电动汽车换电网络规划研究综述

潘樟惠，高赐威

（江苏省智能电网技术与装备重点实验室（东南大学），南京 210096）

0 引言

电动汽车的能源供给模式可分为插充和换电池（简称换电）2种模式。其中，插充模式又可分为慢速充电模式和快速充电模式。慢速充电所需要的充电时间长，一般需要4～8h；快速充电则不仅会给电网带来比较大的冲击而且会降低电池的使用寿命［1］。换电池模式是指采用更换电池的方式为电动汽车提供能源，具有降低用户购车成本、提高用户便捷性、延长电池全寿命周期、提高电力系统整体运行效益等优点［2-3］。

为了便于对电池充放电进行集中控制，国家电网公司一度大力倡导以“集中充电、统一配送”为特征的换电模式［4］，并在国网系统推出规模宏大的换电网络建设规划和试点工程建设（如在北京、杭州、青岛等城市）。杭州供电公司成立了全球首个以换电为主的新能源出租汽车公司，截至2013年9月，营运车辆达210辆，已累计建设62座充换电站和配送站［5］。北京市已建成包括5座电动公交车充换电站在内的电动汽车充换电站64座，服务网络已覆盖其所有区县［6］。

由于换电模式涉及产业链协调、电池制造技术、标准化体系、能源供给网络建设、城市规划等一系列问题，换电模式发展缓慢。在国外，极力推崇换电模式的以色列知名电动汽车公司Better Place也因未建立起自己的消费群，以及基础设施建设成本居高不下等原因而宣布破产［7］。在国务院颁布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》中也未将换电模式作为主要的发展方向。但是换电模式作为电动汽车的一种重要能源供给模式，仍然是电动汽车发展模式的重要竞争者。

电动汽车能源供给设施建设的合理与否，会直接影响电动汽车的推广，进而影响整个电动汽车产业链的发展。当前换电网络规划建设理论滞后于实际建设的需要，尚未形成成熟的换电网络规划体系，本文将总结梳理换电网络规划研究的进展情况，并提出相关结论和未来的发展方向，为未来换电网络规划理论框架的形成提供参考。

1 换电网络规划研究对象和内容

换电模式可分为集中充电模式和充换电模式。集中充电模式通过集中型充电站承担大规模的电池充放电功能，并将满电池配送至仅具备换电池功能的配送站。充换电模式以换电站为载体，同时具备电池充电及电池更换功能［4］。可见，在换电模式下的换电网络利用集中型充电站、换电站、配送站等实现对用户的电池能量供应。在城市土地资源紧缺时宜采用集中充电模式，将配送站建于市区，而将集中型充电站建于靠近城市外环线的地方，反之，则可采用充换电模式来降低电池物流配送管理成本。

在换电网络设计中需要解决配置多少电池以满足电动汽车的换电需求，对于充电站、换电站和配送站的设计需要考虑最优选址定容。此外，还需考虑充电站与配送站之间用于电池配送的物流能力问题。电动汽车充电设施的建设规划必须与电网建设规划相协调，才能为电动汽车提供充足可靠的电力供应。由于集中型充电站和换电站承担着大规模电池的充放电功能，其充放电行为对电网的影响不可忽略，因此还需研究充换电站布局与传统负荷增长的电网规划问题的关系，实现充换电站投资建设与配电网规划综合效益最优。

由此可见，在换电网络规划中亟需解决的是电池数量规划、配送站规划、换电站规划、集中型充电站规划和考虑充换电站接入的电网规划问题。此外，任何一个单元的规划配置都会对其他单元的性能造成影响，而单个单元的最优规划往往不一定能达到整体最优，因此建立各个单元独立规划模型的同时，必须考虑各单元规划的协调问题。换电网络规划中所要考虑的基本单元及其相互关系如图1所示。

2 换电网络规划

2.1 电池数量规划

2.1.1 电池数量规划概述

图1 换电网络规划研究对象和研究内容

电池是电动汽车运行的能量来源，电动汽车配送站和换电站在不同时段能否储备合适的满电蓄电池满足电动汽车的换电需求，直接影响着电动汽车换电的可靠性。如果储备蓄电池过少，则部分电动汽车的换电需求无法即刻满足；反之，如果数量过多，又会导致财力的浪费。此外，若充换电站不仅担负着为电动汽车提供动力服务，而且还担负着为电网优化运行以及提供储能服务的职责，则其电池的数量和充放电设施容量还需要具有一定的冗余来实现其储能功能［8］。所以合理地对换电网络中的电池数量进行规划显得尤为重要。

