淺談基于充電需求的充電站（樁）選址及定容優(yōu)化策略問題探究

劉良 劉福華 宮濤 梅永振 陳林

宜賓職業(yè)技術學院汽車與軌道交通學院 四川省宜賓市 644099

1 引言

近年來，我國新能源汽車基本進入市場競爭階段，隨著我國政府對“雙碳戰(zhàn)略”行動（碳達峰、碳中和）的實施，新能源汽車在市場中的占比將呈總體加速上升趨勢，燃油車出現萎縮，新能源汽車成為汽車市場的增量，預計2021 年全國新能源汽車總銷量將達到240 萬臺，市場滲透率超過10% 以上。截至2021 年6 月數據，我國有新能源汽車近603 萬輛（純電動汽車保有量493 萬輛，占新能源汽車總量的81.7%），占汽車保有量的2.1%（由于區(qū)域不均衡，發(fā)達地區(qū)如北京、上海占比更高，超過5%）。據國家電網2020 年11 月20日報道統計數據，國網智慧車聯網平臺接入充電樁的最新數據為103 萬個，其中公共充電樁為62.6 萬，涵蓋高速公路快充站、城市公共站、公交物流專用站、社區(qū)私人共享樁、港口岸等各類充電設施，形成了全球最大的充電服務網絡，2010 年-2019年我國充電樁保有量增長見圖1。但目前充電網絡服務能力和服務水平遠遠不能滿足大量且分散的私家電動汽車快速增長的充電需求，要推動電動汽車的快速普及，加速“雙碳戰(zhàn)略”，須大力提升充電站的服務水平，尤其是增加充電站數量和提升充電站的運營服務水平，而以用戶充電需求為導向的充電站的選址和定容優(yōu)化，提供最大限度的便利性、經濟性和滿意度是影響電動汽車產業(yè)發(fā)展的關鍵問題。

圖1 2010 年-2019 年充電樁保有量增長

2 充電站選址及定容優(yōu)化策略問題

隨著我國新能源汽車快速滲透發(fā)展，其保有量越來越大，雖然充電站（樁）的建設得到快速發(fā)展，但是充電設施和用戶需求之間的矛盾仍然較大，如何基于區(qū)域內新能源汽車保有量增長趨勢科學合理布局充電站（樁），優(yōu)化充電站（樁）容量，提高用戶需求的便利性，是加速電動汽車的推廣應用的關鍵。

2.1 充電站（樁）選址優(yōu)化策略問題

2.1.1 充電站（樁）選址優(yōu)化考慮因素

（1）城市發(fā)展規(guī)劃：充電站（樁）選址要融入城市發(fā)展規(guī)劃，尤其是城市的交通網絡分布，應把充電站（樁）選址和城市交通網絡結合起來科學合理規(guī)劃布局。

（2）電力網絡規(guī)劃：電力系統是電動汽車推廣應用的重要環(huán)節(jié)，充電站（樁）選址要盡量保證區(qū)域電量負荷平衡，城市電力系統規(guī)劃建設時，要有前瞻性，要充分考慮電動汽車普及后的供電質量和供電的可靠性。

（3）充分滿足用戶需求，充電站（樁）選址要充分考慮地理位置、建站成本控制和用戶使用便利性相結合的原則。

2.1.2 充電站（樁）選址方案

（1）充電站（樁）類型特點及用戶群

目前，隨著技術的發(fā)展，電動汽車的補能方式日新月異，但主流的還是慢充充電、直流快充和電池更換三組種。

慢充充電主要是利用隨車配備的車載充電機充電，把220V 或者380V 的交流電通過車載充電機整流、升壓后給電池組充電。慢充充電電流較小，根據不同的充電樁功率，電流一般在16～32A 左右，因充電功率和電池組容量不同，需要5～8小時才能充滿，充電時間較長。慢充充電主要特點是對電網線路等要求不高，充電樁安裝成本較低，又能充分利用夜間電力低谷時段進行充電，大大的降低了用戶的充電成本，同時因充電電流較小，便于對電池進行深度充電，從而提升電池充放電效率，能較好的延長電池壽命。因此，慢充充電主要是滿足晚上休息，白天工作的電動車輛，尤其是越來越多的以城市內短途代步的私家電動汽車。

