1绪论
1.1课题研究背景及意义
近几年来，在全球人口数量日益增加和经济增长迅速的背景下，能源匮乏与环境污染问题正逐渐受到社会各界的重视。经相关调查显示，城市中有60%的碳氢化合物、90%的一氧化碳和30%的氮氧化物来源于汽车尾气的排放。除了能够造成酸雨和光化学烟雾等危害，传统燃油汽车尾气排放所产生的二氧化碳也对温室效应的形成产生重大影响此外，传统形式的燃油客车是通过消费石油来产生动力的，这是其主要的工作方式，但是石油资源己经面临即将枯竭的危机，而传统燃油客车的消耗占我国石油消耗总量的比例很大。目前，我国经济的发展势头迅猛，人均GDP增长的加快在一定程度上助力汽车的保有量的增长，从而造成了石油需求量的持续增长的局面，这对于作为世界能源消耗大国的中国来说面临着极大的挑战。
由于电动汽车具有清洁、环保和节能等优势而被全世界各国广泛关注，因此电动汽车被看作化解经济增长与环境污染矛盾的重要手段，得到了很大力度的推广。电动汽车应用动力电池来产生动力，用电能这一清洁能源代替了传统意义上的化学能源，大大降低了有害气体的排放量，减轻对环境的污染情况。近期，电动汽车动力电池技术取得重大突破，政府扶持政策力度的再次加大，电动汽车的应用已经在世界众多国家与地区普及发达国家在前期己经对于电动汽车市场进行了探究，对于相关的技术领域研究比较成熟，再加上政府出台众多支持政策，电动汽车市场的发展在国外己经取得一定成就与规模。欧洲各国与日本等地大规模推广混合动力汽车的应用，而纯电动汽车则主要是以公交车、出租车及环卫车等公共用车规模化示范运营为主。
相对于发达国家，国内在电动汽车市场领域起步较迟，但是由于政府扶持力度的加大及重要技术的突破，我国在电动汽车市场领域仍然取得巨大成就曰前，政府已经制定了一系列关于推广电动汽车规模化发展的政策与各项标准，出台了关于补贴购买电动汽车的优惠措施，从而鼓励广大群众积极购买电动汽车。2009年，由中央财政部和科技部合力牵头发起作为电动汽车示范运营作用的“十城千辆”工程；“十二五”期间，国务院将推进电动汽车产业的发展作为国家战略实施。因此，在如今国家大力扶持，技术突飞猛进的环境下，我国的电动汽车市场将得到大规模的发展与推广。
作为电动汽车的能源补给设施，充换电站的规划与建设对于电动汽车市场的推广与发展是至关重要的，合理的充换电站布局规划是前提，它能够在满足电动汽车用户的能源补给需求的基础上，还可以与区域的供配电系统相结合，避免造成不必要的资源浪费。充换电配套设施的建设属于城市建设的一部分，对城市的路网建设、交通规划及供配电系统将造成一定的影响。所以，完善的充换电配套设施的规划的研究具有一定的现实意义。
1.2国内外研究现状
随着全球电动汽车产业的大规模发展，各个国家与城市不断加强对充换电配套设施的政策扶持。国内外众多学者和研究人员开展了大量与电动汽车需求特性和充换电设施布局规划有关的工作，概括起来主要包括以下几个方面：
1.3本文主要工作
针对上述总结的电动汽车充换电需求特性及电动汽车行为特性研究现状，论文对电动汽车充换电站的需求特性进行了研究。本文首先总结了电动公交车充换电配套设施规划优化的内容与方法，然后提出了将多重线性回归分析与基于电动汽车市场扩散的BASS模型相联系的思路，设计了电动公交车未来发展的保有量预测模型，并以北京为算例进行了实例分析；再以示范运营的充换电站实际运行数据为基础，研究了电动公交车行驶特性及其充电需求影响因素，在此基础上实现了充换电站的供电负荷仿真与预测；最后以电动公交车保有量和供电负荷的预测为参考依据结合遗传算法给出了电动公交车充换电站设施的规划优化模型。
具体内容如下：
(1)调研了国内外充换电配套设施的发展现状与充换电设施的规划概述，给出了本文釆用的电动公交车充换电设施的规划内容与方案，总结了应用于电动公交车充换电站的规划优化方案。
(2)总结了电动公交车保有量预测的基本思路与方法，在此基础上介绍了公交车规模预测与保有率预测的基本原理，并以北京作为算例，预测分析了未来十年内北京市电动公交车的保有量情况，为电动公交车充换电设施的规划优化设计提供依据。
(3)对北京市北土城电动公交车充换电站的历史运营数据的采集过程进行了说明，基于实际电动公交车的行驶特性、充电开始时间、起始SOC等的数据分析，总结了电动公交车充电需求影响因素的表现形式，并结合第三章中对北京市电动公交车未来市场规模的保有量预测，编写Python软件完成了电动公交车充换电站的日负荷曲线的预测。
