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学士学位论文学士学位论文 城市电动汽车充电站布局规划研究 rasearch on the layout planing of electric vehicel charging station in the city 李宁李宁 佳木斯大学佳木斯大学 2014 年年 6 月月 国内图书分类号：u491.1 学校代码：10222 国际图书分类号：629 密级：公开 工学学士学位论文工学学士学位论文 城市电动汽车充电站布局规划研究 学生：李宁 导 师 ：马丽丽 申请学位：工学学士 学科：交通运输 所 在 单 位：机械工程学院 答 辩 日 期：2014 年 6 月 授予学位单位 ：佳木斯大学 classified index: u491.1 u.d.c: 629 dissertation for the bachelor degree in engineering rasearch on the layout planing of electric vehicel charging station in the city bachelor：li ning supervisor：ma lili academic degree applied for：bachelor of engineering speciality： transportation engineer affiliation： school of mechanical engineering date of defence： june, 2014 degree-conferring-institution：jiamusi university 摘 要 - i - 摘摘 要要 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安 全法规各项要求的汽车。一般情况下，电动汽车采用高效率充电电池或燃料电池 为动力源。电动汽车充电量的总体需求是影响充电站布局的关键因素。只有充电 量达到一定规模之后，充电站才可能实现经济地大规模布点。电动汽车充电量与 电动汽车保有量及车辆的日均行驶里程、单位里程能耗水平等密切相关。 电动汽车充电站是电动汽车发展所必须的基础设施。布局合理的电动汽车充 电站规划对电动汽车的普及发展将起到不可替代的作用。电动汽车充电站是发展 电动汽车所必须的重要配套基础设施， 所以电动汽车充电站布局规划需要严谨 的方法与步骤，本文主要收集近几年汽车新增数量，预测电动汽车进入市场后的 保有量。 综合分析了影响电动汽车充电站规划的若干因素，进行了电动汽车保有量的 预测，根据电动汽车充电特性和出行特征，构建电动汽车充电功率需求模型，从 而得出规划区充电站的容量需求，构建 petri 网电动汽车充电需求量预测模型。以 20 量电动汽车做充电需求仿真分析，通过预测电动汽车的保有量预测电动汽车充 电需求量。利用国内选址相关理论，解析法、专家选择法、综合评价法建立了电 动汽车充电站规划的最大收益模型。 关键词：电动汽车；保有量预测；充电需求量；布局规划 abstract abstract electric vehicle charging station is the infrastructure necessary for the development of electric vehicles. in general, the high efficiency electric vehicle charging batteries or fuel cells as a power source. electric vehicle charging is the key factor to affect the charging station layout the overall demand. only charging station can achieve economic mass distribution after the charging capacity reaches a certain size. and electric cars and vehicles daily mileage, mileage unit energy consumption level is closely related to electric vehicle charging. electric vehicle charging station is the infrastructure necessary for the development of electric vehicles. station planning for the popularization of the electric vehicle development will play an irreplaceable role in rational layout of the charging electric automobile. electric vehicle charging station is important to the development of electric vehicles and