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分时租赁电动汽车运行数据驱动的充/换电设施布局研究

杨雄  
【摘要】:电动汽车分时租赁业务是一种结合了“共享经济”理念和电动汽车优势的绿色出行服务,在缓解居民出行难题、减少私人小汽车使用和促进电动汽车推广等方面具有重要意义。然而,现阶段我国电动汽车分时租赁业务仍处于起步阶段,电能补充难题制约着其发展。因此,有必要在分析分时租赁电动汽车发展和电能补充方式的基础之上,结合分时租赁电动汽车运行特征,研究其充/换电设施布局理论和方法。本文首先对相关课题开展了国内外文献综述,分析现有研究局限性,提炼出本文研究重点。然后分析分时租赁电动汽车发展和电能补充方式,以分时租赁电动汽车GPS轨迹数据为驱动,分析其运行特征,在此基础之上,研究充电模式下车辆租赁站点充电设施布局和换电模式下到点服务换电设施布局问题,并分别在北京市市域范围内进行实例验证。具体而言,本文的主要研究内容和研究成果如下:(1)分时租赁电动汽车发展和电能补充方式分析。分析了分时租赁电动汽车在我国的发展以及其适用的电能补充方式,总结出单程站点式的主流服务模式以及车辆租赁站点内充电和到点服务换电是分时租赁电动汽车有效的电能补充方式。(2)分时租赁电动汽车运行特征分析。使用分时租赁电动汽车GPS轨迹数据提取了出行、停车和充电事件,并分别从数据统计、时间分布和空间分布的角度对分时租赁电动汽车出行模式、停车模式和充电模式进行分析。结果表明,分时租赁电动汽车充电模式受出行模式和停车模式的影响较大,因此对分时租赁电动汽车出行模式和停车模式的深入研究有助于评估其充/换电需求时空分布,并进一步为充/换电设施布局提供依据。(3)充电模式下车辆租赁站点充电设施布局。提出了三步的充电设施布局模型,即第一步为基于DBSCAN空间聚类算法识别车辆租赁站点,第二步为基于损失制和等待制排队论提取4种排队充电系统服务能力,第三步为基于定容模型和遗传算法确定车辆租赁站点充电桩布设规模。将分时租赁电动汽车停车事件数据作为输入进行实例分析,分别布局慢速充电桩和快速充电桩,并进行敏感性分析。结果表明,2种优化目标中,在评价排队充电系统服务能力可靠性和充电桩布局合理性等方面更优;与此同时,4种排队充电系统中,布设快速充电桩的等待制排队充电系统服务能力最优。历史出行规律下,在186个车辆租赁站点共布设200个快速充电桩能够为98.4%的车次提供充电服务,提供的电量占总需求电量的89.5%;而在186个车辆租赁站点共布设200个慢速充电桩能够为89.3%的车次提供充电服务,提供的电量占总需求电量的59.8%。(4)换电模式下到点服务换电设施布局。构建了换电需求提取流程,并提出了两阶段的换电设施布局模型,即第一阶段为基于集合覆盖模型的换电站选址,第二阶段为基于时变优化模型的换电站换电工具车辆和换电电池配备数量定容,并分别设计了贪婪算法和遗传算法求解模型。将分时租赁电动汽车出行事件数据作为输入进行实例分析,提取换电需求,布局换电设施,并进行敏感性分析。结果表明,历史出行规律下,设定15km的换电站最大服务半径和200km的换电工具车辆实际续航里程,在区域内布设28个换电站,并为其配备33辆换电工具车辆和165块换电电池即可满足600余辆分时租赁电动汽车运营产生的换电需求。此外,适当增加换电站最大服务半径,可以缩减换电站规模、换电工具车辆车队规模和换电电池规模,而增加换电工具车辆实际续航里程仅能缩减换电工具车辆车队规模。图75幅,表19个,参考文献135篇。


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