直流快充電利用安裝在地面的大功率直流充電機，經與電池管理系統BMS 進行通訊，確保安全的情況下通過直流母線直接給電池組充電。充電機功率大于50KW，直流快充因充電機功率不同輸出電流和電壓變化范圍寬，其充電電流一般為150～400A，充電電壓一般為200～800V，大多能在30 分鐘左右使電池組充至80%左右的電量，大大縮短了充電時間。直流快充充電主要特點是對電網線路等要求高，使得充電機安裝要求和成本較高，同時因充電電流和電壓過高，電池發(fā)熱過多，對電池冷卻要求高，導致電池組結構復雜，瞬時對電池的沖擊較大，使得電池的活性物質易脫落，降低了電池使用壽命。因此，直流快充主要滿足白天長期運行的車輛，如電動公交車、網約車、出租車和行駛距離比較遠的城際運行車輛。

充電站（樁）的建設時，要根據不同運行要求的車輛及保有量對充電需求進行綜合分析，不同運行要求的車輛對充電的需求是不同的，充電站（樁）的布局應根據運行車輛適合的充電方式進行綜合的方案設計。未來發(fā)展主流的以城市內短途代步的私家電動汽車的行駛路線或時間比較穩(wěn)定，可在住宅小區(qū)停車場及車庫，結合政府辦公場所、大型商業(yè)、學校、旅游景點、社會停車場、企業(yè)集中停車場等比較固定的區(qū)域，建設以慢充為主，輔以一定數量快充的充電站（樁），保證車輛的正常行駛和工作。電動公交車、網約車、出租車和行駛距離比較遠的城際運行車輛由于運行線路不確定，應在合理的服務半徑內均衡布局直流快充充電站，提高充電效率，以及時補充電能滿足運行需求。綜上所述，充電站（樁）布局要結合城市規(guī)劃，以區(qū)域內用戶需求為導向，優(yōu)先分布布局的完善的基于用戶充電需求的慢充充電樁，輔以合理的服務半徑的直流快充充電站構成完整配套的充電網絡，以滿足不同類型新能源車輛的充電需求，才能極大的提升新能源汽車用戶充電補能的便利性，從而提高新能源汽車的市場滲透率。

（2）充電站（樁）選址方案

在建設充電站時，以直流快充為主，建設成本高，要結合市政、高速路網、公交場站，盡量在公交場站、樞紐站、首末站、出租車場站、公園、高速休息區(qū)等進行充電站規(guī)劃建設，同時合理利用現有加油加氣站進行充電站改造。

在建設充電樁時，以交流慢充為主，建設成本較低，要結合政府辦公場所、大型商業(yè)區(qū)、學校、旅游景點、社會停車場、企業(yè)區(qū)域、小區(qū)內停車位、車庫等，規(guī)劃建設共享型主導的充電樁網絡，提升充電樁的利用率。

2.1.3 充電站（樁）選址優(yōu)化問題

（1）充電站（樁）選址與電動汽車保有量和充電需求分布優(yōu)化問題

電動汽車保有量指的區(qū)域內電動汽車的數量，可通過交警部門查詢當地登記的電動車輛數據，并通過分析區(qū)域內不同使用屬性的電動車輛數量和充電需求，前瞻性的合理布局充電站（樁）。在充電站（樁）選址優(yōu)化過程中，要結合該區(qū)域電動汽車的保有量和使用屬性為基礎，充分考慮不同類型用戶的充電需求分布，盡量使得區(qū)域內的充電站（樁）設施數量和服務能力與電動汽車保有量成正比例增長，以滿足日益增長的新能源汽車充電服務需求。

（2）充電站（樁）選址與服務半徑優(yōu)化問題

充電站（樁）服務半徑與電動汽車的續(xù)駛能力有極大的關系，隨著電池技術、充電技術和整車技術的不斷提升，服務半徑可以適當加大。目前大多的電動汽車綜合工況續(xù)航里程（充滿電）為400～600公里之間，考慮電池容量衰減和實際道路使用情況，真實的路況下只能行駛200～400 公里左右。為有效保障電動汽車的持續(xù)行駛能力，減少用戶的里程焦慮，充電站（樁）的服務半徑以100km（甚至更短）計算為宜，在充分考慮周邊的電動汽車分布數量基礎上，盡可能降低與用戶間的路徑長度，充電站（樁）在規(guī)劃布局過程可以借鑒非常成熟的加油站布局網絡的服務半徑規(guī)定，這樣就能大大減少用戶的用車顧慮，提高電動汽車的市場滲透率。