supporting infrastructure, so the electric vehicle charging station need rigorous layout planning methods and steps, the main collection in recent years the number of new car retains the quantity, prediction of electric vehicles to after the enter the market. comprehensive analysis of the influence of some factors of electric vehicle charging station planning, the electric vehicle ownership forecast, according to the electric vehicle charging characteristics and trip characteristics, construction of demand model electric vehicle charging, the charging station capacity demand planning area, construction of petri network for electric vehicle charging demand prediction model. with 20 electric vehicle charging demand to do simulation analysis, electric vehicle charging demand forecasting through the forecast of electric vehicle. the use of domestic location theory, the analytical method, expert selection method, comprehensive evaluation method to establish a electric vehicle charging station planning maximum profit model. keywords：electric vehicle， forecast，analysis of charging demand，layout planning 目 录 目 录 摘 要i abstractii 第 1 章 绪 论.1 1.1 课题背景及研究目的和意义 1 1.2 电动汽车的国内外发展概况 1 1.2.1 国外发展现状1 1.2.2 国内发展现状3 1.3 本文的主要研究内容.5 第 2 章 电动汽车保有量预测分析.7 2.1 电动汽车和充电站简介 7 2.1.1 电动汽车.7 2.1.2 电动汽车充电站.7 2.2 趋势外推法 8 2.3 灰色预测法 8 2.4 回归分析法 9 2.5 汽车保有量中长期预测特征.11 2.6 汽车保有量预测精度检验指标.11 2.7 本章小结.11 第 3 章 电动汽车充电需求预测.13 3.1 电动汽车充电模式比较 13 3.1.1 常规充电13 3.1.2 快速充电13 3.1.3 机械充电14 3.2 基于 petri网的汽车充电需求预测 .14 3.2.1 预测模型的建立14 3.2.2 预测模型的 petri 网分析.16 3.3 模型应用的一般步骤.17 3.4 车辆充电需求测算方法概述.18 3.4.1 测算前提假设.18 3.4.2 充电站容量需求数学理论.18 目 录 3.4.3 充电站容量需求影响因素19 3.4.4 充电站功率需求仿真分析20 3.5 本章小结.21 第 4 章 电动汽车充电站选址概述.22 4.1 电动汽车充电站布局规划的基本原则.22 4.1.1 科学性的原则22 4.1.2 车站一体的原则22 4.1.3 短期与长期相统一的原则22 4.1.4 局部与整体相协调的原则22 4.2 选址相关理论 22 4.2.1 解析法.22 4.2.2 专家选择法.23 4.2.3 综合评价法.23 4.2.4 韦伯区位论.23 4.3 公共充电站建站规模规划 24 4.3.1 标准充电站规模的确定.24 4.3.2 数学模型的结构与基本特征.25 4.3.3 选址场所及其他环境条件.25 4.4 电动汽车充电站选址规划研究.25 4.4.1 基本思想及原理.25 4.4.2 充电站年运行收入.26 4.4.3 新建站投资及运营费用27 4.4.4 线路投资费用.27 4.4.5 辅道建设费用.27 4.4.6 网损费用27 4.5 充电站区位选择 28 4.5.1 中心地理论确定服务范围.28 4.5.2 区位论.29 4.6 本章小结.30 结 论.31 参考文献.32 附 录.34 致 谢.43 佳木斯大学工学学士学位论文 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题背景及研究目的和意义 目前中国的充电站网络的建设规划主要以市场示范为主，缺乏一套普遍的充 电站布局规划理论和成熟的借鉴模式，这主要是因为在电动汽车产业的发展和充 电站网络的建设规划过程中存在着大量的不确定因素，使得传统的建模优化方法 难以给出不同阶段的合理建设规划方案，所以本文提出了一种基于线性回归分析 规划建模方法。 