(4)以年均综合最小费用模型为优化目标，并结合前两章得到的电动公交车保有量以及供电负荷的预测作为依据，建立电动公交车充换电站规划的优化模型，以北京市东城区为算例用遗传算法优化求解，并对结果进行分析以证明其有效性和合理性。
2电动汽车充换电设施规划基础
电动汽车充换电设施的作用就是当电动汽车动力电池的能量消耗到一定程度时，对其进行电能的补充，从而确保电动汽车能够正常使用。因此，电动汽车充换电设施式电动汽车市场产业发展的重要基础设施。提供电力能源给电动汽车的有关设施被称为电动汽车充换电设施，一般由几下几类构成：集中或分散布置的交直流充电桩、换电站与充电站等。根据电动汽车种类和行驶特点的不同，决定了电能补给模式的多样化，也对充换电设施的规划与需求特性产生了影响。根据电动汽车电能补给模式的不同，充换电设施的规划模式也各不相同，本章将详细介绍目前电动汽车充换电设施规划的有关内容。
2.1电动汽车简介
电动汽车是以电池为主要动力源，部分或全部由电动机驱动的汽车。按照当前车辆驱动原理和技术状态，电动汽车可以分为混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车和纯电动汽车三种类型。混合动力电动汽车是介于传统燃油汽车和纯电动汽车之间的一种车型，它釆用内燃机和电动机相结合的方式为其提供动力混合动力汽车是在纯电动汽车开发推广过程中产生的一种新车型，为用户接受纯电动汽车做了缓冲，有益于纯电动汽车的普及应用。但它没有从根本上摆脱对传统石油资源的依赖，而且在以石油为燃料向其提供动力时，仍然产生有害气体。
燃料电池电动汽车是一种以燃料电池为其动力源的汽车。燃料电池是利用氧气和氧气在催化剂作用下发生电化学反应来为其提供电能的装置。燃料电池电化学反应的排放物为水，不会污染环境。燃料电池电动汽车就是利用燃料电池为其提供动力来源的新型车辆。目前，燃料电池电动汽车的诸多技术还处于研发试验阶段，其推广应用还需要一段时间。纯电动汽车是指完全由动力电池为其提供动力的汽车。目前，市场上常见的车用动力电池主要有锂离子电池、線氧电池和铅酸电池等。当电池的电能消耗一定程度时，由充换电设施为其提供充换电服务，补充电动汽车所需能量。纯电动汽车不对环境带来任何有害气体，真正在用户端实现了 “零排放”，是未来汽车的发展方向。
本文所研究的车型是需要充换电设施为其提供电能的纯电动汽车（以下简称电动汽车）。
2.2充换电设施的概念与分类
电动汽车充换电设施的服务对象是各种类型的电动汽车，充换电设施必须实现为不同的电动汽车补给电能的要求。根据运营特点，电动汽车基本可以分成以下几类：私家车、特种车辆、公交车和出租车，不同种类的车辆具有不同用途，当然其行驶特性也截然不同，具体的充换电需求见表2-1。
(1)公交车用来满足公共交通需要，行驶路线固定，一般在首末站点建有大型停车场，夜间停运。同样由于每日行驶里程长，用电量大，一次充电的电量不能维持整日的运行要求，为了保证车辆运行时间，需要实现电能迅速补充，适宜釆用以更换电池的方式为主要方式，整车充电的方式为辅助的方式。可以将电池更换站选择在停车场。
(2)出租车运行路线和区域具有不确定性，并且一般每天24h连续运营。由于每日行驶里程长，用电量大，一次充电难以保证当日续驶里程要求，停运时间短，要求能量补给时间短。出租车车型和电池型号较为统一，可以通过更换电池的方式迅速地为车辆提供电能。可以将电池更换站选择在市区的适当位置。
(3)环卫车、邮政车运行路线较固定，在所属单位有自己的停车场，可在单位停车场建设专用充换电站。
(4)私家车主要满足个人的外出需要，通常可以事先估算出运行的路线与里程，夜间基本停运。私家车的充电机一般安装在车内，这是因为搭载的电池容量小，电池功率也不大。同时一般私家车辆由于使用时间短，大部分时间停放在小区停车位或单位停车场内，此时可采用交流供电装置为车辆提供交流充电电源。可在小区停车位和单位停车场建设专用交流充电桩，合理运用电网夜晚电价低谷时间段充电。针对私家车应急电能补充需求，可建设公共充换电设施为私家车提供快速电能补给。
电动汽车充换电设施发展主要体现在智能化、标准化、便捷化方面，目前，充换电设施尚未考虑电动汽车与电网双向互动问题，对于电动汽车大量的无序充电造成的电网供电负荷不平衡还未进行充分考虑。因此，为适应电动汽车的快速发展，国内外科研机构纷纷开展相关的研究工作，提升充换电设施的综合性能，在标准统一、充换电设施服务能力、参与电网互动等方面开展相关的研究。
