考慮消費者偏好的高速公路新能源汽車充電需求分析

呂潔

摘要：隨著全球新能源汽車的快速發(fā)展，在各城市區(qū)域間建設(shè)與之相匹配的新能源汽車充電站就變的尤為重要。本文將站在高速公路新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃者的角度，針對高速公路新能源汽車的車流情況及充電需求變化，構(gòu)建考慮消費者偏好的高速公路充電需求預(yù)測模型。該模型通過分析消費者偏好對高速公路充電站規(guī)劃的影響，構(gòu)建消費者偏好度評價模型，確定影響消費者偏好的主要因素，將主要影響因素引入到充電需求預(yù)測建模中，建立考慮了消費者偏好的高速公路新能源汽車充電需求優(yōu)化模型，以便為后期新能源汽車高速公路充電站站址優(yōu)化提供參考，避免充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)資源的不必要浪費。

Abstract： With the rapid development of global new energy vehicles， it is becoming more important to build matching charging stations for new energy vehicles between cities and regions. In this paper， from the perspective of planners for the construction of expressway new energy vehicle infrastructure， a prediction model for expressway charging demand that takes into account of consumer preferences is constructed in accordance with the traffic conditions of highway new energy vehicles and changes in charging demand. This model analyzes the impact of consumer preferences on the planning of expressway charging stations， constructs an evaluation model of consumer preferences， determines the main factors affecting consumer preferences， introduces the main influencing factors into the charging demand forecasting modeling， and an optimization model for expressway new energy vehicle charging demand considering consumer preferences is established to provide a reference for the optimization of the new energy vehicle expressway charging station site in the future， and to avoid unnecessary waste of the charging infrastructure construction resources.

關(guān)鍵詞：新能源汽車;高速公路充電需求;消費者偏好

Key words： new energy vehicles;expressway charging needs;consumer preferences

中圖分類號：TU714;TU17 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0058-04

0 ?引言

隨著全球能源緊缺和環(huán)境污染不斷加劇，節(jié)能、低耗、零排放、儲量豐富、更舒適的新能源汽車，開始受到世界各國政府與企業(yè)的重點關(guān)注。國際能源署統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球新能源汽車2011年銷量僅有5萬輛，而截止2014年12月，全球新能演汽車保有量已急劇達到66.5萬輛，預(yù)計到2030年，全球新能源汽車保有量將達到1.25億輛。在2014年，作為我國新能源汽車啟動元年，全年產(chǎn)量8.40萬輛。2017年，我國新能源汽車產(chǎn)銷量為58萬輛，位居全球第一。根據(jù)國務(wù)院相關(guān)規(guī)劃，預(yù)計到2020年，我國新能源汽車產(chǎn)銷量將達到500萬輛。于是，建設(shè)與之相匹配的充電基礎(chǔ)設(shè)施對新能源汽車的推廣及應(yīng)用尤為重要。然而新能源汽車因為電池容量與續(xù)航里程的限制，目前新能源汽車遠距離的行駛需求成為了抑制新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，這無疑對高速公路充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃提出了嚴峻的考驗。如何確定新能源汽車高速公路的充電需求，從而保證新能源汽車在高速公路行駛時有充足的電量補給，便具有重要的理論意義和研究價值。

近年來，城市區(qū)域內(nèi)充電基礎(chǔ)設(shè)施的布點規(guī)劃已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，楊耿杰[1]基于流體動力學(xué)的交通模型來預(yù)測電動汽車的到達率，基于排隊論和到達率計算充電需求，考慮了單條高速公路上單向、雙向以及高速路網(wǎng)的情況，建立了一種針對高速路口附近快速充電站的新能源汽車充電需求時空分布模型。BRAHMA S M[2]基于電量分布及行駛里程提出了一種高速公路上進行充電站選址定容的模型，以某一路段中到充電站充電的新能源汽車數(shù)量期望值最大化為目標優(yōu)化充電站的布局，以充電站的服務(wù)成本和顧客的等待成本之和最小為目標來優(yōu)化容量配置，同時利用排隊論原理分析充電站的服務(wù)水平和運行效率。賈龍，胡澤春[3]等人基于單條高速公路和高速路網(wǎng)中新能源汽車電池荷電狀態(tài)變化得出新能源汽車充電需求的分布情況，再采用兩階段法確定新能源汽車充電站的最優(yōu)建站方案。對于城市區(qū)域間高速公路充電基礎(chǔ)設(shè)施布點規(guī)劃，馮亮[4]基于新能源汽車在高速公路上行駛的電量分布及行駛里程提出了高速公路充電站的布點規(guī)劃。董曉紅，穆云飛[5]等人在原有充電需求預(yù)測模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種考慮配網(wǎng)潮流約束的高速公路快速充電站校正規(guī)劃的方法，但規(guī)劃方法僅僅關(guān)注了配電網(wǎng)絡(luò)需求約束。