电动汽车充电量的总体需求是影响充电站布局的关键因素。只有充电量达到 一定规模之后，充电站才可能实现经济地大规模布点。电动汽车充电量与电动汽 车保有量及车辆的日均行驶里程、单位里程能耗水平等相关。 建设电动汽车充电站是电动汽车产业推广的前提和基石，在拓展电力市场需 求的同时，完善高效的能源供给网络是电动汽车广泛应用的必要条件之一。电动 汽车的充电系统是发展电动汽车的重要基础支撑系统，也是电动汽车商业化、产 业化过程中的重要环节。充电站的建设需要根据电动汽车的充电需求，结合电动 汽车充电模式进行相应的规划和设计。 1.2 电动汽车的国内外发展概况 目前我国电动汽车尚处于研发阶段， 还没有形成生产规模， 相对于日本、 美国等发达国家还存在一定差距。因此我国应该尽快采取相应的措施，加快电动 汽车的研究试验工作，促进我国电动汽车市场的形成，并出台鼓励电动汽车使用 的政策，促进我国电动汽车研制、生产、使用同步发展，达到保护环境、节约资 源，提高我国综合竞争力的目标。 1.2.1 国外发展现状 (1)日本电动汽车的发展现状 从目前世界范围内的整个形势来看， 日本是电动汽车技术发展速度最快的 少数几个国家之一，特别是在发展混合动力汽车方面，日本居世界领先地位。目 前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业， 只有日本的丰田和本田两家汽 车公司。1997 年 12 月， 丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批 量生产的混合动力轿车 prius。该轿车于 2000 年 7 月开始出口北美， 同年 9 月开始出口欧洲， 现在已经在全世界 20 多个国家上市销售。目前推出的产品已 佳木斯大学工学学士学位论文 2 是经多次改进后的第二代产品，生产工艺更为成熟。 当前， 世界各国电动车的研发方兴未艾。日本电动车的发展更是一如既往， 而且比以前更受重视， 发展的速度也进一步加快。据报道， 日本为燃料电池 汽车设定的目标是在 2010 年之前在日本国内普及 5 万辆。2011 年，日本都希望 通过制订明确的电动汽车充电站建设计划，帮助电动汽车在本国早日实现商业化。 日本政府表示，为普及电动汽车，政府将在三年内建千余座充电站。其中，日本 东京电力公司将带头参与有关的基础建设，明年东京将率先建成 200 多个充电站， 三年后，日本电动汽车充电站数量增加到 1000 个以上。图 1-1 给出了日本一个 50kw 快速充电机实例1。 图 1-1 日本某地 50kw 快速充电机 (2)美国电动汽车的发展现状 美国汽车公司在电动汽车产业化方面和日本相比有一定差距，三大汽车公司 只是小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未 能实现产业化，日本的混合动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。美国能 源部与三大汽车公司于 1993 年签订了混合动力电动汽车开发合同，其中通用汽 车公司投入 1.48 亿美元，福特汽车公司投入 1. 38 亿美元，克莱斯勒汽车公司投 入 8480 万美元，进行为期 5 年的研发工作，并于 1998 年在北美国际汽车展上展 出了样车。在此基础上，现已推出 3 款混合动力概念车:通用、福特、戴姆勒克莱 斯勒 dodgeesx3。2004 年 12 月 14 日，通用汽车公司与戴姆勒克莱斯勒汽车公 司对外宣布双方将在开发混合动力电动汽车的技术领域携手，共同推进此项技术 的发展2。 美国旧金山市的电动汽车充电站也投入使用。市长纽瑟姆重申了旧金山要成 为美国电动汽车首都的目标。纽瑟姆强调， “网络化的基础设施至关重要”。据报道， 旧金山启用的充电站隶属于 charge point 网，是美国城市电动汽车使用可行性两 年示范项目的一部分。charge point 网充电站所采用的技术系统可追踪统计每辆 电动车省下的汽油量、避免的温室气体排量，并能发短信给司机手机，提醒车何 时需要充电以及充电是否完成。此外，芝加哥等城市也已经有充电站建成。如图 1-2 为美国某个路边的快速充电桩。 佳木斯大学工学学士学位论文 3 图图 1-2 美国某城市街道旁快速充电桩美国某城市街道旁快速充电桩 (3)巴黎电动汽车的发展现状 从全球范围来看，巴黎是最早将清洁能源汽车引入公交系统的城市，在巴黎 市区有大量纯电动公交车参与公共交通运营，纯电动车也正在日益走进巴黎人们 的生活之中。2012 年，巴黎市政府拟出了一张“充电站分布图”，市民可以轻松地 根据该图找到最近的充电站。从图 1-3 上看，充电站的排列相当密集，跟巴黎著 名的地铁网络有得一拼，并且广泛地分布于城区和郊区。 图图 1-3 巴黎电动汽车充电桩布局图巴黎电动汽车充电桩布局图 1.2.2 国内发展现状 我国电动汽车的研发与国外基本处于同一起跑线，技术水平及产业化的差距 较小。十五期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争 佳木斯大学工学学士学位论文 4 力，实现我国工业的跨越式发展的战略高度考虑，设立电动汽车重大科技专项。 