電動(dòng)汽車的推廣與發(fā)展能有效降低碳排放、促進(jìn)清潔能源轉(zhuǎn)型，助力實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)。當(dāng)前，單站式“分散充電、分散換電”的換電電動(dòng)汽車運(yùn)營(yíng)模式面臨著城市內(nèi)充換電需求與配電網(wǎng)容量潛在不平衡的巨大挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車推廣與發(fā)展的基本要求是保障動(dòng)力電池能量供應(yīng)，其中設(shè)計(jì)和優(yōu)化電動(dòng)汽車的電能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)是關(guān)鍵。

在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：71871023、72271029、72061127001）等資助下，清華大學(xué)祁煒副教授與北京理工大學(xué)張玉利研究員的合作研究團(tuán)隊(duì)，在調(diào)研北汽新能源、奧動(dòng)新能源等企業(yè)的基礎(chǔ)上，針對(duì)充換電需求與配電網(wǎng)容量不平衡的問題，開展電動(dòng)汽車的電能供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究，取得以下研究成果：

（1）提出了“集中充電、分散換電”的充換電柔性服務(wù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)新模式（圖），通過車電分離、電網(wǎng)交通網(wǎng)解耦，既能有效緩解城市中心電網(wǎng)容量不足、場(chǎng)地成本高的運(yùn)營(yíng)難題，又能有效解決電動(dòng)汽車司機(jī)排隊(duì)等待時(shí)間長(zhǎng)、服務(wù)體驗(yàn)差的問題。

圖 “集中充電、分散換電”的充換電服務(wù)網(wǎng)絡(luò)布局和運(yùn)營(yíng)過程

（2）針對(duì)“集中充電、分散換電”運(yùn)營(yíng)模式，建立了 （隨機(jī)到達(dá)和服務(wù)時(shí)間為一般概率分布、批量達(dá)到）排隊(duì)模型刻畫動(dòng)力電池“充—換—儲(chǔ)—運(yùn)”循環(huán)過程，并提出了基于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分布特性和隊(duì)列分解思想的新分析方法，為電力供應(yīng)鏈的電池庫存管理提供了新的分析工具。

（3）建立了“集中充電、分散換電”兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)的“選址—庫存”非線性離散非凸數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并利用問題的次模性和子問題的結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)了基于參數(shù)搜索的約束生成算法。算法求解速度相比現(xiàn)有方法提升了三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，為非線性離散優(yōu)化的算法設(shè)計(jì)提供了新的思路。

上述研究成果以“在城市中升級(jí)電動(dòng)汽車換電服務(wù)：一個(gè)聯(lián)合選址和可修庫存模型（Scaling Up Electric-Vehicle Battery Swapping Services in Cities: A Joint Location and Repairable-Inventory Model）”為題，于2023年11月發(fā)表在《管理科學(xué)》（Management Science）期刊上。論文鏈接：https://doi.org/10.1287/mnsc.2023.4731。

該研究推動(dòng)了隨機(jī)系統(tǒng)分析理論發(fā)展。Manufacturing & Service Operations Management副編輯Owen Q. Wu在該成果的基礎(chǔ)上拓展研究了自有電池的智能充電問題。同時(shí)，該成果于2023年獲得INFORMS（運(yùn)籌學(xué)與管理科學(xué)學(xué)會(huì)）交通科學(xué)和物流領(lǐng)域最佳論文獎(jiǎng)。

依托新能源汽車國(guó)家監(jiān)測(cè)與管理中心平臺(tái)和出租車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果表明，隨著換電出租車的逐步推廣，采用“集中充電、分散換電”的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案可將日常運(yùn)營(yíng)成本和電池?cái)?shù)量降低30%以上，具有良好的應(yīng)用前景。