高速路上电动汽车充电桩解析

北京航空航天大学 任延吾

高速路上电动汽车充电桩解析

北京航空航天大学 任延吾

随着电动汽车在政策推动下的蓬勃发展，从2015年以来，我国已经成为全球最大的电动汽车市场。充电桩被认为一直是阻碍电动汽车发展的最后一道障碍，为解决此问题，国内的很多高速公路上已经安装了充电桩，而充电站的间隔以及充电桩的数量安排应满足许多条件。本文基于对电动汽车续航能力、在高速公路上的行驶速度以及充电时间的数据分析电动汽车在高速公路上的充电需求。结合高速公路里程以及车流量计算出在不同地段如何安排充电站和充电桩。制定出能够使得充电桩能够满足高速公路上电动汽车充电的需求且保证资源最大程度上的节约最优方案。

充电桩；电动汽车续航；充电需求；最优方案

1.问题的背景与重述

1.1 问题背景

一直以来，电动车的续航能力一直被消费者们诟病，对于电动车的车主来说不能跑长途，不能跑高速公路。不过这个现象已经得到解决。2015年初，国内首个高速快充网络——京沪高速公路电动汽车快充网络全线贯通。据不完全统计，北京、上海、天津、河北等11个省市已经在高速公路的服务区内建设电动汽车充换电站，合肥、山西等省市已规划在高速路建充电桩，为电动汽车实现城际互联提供重要支撑。

1.2 问题重述

选取合适的评价指标体系用来评价电动汽车的续航能力和充电时间。建立高速公路车流量模型，研究电动汽车的车流量。根据上述结果，从不会造成资源拥堵以及浪费的角度，合理安排充电站间隔以及充电桩的数量。

2.问题分析

不同品牌不同型号的电动汽车的续航能力是不一样的，因此在分析电动汽车续航能力时，为减小误差，建立与实际更贴近的模型，需要先通过续航能力将车型进行分类，将续航能力差距比较小的车型分为一类，然后通过对同一类车型续航能力的加权平均得到该类车型的续航能力，得到几中不同的电动汽车模型。而且由于混合动力汽车的续航能力普遍较弱，且与纯电动汽车差距较大，绝大多数情况下不会采用电力行驶，因此作为干扰因素不在此进行分析。

而对于高速公路来说，需要建立数学模型来研究车流量，应当结合高速公路的实际情况，道路结构等因素全部考虑其中，将不同车流量情况分开进行分析，得出最优安排方案。

3.模型假设

对于问题解决中的电动汽车模型和高速公路模型，有必要对实际情况进行假设以简化模型。

道路平坦，无施工现场，无交通事故影响车辆通行。

不考虑车变道带来的时间损耗，换道、并入分岔道以及进入充电站的动作在瞬间完成，不单独消耗一个时刻。

将高速公路假设为一条直线，且沿途路况相同，不考虑因地形因素而无法建设充电站的情况。

假设高速公路上的出入口在同一位置。

电动汽车在高速公路上为匀速行驶，速度为定值。

将电动汽车假设为一个质点，不考虑其自身长度。

将电动汽车进行分类，同一类的电动汽车的各项指标相同。

电动汽车车流量按照高速公路总车流量的固定百分比来计算。

模拟过程中，车流量保持不变。

假设电动汽车进入高速公路时电量为固定100%。

假设沿高速公路相反方向行驶的车流量以及其他环境因素均相同。

4.符号说明

表4-1

5.问题求解

5.1 电动汽车模型的建立

根据表5.1中对各型号电动汽车续航能力的统计可以发现，只有一个车型的续航达到了480km，其余车型续航都在300以下，因此该车型可以为高档车型。在其余车型中，除了3个车型的续航在250km以上，其他车型的车型续航都在200km以下，因此根据续航里程将电动汽车分为三类，一类为高档电动汽车，编号为1，其续航里程在300km以上，第二类为中档电动汽车编号为2，其续航里里程为250-300km，最后一类为低档电动汽车，编号为3，其续航里程在250km以下。假设电动汽车在高速公路上的行驶速度为固定值100km/h，由于该行驶速度不是能够保证电动汽车最大续航的行驶速度，以及实际路况对电动汽车的影响，电动汽车实际最大续航为理论最大续航的80%。将电动汽车分类后，根据表5.1可以获取出各型号电动汽车的市场占有率，其中不考虑市场占有率低于1%的车型。且假设所有电动汽车进入高速公路时电量为100%。

表5-1

根据以上数据可以计算出三种类型电动汽车的加权平均最大续航为：

这三类电动汽车的比例为 3:7:57 因此所占电动汽车的百分比分别为4.4%，10.4%，85.1%。

5.2 高速公路模型的建立

假设单向高速公路是一条线段，且与相反方向的情况完全相同，因此只需要研究单一方向上的情况即可。已发展较为完善的京沪高速为例，车流量日均2.6万辆。假设该车流量固定不变，则可以计算出平均每小时的车流量为1083辆。且2015年我国电动汽车销售量约占我国汽车销售总量的2%，以该比例计算，平均每小时电动汽车车流量为22辆，按照三类电动汽车的比例计算，每小时三类电动汽车的车流量分别为1辆、2辆、19辆。假设每一个出口的电动汽车车流量相同，均为22辆，则通过以上数据可以得出：

5.3 充电站模型的建立

根据京沪高速上充电桩的规格标准显示，电动汽车在高速公路上一次充电30分钟可将电量充满。电动汽车在电量剩余不足以行驶一个相邻充电站间隔时必须进行充电，可行驶距离大于两个相邻充电站间隔以上时不需充电,且保证当电动汽车最大续航大于两个充电站间隔。根据上述分析可以得出：

所以本着节约的原则，充电站间距应尽可能最大化，因此根据以上数据分析，充电站间隔应为50 km，即：

5.4 充电站内充电桩个数分析

在保持车流量不变且高速公路各路段情况相同的前提下，各单位长度的路段中，充电站以及充电桩的使用情况相同，每小时通过充电站的三类电动汽车的个数分别为1，2，19辆。

对于第一类电动汽车，其最大续航为380km，平均每通过7个充电站需要充电一次，则通过一个充电站需要充电的概率为。同理可得第二类第三类电动汽车。

通过一个充电站需要充电的概率为。

通过以上分析可以得出，一个充电站每小时需要充电的电动汽车数量X为：

假设每辆车到达充电站的时间是随机的，一小时内这些电动汽车充电需要的总时间为：

每个充电桩每小时可以提供1小时的充电时间，因此为保证进入车辆都能够满足充电需求，需要充电桩数量：

综上所述，高速公路上充电站的间隔应为50km，且每个充电站应配备5个充电桩。

6.模型的评价

6.1 模型的优点

通过分类方法将电动汽车进行分类，使所建立的模型更加符合实际情况。

结合高速公路实际情况进行高速公路模型的设计，可以简明的将电动汽车在高速公路上的情况模拟出来。

6.2 模型的不足

忽略了不同时间段车流量的变化对充电情况造成的影响。

在计算充电桩数量时，没有对车辆进入充电站的时间以及充电时间进行动态分析，忽略了同时多辆汽车同时进入的可能。数据来源较为片面，并不能够做到真正切合实际，需要科学计算后方可实施。