1 ?消費者偏好對充電需求預(yù)測的影響分析

黃維梁[6]認為消費者行為是指消費者獲取、使用、消費和處置產(chǎn)品或服務(wù)時所表現(xiàn)出的各種行為及其過程。Ajzen與Fishbein[7]提出理性行為理論（TRA），認為任何因素只能通過態(tài)度和主觀準則來間接地影響使用行為，假設(shè)人有完全控制自己行為的能力。但是，在客觀條件下，個體的行為受到管理干預(yù)以及外部環(huán)境的制約。于是，Ajzen[8]又引入了感知行為控制變量，并提出了計劃行為理論（TPB），提出行為意向除了由態(tài)度和主觀準則決定以外，還會受到感知行為控制的影響。Silk與Urban[9]也基于標準性假設(shè)提出，某一商品被選概率取決于消費者對其偏好程度。偏好指的是消費者對同類商品表現(xiàn)出的品牌、價格、產(chǎn)地和設(shè)計等的偏好之情，在很大程度上，這種偏好決定了消費者對某種商品的選擇。目前，現(xiàn)有的高速公路新能源汽車充電需求對于消費者充電行為觀點均基于標準化決策理論基礎(chǔ)，認為消費者偏好是穩(wěn)定的，但對于消費者決策行為，張全成[10]在研究中證實，消費者對特定商品的價值判斷、評價和選擇都離不開情境、方案的對比參照，因此消費者偏好對高速公路新能源汽車用戶在進行充電選擇時具有重要影響。

2 ?考慮消費者偏好的高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測

由于新能源汽車在高速公路行駛過程中，汽車是單向行駛的，不能掉頭，本文僅考慮一個方向的車流情況，對高速公路新能源汽車充電需求進行預(yù)測;當新能源汽車用戶在行駛過程中發(fā)現(xiàn)汽車電池電量不滿足其在高速公路上的行駛里程時，前面行駛路段中任一個充電站都可能成為其充電選擇對象，消費者可以根據(jù)消費者偏好對后面可能遇到的充電站進行排序。本文針對這種情況，在現(xiàn)有僅考慮新能源汽車的電池電量分布的高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)消費者偏好的影響因素分析，考慮影響消費者偏好的主要因素對高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測影響，在已有的高速公路新能源汽車充電需求模型基礎(chǔ)上建立考慮消費者偏好的新能源汽車充電需求預(yù)測模型，最后本文以《2018北京交通發(fā)展年報》的出行行為數(shù)據(jù)為依據(jù)，以京開高速公路段新能源汽車出行情況為例，得出考慮了消費者偏好的高速公路充電需求對比分析，為進行高速公路充電站建設(shè)合理規(guī)劃時提供參考。

2.1 考慮新能源汽車電池電量分布的高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測模型

為了盡可能的接近實際最大續(xù)航能力，根據(jù)國內(nèi)常用六款新能源汽車綜合續(xù)航里程NEDC（New European Driving Cycle）確定新能源汽車在充滿電的前提下一直跑到電量耗盡時行駛的平均最大續(xù)航里程Lmax。這樣，在已知新能源汽車的初始電量S0、行駛路徑Di、最大續(xù)航里程Lmax的條件下，我們可以得到任意第i輛新能源汽車在高速公路任意地點的電池電量，當最大續(xù)航里程Lmax>Di時，則表示該第i輛新能源汽車不需要在高速公路上充電，當最大續(xù)航里程Lmax？燮Di時，則表示該新能源汽車在該高速路段上的充電次數(shù)N？叟1。當N？叟1時，則根據(jù)整個高速路網(wǎng)中的新能源汽車的電池電量分布[3]基礎(chǔ)模型，第i輛新能源汽車在經(jīng)過充電站點k時的電池電量為：

2.2 考慮消費者偏好的高速公路新能源汽車充電需求預(yù)測模型

孫魯平，蘇萌[12]研究表明，消費者的不準確知識、購買意愿強度以及購買延遲時間均對其實際偏好（購買行為）具有顯著影響。本文結(jié)合多種來源的高速公路新能源汽車充電市場消費者相關(guān)數(shù)據(jù)進行調(diào)查，從高速公路充電站服務(wù)對象的角度出發(fā)，通過對服務(wù)對象的特性分析和充電需求特性分析，對高速公路充電消費者、消費者目的進行分類，識別影響高速公路充電消費者充電需求偏好的主要因素。如圖1結(jié)果所示，在消費者對于充電站服務(wù)區(qū)配套設(shè)施齊全度、行車路線熟悉度等所掌握的信息和知識不斷更新，以及消費者本身的不準確知識的影響過程中，隨著新能源汽車剩余電量分布的變化，消費者的充電意愿強度Ap和充電延遲時間Td對于充電需求的判斷就會有最為顯著影響。

3 ?實證分析

為了驗證帶有消費者偏好的影響因素對于高速公路新能源汽車充電需求的影響，根據(jù)已有的新能源汽車充電需求預(yù)測模型與考慮了消費者偏好的新能源汽車高速公路充電需求預(yù)測結(jié)果進行對比分析。首先，分析高速公路新能源汽車充電需求所遵循的規(guī)則：

