过统计数得到。x_i,j表示j点的充电需求是否选择到充电站i处进行充电：若选择则x_i,j＝1；反之则x_i,j＝0。

最小化充电设施的年平均综合成本目标函数：

minC＝C^I+C^OM+C^E+C^FCS (9)

步骤3：对规划方案进行优化，建立充电需求约束条件和一般约束条件；

1)充电需求约束：

Q_RCP2≤N_RCP2P_RCP2T_RCP2(1-μ_RCP2) (10)

Q_WCP≤N_WCPP_WCPT_WCP(1-μ_WCP) (11)

Q_CCP≤N_CCPP_CCPT_CCP(1-μ_CCP) (12)

式中：T_RCP2、T_WCP、T_CCP和T_CH分别为4类充电设施的日平均可用时间，合称为T_b；μ_RCP2、μ_WCP、μ_CCP和μ_CH分别为4类充电设施的设备闲置率，合称为μ_b。式(10)-(12)表示充电桩要满足电动汽车充电需求，式(13)表示每一座充电站的容量要满足到该站进行充电的电动汽车的充电需求。

2)进一步地，一般约束：

电动汽车充电站容量约束：

式中，

和

分别为充电站内充电机数量的上下限。在变量n_i和y_i之间存在逻辑约束，若y_i＝0，则n_i＝0；若y_i＝1，则n_i>0。

电动汽车充电站数量约束：

式中，

和

分别为充电站数量的上下限。

路网中充电需求逻辑约束：

其中，x_i,j和y_i均为0-1变量，n_i为非负整数变量。

根据表2分析，假设私家车RCP1的充电需求比例λ_Pr,RCP1取不同值，剩余的充电需求比例按照表2中4:2:1:4的关系进行分配，得到其他4类充电设施的充电需求比例。

根据步骤2中分析得到各类充电需求的大小以及路网中快速充电需求的分配结果，在本步骤的充电需求约束条件和一般约束条件下得到电动汽车充电设施的规划方案如表5所示。

表5

步骤4：形成电动汽车充电设施综合规划方案；

通过步骤3的表5得知，随着λ_Pr,RCP1的增加，私家车选择在居民区私人充电桩上充电的比例逐渐增大，更多的充电需求通过夜间慢充的方式满足，因此所需要建设的公共充电桩数量和快速充电站数量均不断减少，规划综合成本也不断降低。可见用户充电行为对于充电设施的规划有显著的影响，如果引导用户更多地选择在居民区私人充电桩进行夜间慢速充电，那么充电设施的规划成本将大大降低。将每个规划方案的各项年平均成本分别列出，如表6所示。

表6

通过表6可知，电量成本在总成本中占主要部分，随着λ_Pr,RCP1的增加组成综合成本的各项成本均显著降低，再考虑到方案的可行性，选取表6中λ_Pr,RCP1＝45％时的规划结果，得出快速充电站的规划方案如表7所示，其规划方案图如图3所示。其中，深黑色圆点为充电站的建站位置，虚线划分的区域为该充电站所服务的充电需求节点和服务范围。

表7

以上所述仅为本发明的一种实施案例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对城市电动汽车充电需求进行预测和分类；

步骤2：综合规划电动汽车充电设施形成初步方案；

步骤3：对初步规划方案进行优化；

步骤4：形成电动汽车充电设施最终规划方案。

2.如权利要求1所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：其中步骤1具体包括：

1)基于规划水平年城市机动车保有量及电动汽车渗透率，预测电动汽车的保有量：

2)进一步地，预测城市内电动汽车的总充电需求：

3)根据建设场所对电动汽车充电设施进行分类；

4)根据不同类型电动汽车的驾驶行为和充电模式，将其充电需求以一定的比例划分到上述已分类的充电设施上，并计算分类后的充电需求。

3.如权利要求2所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：其中预测电动汽车的保有量根据下式计算：

式中：a为车辆类型；t为规划水平年；A为车辆类型集合，A＝{P_r,P_a,P_u}集合中分别表示私家车、出租车和公务车；

为第t年a类型电动汽车的数量，

为a类型电动汽车的渗透率，该渗透率根据充电设施规划水平年城市电动汽车的数量得出，

为第t年a类型电动汽车的渗透率，γ_a为a类型车辆的年增长率。

4.如权利要求3所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：其中预测城市内电动汽车的总充电需求根据下式计算：

