Removed_电动汽车充电桩调度管理系统研究与设计.docx
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摘要
摘要
由于电动汽车充电基本设施建设速度远远落后于电动汽车的发展速度，充电桩和电动汽车数量严重不匹配，导致用户充电困难，并且存在现有充电桩布局不合理，利用率较低的情况，造成了社会资源的浪费。
本文通过设计电动汽车充电桩调度管理系统，旨在提高充电桩的利用率，并为用户提供方便快捷的电动汽车充电服务，其主要工作如下：
1、本文从用户的角度及运营管理者的角度出发，针对其对电动汽车充电的不同需求，综合考虑电动汽车剩余电量，行驶里程，充电时间，充电桩设施分配等情况，提出以电动汽车充电路径最短（能耗最少），用时最少，综合成本最优，等待时间最少为目标的电动汽车充电桩调度策略，为用户个性化推荐充电桩，提供良好的电动汽车充电服务，同时实现运营管理者对充电桩的最优分配，提高充电桩利用率，有利于充电桩运营的可持续发展。
2、针对电动汽车和充电桩市场的发展，协助用户灵活的寻找、选择充电桩进行电动汽车电能补充，提高用户出行的便利性，本文应用互联网技术，设计了一套电动汽车充电桩调度管理系统。
此系统包含公共充电桩系统，移动应用系统，后台调度管理系统三部分，为用户提供充电桩查找，充电桩推荐，导航到充电桩，自主充电，移动支付等一体化电动汽车充电服务。
本文针对电动汽车用户和充电桩运营商的多种不同需求，设计了电动汽车充电桩调度管理系统，并提出多种充电桩调度策略，改善了用户充电难和充电桩利用率低的现状。
关键词：
电动汽车，充电桩调度策略，管理系统
I
万方数据
ABSTRACT
ABSTRACT
Duetothespeedofelectricvehiclecharginginfrastructureconstructionisfarbehindthepaceofdevelopmentofelectricvehicles,andelectriccarchargingpileandthenumberofelectricvehiclesofseriousmismatch,causingtheuserchargedifficult,irrationaldistributionofexistingchargingpileandlowerutilizationsituation,resultinginawasteofsocialresources.Bydesigningtheelectricvehiclechargingpileschedulingmanagementsystem,designedtoimprovetheutilizationofthechargingpile,andtoprovideuserswithconvenientandefficientelectricvehiclechargingservices,themainworkisasfollows:
1、Fromtheperspectiveoftheuser'sandoperationalmanagers,forthedifferent
needsofitselectricvehiclecharging,consideringelectricvehiclesbutteryinsufficient,mileageshort,longchargingtime,chargingpileinadequatefacilities,etc.,inordertomakeelectricvehiclechargingwiththeshortestpath（minimumenergyconsumption）,theleasttime,comprehensivecost-optimal,minimumwaitingtimetargetforelectriccarchargingpileschedulingstrategy,foruserspersonalizedrecommendationchargingpile,provideagoodelectricvehicleschargingservice,whileachievingoperationalmanagersoptimalallocationchargingpile,improvingtheutilizationofchargingpileandbeneficialtothesustainabledevelopmentofthechargingoperationofthepile.
2、Forthedevelopmentofelectricvehiclesandchargingpilemarkettohelpusers
findandselectthechargeelectriccarspileflexibleforenergysupplement,enhancetravelconvenienceoftheuser,thepaperapplicationofInternettechnology,designasetofelectriccarchargingpileschedulingmanagementsystem.Thissystemconsistsofthreepartslikepilepublicchargingsystems,mobileapplicationsandback-endschedulingmanagementsystem,providesfindingchargingpile,chargingpilerecommendation,navigatetothechargingpile,chargingautonomous,mobilepaymentandotherintegratedelectricvehiclechargingservicesforusers.
Inthispaper,accordingtokindsofdifferentdemandsforelectricvehiclesuserandchargingpilecarriers,designaelectricvehiclechargingpileschedulingmanagementsystem,andproposesavarietyofchargingpileschedulingstrategy,improvetheconditionofuserchargingheardandlowutilizationchargepile.
