基于电动汽车行驶仿真模型的充电站布局优化

1 引言

1.1选题背景和意义
本文源于自然科学基金重大项目子项目（71132008):物流资源整合与调度优化研究。本论文选题于电动汽车这一新兴产业，该产业技术尚未成熟，正处于示范推广阶段。因此本论文结合电动汽车现阶段发展的现状，对电动汽车行驶仿真模型和充电站布局进行研究，具有一定的前瞻性性、有较好的理论意义。随着我国经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高，汽车的需求量也急剧增加。然而，我国的资源以及环境问题制约着燃油汽车的发展，发展电动汽车成为解决这一问题的最有效的方法。除了形式所迫之外，发展电动汽车技术上可行性较强，虽然我国在传统汽车研发方面与世界先进水平有较大差距，但在电动汽车技术方面，差距并不明显。另外，我国具有丰富的稀土资源等，为电动汽车的发展提供了资源优势。为了促进电动汽车的发展，国家以及各地政府纷纷出台了一系列鼓励电动汽车发展的方针政策，包括国家宏观政策、示范推广政策以及其他相关政策⑴(GongHuiming, Wang Michael Q, Wang Hewu, 2013)。2008 年，科技部在奥运会期间推出了 “十城千辆”节能与新能源汽车示范推广政策。2009年，国务院在颁发的《汽车产业调整和振兴规划》中指明了未来我国电动汽车产业化发展方向和目标。同年，中汽协牵头成立了由国内十家最大汽车生产企业组成的电动汽车产业联盟，统一制定了电动汽车生产相关标准，为电动汽车的技术创新和推广提供支持。2012年，国务院印发了《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020)》，《规划》中确定了我国电动汽车的发展目标是：到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量超过50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆。
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1.2研究现状
本章主要阐述选题的研究现状，从电动汽车产业发展现状、电动汽车路径优化、充电站布局和电动汽车行驶agent模型四个方面来综述并评价已有研究成果，发现研究要点。曹秉刚，，张传伟，白志峰（2004)和崔玉峰，杨晴，张林山等（2010)指出燃料电池是未来电动汽车的发展方向[4-5]。徐哲（2006)分析了我国发展电动汽车的优势和不足。郭孔辉（2011)，曹秉刚（2007)和黄鲁成，顾成建（2008)指出微型电动汽车更适合中国的国情。张文亮，武斌，李武峰，来小康，（2009)认为我国电动汽车应用重点将逐步从公共服务用车、微型电动汽车过渡到电动乘用车综上所述，相对于传统汽车，我国发展电动汽车具有一定的优势，因此电动汽车在我国有较好的发展前途，尤其是微型电动汽车。充电站运营模式包括整车充电模式和更换电池模式，整车充电模式包括慢充和快充。鲁莽，周小兵，张维等（2010)分析了公用充电站模式、停车场（路边）充电桩模式以及电池更换站模式的发展前景。周逢权，连湛伟，王晓雷等(2011 )、朱新红（2012)、刘金行（2010)以及Liu Yongxiang等（2011)从不同角度分析，得出以更换电池为主、整车充电为辅的运营模式将成为我国电动汽车充电站未来发展的主流模式。高赐威，吴茜（2013)介绍了充换电两种运营模式的结构及特点，并分析了换电网络的基本框架、运营模式以及换电网络管理系统。电动汽车充电分为快充和慢充，快充会对电池造成较大损害，更换电池一般仅需要几分钟，甚至比燃油汽车补充能源要快。胡伟，丁宇飞，刘芳等（2009)和李哲，卢兰光，欧阳明高（2011)认为基于换电模式建设电动汽车动力电池租赁网络能够有效解决电动汽车成本过高的问题林晶怡，陈企楚，李斌等（2011)指出换电模式下电动汽车行驶计量方式主要有按电量计量和按里程计量两种方式[19]。
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2电动汽车行驶路径问题

