油电混合动力车，发动机和电动机是如何同时工作的？

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文|波义耳的笔记

编辑|波义耳的笔记

算例分析

算例设置

采用北京市中心区出租车的出行记录数据来生成当前时点的车辆补能需求，并将各次行程结束时的时空坐标作为补能需求发生点。

典型日按照小时划分为24个时段，2个典型时段的需求如图4所示，图中补能需求单位为辆/时。

该城市中心区域划分成边长约2km的栅格单元共300个。

规划站点位置从某加油服务运营商现有大型加油站中选择15个，位置在图5中标出，其初始加油设施数量为10-20个不等。

图3油电解耦的求解算法流程图

考虑进行连续4个、每个规划阶段长度为5年的规划，利用2.1小节给出的方法进行各规划阶段的补能需求时空分布预测，相关参数设置如表1所示。

规划要求最大排队时长不超过30分钟。

配置的快速充电机额定功率为200kW，充电效率为97%，将后续成本折算至现值后的投资成本现值为20万元；站内储能系统折算后单位容量投资成本分别为1950元/kWh与300元/kW，储能充放电效率为95%。

购电电价采用北京市非居民分时电价。

考虑到在各个规划阶段加油与充电服务收入受投资容量的影响不大，因此在算例中忽略此部分收益而重点关注成本部分。

规划结果

各个油电混合能量站中加油与充电设施数量变化趋势如图6所示，其中各站各规划阶段的变动数量采用不同颜色表示，各阶段柱形上沿对应的数量为该阶段的设施存量。

表1补能需求分布预测参数设置

为便于对比，图7给出了加油与充电设施总数与需求的变化趋势。

依据算例规划结果，各规划阶段下运营商的成本结构如表2所示。

图4部分典型时段的车辆补能需求分布

图5算例中加油站位置分布示意

可以看到，随着电动汽车渗透率的提高，加油需求加速下降，整体上充电机数量不断提升而加油设施数量加速下降。

需要说明的是，由于自加油站开始进行改造，初始的充电机数量为0，在第1阶段需新建较多的充电机以满足区域内的快充需求，因此第1阶段的充电机投资成本显著高于第2、3阶段。

表2不同规划阶段的成本对比

图6各能量站各规划阶段下充电和加油设施数量变化

图7各规划阶段充电和加油设施总数变化

横向对比各站点的容量变化，由于站点位置不同，各站点在各规划阶段的变化容量之间存在差异。

算例结果分析

图8选取需求高峰时段下的充电需求分配结果，展示了各能量站覆盖的服务范围。

服务范围用圆圈表示，圆圈的中心即为能量站，圆圈内的栅格单元均有需求被中心处的能量站捕获，但圆圈示意的为最小辐射范围，圆圈外也可能存在能够被能量站捕获的需求。

对不同区域进行对比可以发现，在城市中心、补能需求较多的区域能量站的覆盖范围面积较小，而补能需求较少的外围地区能量站服务范围则相对较大。

图8 需求高峰时段各能量站捕获充电需求范围

在需求高峰与低谷时段，区别选择各能量站是否经济的一项重要成本即为排队时长成本。

图9给出了在需求高峰与低谷时段下各油电混合能量站的充电排队时长对比，从图中可以发现，需求低谷时段中各能量站排队时长较短且相对均匀，而需求高峰时段中位于需求较高的地区的部分能量站(如1、3、6、13号站点)排队时长发生了明显的增加甚至达到了最大允许时间，相比而言在周边需求并不密集的地区的站点(如2号和11号站点)则仍然几乎不需要排队，2号站点甚至由于两时段需求分布不同而出现了排队时长倒挂的现象。

图9 需求高峰与低谷时段各站充电排队时长对比

为了对比进行各站点补能需求计算时采用本文所提的考虑用户决策理性的需求均衡分配以及常规的基于社会总成本最优目标的需求分配两种方法对需求分配结果的影响，图10对比了两种分配方式下需求高峰时段各站点充电需求分布的结果。

可以看到，尽管两种分配方式结果中各站点捕获需求的整体分布较为接近，但几乎所有能量站的需求流量在不同分配方式下都存在差距。

由此说明，采用常规的社会总成本最优条件下的需求分配方式会导致需求分配结果与用户理性主导带来的分配结果存在一定的差距。

表3进一步对比了不同分配方式下规划方案的经济性指标，可以看到，尽管社会成本最优分配方式在进行规划时可以实现最低的社会总成本，但由于社会成本最优分配方式无法不经引导干预而由用户自发实现，社会最优成本分配方式下规划方案实际的经济性表现比规划所得的结果有较大降低；而基于用户理性进行的补能需求均衡分配则能在实际上达到更好的经济性表现。

表3不同需求分配方式的经济性对比

图10 不同需求分配方式下各站点捕获充电需求对比

为了比较加油设施改造成本是否为正情况下对规划结果的影响，图11给出了加油设施改造成本为正时的各规划阶段加油设施总数变化。

通过对比可以看到，加油设施改造成本为正时，运营商将推迟加油设施的拆除改造，直到规划期3部分站点出现了资源约束越限的问题，才需要拆除部分加油机以腾出资源建设充电机。

图11加油机改造成本是否为正对各规划阶段加油设施总数的影响

前文主要对充电设施和加油设施的联合规划进行考察，为了探究仅考虑充电设施建设的影响，图12给出了在加油站中仅考虑充电设施建设、不考虑加油设施拆除的情况下各规划阶段的充电设施数量。

可以看出，由于未考虑加油设施的改造，在靠后的规划阶段可建造的充电机数量相比联合规划时有明显的下降，即可满足的充电需求显著降低，一定程度上不利于交通电气化趋势下充电基础设施的建设；与此同时，未进行加油设施的拆除改造也使得加油设施面临使用率降低的问题，与需求变化对应，规划期4时加油设施的整体利用率已降低至规划期1的57%。

因此，利用加油站将加油设施进行升级改造来推进充电设施建设能够节省建设资源、提升基础设施利用效率。

图12不考虑加油机改造时各规划阶段充电设施的总数