通过组织企业、高等院校和科研院所等方面力量进行联合攻关。2001 年起，国家 在电动车领域的投资将达到 100 亿元人民币，863 计划中涉及这一领域的投资达 8.8 亿元人民币。 目前，我国侧重混合电动汽车的研发。混合动力电动车按照能量合成形式主 要分为串联式、并联式和混合式 3 种。目前我国各大汽车集团都在进行混合动力 电动汽车研发，多数以混合动力电动客车为主，这种研发方向符合我国国情，有 利于我国电动汽车的研究发展。 (1)江淮 作为新能源车销量第一的龙头企业，江淮汽车紧抓新能源汽车的发展，在新 能源用车领域成果突出。截止到 2012 年底，江淮汽车生产的 iev 电动车共销售 4785 辆，仅 2012 年爱意为共销售新车 2485 辆，占据了 20.56%的市场份额，私 人领域纯电动汽车推广量全国第一。江淮乘用车营销总经理严刚表示：“江淮集 团十二五着力打造电传动系统，对于新能源汽车，公司的目标形成 10 万辆的产 能。 ”显然江淮汽车在新能源领域发展已经走在国内自主品牌的前列，不仅在广州 车展就交付了 1000 台第四代纯电动轿车，据江淮内部人士透露，爱意为第四代 将在 2013 年至 2014 年重点推广，销售目标为 5000 辆。 图图 1-4 国产江淮纯电动汽车国产江淮纯电动汽车 (2)东风电动汽车 东风汽车公司 2006 年就推出了电动汽车样车,最近该公司与湖北省高校联合， 共同组建了东风电动车辆股份有限公司,专门开发生产电动汽车。东风电动车辆股 份有限公司承担国家 863 项目，目前已经研制出 4 辆电动客车，在武汉市 509 路 和 510 路公交车投入使用。根据中国汽车工业发展规划,我国电动汽车产业的发展 佳木斯大学工学学士学位论文 5 目标是:到 2020 年，电动汽车保有量占汽车保有量的 5% -10%，年生产销售电动 汽车 150 万辆以上；到 2030 年,电动汽车保有量占汽车保有量 50%以上,年生产销 售电动汽车 1000-1950 辆。 2012 年 12 月 14 日，国家发改委新修订的产业结构调整指导目录 ，在原 有鼓励建设燃气汽车加气站工程的基础上，首次提出鼓励建设新能源汽车充电站 工程，为电动汽车产业化提供了现实依据。在 2008 年 8 月初“首届绿色能源汽车 发展高峰论坛”上，科技部计划通过连续 3 年，在国内 10 个以上有条件的大城市， 进行千辆新能源汽车的试验，开展千辆级混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池 汽车以及能源供应基础设施的大规模示范。2007 年 6 月，国家电网公司在国 家电网公司“十一五”节能减排综合性工作方案中就规划在北京、上海等试点省 市开展公交车、出租车、工程抢险车、垃圾清运车等电动化改造、试点运营和建 设充电站等工作。预计到“十一五”末，国家电网公司经营区域内电动公交车运行 将达到 420 条线路、4200 辆车，电动出租车达到 535 辆。国家电网筹建的首批 “示范”电动汽车充电站，服务对象不仅仅是纯电动公交车，还包括未来商业化前 景更大的纯电动轿车。一旦国家电网公司正式启动电动汽车充电站全国网络的建 设，势必会极大地推动我国电动汽车行业的发展。目前，我国有不少城市和地区 已经开始电动汽车充电站建设，但还没有形成一套成熟的布局规划体系，更没有 形成充电站的规模建设3。 1.3 本文的主要研究内容 本文的主要工作是对电动汽车充电站网络的建设进行布局优化。具体的工作 有以下几个方面： 城市电动汽车保有量预测，综合运用市场调查法、趋势外推法、灰色预测 法、回归分析法收集近几年电动汽车销售数据，进行数理统计、分析，构建汽车 市场需求预测 petri 网模型，通过模型计算出 2020 年宁波地区的电动汽车保有量。 得到的数据进行整理，保存。 介绍电动汽车的基本理论知识，进一步研究电动汽车的充电需求量预测方 法。以收集 20 量纯电动汽车充电需求两相关数据，建立充电容量需求模型，分 析电动汽车容量的影响因素，在模型中，排除影响充电需求量的非线性因素，利 用专家预测法估计非线性因素影响系数。通过模型计算出 2020 年宁波地区的电 动汽车充电需求量，将充电需求量的数据进行线性分析、充电站功率的仿真分析。 运用本文介绍所有理论知识、构建的仿真模型，收集的近几年数据进行充 电站布局规划选址费用分析。通过重心法、中心地理论、中心区位论等相关理论， 佳木斯大学工学学士学位论文 6 研究电动汽车布局规划研究。规划最佳选址，确定电动汽车充电站最佳服务范围， 进一步运用计量法重新验证模型是否正确。 佳木斯大学工学学士学位论文 7 第第 2 章章 电电动动汽汽车车保保有有量量预预测测分分析析 2.1 电动汽车和充电站简介 2.1.1 电动汽车 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安 全法规各项要求的车辆。