電動汽車充電站選址優化
——以上海市浦東新區為例

曹 茜，朱一帆

（上海電力大學 經濟與管理學院，上海 201306）

隨著中國能源轉型的提速以及在節能減排、降低石油依存度等各種現實背景下，我國對汽車產業的發展提出了新的要求，汽車消費市場迎來了轉型升級。新能源汽車，尤其是以電力驅動的新能源汽車正逐步取代傳統的燃油汽車，成為汽車消費市場的“主力軍”。但在電動汽車數量爆發式增長的背后，電動汽車充電站的規劃和建設卻稍顯落后。當前，國內電動汽車充電地點主要是以離散的充電樁的形式存在，集約化程度較低，無法滿足日益增長的電動汽車數量所產生的充電需求。本文將最大覆蓋模型應用于電動汽車充電站的選址問題，構建充電站選址模型，并以上海市浦東新區為例進行分析，為未來電動汽車充電站的規劃建設提供參考。

1 國內電動汽車充電站發展現狀

我國在電動汽車充電站的規劃和建設方面起步較晚。但憑借后發優勢，在國家政策的引導下，各地方政府加大了對電動汽車充電站建設的投入，并出臺各種規范性文件來助力充電設施的落地，如北京、上海、廣東等地。因此，我國電動汽車充電站整體呈現快速增長的態勢。中國充電聯盟公布的數據顯示，截至 2022 年 2月，充電站建設數量排名前十的省份，由多到少分別是廣東省、江蘇省、浙江省、上海市、北京市、山東省、河北省、四川省、天津市以及湖北省，本文將著重研究上海市電動汽車充電設施建設發展情況。

2 上海市電動汽車充電站發展現狀

近年來，上海市在鼓勵扶持電動汽車充電設施的建設方面出臺了一系列的政策。2013年，在上海市發展改革委等七部門制定的《上海市鼓勵電動汽車充換電設施發展暫行辦法》中提到建設充換電設施的三條原則：1）按照“樁隨車走、按需配置”原則建設的自用、專用充電設施；2）按照“合建為主、單建為輔”原則建設的公用充電設施；3）按照“需求支撐、重在示范”原則建設的專用、公用換電設施。在 2021年 6月和 2022年2月，上海市根據國家的相關規劃和指導意見，先后出臺了《上海市電動汽車充電設施建設管理暫行規定》及《關于本市進一步推動充換電基礎設施建設的實施意見》，前者明確了充電設施在建設方面可享受的政策支持和資金補助，后者對未來充電站的建設做了進一步的規劃和展望，提出到2025年要滿足125萬輛以上電動汽車的充電需求，全市車樁比不高于2:1，按照“先樁后車、適度超前，公用設施快充為主、慢充為輔，專用設施快慢并重”的原則，加快公共充換電網絡布局，形成適度超前的城市充電網絡。

3 最大覆蓋模型

最大覆蓋模型（Maximum Covering Location Model, MCLM）的目標是在對有限的服務網點進行選址的前提下，為盡可能多的對象提供服務。在已知候選點位置、數量和服務半徑的條件下，采用最大覆蓋模型的原因是現階段我國集中式充電站的建設處于起步階段，考慮到建設成本及效益最大化原則，建設的充電站需要盡可能多地滿足充電需求，發揮其最大邊際效用。因此，運用最大覆蓋模型，通過科學量化的手段搜索候選點，可以找到覆蓋范圍最大化的點，得出最優的充電站選址方案。

針對最大覆蓋模型相關的選址問題，國內很多學者進行了研究。張宇[1]根據最大覆蓋模型和Voronoi 圖論，以在有限充電站數量下盡可能多地為用戶提供服務為目標，并基于 Floyd 算法針對人口密度的差異對充電站進行優化選址；胡培婷等[2]以廣州市中心城區為研究對象，在對充電需求進行時空特征分析的基礎上，為探究一定數量條件下的最佳充電站選址布局區域，提出了充電時空需求的最大覆蓋模型；牛樂樂[3]在已有充電設施基礎上提出了電動汽車分散式充電設施二次規劃模型，通過建立最大覆蓋模型對新建充電設施選址，再以投資者綜合收益最大為目標，對充電設施容量進行二次配置。

