浅谈基于充电需求的充电站（桩）选址及定容优化策略问题探究

刘良 刘福华 宫涛 梅永振 陈林

宜宾职业技术学院汽车与轨道交通学院 四川省宜宾市 644099

1 引言

近年来，我国新能源汽车基本进入市场竞争阶段，随着我国政府对“双碳战略”行动（碳达峰、碳中和）的实施，新能源汽车在市场中的占比将呈总体加速上升趋势，燃油车出现萎缩，新能源汽车成为汽车市场的增量，预计2021 年全国新能源汽车总销量将达到240 万台，市场渗透率超过10% 以上。截至2021 年6 月数据，我国有新能源汽车近603 万辆（纯电动汽车保有量493 万辆，占新能源汽车总量的81.7%），占汽车保有量的2.1%（由于区域不均衡，发达地区如北京、上海占比更高，超过5%）。据国家电网2020 年11 月20日报道统计数据，国网智慧车联网平台接入充电桩的最新数据为103 万个，其中公共充电桩为62.6 万，涵盖高速公路快充站、城市公共站、公交物流专用站、社区私人共享桩、港口岸等各类充电设施，形成了全球最大的充电服务网络，2010 年-2019年我国充电桩保有量增长见图1。但目前充电网络服务能力和服务水平远远不能满足大量且分散的私家电动汽车快速增长的充电需求，要推动电动汽车的快速普及，加速“双碳战略”，须大力提升充电站的服务水平，尤其是增加充电站数量和提升充电站的运营服务水平，而以用户充电需求为导向的充电站的选址和定容优化，提供最大限度的便利性、经济性和满意度是影响电动汽车产业发展的关键问题。

图1 2010 年-2019 年充电桩保有量增长

2 充电站选址及定容优化策略问题

随着我国新能源汽车快速渗透发展，其保有量越来越大，虽然充电站（桩）的建设得到快速发展，但是充电设施和用户需求之间的矛盾仍然较大，如何基于区域内新能源汽车保有量增长趋势科学合理布局充电站（桩），优化充电站（桩）容量，提高用户需求的便利性，是加速电动汽车的推广应用的关键。

2.1 充电站（桩）选址优化策略问题

2.1.1 充电站（桩）选址优化考虑因素

（1）城市发展规划：充电站（桩）选址要融入城市发展规划，尤其是城市的交通网络分布，应把充电站（桩）选址和城市交通网络结合起来科学合理规划布局。

（2）电力网络规划：电力系统是电动汽车推广应用的重要环节，充电站（桩）选址要尽量保证区域电量负荷平衡，城市电力系统规划建设时，要有前瞻性，要充分考虑电动汽车普及后的供电质量和供电的可靠性。

（3）充分满足用户需求，充电站（桩）选址要充分考虑地理位置、建站成本控制和用户使用便利性相结合的原则。

2.1.2 充电站（桩）选址方案

（1）充电站（桩）类型特点及用户群

目前，随着技术的发展，电动汽车的补能方式日新月异，但主流的还是慢充充电、直流快充和电池更换三组种。

慢充充电主要是利用随车配备的车载充电机充电，把220V 或者380V 的交流电通过车载充电机整流、升压后给电池组充电。慢充充电电流较小，根据不同的充电桩功率，电流一般在16～32A 左右，因充电功率和电池组容量不同，需要5～8小时才能充满，充电时间较长。慢充充电主要特点是对电网线路等要求不高，充电桩安装成本较低，又能充分利用夜间电力低谷时段进行充电，大大的降低了用户的充电成本，同时因充电电流较小，便于对电池进行深度充电，从而提升电池充放电效率，能较好的延长电池寿命。因此，慢充充电主要是满足晚上休息，白天工作的电动车辆，尤其是越来越多的以城市内短途代步的私家电动汽车。

直流快充电利用安装在地面的大功率直流充电机，经与电池管理系统BMS 进行通讯，确保安全的情况下通过直流母线直接给电池组充电。充电机功率大于50KW，直流快充因充电机功率不同输出电流和电压变化范围宽，其充电电流一般为150～400A，充电电压一般为200～800V，大多能在30 分钟左右使电池组充至80%左右的电量，大大缩短了充电时间。直流快充充电主要特点是对电网线路等要求高，使得充电机安装要求和成本较高，同时因充电电流和电压过高，电池发热过多，对电池冷却要求高，导致电池组结构复杂，瞬时对电池的冲击较大，使得电池的活性物质易脱落，降低了电池使用寿命。因此，直流快充主要满足白天长期运行的车辆，如电动公交车、网约车、出租车和行驶距离比较远的城际运行车辆。

充电站（桩）的建设时，要根据不同运行要求的车辆及保有量对充电需求进行综合分析，不同运行要求的车辆对充电的需求是不同的，充电站（桩）的布局应根据运行车辆适合的充电方式进行综合的方案设计。未来发展主流的以城市内短途代步的私家电动汽车的行驶路线或时间比较稳定，可在住宅小区停车场及车库，结合政府办公场所、大型商业、学校、旅游景点、社会停车场、企业集中停车场等比较固定的区域，建设以慢充为主，辅以一定数量快充的充电站（桩），保证车辆的正常行驶和工作。电动公交车、网约车、出租车和行驶距离比较远的城际运行车辆由于运行线路不确定，应在合理的服务半径内均衡布局直流快充充电站，提高充电效率，以及时补充电能满足运行需求。综上所述，充电站（桩）布局要结合城市规划，以区域内用户需求为导向，优先分布布局的完善的基于用户充电需求的慢充充电桩，辅以合理的服务半径的直流快充充电站构成完整配套的充电网络，以满足不同类型新能源车辆的充电需求，才能极大的提升新能源汽车用户充电补能的便利性，从而提高新能源汽车的市场渗透率。

