北航數(shù)學建模論文充電樁充電站高速公路詳解

1、高速公路電動汽車充電樁安排以京滬高速為例13211106朱文超132114一背景1.京滬高速現(xiàn)狀（涉及行駛和車輛情況假設(shè)）目前，在京滬高速全程1262 公里，國家電網(wǎng)公司在沿線一共建了50 座快充站， 平均單向每50 公里一座快充站。 每座快充站規(guī)劃建設(shè) 4 臺 120 千瓦直流充電機、 8 個充電樁， 可同時為 8 輛電動汽車充電， 30 分鐘內(nèi)充滿（ 80%電量）。先期建設(shè) 2 臺充電機、 4 個充電樁，支持所有符合中國標準的電動汽車充電。充電樁的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)價格不菲，目前投入大規(guī)模建設(shè)然而使用率較低。2.新能源汽車的層次需求問題（涉及車輛模型和車流模型）新能源汽車的市場需求分三個層次。最

2、低檔的是低速電動車，使用廉價鉛酸電池，替代電動自行車，摩托車，作為小城市和縣城鄉(xiāng)鎮(zhèn)的代步工具。 這種車有很大的市場， 但是國家因為污染原因不鼓勵鉛酸電池， 一直是半地下狀態(tài)。中檔是插電混合動力汽車， 這種汽車大多用鋰電池， 短途用電，長途用油， 充電加油兩相宜。高檔是特斯拉這種純電力汽車， 因為電池用的多， 價格都比較昂貴， 充電時間慢， 充電樁貴，長途麻煩。3.長途充電樁的問題（涉及充電樁模型）純電動車本來跑長途就有里程焦慮， 因為電量數(shù)字是個估計值， 要留足余量， 這就造成充電頻繁。而電動車充電時間又太長，即使是京滬高速這個所謂 30 分鐘充滿，跑 100 公里等 30 分鐘，也是無法忍受

3、的（相當于跑 1 個小時停半個小時） ，而且這還是不排隊的情況，排隊等待問題更加突出。而長途高速的工況下， 電動車的效率反而是最低的， 電動車相比燃油車， 最大的優(yōu)勢是市內(nèi)走走停停的路況，高速下電動車所需的功率會極具上升，續(xù)航里程大大降低。在目前的情況下， 在高速路上修快速充電站支持新能源汽車實在是出力不討好的。 這些充電站不用說收回成本，能不能保住日常的維護費用都難說。二 條件假設(shè)與模型建立（ 1）高速公路模型鑒于高速公路多采取直線線路，簡化公路模型為直線。（ 2）汽車模型（涉及單車續(xù)航里程）目前流行的幾大電動車額定功率標識如下。北汽 e150ev北汽紳寶眾泰 2008ev特斯拉 s寶馬 i

4、3額定功率 20kw，最大功率為 45kw 額定功率 62kw，最大功率 180kw 額定功率 12kw，最大功率 26kw額定功率 90kw，最大功率 306kw 額定功率 60kw，最大功率 170kw秦，額定功率40kw，最大功率110kwE6,額定功率35kw，最大功率90kw騰勢，額定功率 31kw，最大功率 86kw榮威 e50額定功率 25kw，最大功率 53kw榮威 e550額定功率 55kw，最大功率 150kw啟辰 e30額定功率 30kw，最大功率 80kw江淮 iev4額定功率 18kw,最大功率 40kw奇瑞 qq3ev額定功率 15kw，最大功率 36kw廣汽 e_

5、jet額定功率 60kw，最大功率 180kw主流車型電池容量及續(xù)航里程：江淮同悅： 15 kwh；152 公里比亞迪 e6：57 kwh；300公里特斯拉 s60kwh480 公里北汽 e15025.6kwh160 公里榮威 e5022.4kwh120 公里眾泰20kwh150公里啟辰20kwh175公里綜上可計算出市場主流車型的額定功率， 最大功率和電池容量的加權(quán)平均值。經(jīng)計算得，汽車模型的額定功率為 40kw（鑒于主要能耗在近似勻速階段，變速部分能耗不考慮） ，最大功率為 130kw（鑒于高速公路時速，不考慮出現(xiàn)最大功率的情況） ，電池容量為 30kwh 。鑒于高速公路車速分布情況，假定