2.1.2 电池数量规划研究现状

为了满足电动汽车的换电需求，文献［9］提出了电动汽车换电充裕度的概念，通过对车主用车习惯的统计学建模和充电管理策略进行分析，建立了换电充裕度的数学模型。应用Monte Carlo方法得到了换电站内不同时段满足换电充裕度要求应该储备的蓄电池数量，但是对充电管理策略要求较高。文献［10］在文献［9］的基础上对不同情况下电动汽车电池需求和满电蓄电池数量的关系进行分析，发现电池的额定容量、充电时长和车辆耗能水平对电动汽车的电池需求和供给有着显著的影响，因此在进行电动汽车充电管理和V2G（vehicle to grid）运行时需予以考虑。文献［11］以年收益最大化和充电影响最小化为目标得出换电站所需配置的电池数量。文献［12］建立了以最小化电池购买费用、充电成本、机会成本及惩罚费用为目标函数的动态模型，通过优化得到换电站最初所需购买电池数量以及各时段充电的电池组数量。针对不同规划时期，文献［13］将电池组需求规划分为远期和近期两个阶段。远期规划适合做年度电池数量规划，从而为近期规划提供指导。近期规划则根据最大日换电需求预测曲线建立电池数量和物流能力的综合规划模型，然后采用遗传算法求解得出最优物流配送次数、物流能力及购买电池组数量，并通过灵敏度分析表明物流配送方案是影响电池组数量规划的关键因素。

2.2 配送站规划

2.2.1 配送站规划概述

电池配送站应以能方便快捷地满足用户换电需求为目标而广泛布点建设，并统一从集中型充电站获得动力电池配送，负责电动汽车到站更换电池。电池配送站在选址时不仅要考虑服务半径、交通、建设规模和成本，还要考虑用户换电所需的时间成本和电池在充电站和配送站之间进行配送的物流成本［14］。

2.2.2 配送站规划研究现状

在配送站规划方面，文献［15］建立了电池配送站及道路模型，根据概率论的相关理论，提出了用电动汽车的耗电量来计算电池配送站负荷的方法，可以为电池配送站的定容选址提供参考数据。文献［16］以用户更换电池的总加权距离最短为目标，根据区域内交通流量，利用交叉中值法求解确定配送站的位置。文献［14］以寻求配送站的建设成本、用户在换电途中的耗时成本和配送站的电池配送成本最小为目标，采用Voronoi图和改进粒子群算法相结合的方法，根据规划范围内的换电需求，自动生成站址和规模，并给出各个配送站的服务区域，使配送站投资及成本最小。

2.3 集中型充电站规划

2.3.1 集中型充电站规划概述

集中型充电站由于占地面积较大，一般建设在郊区。考虑到电池配送的方便，集中型充电站应优先选择建设在靠近城市外环线的地方［17］，同时也需考虑集中型充电站与配送站之间的物流配送成本。由于集中型充电站的充放电准入容量直接由其接入的配电网络决定，因此在进行集中型充电站选址规划时，需要对配电网的实际充放电负荷接纳能力进行有效评估，以保证电网及电动汽车充电站的正常、稳定、安全运营。若充电站兼具有储能功能，则合理地将这些充电站先配置于电网的薄弱环节或者是峰谷差较大的区域，就能明显地缩短负荷供需方之间能量流动的电气距离，提高电网的经济和安全效益，实现社会效益最大化［18］。

2.3.2 仅考虑充电功能的集中型充电站规划

针对换电模式下的集中型充电站规划，文献［19］在配送站位置和所需电量已知的情况下，通过计算配送站的重心，采用离散粒子群算法计算得出充电站位置和配送范围。文献［20］通过能量等效方式进行负荷预测，将现有加油站的售油量折算成电动汽车的充电电量，通过等负荷距分配法得出集中型充电站定址定容。但以上文献均未考虑到投资成本、交通等因素。文献［16］以包含配电网在内的集中型充电站建设、运营维护成本最低为目标，由贪婪算法确定每个集中型充电站所覆盖的配送站数量及服务范围，并通过粒子群算法进行迭代寻优得到成本最低时的集中型充电站位置和容量。文献［17］在对电池组充电功率、各类典型日充电需求分析的基础上，提出了综合考虑集中型充电站建设和运行成本的集中型充电站最优容量规划模型，获得相应集中型充电站容量、典型日充电站充电功率和充电电池组数量。通过灵敏度分析得到电池组需求量以及峰谷平电价的变化对集中型充电站的容量规划影响巨大。