（2）充电站（桩）选址方案

在建设充电站时，以直流快充为主，建设成本高，要结合市政、高速路网、公交场站，尽量在公交场站、枢纽站、首末站、出租车场站、公园、高速休息区等进行充电站规划建设，同时合理利用现有加油加气站进行充电站改造。

在建设充电桩时，以交流慢充为主，建设成本较低，要结合政府办公场所、大型商业区、学校、旅游景点、社会停车场、企业区域、小区内停车位、车库等，规划建设共享型主导的充电桩网络，提升充电桩的利用率。

2.1.3 充电站（桩）选址优化问题

（1）充电站（桩）选址与电动汽车保有量和充电需求分布优化问题

电动汽车保有量指的区域内电动汽车的数量，可通过交警部门查询当地登记的电动车辆数据，并通过分析区域内不同使用属性的电动车辆数量和充电需求，前瞻性的合理布局充电站（桩）。在充电站（桩）选址优化过程中，要结合该区域电动汽车的保有量和使用属性为基础，充分考虑不同类型用户的充电需求分布，尽量使得区域内的充电站（桩）设施数量和服务能力与电动汽车保有量成正比例增长，以满足日益增长的新能源汽车充电服务需求。

（2）充电站（桩）选址与服务半径优化问题

充电站（桩）服务半径与电动汽车的续驶能力有极大的关系，随着电池技术、充电技术和整车技术的不断提升，服务半径可以适当加大。目前大多的电动汽车综合工况续航里程（充满电）为400～600公里之间，考虑电池容量衰减和实际道路使用情况，真实的路况下只能行驶200～400 公里左右。为有效保障电动汽车的持续行驶能力，减少用户的里程焦虑，充电站（桩）的服务半径以100km（甚至更短）计算为宜，在充分考虑周边的电动汽车分布数量基础上，尽可能降低与用户间的路径长度，充电站（桩）在规划布局过程可以借鉴非常成熟的加油站布局网络的服务半径规定，这样就能大大减少用户的用车顾虑，提高电动汽车的市场渗透率。

（3）充电站（桩）选址与城市总体规划和路网规划优化问题

充电站（桩）选址布局规划时，要考虑电动汽车的快速普及趋势，充分对接城市总体规划和路网规划，前瞻性地科学计算电动汽车的充电增长需求进行合理规划设计，根据不同城市区域，电动汽车与公共充电桩配比、公共充电服务半径（公里）发展规划见表1。政府相关部门要指导和引领充电站（桩）的规划建设，尤其是合理的规划布局区域内的电网与路网，以满足电动汽车的用电调度需求，从而确保结合城市建设发展规划对充电站（桩）进行合理的布局能满足电动汽车保有量（增长趋势）对充电的需求，尽量避免出现重复投资而造成资源浪费。

表1 不同城市区域电动汽车与公共充电桩配比和公共充电服务半径规划表

（4）充电站（桩）选址与区域的输配电网优化问题

在进行充电站（桩）布局规划时，随着电动汽车技术的发展，充电电压和功率要求越来越高，对输配电网的要求也越来越高，要充分考虑日益增长的电动汽车充电需求的电力供应。由于充电站（桩）的充电设备会产生高电流的谐波，尤其是高压直流快充会引起正负电荷快速变化，导致电压波动从而影响电网的运行质量。因此，应将充电站（桩）布局规划融入区域的输配电网优化设计中，合理布局一定容量的充电储能一体站，既能保证充电站（桩）的电力供应需求，又能抑制电网电压波动，提升电网的运行质量。

2.2 充电站（桩）容量优化策略问题

2.2.1 充电站（桩）定容优化考虑因素

充电站（桩）的定容主要是考虑电动汽车充电需求及电网分配，最大化的满足用户充电需求的同时，又不浪费资源，是影响充电站（桩）的建站利润最大化关键。

2.2.2 充电站（桩）定容优化问题

对充电站（桩）定容优化时，要以区域内电动汽车的保有量和使用属性为基础，考虑增长实际，科学的计算出充电的总需求量，并得出区域内充电需求点的位置，然后根据各需求点的距离和用户需求，合理分配规划建设充电站（桩）站，最后以各充电站（桩）分配到的充电需求总和计算出各充电站（桩）的容量。

充电站（桩）定容优化的最终目标是要使得用户的充电成本最小化，那就需要充电站（桩）容量要尽量和用户需求电量一致。在优化布局各个充电站（桩）的容量时，要以区域内电动汽车的保有量为基础，因为在一定时期内需求点的电动汽车的数量和充电需求量成正比关系；同时要考虑电动汽车的使用属性，也就是要看充电需求是不是固定位置和固定时期的，比如电动公交车、公务用车和私家代步车，这些车辆的充电需求位置和时期基本是固定的。在容量优化时，要结合充电站（桩）的选址优化进行同步优化，以使得用户从产生充电需求到充电站（桩）的具体距离最短，以完成充电过程的需求所产生的成本（包括时间成本）也最低，从而达到充电成本最小化的最终目标。

3 结语

电动汽车推广是必然趋势，论文针对现有充电网络服务能力难以满足即将到来的大量且分散的城市内短途代步私家电动汽车的充电需求问题，提出了基于用户充电需求的充电站（桩）选址定及容优化问题，并就电动汽车充电站（桩）选址和定容优化策略做了详细的分析研究，分析了充电站（桩）选址和定容的具体方向和思路，提出了可在成本最优化、社会效益最大化的前提下，提高充电便利性的基本路径，对快速推动我国“双碳战略”实施具有较强的实际意义。