Keywords:
electricvehicle,chargingpileschedulingstrategy,managementSystem
II
目录
目录
第一章绪论 1
1.1研究工作的背景与意义 1
1.2电动汽车及充电桩国内外发展现状 2
1.3电动汽车充电调度管理的研究现状 6
1.4本文研究的工作内容和安排 9
第二章电动汽车充电相关特性 10
2.1电动汽车充电方式 10
2.2电动汽车充电桩城市布局 11
2.3电动汽车充电峰谷电价方案制定 14
2.4电动汽车充电桩调度目标 16
2.4.1面向电动汽车用户的充电需求 16
2.4.2面向运营商的有序充电需求 17
2.5电动汽车充电桩调度系统总体设计 18
2.6本章小结 19
第三章电动汽车充电桩调度策略的研究 20
3.1电动汽车充电模型的建立 20
3.1.1电动汽车电池模型 20
3.1.2电动汽车充电模型 21
3.2电动汽车充电桩模型的建立 24
3.3电动汽车充电桩调度策略 25
3.4电动汽车充电桩调度评价指标 28
3.4.1运营商侧评价指标 28
3.4.2用户侧评价指标 28
3.5本章小结 30
第四章电动汽车充电桩调度策略的仿真与分析 31
4.1仿真方案的设定 31
4.2仿真结果分析 34
4.2.1充电桩运营分析 37
4.2.2用户成本分析 40
4.3本章小结 43
III
第五章电动汽车充电桩调度管理系统设计与实现 44
5.1系统结构 44
5.1.1公共充电桩 44
5.1.2移动应用设计与实现 46
5.1.3远程服务调度中心 51
5.2电动汽车充电桩调度系统工作流程 56
5.3本章小结 58
第六章全文总结与展望 59
6.1全文总结 59
6.2后续工作展望 59
致谢 61
参考文献 62
攻读硕士学位期间取得的成果 66
IV
第一章绪论
第一章绪论
1.1研究工作的背景与意义
随着我国科技的不断进步，城市化建设和人民物质生活质量的日益提高，汽车工业发展迅速。
伴随着汽车保有量的增加，我国大部分城市遭受到了雾霾的侵袭，能源危机、环境污染问题日趋严重，人们的身体健康和日渐枯竭的化石能源遭到了威胁[1,2]。
汽车把地球上数亿年积攒下的宝贵化石能源，在一脚油门中，变换成污染源。
汽车尾气排放出上千种化学物质，其中有害气体包括一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、硫氧化合物、挥发性有机物和臭氧等，包含碳黑、重金属、焦油等颗粒物[3]。
这些有害物质与大气化学反还会导致酸雨和光化学污染，对城市的大气和水源造成恶劣的影响，同时会引起人们的生理不适，损害人体器官，威胁着人们的健康[4]。
近年来多项研究表明，汽车尾气污染已经上升为主要的大气污染，威胁着人类赖以生存的自然环境[3]。
因此，在经济发展、能源危机和环境保护的矛盾日趋激化下，为了减少污染，为了最大限度减少对化石能源的依赖，为了国家能源战略安全，我国将大力发展新能源汽车，依靠新能源技术实现汽车产业向新能源汽车的转型[5]。
新能源汽车主要包括以下几类：
1、氢燃料汽车
这是在网上经常听说的一种新能源车型，主要是排放无污染。
利用氢气做燃料，排放出纯水。
我国早在2007年，就有长安汽车研发此车型，但是至今还没有成熟技术。
国际上也未有上市车型，说明其制造使用方面还有难题尚未攻克，目前还看不到上市的希望。
2、空气动力汽车
利用压缩空气作为动力源行驶的汽车。
由于技术方面不成熟，甚至被质疑是伪技术，经不起实践考验，已经被淘汰。
3、纯电动汽车
纯电动汽车较其他类新能源汽车和燃油汽车具有无噪音，零排放，使用成本低，电能利用率比汽油机驱动汽车的能源利用率要高的优势。
另外，电动汽车结构较为简单，由于其使用唯一电能源，省去了变速器、发动机、冷却系统、油箱、排气系统等主要结构，对汽车生产及用户维护提供便利。
纯电动汽车以其节能环
1
电子科技大学硕士学位论文
保和最易于产业化的优点备受青睐。
