多单元住宅楼电动汽车充电基础设施优化配置研究

《Sustainability》：Optimizing EV Charging Infrastructure in Multi-Unit Residential Buildings for Sustainable Energy Management Abdulaziz Almutairi

本文针对多单元住宅楼共享停车场景下，电动汽车充电桩优化配置问题，开发了考虑连续充电与灵活充电两种模式的统一优化框架，确定了满足服务质量要求所需的最少充电桩数量，为政策制定者和建筑能源管理者提供了决策支持。

　　

随着环保意识的增强和技术的发展，电动汽车正在全球范围内加速普及，为减少温室气体排放和降低对化石燃料的依赖带来了希望。然而，一个不容忽视的现实是，充电基础设施的建设速度远远跟不上电动汽车增长的步伐，这成为了制约其广泛应用的“阿喀琉斯之踵”。这一矛盾在人口密集的城市社区，尤其是在多单元住宅楼中显得尤为突出。想象一下，在一栋住有数十甚至上百户家庭的高层公寓里，如果越来越多的居民购买了电动汽车，有限的共享停车位和有限的电力容量如何满足大家的日常充电需求？是应该为每辆电动汽车都安装一个专用充电桩，还是可以设计一种更高效的共享方案？如果采用共享方案，到底需要多少个充电桩才能既满足大家的充电需求，又不过度浪费资源、增加不必要的成本和电网压力？这正是电动汽车进入千家万户前，摆在城市管理者、建筑开发商和能源规划者面前的一道核心难题。现有的研究大多关注公共充电站或独立住宅的充电问题，对于多单元住宅楼这种复杂的、需要多人协调的共享停车和充电场景，如何科学地确定最优的充电桩数量，并提供不同充电服务策略的比较，依然是一个亟待填补的研究空白。为了回答这些问题，一项题为“优化多单元住宅楼的电动汽车充电基础设施以实现可持续能源管理”的研究在《Sustainability》期刊上发表，旨在为这一难题提供一个量化的、可操作的解决方案。

为了开展这项研究，研究人员综合运用了多种关键技术方法。首先，基于美国全国家庭出行调查的数据，对驾驶员的每日出行行为（包括行驶里程、出行时间、到家/离家时间等）进行了统计建模，以此估计电动汽车的日常能量需求。其次，整合了市场上在售电动汽车的技术参数（如电池容量、能量效率），并结合驾驶行为数据，计算出每辆电动汽车的每日能耗。接着，研究构建了一个统一的数学优化框架，其核心目标是在最小化所需充电桩数量的同时，最大化满足所有电动汽车的能量需求。这个框架能够同时容纳“连续充电”（车辆充满电前专用一个充电桩）和“灵活充电”（车辆充满后可被移走以释放充电位）两种运营模式，并引入了量化“未满足能量”的指标来评估服务质量。最后，通过仿真模拟，分析了在不同电动汽车普及率和不同能量需求水平下，两种充电模式对所需充电桩数量的影响，从而验证了所提方法的有效性。

2. 驾驶员和电动汽车参数

通过分析NHTS数据，研究发现绝大多数车辆的单次出行时间低于25分钟，每日行驶里程低于50公里，这解释了为什么大部分电动汽车的日能耗低于25kWh。在工作日，车辆的出发时间在上午8点呈现出一个明显的峰值，反映了通勤高峰；而在节假日，到达和出发时间的分布则更为平缓。对电动汽车参数的分析表明，当前市面上电动汽车的典型能量效率在150-250 Wh/km之间，可用电池容量多在40-90 kWh范围内。

3. 多单元住宅楼与充电桩数量

研究构建了多单元住宅楼共享停车和共享充电桩的系统模型，充电站与建筑共用同一台变压器。决定最优充电桩数量的因素包括电动汽车数量、停车时长、所需能量水平以及是否存在可移动已充满电车辆的操作员等。研究通过数学建模，目标是找到在满足服务质量（即用户能量需求得到充分满足）的前提下，所需的最少充电桩数量。

3.1. 目标函数

该优化问题的目标函数旨在最小化充电桩总数(N^ch)与所有电动汽车的未满足能量需求（即所需能量E_n^req与分配能量E_n^all的差值平方和）的加权和。通过引入惩罚因子α，确保优先满足能量需求，其次才是减少充电桩数量。

5. 结果与讨论

仿真结果清晰地表明，相比于“连续充电”模式，“灵活充电”模式能够显著减少所需充电桩的数量。随着电动汽车普及率的提高，这种节省效果更加明显。例如，在特定情景下，要达到相同的服务质量（如满足50%的荷电状态目标），“灵活充电”所需的充电桩可比“连续充电”减少约30%-50%。研究还发现，即使对充电完成度（即目标荷电状态SOC）有更高要求（如从50%提升到80%），“灵活充电”模式依然能保持其在减少充电桩数量方面的优势，只是所需的基础数量会相应增加。研究提出的“电动汽车层面未满足指数”能够有效量化不同方案下服务的公平性与质量。

本研究通过构建一个统一的优化框架，为多单元住宅楼中共享电动汽车充电桩的配置问题提供了科学的决策工具。核心结论表明，采用“灵活充电”的运营策略（即在车辆充满电后允许被移动以腾出充电位），可以比传统的“连续充电”策略在保证相同服务质量的前提下，大幅减少所需安装的充电桩数量。这一发现具有重要的现实意义：对于政策制定者而言，这意味着可以通过推广支持车辆调度的智能充电管理系统和相应的管理规范，以更经济高效的方式推动居住区的充电基础设施建设，从而降低电动汽车普及的门槛。对于建筑开发商和能源管理者而言，该研究提供了具体的量化依据，帮助他们在有限的电力容量和空间资源下，做出最优的充电基础设施投资和运营规划，避免资源浪费，并减少居民因充电资源不足而产生的矛盾。从更广阔的可持续性视角来看，优化充电桩数量意味着减少不必要的设备制造、安装和维护所消耗的材料与能源，同时缓解配电网络的峰值负荷压力，从而支持更高效、更环境友好的城市能源系统整合。这项工作不仅直接回应了当前城市电动汽车推广中的痛点问题，也为实现联合国2030年可持续发展目标中关于可持续城市和社区、经济适用的清洁能源等具体目标贡献了切实可行的技术路径。