（3）充電站（樁）選址與城市總體規(guī)劃和路網規(guī)劃優(yōu)化問題

充電站（樁）選址布局規(guī)劃時，要考慮電動汽車的快速普及趨勢，充分對接城市總體規(guī)劃和路網規(guī)劃，前瞻性地科學計算電動汽車的充電增長需求進行合理規(guī)劃設計，根據不同城市區(qū)域，電動汽車與公共充電樁配比、公共充電服務半徑（公里）發(fā)展規(guī)劃見表1。政府相關部門要指導和引領充電站（樁）的規(guī)劃建設，尤其是合理的規(guī)劃布局區(qū)域內的電網與路網，以滿足電動汽車的用電調度需求，從而確保結合城市建設發(fā)展規(guī)劃對充電站（樁）進行合理的布局能滿足電動汽車保有量（增長趨勢）對充電的需求，盡量避免出現重復投資而造成資源浪費。

表1 不同城市區(qū)域電動汽車與公共充電樁配比和公共充電服務半徑規(guī)劃表

（4）充電站（樁）選址與區(qū)域的輸配電網優(yōu)化問題

在進行充電站（樁）布局規(guī)劃時，隨著電動汽車技術的發(fā)展，充電電壓和功率要求越來越高，對輸配電網的要求也越來越高，要充分考慮日益增長的電動汽車充電需求的電力供應。由于充電站（樁）的充電設備會產生高電流的諧波，尤其是高壓直流快充會引起正負電荷快速變化，導致電壓波動從而影響電網的運行質量。因此，應將充電站（樁）布局規(guī)劃融入區(qū)域的輸配電網優(yōu)化設計中，合理布局一定容量的充電儲能一體站，既能保證充電站（樁）的電力供應需求，又能抑制電網電壓波動，提升電網的運行質量。

2.2 充電站（樁）容量優(yōu)化策略問題

2.2.1 充電站（樁）定容優(yōu)化考慮因素

充電站（樁）的定容主要是考慮電動汽車充電需求及電網分配，最大化的滿足用戶充電需求的同時，又不浪費資源，是影響充電站（樁）的建站利潤最大化關鍵。

2.2.2 充電站（樁）定容優(yōu)化問題

對充電站（樁）定容優(yōu)化時，要以區(qū)域內電動汽車的保有量和使用屬性為基礎，考慮增長實際，科學的計算出充電的總需求量，并得出區(qū)域內充電需求點的位置，然后根據各需求點的距離和用戶需求，合理分配規(guī)劃建設充電站（樁）站，最后以各充電站（樁）分配到的充電需求總和計算出各充電站（樁）的容量。

充電站（樁）定容優(yōu)化的最終目標是要使得用戶的充電成本最小化，那就需要充電站（樁）容量要盡量和用戶需求電量一致。在優(yōu)化布局各個充電站（樁）的容量時，要以區(qū)域內電動汽車的保有量為基礎，因為在一定時期內需求點的電動汽車的數量和充電需求量成正比關系；同時要考慮電動汽車的使用屬性，也就是要看充電需求是不是固定位置和固定時期的，比如電動公交車、公務用車和私家代步車，這些車輛的充電需求位置和時期基本是固定的。在容量優(yōu)化時，要結合充電站（樁）的選址優(yōu)化進行同步優(yōu)化，以使得用戶從產生充電需求到充電站（樁）的具體距離最短，以完成充電過程的需求所產生的成本（包括時間成本）也最低，從而達到充電成本最小化的最終目標。

3 結語

電動汽車推廣是必然趨勢，論文針對現有充電網絡服務能力難以滿足即將到來的大量且分散的城市內短途代步私家電動汽車的充電需求問題，提出了基于用戶充電需求的充電站（樁）選址定及容優(yōu)化問題，并就電動汽車充電站（樁）選址和定容優(yōu)化策略做了詳細的分析研究，分析了充電站（樁）選址和定容的具體方向和思路，提出了可在成本最優(yōu)化、社會效益最大化的前提下，提高充電便利性的基本路徑，對快速推動我國“雙碳戰(zhàn)略”實施具有較強的實際意義。