6、車速為100km/h 。對于此車速下的實際功率： 由于各車型實際功率差異較大， 且與多種因素和數(shù)據(jù)有關(guān)，這里以官方給出的續(xù)航行程數(shù)據(jù)代替。加權(quán)平均計算后，續(xù)航里程為 200km。（3）充電站模型（考慮車輛續(xù)航里程）通過（ 2）中的汽車模型，得出了加權(quán)平均的續(xù)航里程 200km，但在實際運用中必然要考慮相當一部分的較短續(xù)航里程車型的續(xù)航， 車輛在高速公路外的電量使用以及其他一些電動車輛， 甚至某些突發(fā)或未知情況。此處考慮充電站的相隔建設(shè)距離為 50km（此處考慮到京滬高速的實際情況），以滿足不同情況的需求。并且在高速公路出入口交界處附近必須設(shè)置充電站。以京滬高速為研究對象，全長1262 公里（每

7、 50km 建一座充電站，共 28 座，包含首尾充電站且北京一端第 2 站距北京站 12 公里，便于使用）。如下：北京站 12km第 2 站 50km第 3 站 .第 27 站 50km上海站（4）充電樁模型（涉及單車充電時間）目前國家出臺的 GB/T18487.1電動車輛傳導充電系統(tǒng)一般要求等五項標準都是推薦性標準， 不能強制執(zhí)行。 另外不同車型充電時間涉及因素較多，因此無法通過統(tǒng)計獲得較準確的充電樁數(shù)據(jù)。目前情況主要采用快速充電方式。該充電方式以 150400A 的高充電電流在短時間內(nèi)為蓄電池充電，充電時間應(yīng)該與燃油車的加油時間接近。大型充電站（機）多采用這種充電方式。主要針對長距離旅行或

8、需要進行快速補充電能的情況進行充電，充電機功率很大， 一般都大于 30KW，采用三相四線制380V 供電。其典型的充電時間是：1030min。鑒于此前已有的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)，多數(shù)充電時間約為30min。此處采用此數(shù)據(jù)。（5）電動汽車車流量模型（涉及充電樁數(shù)量）圖中電動乘用車包含了油電混合車型。然而從上圖純電動車中國銷售情況看，純電動車在所有電動乘用車（包含油電混合車型）中不足10%。鑒于以上數(shù)據(jù)及目前高速公路充電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和使用情況， 我們假設(shè)只有純電動汽車會以電能在高速公路上行駛，而混合車型以耗油形式（不考慮）。鑒于高速公路車流量實際情況差異較大， 此處以京滬高速為準 （考慮到主要電動車型市

9、場主要分布在北京上海等東部京滬地區(qū)， 且模型中主要統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自于京滬地區(qū)） 。全線縱貫北京、天津、上海三大直轄市和河北、山東、安徽、江蘇四省。恰好與主要市場對應(yīng)，則可估計 2014 年京滬高速可能的最大純電動車車流量的峰值即為全年京滬地區(qū)市場電動車銷售量約 6000 輛。然而實際利用情況是： 電動汽車主要用于市區(qū)交通而非高速公路， 此處假設(shè)單日約 1%京滬市場電動汽車（ 60 輛）使用京滬高速。（6）行駛與充電模型（涉及充電樁數(shù)量）綜上分析，假設(shè)京滬高速單側(cè)電動汽車數(shù)量各占一半，則為 30 輛。由于計算得到的平均續(xù)航里程為 200km，則假定車流均勻， 則在續(xù)航里程內(nèi)共有五個充電站可供使用，滿足著 30 輛汽車充電，則每站應(yīng)設(shè)定 6 個充電樁。實際充電樁數(shù)需要根據(jù)實際的電動汽車在高速公路上的單日車流量而定（ 5）中假