2.1换电模式和整车充电模式
更换蓄电池模式也称租赁蓄电池模式，是把电动汽车和蓄电池分开的蓄电池充电模式。对于电动汽车用户来说，只需要购买电动汽车，然后通过不断更换蓄电池的方式来实现电动汽车的行驶。有专门的第三方公司或者电动企业负责蓄电池的充电、配送、回收等。这种充电模式要求蓄电池进行标准化，当电动汽车需要更换蓄电池的时候，能够非常方便地到附近的蓄电池更换站去更换己经充好电的蓄电池【38】。由蓄电池生产企业、电动汽车用户、物流公司等组成的一个闭环的蓄电池供应链[39]。更换电池费用包括更换电池的人工费用和电池费用，无论剩余电量多少，更换电池费用相同。整车充电分为慢充和快充两种类型。在整车充电模式下，制约电动汽车发展的蓄电池问题非常突出：一是购买蓄电池的初期投资成本太大，昂贵的蓄电池成本在很大程度上阻碍了电动汽车的推广;二是慢充需要5-9个小时,充电时间太长，快充对蓄电池有较大损伤，造成蓄电池寿命急剧衰减，进一步增加了电动汽车的蓄电池成本。此外，整车充电模式下，电动汽车充电负荷具有显著的时空随机性，对电网运行和规划会带来不利的影响[32-37]。考虑到电动汽车充电的成本和安全性，换电模式成为更有潜力的充电方式换电模式已经成为电动汽车发展具有竞争力的商业模式。有两个方面的原因：第一，采用蓄电池租赁方式，由电网公司承担蓄电池的初期投资成本，可显著降低用户的初始构成成本；第二，对蓄电池采用集中慢充的方式，避免快充引起的蓄电池寿命缩短问题，并且可以避免电动汽车随机充电对电网运行带来的不利影响[47]。第三，换电模式大大縮短了充电时间的同时也不同程度缓解了蓄电池寿命、蓄电池维护、蓄电池回收电网错峰和用地成本等问题【49】。
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2.2电动汽车充电站选择可能情况
根据电动汽车的剩余电量下的续航里程以及出行的距离，可以分为三种情况：电动汽车可以直接到达目的地；电动汽车需要去充电站更换电池才能到达充电站；电动汽车不能到达目的地以及任何一个充电站。一般情况下，司机会选择总距离最短，即初始点到充电站的距离与充电站到目的地距离之和最小的充电站，或者是到达目的地后剩余电量最大的充电站。总距离最短是为了保证电动汽车行驶时间越少越好，到达目的地后剩余电量最大是为了在达到目的地的条件下，剩余较大的电量。剩余的电量越大，下一步能行驶的距离越大，在更换电池成本一样的情况下，司机会倾向于选择剩余电量最大的路径。剩余的电量是由充电站到目的地的距离决定的，充电站到达目的地的距离越大，更换电池后消耗的电量越大，而剩余的电量越小。综上所述，影响电动汽车充电站选择的因素主要有时间因素和成本因素。当司机认为时间因素比成本因素重要时，司机倾向于选择总距离最短的路径；当司机认为成本因素比时间因素重要时，司机倾向于选择去充电站到目的地距离最近的充电站充电。
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3电动汽车行驶仿真模型.........15
3.1模型假设........15
3.2参数设定........15
3.3电动汽车行驶路径模型构建........16
3.4电动汽车行驶路径模型改进........17
4 充电站布局优化........21
4.1充电站布局合理性分析........21
4.2绕行距离-成本模型........22
4.3 Agent仿真模型构建........24
5北京市充电站布局优化........28
5.1基础数据........28
5.2仿真试验........30
5.3北京市充电站布局合理性分析........35
5.4北京市充电站布局优化........40

5北京市充电站布局优化

5.1基础数据
基础数据主要包括北京市道路网络、北京市现有充电站位置以及北京市人口分布。由于北京市道路网络错综复杂，只采集主干道道路网络。北京市五环以内现有对外幵放电动汽车充电站29个，这些充电站可以为电动汽车提供充电服务。除了北京市道路网络以及北京市充电站位置，还要知道北京市人口分布图，因为人口越多的区域，电动汽车出行次数越多，需要建设的充电站越多。

5.1.1北京市道路网络图
本文采集了如下图所示的北京市地图。电动汽车由于续航里程的限制，一般只在城市内部使用，很少行驶到郊区或其他城市。因此在该图中，只有五环及五环以内的道路。另外，为了增加模型的有效性，下图只选取了北京市的主干道。但仿真中初始点和目的地是随机生成的，可以分布在城区的任意位置。当初始点和目的地不在主千道上时，电动汽车会优先选择行驶到主干道，再行驶到目的地或在充电站。因此，虽然模型中只有主干道，但城市内部的任意位置都是可达的。

结论

本论文在国家电网推出智能充换电服务网络的模式和国家大力发展新能源汽车的基础上，研究了电动汽车行驶路径问题和充电站布局优化问题。利用Anylogic仿真软件建立了电动汽车行驶路径仿真模型，分析仿真数据，结合绕行距离-成本模型，提出了充电站布局的优化方案。论文以北京市为案例，对北京市充电站布局进行优化。通过对比优化前后的结果可以看出，通过绕行距离-成本模型对充电站布局进行优化，可以大大降低电动汽车的绕行距离，充电成本以及各充电站访问次数的标准差。本文基于电动汽车的换电运营模式下，分析了电动汽车行驶路径的问题。根据电动汽车剩余电量和与目的地的距离的关系，将电动汽车行驶路径问题分为三种情况：直接到达目的地；经充电后到达目的地；电量不足以到达充电站或目的地。第二种情况下，即电动汽车需要充电后到达目的地，本文根据实际情况确定了电动汽车选择充电站的规则。基于该规则，建立了电动汽车行驶路径仿真模型。考虑到道路网络和人口密度对模型的影响，本文将上述两种因素加入到模型中，对模型进行了改进，使得模型更加符合现实情况。
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参考文献（略）