2.3.3 考虑充放电功能的集中型充电站规划

若在条件允许时选择集中型充电站与可再生能源电厂一起合理规划布局，利用集中型充电站内蓄电池对可再生能源进行储能，则可以协助解决间歇性能源并网运行问题，从而实现优化配置资源［21-22］，减少碳排放。考虑到投资运行成本，文献［23］以年收益最大化为目标，采用微分进化算法得出含光伏发电系统的电动汽车充电站，包括光伏电池组在内的各单元容量优化配置方法。文献［24］以总成本最小为目标，采用差分进化算法得出包括风力发电机额定功率和电动汽车电池额定容量在内的各参数优化值，证明该系统可以满足电动汽车电池的充电需求。

2.4 换电站规划

2.4.1 换电站规划概述

由于换电站同时具有电池充电及电池更换的功能，相当于配送站和集中型充电站位于同一地址，因此在进行规划时不仅要考虑在配送站规划时所需考虑的因素，还要考虑在进行集中型充电站规划时所需考虑的因素。

2.4.2 仅考虑充电功能的换电站规划

目前鲜有文献对仅考虑充电功能的换电站规划进行研究。文献［25］基于全寿命周期成本（LCC）和换电收益，以最大化净现值（NPV）为目标，采用差分进化算法得出换电站在配电系统中的最优选址定容。

2.4.3 考虑充放电功能的换电站规划

利用换电站内蓄电池的充放电功能同样可以优化资源配置。文献［18］建立了微电网型换电站中各分布式电源的最优规划模型，通过对模型的研究表明该模型可以很好地整合风力发电机、光伏电池组、储能电池和局部负荷之间的运行关系，可以在保证电动汽车换电的同时，充分利用可再生能源的优势。文献［26］考虑了换电站的换电收益、电池的放电收益、换电站的建设和运行成本，提出以换电站净收入最大化为目标的位置和容量优化模型，并通过一个实际规划验证了模型的有效性。文献［27］在考虑动力电池梯次利用的情况下，以光伏换电站的年最大利润为目标，建立了优化系统容量配置的数学模型，根据动力电池的容量退化模型和电动汽车的日行驶里程统计模型，采用蒙特卡洛模拟法得到动力电池在规划年限内每年梯次利用的容量比例，最后通过微分进化算法对算例进行求解，得到光伏换电站系统的最优容量配置。

2.5 充换电站接入的电网规划

2.5.1 充换电站接入的电网规划概述

随着电动汽车的快速发展和广泛应用，充换电站中大量电池的充放电将改变配电网负荷结构和特性，引起配电网负荷的增长并导致配电网的投资与运行成本的增加［28］。

在考虑充换电站负荷特性的基础上，全面优化规划配电网架结构，能够有效地缩小容量要求、降低网络损耗，有效地降低建设投资和维护费用，为国家和电力公司带来可观的经济效益［29］。然而，传统的配电网规划准则可能无法适用于电动汽车电池大规模接入的情景，因此亟需研究统一考虑充换电站布局优化和满足传统负荷增长的配电网扩展规划问题。

2.5.2 充换电站接入的电网规划研究现状

目前已有文献对分布式充电站接入的电网规划问题进行了研究［29-30］。文献［29］建立了以配电网和电动汽车充电站投资及运行成本最小为优化目标的模型，采用改进的树形结构编码单亲遗传算法（ITSE-PGA）对模型进行求解，结果表明将充电站的选址定容考虑到配电网优化模型中，可有效减少包含充电站在内的配电网的总投资与运行成本。文献［30］以充电站和配电网的投资与运行成本最小为目标，建立了考虑充电站布局优化的配电网规划模型，并提出一种新的网络辐射状约束来保证所规划配电网的辐射状结构。以上文献所建立起来的模型对研究换电模式下的考虑充换电站接入的电网规划问题具有一定的指导意义。针对充换电站接入的电网规划问题，文献［3］在综合考虑电力网络和交通网络因素后，建立了集中型充电站的定址分容模型，并通过在模型中纳入电网扩展因素来解决集中型充电站接入的电网规划问题；通过灵敏度分析表明，新建线路传输容量和待选站址地价是影响集中型充电站定址分容的关键因素。

3 结论与展望

本文主要对换电网络规划问题进行了分析，并从电池数量、配送站、集中型充电站、换电站以及电网等几个方面对换电网络规划目前的研究情况进行了总结和梳理。

目前，我国在电动汽车充换电站的建设方面已经开展了研究探索和示范建设，然而相应的换电网络规划尚缺乏成熟的理论和方法，更没有形成统一的电动汽车充换电网络建设标准，这些都严重影响电动汽车产业的推进。因此，需要尽快做好电动汽车充换电设施规划研究，将换电网络规划纳入城市或区域规划内统筹考虑，夯实理论基础，制定相关指导标准，为未来电动汽车换电网络大规模规划建设提供坚实的理论基础。

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