未来几年将是国家新能源电动汽车发展的战略机遇期。
电动汽车自上市以来，一直热度未减，深受消费者青睐。
特别是新能源领军企业比亚迪，其E6车型，以可靠的技术，优秀的续航里程，安全耐用的环保电池，畅销国内外。
4、插电式油电混合动力汽车
插电式油电混合动力车型，短途用电，长途用油的特点，深入人心。
经统计，大多数私家车，每天行驶里程不超过50公里。
针对消费者用车需求，混合动力车型不但完美的解决了节能环保的问题，在车辆性能方面更有大幅度提升。
白天用车，晚上充电。
偶尔跑长途用油，也不用担心充电问题。
即节约能源又经济划算。
其最具代表性车型就是一直供不应求的比亚迪秦、比亚迪唐。
广受追捧的原因不仅仅是新能源，更是功能超强的性能车。
其动力，配置，安全性，智能化水平等等，远非普通燃油车能比[6]。
虽然新能源汽车的市场占有量远远小于燃油汽车的比重，但是，作为新能源汽车的重要组成部分电动汽车的销量近几年来呈现指数型增长趋势。
随着电动汽车的保有量的不断增长，以电动汽车充电网络建设为中心的充电桩基础设施及电动汽车充电配套服务市场，正在发生了划时代性的变革。
自从2014年起，国家鼓励凭借市场的力量发展充电桩，建设充电网络，国家电网逐渐退出充电桩建设。
市场对充电桩的迫切需求，社会资本的大举进入充电桩市场，以及国家对充电桩事业的政策推动，将促进未来五年间电动汽车充电桩的迅速增长。
然而，目前充电桩的建设速度远落后于电动汽车的销售速度，电动汽车充电
网络建设的滞后[7]，制约着电动汽车和充电桩市场的发展。
电动汽车与充电桩严重匹配不足，造成了用户充电难的问题。
在这样的发展背景之下，结合互联网发展技术，建设电动汽车及充电桩管理服务平台，通过手机App来查询充电桩的位置及相关信息，以及为用户推荐充电桩并预约充电，为用户提供电动汽车一体化充电服务，减轻用户把电动汽车开出门之后的里程忧虑。
在此基础上通过对现有充电桩和电动汽车研究一种可靠的方法，合理调度充电桩，在充分满足用户电动汽车充电需求的同时，提高充电桩的利用率，减小用户充电成本，达到社会利益最大化。
1.2电动汽车及充电桩国内外发展现状
在“节能低碳”呼声愈发高涨的今天，新能源车辆的发展逐渐成为当前汽车工业的潮流所趋，各类新能源技术的研发如雨后春笋般涌现。
世界各国对电动汽车行
2
第一章绪论
业的热情快速升温，大举抢夺电动汽车市场，推动各方经济发展，掀起一大波竞争浪潮。
目前，电动汽车销量占45%，居全球之首的美国，已经累计卖出电动汽车22.7万辆，在新能源电动汽车行业处于遥遥领先的位置。
美国电动汽车市场的快速发展，与其政府对电动汽车充电桩基础设施的建设密不可分，主要得益于以下几个因素：
（1）基于智能电网发展的整体构建大背景中进行统一布局，将充电设施网络建设与电动汽车网络互联技术相结合作为智能电网的关键环节。
（2）美国政府实施充电基础设施建设的补贴政策
美国联邦政府鼓励企业和个人建设充电桩，规定，每修一个充电桩或大型充电站，个人或企业将会得到不同额度的抵税优惠。
各州则根据当地电动车发展水平，制订了额外的免税或补贴政策。
（3）私人充电桩的极大丰富，催生了全球最大新能源汽车市场。
截至2014年底美国的充电桩数量约2.7万个（不包含家用充电插座），其中私人充电桩占74%，其余分别为当地政府、输配电公司、州郡和联邦所有。
65%的人选择在家充电，32%的人在办公场所充电，仅有3%的人在公共场所的充电桩充电。
在美国私人充电基础设施齐全，消费者外出充电的需求得到了弱化，消费者的购买欲望获得了强有力的保障。
（4）统一慢充标准，极大丰富私人交流充电桩，放开快充标准，促进车型的丰富。
目前，美国投入使用的充电桩主要以交流充电设备为主，其标准符合美国汽
车工程师协会J1772充电标准。
在快速直流充电模式中，其标准主要由占比53%
的日本电动汽车快充标准、占比37%的特斯拉SuperCharger和占比10%的SAE的
J1772Combo这三种方式组成。
（5）大力培育发展专业化充电运营企业及服务企业，持续提高用户充电体验，增加用户粘性。