电动汽车的优点是：它本身不排放污染大气的有害气体， 即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少， 由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动 的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可 以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，解除人们对石油资源日见枯竭的 担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日 夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有关研究表明，同样的原油经过粗炼， 送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变 为汽油，再经汽油机驱动汽车高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量， 正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。 2.1.2 电动汽车充电站 电动汽车充电站是指为电动汽车充电的站点，与现在的加油站相似。随着低 碳经济成为我国经济发展的主旋律，电动汽车作为新能源战略和智能电网的重要 组成部分，以及国务院确定的战略性新兴产业之一，必将成为今后中国汽车工业 和能源产业发展的重点。然而，电动汽车产业是一项系统工程，电动汽车充电站 则是主要环节之一，必须与电动汽车其他领域实现共同协调发展。 现在能较好的解决快速充电问题的方案是换电站利用给汽车更换电池的方法 代替漫长的充电过程。一辆汽车需要配备两块电池，当一块电池用完后自动切换 到另一块，此时可到换电站将用完的电池换下装上满电的电池。而换下的电池由 电站统一充电和维护，前提是充电站要有相当数量的备用电池。这个方法优点是 快速，用户换完电池就可以上路，比加油都快。用这种方法再加上停车场充电桩 等辅助手段，相信电动汽车的普及就近在眼前4。 2.2 趋势外推法 亦称“趋势分析法”、 “趋势外插法”。这是一种运用逻辑思维进行推理达到 佳木斯大学工学学士学位论文 8 预测目的的重要方法。这个方法以预测的连续原理作为基本依据根据事物发展 具有规律性的特点认为人们只要能够正确地把握事物的历史和现在的发展情况， 就可以循着这个线索推测它的未来发展趋势。是一种探索型的预测法。 广义地说，任何一种预测方法都是趋势外推法，但这里通常是指时间序列预 测技术中以时间作变化的几种预测方法。趋势外推法的一个重要假设前提是：预 测对象的发展变化具有稳定性和渐进性。否则，历史时期发展规律就不能够外推 到预测期，当然稳定性和非突变性是所有预测方法的必然要求，因为在突变情况 下，所有预测结果部是失败的。以时单位和变元的趋势外推法，不能像因果关系 方法那样可以根据情况对预测期内原因变量的变化作出估计和修正，时间变量一 经排序、便总是等因增大的趋势。 其步骤为：(1)选取预测有关参数；(2)搜集所需要的有关数据资料；(3)做好预 测前的准备； (4)将数据资料设计为增长曲线；(5)以趋势外推的方式对事物的发 展进行预测研究；(6)检验预测结果，并对其进行科学论证；(7)分析研究预测结果 实际应用于制定规划与决策的可行性。 其方法的应用的形式有：(1)简单外推法。以预测对象的有关历史数据为根据， 通过直觉来分析预测事物发展趋势；(2)相关外推法。根据事物发展是在各种因素 制约中实现的这一特点，弄清与事物发展直接和间接相关的有利和不利因素，然 后扬利去弊以确保事物按照人们预测的趋势发展；(3)增长曲线法，是基于某些特 定的预测对象在发展中可能出现极限而设计的一种模型。这是一种优选的预测方 法它将预测对象按其发展的时间顺序排列成许多点，形成一条曲线从中可以表 现出事物发展力最佳状态。趋势外推法在技术预测和市场预测中得到广泛的应用。 2.3 灰色预测法 灰色预测是就灰色系统所做的预测。所谓灰色系统是介于白色系统和黑箱系 统之间的过渡系统，其具体的含义是：如果某一系统的全部信息已知为白色系统， 全部信息未知为黑箱系统，部分信息已知，部分信息未知，那么这一系统就是灰 色系统。一般地说，社会系统、经济系统、生态系统都是灰色系统。例如物价系 统，导致物价上涨的因素很多，但已知的却不多，因此对物价这一灰色系统的预 测可以用灰色预测方法。 灰色系统理论认为对既含有已知信息又含有未知或非确定信息的系统进行预 测，就是对在一定方位内变化的、与时间有关的灰色过程的预测。尽管过程中所 显示的现象是随机的、杂乱无章的，但毕竟是有序的、有界的，因此这一数据集 合具备潜在的规律，灰色预测就是利用这种规律建立灰色模型对灰色系统进行预 佳木斯大学工学学士学位论文 9 测。 灰色预测通过鉴别系统因素之间发展趋势的相异程度，即进行关联分析，并 对原始数据进行生成处理来寻找系统变动的规律，生成有较强规律性的数据序列， 然后建立相应的微分方程模型，从而预测事物未来发展趋势的状况。其用等时距 观测到的反应预测对象特征的一系列数量值构造灰色预测模型，预测未来某一时 刻的特征量，或达到某一特征量的时间。 灰色预测的类型有： (1)数列预测 (2)灾变预测 (3)系统预测 (4)拓扑预测 将原始数据作曲线，在曲线上按定值寻找该定值发生的所有时点，并以该定 值为框架构成时点数列，然后建立模型预测未来该定值所发生的时点 5。 2.4 回归分析法 通常线性回归分析法是最基本的分析方法，遇到非线性回归问题可以借助数 学手段化为线性回归问题处理。