①由于新能源汽車在高速公路行駛過程中，汽車是單向行駛的，不能掉頭，于是本次實證分析僅考慮一個方向的車流情況;

②假設(shè)高速公路新能源汽車行駛路徑總是遵循最短路徑原則，路網(wǎng)中每一個起始點之間的路徑都是唯一的;

③ 為保證車輛能快速充滿電，假設(shè)在進入高速公路后，新能源汽車的初始電量如圖2所示服從期望為0.7、方差為0.12的正態(tài)分布。

④本文以目前電池容量較大的新能源汽車特斯拉model s以及蔚來ES8進行模擬計算，根據(jù)相應(yīng)新能源汽車比例來分別確定電池容量和續(xù)航里程的加權(quán)平均值分別為85kW·h、467km，設(shè)充電站的標準容量配置為20臺快充充電樁，充電功率為96kW。

綜合考慮以上規(guī)則，本文以北京京開高速公路為例，已知通車總里程為670km，日斷面交通流量為60069輛，其中，進京為31387輛，出京車輛流量為28282輛。跟據(jù)新能源汽車滲透率的預(yù)測[13]可知，假設(shè)新能源汽車的滲透率為25%，則2018年京開高速公路新能源汽車的日斷面交通流量應(yīng)有15017輛左右，其中，進京新能源汽車為7847輛，出京車輛為7170輛左右。為滿足新能源汽車在高速公路上的最大充電需求，本文將以進京新能源汽車數(shù)量7847輛為依據(jù)進行單向的充電站數(shù)量規(guī)劃。

一般情況下，由于消費者偏好存在很強的主觀性，新能源汽車的剩余電量與消費者偏好之間存在的反向相關(guān)關(guān)系難以用客觀的數(shù)學(xué)模型來進行表述。于是假設(shè)引用模糊數(shù)學(xué)理論，建立從電池電量狀態(tài)到該集合的隸屬度函數(shù)，如線性函數(shù)式（2）所示，以此來表達新能源汽車用戶的消費者偏好[14]：

由新能源汽車國家檢測與管理中心發(fā)布的2018年4月《全國新能源汽車統(tǒng)計與分析月報》研究顯示，大部分新能源車輛在SOC為40%左右時已經(jīng)開始進行充電。由此可見，當電池電量狀態(tài)大于80%時，則基本沒有充電需求;當電池電量狀態(tài)低于40%時，則一定會進行充電。于是假定新能源汽車剩余電量少于68kW·h時即產(chǎn)生充電需求，當新能源汽車剩余電量少于34kW·h時便一定會選擇充電。

根據(jù)《高速公路交通工程及沿線設(shè)施設(shè)計通用規(guī)范》中高速公路上設(shè)置的服務(wù)區(qū)平均間距不宜大于50公里、最大間距不宜大于60公里的規(guī)定。假設(shè)在高速公路上，新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施點間距均為50km。于是隨著行駛里程變化，考慮了消費者偏好的充電需求對比分析如下圖3可知，高速公路新能源汽車充電需求受消費者偏好的影響，隨著新能源汽車的行駛里程越短，考慮了消費者偏好的充電需求量越低;隨著新能源汽車行駛里程的增加，考慮了消費者偏好的充電需求呈曲線逐漸增加，并在行駛接近350km時與未考慮消費者偏好時的充電需求量達成一致。

4 ?結(jié)論

本文提出了一種在考慮了基于消費者偏好的新能源汽車高速公路充電站需求預(yù)測模型。以原有的充電需求預(yù)測模型為基礎(chǔ)，最大程度考慮消費者偏好對新能源汽車充電需求的影響。①首先從高速公路充電站服務(wù)對象的角度出發(fā)，通過對服務(wù)對象的特性分析和充電需求特性分析，對高速公路充電消費者、消費者目的進行分類，識別影響高速公路充電消費者充電需求偏好的主要因素。②基于消費者偏好對消費者充電選擇行為進行分析，基于消費者的充電意愿強度和充電延遲時間，建立了考慮消費者偏好的充電需求模型，并引用模糊數(shù)學(xué)理論，對新能源汽車的剩余電量與消費者偏好之間存在的反向相關(guān)關(guān)系建立從電池電量狀態(tài)到該集合的優(yōu)化隸屬度函數(shù)。③以北京京開高速公路為例，基于考慮消費者偏好的充電需求模型，對北京京開高速路段的充電需求進行了對比分析。分析結(jié)果驗證了考慮消費者偏好的優(yōu)化充電需求模型與僅考慮新能源汽車電池電量分布對充電需求預(yù)測結(jié)果的差異性影響。

但本次充電需求預(yù)測未考慮到在服務(wù)區(qū)直接更換電池的情況，如果未來國家部門或行業(yè)干預(yù)出臺電池規(guī)格或接口等統(tǒng)一標準，換電方式肯定有利于新能源汽車后續(xù)的服務(wù)市場，于是換電方式對于未來高速公路新能源汽車充電需求量預(yù)測的影響可能會成為未來進行高速公路充電站充電樁定容優(yōu)化考慮的重要因素之一。

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