日本电动汽产业的发展仅次于美国。
随着电动汽车销量的不断的增加，电动汽车用户对充电桩的需求越来越大，因此，日本政府加快了对充电桩基础设施的建设速度。
除了国家政府对充电桩网络建设的推进，日本本土车辆企业与日本政策投资银行共同成立了“日本充电服务”公司，主动承担着充电桩的免费安装以及免费保修8年。
日前，日本国内电动汽车充电桩的总量为4万个，充电桩数量越来越多，已经超过了传统加油站的数量[8]。
英国，在欧洲电动汽车产业发展中，发展最快，也发展的最好。
英国政府大力鼓励电动汽车充电基础设施的建设，充电基础设施的完善同时也促进电动汽车
3
电子科技大学硕士学位论文
的销售，英国电动汽车的销量以及充电配套基础设施的建设发展之快，让人惊叹。
到目前为止，英国已经有数万个充电桩桩投入使用，政府鼓励发展电动汽车充电创新模式，逐步完善充电网络建设布局，开创了电动汽车无限充电技术。
英国高通集团将投资Chargemaster最大的电动汽车充电服务运营商，为电动汽车无限充电产业的发展出一份力，加速充电桩网络布局[9]。
法国，通过政府大力补贴带动电动汽车产业链的发展，其扶持政策与我国相似，通过投入大量优惠，刺激民众消费。
然而，虽然电动汽车销量呈现猛烈的增长，但是充电桩建设相对迟缓，目前只有八千个充电桩已经投入使用，远远满足不了市场需求。
在未来几年内，法国政府加大对充电桩的建设力度，预计资8000
万至1亿欧元用于电动汽车充电桩网络的建设，争取三年内建设16000个充电桩。
德国，同样非常重视新能源汽车产业的发展，大力推广电动汽车的普及。
德
国政府计划，将在2020年以前，实现国内电动汽车数目达到100万辆的目标。
德国政府以及本地车辆企业对电动汽行业的发展关注度非常高，然而电动汽车以及其配套充电桩基础充电设施的数量达不到预期。
电动汽车发展迟缓，其根本原因在于德国的基础充电设施标准很高，充电桩和充电网络建设发展缓慢，从而导致电动汽车销售速度缓慢。
近期，德国政府加速电动汽车充电基础设施建设速度，尤其是快速充电桩，国家预计到2017年，快速充电桩将覆盖各大城市主要交通路
段，其总量达到400个，并规定连接器统一使用欧洲标准。
柏林Ubitricity公司研发一种新型充电方式，通过对路灯进行改造，使用插座、智能充电线和连接管理器，实现电动车直接在路灯上充电，而不影响路灯的日常照明。
目前在德国，电动汽车充电已经非常普遍，据统计，德国全国各地路灯的数量达到一千万个，部分路灯将有很大的可能性会被改装为电动汽车充电桩，其整修成本较低，仅仅以单价500欧元的价格，就能再扩充建造10-20万个充电桩，大大减少了电动汽车充电设施建设的成本，推动电动车事业的快速发展[9]。
自2013年起，我国新能源汽车进入产业化的时代。
据中国汽车工业协会数据
统计，2015年新能源汽车销量331092辆，同比增长了3.4倍。
同时，业内普遍认
为2016年新能源汽车销量还将持续高速增长，预期销量或将超过70万辆。
与此同时，随着越来越多的用户选择新能源汽车，作为新能源汽车重要组成部分电动汽车和充电基础设施也越来越多地引起了消费者的关注，电动汽车充电基础设施的建设速度远落后于电动汽车的增长速度，充电桩数量不足一直困扰着行业的发展。
《电动汽车充电设施发展指南（2015-2020）年》指出，到2020年，我国需要建设480万个充电桩，才能使充电桩和电动汽车的比例达到1:
1，而目前这一比例值仅为1:
4。
4
第一章绪论
图1-1我国新能源汽车销量
大力发展电动汽车充电桩基础设施事业,有利于解决用户充电难的问题，促进用户对电动汽车的认可，提升用户购卖力，促进电动汽车行业的发展。
近年来，各省、各市相关部门专注贯彻和落实国务院政策，为电动汽车充电桩建设做出积极响应。
在各部分工作取得很大的进展的同时，认识上存在分歧，配套政策不够完善，协调合作困难，标准不够规范等问题一直阻碍着充电桩建设的发展（《国务院办公厅关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》）。