回归分析法预测是利用回归分析方法，根据一个 或一组自变量的变动情况预测与其有相关关系的某随机变量的未来值。进行回归 分析需要建立描述变量间相关关系的回归方程。根据自变量的个数，可以是一元 回归，也可以是多元回归。根据所研究问题的性质，可以是线性回归，也可以是 非线性回归。非线性回归方程一般可以通过数学方法为线性回归方程进行处理6。 （1）非线性回归方程 这是一种传统的经典方法，在因果分析预测方面占有主导地位。采用的回 归模型主要分为线性回归和非线性回归。由于社会经济系统的复杂性、非线性现 象普遍，现实中连近似满足线性关系的只是一小部分，人们用以下非线性回归方 法模拟发展趋势来逼近真相。因此多采用非线性方法预测，常用的非线性函数用 于描述 s 型生长的始盛期、高峰期、盛末期的拟合回归曲线有: 指数增长曲线模型: （2-1） bx aey logistic 曲线模型: （2-2） x bea y 1 compertz 曲线模型: 佳木斯大学工学学士学位论文 10 （2-3）)3exp(/ xaeay 对于后两种曲线，主要缺陷是需要事先人为给出增长的极限逼近值，带来了 估计的误差。回归模型预测一般要求有较多的数据样本，小样本下回归估计不可 靠7。 （2）线性回归方程 汽车保有量与主成分的关系见图 2-，从中可以看出汽车保有量与主成分近 似具有线性关系。以提取出的主成分为自变量，以汽车保有量作为因变量 进行回归分析，回归方程为： （2-4）986 . 0 ,456.396945.2261 2 ryz 式中 汽车保有量； 判定系数。 将主成分代入回归方程即可计算出相应年份的汽车保有量回归预测值。通过 与本年度的汽车保有量实际值进行比较，可得出汽车保有量回归预测值与当年实 际值的相对误差（以下简称为相对误差） 。 6 4 2 0 -5 -3 -1 1 3 5 7 图 2-1 汽车保有量与主成分关系 由本年度的回归预测值与上一年度的回归预测值可得到本年度汽车保有量回 归预测值的年增长率8。 2.5 汽车保有量中长期预测特征 汽车保有量中长期预测有以下特征 汽车保有量 107 主成分 佳木斯大学工学学士学位论文 11 （1）既存在结构突变，又是小样本，预测不能再采用一般的方法，应采用具 体的有针对性的方法，选用线性回归预测方法并借鉴 teii 等思想。 （2）就人均发电量、人均粗钢产量等实物指标而言，赶超国家之间存在发电 量和保有量的线性回归，在第 3 章将结合 petri 模型，对人均发电量、人均粗钢产 量等实物指标与汽车普及增长的相互关系进行分析。 汽车市场保有量预测的重大背景在于各主要工业国汽车普及的启动和赶超态 势明显，同时伴随经济总体上的长期繁荣，存在所谓的黄金十年。人们随着收入 水平提高，轿车开始大量进入家庭，轿车开始在汽车产业中占据关键比重，主要 工业国都存在此现象。 2.6 汽车保有量预测精度检验指标 预测模型给出实证结果后，采用预测精度的评价指标为: 平均绝对误差(mae)： （2-4）)( 1 1 n t tt zd n mea 平均绝对百分比误差(mape)： （2-5） n t t tt d zd n mape 1 100 均方误差(mse) (2-6) n n t tt zd n mse)( 1 1 均方根误差(rmse): (2-7) n t tt zd n rmse 1 2 )( 1 式中 n预测期数； dtt 时期的实际值； z预测值。 本文将根据以上指标进行预测模型实证效果评价9。 2.7 本章小结 本章的主要工作是对电动汽车结构进行了介绍，利用趋势外推法、灰色预测 法、回归分析法对电动汽车保有量进行了预测，介绍几种方法的使用意义及范围。 就汽车市场保有量中长期预测及年度预测的指标选择、模型构建的要求，针对不 同预测要求下所应采用的预测方法进行精度检验。而本文主要出发点在于研究汽 佳木斯大学工学学士学位论文 12 车普及及经济赶超背景下，针对线性回归及结构变化特征，介绍汽车市场保有量 的年度及中长期预测特征，不对月度预测模型进行构建机理研究。 佳木斯大学工学学士学位论文 13 第第 3 章章 电电动动汽汽车车充充电电需需求求预预测测 3.1 电动汽车充电模式比较 3.1.1 常规充电 （1）概念 蓄电池在放电终止后，应立即充电（在特殊情况下也不应超过 24h） ，充电电 流相当低，大小约为 15a，这种充电叫做常规充电（普通充电） 。常规蓄电池的 充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时间为 58 小时，甚至长 达 10 至 20 多个小时。 （2）优缺点 尽管充电时间较长，但因为所用功率和电流的额定值并不关键，因此充电器 和安装成本比较低；可充分利用电力低谷时段进行充电，降低充电成本； 可提 高充电效率和延长电池的使用寿命。 常规充电模式的主要缺点为充电时间过长， 当车辆有紧急运行需求时难以满足。 （3）适用范围 设计电动汽车的续驶里程尽可能大，需满足车辆一天运营需要，仅仅利用晚 间停运时间充电；由于常规充电以相当低的电流为蓄电池充电，因此在家里、停 车场和公共充电站都可以进行；常规充电站一般规模较大，以便能够同时为多辆 电动汽车进行充电。 3.1.2 快速充电 （1）概念 常规蓄电池的充电方法一般时间较长，给实际使用带来许多不便。