3电动公交车保有量预测模型的构建........................16
3.1 基本思路........................16
3.2目标市场公交车规模预测模型........................16
3.2.1相关分析基本原理........................16
4电动公交车充换电需求特性的分析及负荷预测........................27
4.1电动公交车数据采集背景介绍........................27
4.2电动公交车充换电站需求特性分析........................27
4.2.1关于电动公交运营模式分析........................28
5电动公交车充换电站的分布规划........................40
5.1充换电站选址模型的建立........................40
5.1.1充换电站选址的影响因素........................40
5.1.2最优模型的建立................................41
5电动公交车充换电站的分布规划
作为电动汽车的能源补给设施，充换电站的规划与建设对于电动汽车市场的推广与发展是至关重要的，合理的充换电站布局规划是前提。本文第二章中介绍过充电设施规划的原则以及内容与方法，在此不再赞述。结合第二章的内容，充换电站的布局规划优化设计大体如图5-1所示。
5.1充换电站选址模型的建立
5. 1.1充换电站选址的影响因素
电动汽车充换电设施的作用就是当电动汽车动力电池的能量消耗到一定程度时，对其进行高质量、快速电能的补充，从而确保电动汽车能够正常使用。所以，充换电站的建设应当充分考虑到以下几个方面：
(1)所需充电的电动汽车的数量、类型、电池型号、充电模式以及所需充电容量等影响其需求特性的主要因素。
(2)由于充换电站的占地面积较大，应根据城市公交车路线的规划，考虑城市公交车各个站点的分布情况及其便利性。
(3)由于温度与电池容量及其充放电能力的影响较大，因此选择充换电地址时应充分考虑到周围环境因素的影响。
5.1.2最优模型的建立
在分析了影响充换电站选址的主要因素，本论文把待规划的电动公交车充换电站的年均成本，即建设成本、运行成本及充电成本最低作为模型的目标优化函数值，约束条件则充分考虑到充换电站的建站规模和来此充电的电动公交车的数量及服务半径等因素。
以年均综合最小费用模型为优化目标，最大同时充电率、服务半径等为约束条件并结合前两章得到的电动公交车保有量以及供电负荷的预测作为依据，建立电动公交车充换电站规划的优化模型，并以北京市东城区为算例用遗传算法优化求解，并对结果进行分析以证明其有效性和合理性。
6结论与展望
6.1全文总结
本文针对电动公交车充换电配套设施的基础与规划优化内容与方法，研究了电动公交车保有量的预测及其充换电站日供电负荷的预测，还有充换电站的最优选址问题，主要成果如下：
(1)针对与电动公交车保有量相关的影响因素，建立了电动公交车的未来市场保有量预测模型，并以北京作为算例，预测分析了未来十年内北京市电动公交车的保有量情况。在传统规模预测的基础上，结合多重线性回归分析和电动汽车市场扩散的BASS模型，使得预测结果更加精准与贴合实际。
(2)在分析电动汽车充换电实际运营数据的基础上，研究了电动公交车需求特性的相关因素，并编写了日供电负荷预测的软件程序。此预测模型适用于行驶习惯稳定、定时、定点、定班运行的电动公交车。
(3)以年均综合最小费用为优化目标建立电动公交车充换电站规划的优化模型，并以北京市东城区为算例进行实际的验证。可以使充换电站在综合成本最低的情况下资源得到更充足的利用，从而提高建站的性价比。
6.2展望
本文提出的电动公交车保有量及日供电负荷的预测模型与充换电站布局规划最优模型具有一定的实际意义，但因电动汽车产业起步较晚，发展相对不成熟，缺乏历史数据与建站经验等限制，本文部分研究是在一定假设的条件下完成的。另外对于影响充换电站建设规划的城市交通条件、路网规划、区域供配电网结合与环境等因素的尚欠考虑，有条件的话应进行更加系统的研究。
参考文献（略）
参考文献（略）