随着我国新能源汽车工业的发展，针对电动汽车和充电桩的数量严重不均衡的现状，以及现存的问题，为加快电动汽车充电桩基础设施建设，我国将在2016-2020年持续实施新能源电动汽车应用推广政策，主要包括以下几个方面（《关
于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》）：
（1）国家持续加大对新能源汽车的推广和支持力度。
大力宣传，倡导使用新能源汽车。
鼓励企业与个人多方参与电动汽车配套基础设施的建设。
共同把电动汽车市场做大，做充分。
（2）电动汽车充电接口及通信协议主要包括交直流充电接口《电动汽车传导充电用连接装置》3项系列标准、充电系统通用要求《电动车辆传导充电系统一般要求》标准以及直流充电通信协议《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》标准等5项国家标准的颁发，将实现充电标准化，统一化。
电动汽车充电接口的标准化，为电动汽车充电设施提供了技术保障，确保了电动汽车与充电桩的匹配，避免了电动汽车充电市场的无序化发展和由于充电设施不兼容造成的社会资源浪费，方便电动汽车充电的同时，大大刺激了消费者对电动汽车的购买欲，促进电动汽车行业的发展。
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电子科技大学硕士学位论文
（3）国家对纯电动乘用车，插电式混合动力乘用车，电车，货车等进行部分补贴，减少用户购买及使用成本，大力推进我国电动汽车的发展及普及。
根据财政部网站发布的相关通知，对新能源汽车推广城市或城市群，凡是达到综合考核标准（电动汽车推广数量，充电基础设施建设标准）的，中央财政将对其发放奖励资金，并且资金由地方政府统筹用于电动汽车充电桩建设，改造，运营和充电配套系统的建设。
国家将补贴的对象从新能源汽车本身扩大到充电基础设施建设，将是新能源汽车推广路上的又一重大利好（《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》）。
（4）我国逐步加大试点工程建设力度。
日前从北京市科委获悉，我国已经开始对
“路灯充电桩”进行试点改造。
“路灯+充电桩”的充电网络建设和充电模式将会为解决日前被限制的电动汽车普及的充电难的问题提供有力的支撑。
快速充电网络依托高速公路布局的建设也已经进入实践阶段：
我国已建成第一个跨城市“京-沪”充电网络系统，平均50公里就有一个充电桩，总公共建成27个充电站，每个充电
站包含2个快速直流充电桩和4个慢速交流充电桩。
国家电网正加速高速公路充
电网络建设，在2020年前，计划建设3350个充电桩。
随着我国电动汽车充电基本设施发展日渐完善，近年来，充电桩发展趋势明显。
根据资料显示，截止2014年底，我国电动汽车充电设施共建成电站778座，
充电桩30914个，2015年底全国已建成充换电站3600座，公共充电桩4.9万个，较去年底增加1.8万个，同比增长度为58%。
相对于美国，日本，欧洲等电动汽车发展较早的国家，我国电动汽车及充电桩产业的发展还刚刚起步。
对于电动汽车充电网络和充电桩的建设还存在很多不足，需要借鉴其他国家的电动汽车和充电桩发展模式，快速形成规模化市场和通行环境。
我国新能源电动汽车的市场还不能全国范围内的大面积展开，纯电动汽车及相关配套体系的整体发展还任重而道远，充电网络和充电桩基本设施的建设还不够完善，无法满足广大电动汽车用户的日常充电需求，电网公司逐步开始对该业务进行有意义的尝试。
相比于欧洲国家，我国在国土面积以及人口上的压力比较大，因此，我国电动汽车充电基础设施和充电网络的建设范围要广，数量要多，规模要大，时间要长。
要想确立符合国情的电动汽车和充电桩发展方向，还
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