快速充电 电池的出现，为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电又称应急充电， 是以较大电流短时间在电动汽车停车的 20 分钟至 2 小时内，为其提供短时充电 服务，一般充电电流为 150400a。 （2）优缺点 充电时间短；充电电池寿命长（可充电 2000 次以上） ；没有记忆性，可以大 容量充电及放电，在几分钟内就可充 70%80%的电；由于充电在短时间内（约 为 10-15 分钟）就能使电池储电量达到 80%90%，与加油时间相仿。因此，建 设相应充电站时可不配备大面积停车场。但是，相对常规充电模式，快速充电也 佳木斯大学工学学士学位论文 14 存在一定的缺点：充电器充电效率较低，且相应的工作和安装成本较高；由于采 用快速充电，充电电流大，这就对充电技术方法以及充电的安全性提出了更高的 要求，同时计量收费设计也需特别考虑。 （3）适用范围 电动汽车续驶里程适中，即在车辆运行的间隙进行快速补充电，来满足运营 需要； 由于相应的大电流需求可能会对公用电网产生有害的影响，因而快速充 电模式只适用于专用的充电站。 3.1.3 机械充电 （1）概念 电池组快速更换系统。通过直接更换电动汽车的电池组来达到为其充电的目 的。由于电池组重量较大，更换电池的专业化要求较强，需配备专业人员借助专 业机械来快速完成电池的更换、充电和维护。 （2）优缺点 采用这种模式，具有如下优点：电动汽车用户可租用充满电的蓄电池，更换 已经耗尽的蓄电池，有利于提高车辆使用效率，也提高了用户使用的方便性和快 捷性； 对更换下来的蓄电池可以利用低谷时段进行充电，降低了充电成本，提 高了车辆运行经济性；从另一个侧面来看，也解决了充电时间乃至蓄存电荷量、 电池质量、续驶里程长及价格等难题；可以及时发现电池组中单电池的问题，进 行维修工作，对于电池的维护工作将具有积极意义，电池组放电深度的降低也将 有利于提高电池的寿命。这种模式应用面临的几个主要问题是：电池与电动汽车 的标准化；电动汽车的设计改进、充电站的建设和管理，以及电池的流通管理等。 （3）适用范围 这种模式适用条件为：车辆电池组设计标准化和易更换；车辆运营中需要及 时更换电池来满足运行，充电站中电池充电和车辆可实现专业化快速分开； 由 于电池组快速更换需要专业化进行，因而电池组快速更换模式只适用于专用的充 电站。 3.2 基于 petri 网的汽车充电需求预测 3.2.1 预测模型的建立 汽车市场环境的变化是多方面的，包含主观因素和客观因素，它们发生后对 相应的预测分量产生影响，这些预测分量间也可能存在着交互作用。考虑了这些 影响后，我们才能获得较为可靠的中间预测值，并据此组合得到总的预测需求值。 佳木斯大学工学学士学位论文 15 汽车市场需求预测问题的特点是多因素、离散、动态和并发。不失普遍性，本文 以受 3 个主要因素影响的汽车市场需求预测系统建立 petri 网模型(如图 1 所示)， 其要素间的对应关系如下: （1)库所对应(如图 1 所示)三类数据值，即原始数据、中间预测值、总预测 需求值，库所表示原始数据;p1，p2 ，p3表示由主 ),( 932132, 1 pppppdddp 要。因素影响的中间预测值；p4；p5；p6表示不合理的中间预测值 p7；p8；p9表 示合理的中间预测值;p 表示总的需求预测值。 (2)变迁对应两类事件，即主要变迁和次要变迁。主要变迁表示汽车市场环境 变化时，选用己知的预测方法，利用原始数据得出初步中间预测值的估计过程。 次要变迁指中间预侧值的交互影响事件以及中间预测量和需求值之间的关系。 变迁集，t1；t2；t3表示主要触发事件，它的点火由外界 ),.,( 10321 ttttt 条件或人为决策确定；t4；t5；t6表示相应预测值不合理的事件;t7；t9表示相应 预测值合理的事件;t8表示合理的预测值，p1 ，p2获得后对中间预测值 p8 发生 影响的事件，t10表示预测需求量和中间预测值的关系.我们预定它的发生条件为 当主要因素 t1，t2，t3发生时，相应的合理中间预测值 t7，t8，t9，得到后才能 发生。 （3）权值对应着主要变迁和次要变迁发生时相关库所中的数量关联函数， 它通常能根据传统预测方法求出。权函数集 w 记 pi;为库所集 p 中的数值，ft 为 函数关系.我们约定 w（p，t)=0；p p， t t，这是因为在变迁发生时，只是利 用库所集中的数据来进行计算，主要公式如下： （3-1), 6 , 5 , 4,),(; 3 , 2 , 1),(),(iwpitiwidifipitiw 式中，w 定义为无解数； (3-2)3),(),(),(,),( 9927888177 pptwppfptwpptw ),(),( 987510 pppfptw (4) k 容量集分别表示依据实际而定出的数据区 )0,.,2 , 1(),.,( 1021 ikkkkk i 间。 (5)m0 初始标识，设定表示原始的数据信 )3 , 2 , 1(),0,.0 , 0 ,( 3210 ididddm 息10。 佳木斯大学工学学士学位论文 16 图 3-1 受 3 个主要因素影响的市场需求预测系统图形表示 3.2.2 预测模型的 petri 网分析 （1）图形分析 在所建立的 petri 网模型中，根据初始标识，可知 t dddm0000000000 3210 t1，t2，t3处于并发关系。为方便起见，在这里只给出有两个并发时系统的可达 树，可设 d1=d2=1(因 d3=0，故不考虑引发 t10 的影响)。 