式中：Q_t为第t年电动汽车的日均总充电需求；L_a、B_a和S_a分别为a类电动汽车的日均行驶里程、电池容量和平均续航里程，可通过调研统计数据得到。

5.如权利要求4所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：根据建设场所对电动汽车充电设施分成以下五类：建设在居民区的私人充电桩(RCP1)、建设在居民区的公共充电桩(RCP2)、建设在工作场所的公共充电桩(WCP)、建设在商业区的公共充电桩(CCP)和建设在道路沿线的快速充电站(FCS)。

6.如权利要求5所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：对于分类后的充电需求根据下式计算：

式中：L_a为a类电动汽车的日均行驶里程，b为充电设施类型，B为充电设施类型集合，B＝{RCP1,RCP2,WCP,CCP,FCS}，Q_b,t为第t年b类充电设施的充电需求，λ_a,b为a类电动汽车在b类充电设施上的充电需求比例。

7.如权利要求1所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：其中步骤2具体包括：

1)根据道路网中车流量大小对快速充电需求按照比例进行分配，得到路网中快速充电需求的分布。

2)建立目标函数，以最小化充电设施的年平均综合成本为目标。

8.如权利要求7所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：所述综合成本具体包括：投资、运成和购电成本、充电站用户成本，最小化充电设施的年平均综合成本目标函数为：

min C＝C^I+C^OM+C^E+C^FCS (4)

其中，C^I为投资成本，C^OM为运成成本，C^E为购电成本，C^FCS为充电站用户成本。

9.如权利要求8所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：其中投资成本根据下式计算：

式中，B'为除去私人充电桩之外的其他充电设施的集合，B'＝{RCP2,WCP,CCP,FCS}；

为充电设施的投资成本；S_b为充电设施的使用寿命，α为切现率。

10.如权利要求9所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：其中运维成本根据下式计算：

式中，

和

分别为不同充电设施单位充电功率的年平均运维成本，N_RCP2、N_WCP、N_CCP分别为3类充电桩的数量，P_RCP2、P_WCP、P_CCP分别为单台充电桩的充电功率，n_i为充电站i内充电机的数量，P_CH为充电站内单台充电机的充电功率。

11.如权利要求10所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：其中购电成本根据下式计算：

式中，H为规划年的总天数；

为不同充电设施所采用的电价。

12.如权利要求11所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：其中充电站的用户成本根据下式计算：

式中，H为规划年的总天数；d_i,j为j点到充电站i的最短距离；c_D为单位路程单位充电需求的用户成本，可通过统计数得到。x_i,j表示j点的充电需求是否选择到充电站i处进行充电：若选择则x_i,j＝1；反之则x_i,j＝0；

其中，D_j为快速充电需求，其计算公式为：

式中，j为充电需求点；N_D为路网中分布的充电求点的集合；D_j为j点的快速充电需求大小；v_j为路段车流量。

13.如权利要求1所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：步骤3具体包括：对规划方案进行优化，建立充电需求约束条件和一般约束条件：

1)年平均综合成本目标函数最小的充电需求约束条件；

2)年平均综合成本目标函数最小的一般约束条件。

14.如权利要求13所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：年平均综合成本目标函数最小的充电需求约束为：

Q_RCP2≤N_RCP2P_RCP2T_RCP2(1-μ_RCP2) (10)

Q_WCP≤N_WCPP_WCPT_WCP(1-μ_WCP) (11)

Q_CCP≤N_CCPP_CCPT_CCP(1-μ_CCP) (12)

式中，T_RCP2、T_WCP、T_CCP和T_CH分别为4类充电设施的日平均可用时间，合称为T_b；μ_RCP2、μ_WCP、μ_CCP和μ_CH分别为4类充电设施的设备闲置率，合称为μ_b。式(10)-(12)表示充电桩要满足电动汽车充电需求，式(13)表示每一座充电站的容量要满足到该站进行充电的电动汽车的充电需求。

15.如权利要求13所述一种考虑不同类型充电需求的城市电动汽车充电设施规划方法，其特征在于：其中，一般约束包括：

电动汽车充电站容量约束：

式中，

和

分别为充电站内充电机数量的上下限。在变量n_i和y_i之间存在逻辑约束，若y_i＝0，则n_i＝0；若y_i＝1，则n_i>0；

电动汽车充电站数量约束：

式中，

和

分别为充电站数量的上下限；

路网中充电需求逻辑约束：

其中，x_i,j和y_i均为0-1变量，n_i为非负整数变量。

Images