北航数学建模论文充电桩充电站高速公路详解

1、高速公路电动汽车充电桩安排以京沪高速为例13211106朱文超132114一背景1.京沪高速现状（涉及行驶和车辆情况假设）目前，在京沪高速全程1262 公里，国家电网公司在沿线一共建了50 座快充站， 平均单向每50 公里一座快充站。 每座快充站规划建设 4 台 120 千瓦直流充电机、 8 个充电桩， 可同时为 8 辆电动汽车充电， 30 分钟内充满（ 80%电量）。先期建设 2 台充电机、 4 个充电桩，支持所有符合中国标准的电动汽车充电。充电桩的基础设施建设价格不菲，目前投入大规模建设然而使用率较低。2.新能源汽车的层次需求问题（涉及车辆模型和车流模型）新能源汽车的市场需求分三个层次。最

2、低档的是低速电动车，使用廉价铅酸电池，替代电动自行车，摩托车，作为小城市和县城乡镇的代步工具。 这种车有很大的市场， 但是国家因为污染原因不鼓励铅酸电池， 一直是半地下状态。中档是插电混合动力汽车， 这种汽车大多用锂电池， 短途用电，长途用油， 充电加油两相宜。高档是特斯拉这种纯电力汽车， 因为电池用的多， 价格都比较昂贵， 充电时间慢， 充电桩贵，长途麻烦。3.长途充电桩的问题（涉及充电桩模型）纯电动车本来跑长途就有里程焦虑， 因为电量数字是个估计值， 要留足余量， 这就造成充电频繁。而电动车充电时间又太长，即使是京沪高速这个所谓 30 分钟充满，跑 100 公里等 30 分钟，也是无法忍受

3、的（相当于跑 1 个小时停半个小时） ，而且这还是不排队的情况，排队等待问题更加突出。而长途高速的工况下， 电动车的效率反而是最低的， 电动车相比燃油车， 最大的优势是市内走走停停的路况，高速下电动车所需的功率会极具上升，续航里程大大降低。在目前的情况下， 在高速路上修快速充电站支持新能源汽车实在是出力不讨好的。 这些充电站不用说收回成本，能不能保住日常的维护费用都难说。二 条件假设与模型建立（ 1）高速公路模型鉴于高速公路多采取直线线路，简化公路模型为直线。（ 2）汽车模型（涉及单车续航里程）目前流行的几大电动车额定功率标识如下。北汽 e150ev北汽绅宝众泰 2008ev特斯拉 s宝马 i

4、3额定功率 20kw，最大功率为 45kw 额定功率 62kw，最大功率 180kw 额定功率 12kw，最大功率 26kw额定功率 90kw，最大功率 306kw 额定功率 60kw，最大功率 170kw秦，额定功率40kw，最大功率110kwE6,额定功率35kw，最大功率90kw腾势，额定功率 31kw，最大功率 86kw荣威 e50额定功率 25kw，最大功率 53kw荣威 e550额定功率 55kw，最大功率 150kw启辰 e30额定功率 30kw，最大功率 80kw江淮 iev4额定功率 18kw,最大功率 40kw奇瑞 qq3ev额定功率 15kw，最大功率 36kw广汽 e_

5、jet额定功率 60kw，最大功率 180kw主流车型电池容量及续航里程：江淮同悦： 15 kwh；152 公里比亚迪 e6：57 kwh；300公里特斯拉 s60kwh480 公里北汽 e15025.6kwh160 公里荣威 e5022.4kwh120 公里众泰20kwh150公里启辰20kwh175公里综上可计算出市场主流车型的额定功率， 最大功率和电池容量的加权平均值。经计算得，汽车模型的额定功率为 40kw（鉴于主要能耗在近似匀速阶段，变速部分能耗不考虑） ，最大功率为 130kw（鉴于高速公路时速，不考虑出现最大功率的情况） ，电池容量为 30kwh 。鉴于高速公路车速分布情况，假定

6、车速为100km/h 。对于此车速下的实际功率： 由于各车型实际功率差异较大， 且与多种因素和数据有关，这里以官方给出的续航行程数据代替。加权平均计算后，续航里程为 200km。（3）充电站模型（考虑车辆续航里程）通过（ 2）中的汽车模型，得出了加权平均的续航里程 200km，但在实际运用中必然要考虑相当一部分的较短续航里程车型的续航， 车辆在高速公路外的电量使用以及其他一些电动车辆， 甚至某些突发或未知情况。此处考虑充电站的相隔建设距离为 50km（此处考虑到京沪高速的实际情况），以满足不同情况的需求。并且在高速公路出入口交界处附近必须设置充电站。以京沪高速为研究对象，全长1262 公里（每

7、 50km 建一座充电站，共 28 座，包含首尾充电站且北京一端第 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）充电桩模型（涉及单车充电时间）目前国家出台的 GB/T18487.1电动车辆传导充电系统一般要求等五项标准都是推荐性标准， 不能强制执行。 另外不同车型充电时间涉及因素较多，因此无法通过统计获得较准确的充电桩数据。目前情况主要采用快速充电方式。该充电方式以 150400A 的高充电电流在短时间内为蓄电池充电，充电时间应该与燃油车的加油时间接近。大型充电站（机）多采用这种充电方式。主要针对长距离旅行或

8、需要进行快速补充电能的情况进行充电，充电机功率很大， 一般都大于 30KW，采用三相四线制380V 供电。其典型的充电时间是：1030min。鉴于此前已有的统计数据和实测数据，多数充电时间约为30min。此处采用此数据。（5）电动汽车车流量模型（涉及充电桩数量）图中电动乘用车包含了油电混合车型。然而从上图纯电动车中国销售情况看，纯电动车在所有电动乘用车（包含油电混合车型）中不足10%。鉴于以上数据及目前高速公路充电网络建设和使用情况， 我们假设只有纯电动汽车会以电能在高速公路上行驶，而混合车型以耗油形式（不考虑）。鉴于高速公路车流量实际情况差异较大， 此处以京沪高速为准 （考虑到主要电动车型市

9、场主要分布在北京上海等东部京沪地区， 且模型中主要统计数据来自于京沪地区） 。全线纵贯北京、天津、上海三大直辖市和河北、山东、安徽、江苏四省。恰好与主要市场对应，则可估计 2014 年京沪高速可能的最大纯电动车车流量的峰值即为全年京沪地区市场电动车销售量约 6000 辆。然而实际利用情况是： 电动汽车主要用于市区交通而非高速公路， 此处假设单日约 1%京沪市场电动汽车（ 60 辆）使用京沪高速。（6）行驶与充电模型（涉及充电桩数量）综上分析，假设京沪高速单侧电动汽车数量各占一半，则为 30 辆。由于计算得到的平均续航里程为 200km，则假定车流均匀， 则在续航里程内共有五个充电站可供使用，满足着 30 辆汽车充电，则每站应设定 6 个充电桩。实际充电桩数需要根据实际的电动汽车在高速公路上的单日车流量而定（ 5）中假