在图 4-1 的可达树表示中，为了图形的方便，我们假定 d=1。但是在实际的 模型运用中，为了能够综合考虑几个因素产生的预测值，中间预测值 p7 的容量 至少需要大于 1，从而能够引发 t10，得到最终的预测结果 p(在图 3-1 中 t10 处 会发生死锁)。 （2）矩阵分析 ， ),( 1098321321 ppppppdddp ),( 10321 ttttt 模型的关联矩阵 c 为11。 （3）其他分析 多因素和离散性，汽车充电需求预测系统所牵涉的因素很多，例如主观因素 就有销售网点设置、广告宣传、销售方式等；客观因素有国家宏观政策调控、汽 车价格变动、季节变化、产品寿命周期等。这些离散型的因素依据 petri 网能直观 地表达出它们间的依赖和不依赖关系。 动态性汽车市场需求系统是一个不断变化的系统，用etri 网作模型，可在 触发事件发生后，由初始标识获得可达标识集和可达树，由可达树能分析出系统 发生死锁和可达变迁序列的情况。 佳木斯大学工学学士学位论文 17 有界性和并发性实际需求系统中的原始数据和触发事件均是有限的，所以其 相应的权函数关系也有限，要求预测的结果也为一合理有限数，这一特性可以在 分析可达树时得到当实际预测系统出现并发事件时，用etri 网的分析和计算 工具能得到定量的预测值，这是此系统优于传统预测方法之处当我们根据预测 值做出决策后，更改原始数据值，再利用状态方程和新的触发事件就可以得出新 的需求预测值。 冲撞性和死锁性，当分析分量被发现，某些中间预测值超出容量相应的范 围时，就发生死锁（即不能得出正确的预测值） ，可对其触发因素加以适度调节 来消除死锁当中间预测值相互关联时，可通过定义其先后发生次序来获得预测 结果12。 1001000000000 0100100000000 0010010000000 0001000000000 0000100000000 0000010010000 0000000001000 0000000001100 c 3.3 模型应用的一般步骤 用本 petri 网模型对汽车市场需求量进行预测的条件是：影响预测量的各主要 因素之间存在着并发关系，用于预测的主要数据之间存在或者不存在交互影响。 在预测汽车市场需求量时，居民人均收入与汽车产品价格之间属于并发关系，居 民人均收入的变化会影响商品价格的变化。与传统的市场需求预测方法相似，应 用etri 网模型进行预测的步骤为：确定预测目标、搜集整理资料、选择预测方 法、分析修正预测误差、得到预测结果。具体实施方法如： （1）确定需求量作为系统的预测目标（对应库所） 。 （2）搜集资料，得到影响预测量主要因素的历史数据作为模型中的输入量。 （3）主要因素确定后，应用传统的定量预测方法（如一元线性回归预测方 法）以各因素作为解释变量和原始数据，以预测目标作为被解释变量，分别得到 应用各主要因素预测需求量的中间预测值，应用的预测方法对应模型中的变迁。 （4）中间预测值产生后引发变迁，表示消去不合理中间预测值对预测量 影响的事件，库所对应不合理的中间预测值。 佳木斯大学工学学士学位论文 18 （5）中间预测值产生后，同时还引发变迁表示得到合理中间预测值的事件， 库所对应合理的中间预测值； （6）变迁表示得到合理中间预测值的事件，它的引发条件源于对的交互影 响，引发后，得到合理的中间预测值（库所3） ； （7）各合理中间预测值，对需求量进行组合预测，可以为广义加权平均组 合预测，引发后得到最终可靠的预测值。 （8）由经 petri 网模型得到的可靠预测值 p 可以预测未来的需求量13。 3.4 车辆充电需求测算方法概述 3.4.1 测算前提假设 (1)当前的技术条件下电池的续驶里程是 150 公里，考虑到车辆深度放电将会 影响电池的使用寿命，以及驾驶员发现电量不足找寻充电站的行驶里程，则电池 的可用续驶里程为 120 公里。 (2)私家乍以常规交流充电桩允电为主，公共快速充电为辅。公共快速充电站 满足私家车出行时的应急充电需求，每辆车每周只需两次应急充电：周一到周五 一次，周末一次。 (3)基于目前的动力电池技术水平，电池循环寿命较短，折旧成本比较高，经 济性较差，如果反复采用 3c 以上大电流对电池进行快速充电，将显著缩短电池 寿命，导致电动汽车经济性更差，所以公共快速充电站要以“快换为主快充为辅” 为原则进行建设。一般情况下车辆进行电池快换，快充工位以备应急使用，这样 在提高车辆使用率的同时也降低了电池的负荷14。 3.4.2 充电站容量需求数学理论 一般电气系统电力负荷预测和计算方法分为两类，一类是从预测电量入手再 换算为用电负荷，如综合用电水平法、单耗法、增长率法和电力弹性系数法。另 一类是直接预测用电负荷的负荷密度法，即按照单位用地面积负荷密度或单位建 筑面积负荷密度进行电力负荷预测。由于电动汽车充电站具有随车辆运行机制和 动力电池充电特性按照一定规律使用的特点，因此可以按照电动汽车充电运行机 制及单车功率需求变化曲线进行分析充电站容量需求模型电动汽车充电机设计必 须考虑电动汽车动力电池组充电功率需求充电站建设必须考虑每台充电机所需的 功率，若以功率最大的充电机所需功率为标准。乘以充电机数量作为充电站建设 的总功率需求，将产生极大的投资浪费。降低充电机工作功率将带来充电时间延 长，并且不能满足快速充电要求。 电动汽车充电机设计必须考虑电动汽车动力电池组充电功率需求，充电站建