电动汽车电池更换站网络的最优规划

摘要

传统燃油车依赖于化石能源作为能量的来源。在其生命周期向外界空气中排放了大量的污染物，是环境质量持续恶化的原因之一。化石能源的枯竭、环境问题的加剧、公众环保意识的提升共同推动着电动汽车替代传统燃油车的进程。与此同时，电池储能技术和电驱动技术的发展也为电动汽车的普及创造了条件。
　　要想转变传统的汽车使用需求普及电动汽车的生产和使用，首先要考虑的是电动汽车充换电网络基础设施建设的合理性。规划和投建电动汽车充换电网络所需要考虑的因素包括但不限于规划区域内的交通路网情况、充换电设施建设和运营成本、充换电需求分布、配电网络约束、电动汽车使用者驾驶习惯等。
　　本文主要针对电动汽车换电站的最优布局开展研究。考虑电动汽车换电基础设施建设的分阶段特性，将换电设施建设区分为示范公益阶段和商业运营阶段。示范公益阶段处于分阶段性换电站建设的起步阶段，这一阶段服务的电动汽车种类具有局限性，如:仅服务于电动专用车;换电站点相对较少，无法完全覆盖到全部的换电需求点。商业运营阶段是换电站建设的成熟阶段，投资力度大，换电站点能够完全覆盖换电需求点。以商业运营阶段建立的换电站规划模型，将换电站点间的间隔距离，换电需求点到换电站点间的距离，换点能够容纳的换电机数量等作为约束条件，将换电站建设投运的成本、用户换电途中所需负担的成本、电池配送过程中产生的配送成本和生产所需用电量造成的碳排放成本，纳入规划考量。在这一阶段，电动汽车充换电站的规划可以分为以追求总成本（各种单项成本之和）最低的单目标优化和从不同应用场景出发侧重于不同权重考虑成本最优的多目标优化。
　　本文在换电站规划的社会总成本中引入碳排放等效成本，使得环境因素纳入换电站规划的考虑范围。针对示范公益阶段的规划模型，采用0-1整数规划方法求解。针对商业运营阶段的单目标规划模型，结合计算几何和智能算法的特点，提出了2种电动汽车换电站规划的联合求解方法:基于改进粒子算法和Voronoi图的联合求解方法和基于遗传粒子算法和Voronoi图的联合求解方法。针对商业运营阶段的多目标规划模型，采用NSGAⅡ算法求解该问题的Pareto前沿，并结合3种不同的应用场景，通过TOPSIS法对Pareto前沿解进行排序，选取出多目标优化问题的最优解。
　　本文通过引入算例计算和论证了模型中两阶段电池更换站的规划方案和优化求解方法。文中所提出的将换电站规划方案分阶段制定是有实用性的，在此基础上基于计算几何和智能算法的联合求解方法经由仿真结果证明有效。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 电动汽车电池更换站网络建设发展与规划现状

1．2．1 充换电设施建设发展状况

1．2．2 充换电站规划及选址问题的研究现状

1．2．3 分阶段电动汽车充换电设施规划问题的研究现状

1．3 本文研究内容与研究路线

第2章 有关理论和优化算法

2．1 Voronoi图理论

2．1．1 Voronoi图的定义

2．1．2 Voronoi图的特性

2．1．3 Voronoi图的生成方法

2．2 粒子群算法概论

2．2．1 粒子群算法的来源

2．2．2 粒子群算法的原理

2．2．3 粒子群算法的求解步骤

2．2．4 线性递减粒子群算法

2．3 遗传算法

2．3．1 遗传算法概述

2．3．2 遗传算法原理

2．3．3 遗传算法步骤

2．3．4 遗传粒子群算法

2．4 多目标最优问题与Pareto解集

2．5．2 NSGA Ⅱ原理

2．6 逼近理想解排序法TOPSIS方法

2．6．1 TOPSIS法的基本原理

2．6．2 TOPSIS法的评价步骤

2．7 本章小结

第3章 电池更换站网络规划方案设计

3．1 换电负荷预测和电池更换机配置方案

3．1．1 换电负荷预测

3．1．2 电池更换机配置方案

3．2 示范公益阶段的规划模型

3．3 商业运营阶段的规划模型

3．3．1 电动汽车换电站的成本分析

3．3．2 约束条件分析

3．3．3 电动汽车更换站规划模型

3．4 基于智能优化算法和Voronoi图的充换电站规划研究

3．4．1 成本数据的收集方法

3．4．2 单目标电动汽车电池充换电站的规划

3．4．3 多目标电动汽车电池充换电站的规划

3．5 本章小结

第4章 电动汽车电池更换站规划算例分析

4．1 示范公益阶段的算例分析

4．1．1 算例介绍

4．1．2 算例求解

4．2 商业运营阶段的算例分析

4．2．1 算例介绍

4．2．2 单目标优化的规划结果

4．2．3 多目标电动汽车电池更换站的规划结果

4．3 本章小结

第5章 研究成果与结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