電動汽車充電站選址的最大覆蓋模型的基本數學模型表達式為

式（1）為目標函數，指充電站盡最大可能提供服務以滿足需求。

約束條件如下：

式（2）表示對充電需求的限制，表明可提供的充電服務不可能大于當前充電需求的總和。

式（3）表示對充電站服務能力的限制，每座充電站所服務的需求數量為有限個。

式（4）表示最多允許投建充電站的數目為p。

式（5）表示一個區域最多只能建設一個充電站。

式（6）表示允許一個充電站為某個需求點只提供部分的需求。

表1為式（1）—式（6）模型的參數符號說明。

表1 最大覆蓋模型的參數符號說明

4 案例分析——以上海市浦東新區為例

上海市浦東新區是上海市占地面積最大的行政區，由公安部的統計數據可知，截至2021年底，上海市純電動汽車保有量為32.1萬輛，初步估算浦東新區純電動汽車的充電需求總量約為321 000/2=160 500輛，地區人均國內生產總值（Gross Domestic Product, GDP）約為3.5萬美元[4]，折合人民幣約232 776元。一座中大型電動汽車充電站（含100個以上充電樁）的成本約為250萬元[5]，服務半徑普遍在3 km左右[6]。假設浦東新區需要建立一定數量的電動汽車充電站以滿足相應的充電需求，如圖1所示由浦東新區熱力圖確定人員活動的聚集區域為充電需求點，共計14個（圖1中三角形標示），并從給出的 15個充電站站址候選點（圖1中圓形標示）中，選取一定數量的充電站的位置，得到滿足需求最大化的充電站選址布局方案。

圖1 浦東新區充電需求點及充電站站址候選點相對位置圖

要解決這一選址問題，首先需要確定上海市浦東新區未來應投建的電動汽車充電站的數量。對此，可以采用層次分析法，先計算得出影響決定充電站建造數量的四個主要因素（電動汽車總保有量、人均 GDP、充電站成本、服務半徑）[7]的重要性權重值，再根據得到的權重值（W1=0.388 9，W2=0.388 9，W3=0.153 5，W4=0.068 7），通過相應的充電站數量公式求出應建設的電動汽車充電站數量Q，即

式中，K為備用系數（取為2.25）；T為充電站的工作時間（取為12 h）；E為區域內電動汽車的總保有量（16.05萬輛）；G為該區域人均 GDP（23.277 6萬元）；P為一座充電站的成本（250萬元）；R為每座充電站的服務半徑（3 km）。代入公式后可求出應建設的電動汽車充電站數量，由此得到上海市浦東新區應新建電動汽車充電站數量約為10座。

通過對圖1中的充電需求點和充電站站址候選點之間的距離進行測量，分別得到充電站站址候選點到各個充電需求點的距離（表2）。然后以候選點為中心，半徑3 km以內的需求點納入充電服務范圍，得到如表3所示的充電站候選位置的服務范圍表。

表2 充電站站址候選點-充電需求點距離表 單位：km

表2 續

表3 充電站候選位置的服務范圍

為方便求解，根據表3的充電站候選位置服務范圍，將其轉化成0-1整數規劃的形式，如表4所示，其中 0表示充電站服務范圍未覆蓋到充電需求點，1則表示覆蓋到充電需求點。

表4 0-1 整數規劃

把決策出的應建設的10座充電站數量作為約束條件，使用LINGO 11.0編程并對模型進行求解，編程代碼如圖2所示，運行結果如圖3所示。

圖2 LINGO11.0 編程代碼

圖3 LINGO 11.0運行結果

結果顯示，B(1)=B(5)=B(6)=B(7)=B(8)=B(9)=B(10)=B(11)=B(12)=B(13)=1，其中編號 1、5、6、7、8、9、10、11、12、13分別對應候選點A、E、F、G、H、I、J、K、L、M。因此未來上海市浦東新區需要建立10座電動汽車充電站，分別位于候選點A、E、F、G、H、I、J、K、L、M，可使覆蓋的充電需求點達到最大。

5 結語

本文以上海市浦東新區為例，先對目標地區的應投建充電站數量進行大致計算，再使用最大覆蓋模型從候選點中選擇服務范圍最大化的位置作為充電站的布局點，并運用LINGO軟件來求解優化。目前，我國電動汽車充電站的建設發展模式仍是以“中央政府為主導，企業和地方政府共同配合實施”的形式進行。未來，相信隨著汽車能源技術升級的加快，電動汽車及其配套充電設施的全面鋪開，政府將從規劃布局的主要參與者逐漸變為監管者，由市場決定充電設施的布局和商業化運作方式。這與傳統的加油站存在很大不同，電動汽車充電站的選址有其自身的特點。充電需求、充電站服務半徑、計劃建設數量、建設成本、土地利用方式、電網情況、交通情況乃至地方的經濟發展水平等都可以成為影響充電站選址的重要因素。