纯电动汽车保有量预测以及充电设施需求分析<br>Prediction of Electric Vehicles Ownership and Charging Facilities

doi:10.12677/sg.2011.13015

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Smart Grid 智能电网, 2011, 1, 73-77

http://dx.doi.org/10.12677/sg.2011.13015 Published Online December 2011 (http://www.hanspub.org/journal/sg)

Prediction of Electric Vehicles Ownership and

Charging Facilities

Changshou Xi ong1*, Di Wu1, Tao Chen2

1Chongqing Electric Power Corporation, Chongqing

2Chongqing Electric Power Test and Res e a r c h I n s t i t ut e , C h o n g q ing

Email: *xcscqep@163.com

Received: Oct. 28th, 2011; revised: Dec. 1st, 2011; accepted: Dec. 3rd, 2011.

Abstract: A reasonable plannin g and constru ction of electric vehicle charg ing facilities can not only impro ve

the operation efficiency of charging facility, but also can reduce the harm to the grid. Therefore, in the paper

the analysis on the pure electric vehicle ch arging facilities n eeds are carried out. Firstly analysis of the current

car ownership forecasting methods is discussed, and method to forecast the ownership of electrical vehicle

(EV) is presented. Then the ownership of EV in Chongqing is analyzed, and results indicate that the method

presented in this paper can calculate the EV owner ship correctly. In the end the method to evaluate the

requirement of EV charging faculties is presented, and the requirement of EV charging faculties in Chongqing

is analyzed.

Keywords: Pure Electric Vehicles; Ownership; Charging Station; Charge Pile

纯电动汽车保有量预测以及充电设施需求分析

熊长寿 1*，吴嘀1，陈涛2

1重庆市电力公司，重庆

2重庆电力试验科学研究院，重庆

Email: xcscqep@163.com

收稿日期：2011 年10 月28 日；修回日期：2011 年12 月1日；录用日期：2011 年12 月3日

摘要：电动汽车充电设施的合理规划与建设不仅能够提高充电设施的运营效益，还能够减小对电网

的谐波危害等。因此论文对纯电动汽车充电设施的需求分析方法进行了研究。首先分析了现有汽车保

有量预测方法的不足，提出了基于残差灰色模型的纯电动汽车汽车保有量的预测方法。并以重庆市为

例，对重庆市的纯电动汽车保有量进行了预测，验证了论文提出的预测方法的准确性，并得出了今后

10 年电动汽车保有量。根据充电设施的建设原则，提出了充电设施的需求分析计算方法，在此基础上

对重庆市充电站的建设进行了需求分析，得出了重庆市的纯电动汽车充电站与充电桩的需求数量。

关键词：纯电动汽车；保有量；充电站；充电桩

1. 引言

电动汽车产业的发展已经得到了全球各国政府的

支持。电动汽车的规模化发展，需要完善的基础配套

设施，为电动汽车的动力电池提供电能补给。其中电

动汽车充电设施建设及运营是重要环节之一，对于电

动汽车产业发展至关重要[1-3]。

我国政府着眼长远，超前部署，长期以来积极组

织开展电动汽车的自主创新。“十五”、“十一五”

期间电动汽车列入国家 863 计划。“十二五”期间国

家已经制定了电动汽车产业推广的各种政策。同时国

家电网公司也于 2009 年开始了电动汽车充电设施的

建设，电动汽车充电设施的建设能够确保电动汽车的

推广应用。对于各个电网企业而言，开展电动汽车充

电设施的建设，不仅需要提供好的服务以提高电网企

业的社会效益，更重要的是需要一个合理的规划，从

熊长寿等 纯电动汽车保有量预测以及充电设施需求分析

而使得电网企业在电动汽车充电设施的建设与运营中

取得经济效益。

因此电动汽车充电设施的合理规划与需求分析对

电网企业而言是非常重要的。论文针对纯电动汽车的

充电设施建设的需求分析进行了研究。首先研究了基

于残差 GM(1, 1)模型的纯电动汽车的保有量的预测方

法，通过预测电动汽车的保有量，得出充电需求，进

而根据充电需求计算充电站与充电桩的需求。论文最

后以重庆地区的电动汽车充电设施建设为例，采用论

文中研究的方法对电动汽车的保有量以及充电设施的

需求进行了预测。

2. 纯电动汽车保有量预测模型

2.1. 灰色预测模型

汽车保有量预测的已知信息中，包括部分已知的

信息(汽车保有量的历史数据)与位置信息(政策等因素

的影响)，因此就其已知信息而言，汽车保有量的已知

信息属于灰色信息，因此论文采用灰色预测模型对汽

车保有量进行预测。灰色预测模型的原理是通过灰色

生成或序列算子的作用弱化随机性，挖掘潜在的规律，

经过差分方程与微分方程之间的互换实现了利用离散

的数据序列建立连续的动态微分方程的飞跃。所谓数

列预测即对系统变量的未来行为进行预测，常用的数

列预测模型是GM(1, 1)[4-6]。

GM(1, 1)是灰色预测模型中最基本的一种，在

GM(1, 1)模型基础上，人们提出了许多提高拟合和预

测精度的模型和方法。其主要包括新息、模型，等维

递补模型，等维新息、模型，边值修正模型，参数估

计方法，残差修正模型以及加权，优化等。

GM(1, 1)模型是数据预测中最为常用的一种动态

灰色预测模型，下面简单介绍其建模过程。GM(1, 1)

模型是基于累加生成的数列预测模型，它由一个单变

量的一阶微分方程构成，步骤如下：

1) x(0)(1)，x(0)(2) ，，x(0)(n)是所要预测的指标的

原始数据序列。对原始数据进行一次累加处理，即





k (1)

根据公式(1)，可以得到一个新的序列。这个新的

数据序列与原始数据相比，随机性程度大大弱化，平

稳性大大增加。

2) 将新数据序列的变化趋势近似地用公式 (2)所

示的微分方程描述。

 







 (2)

式中



、



为辨别参数，可以通过公式(3)所示的最

小二乘法拟合得到。



TTT

AAB













 (3)

3) 求出预测模型。GM(1, 1)微分方程的解为



1 1

1 2,

Xt 3,,























N

(4)

拟合公式为



1 1

1 2,3,,

tXt tN









 





(5)

2.2. 残差 GM(1, 1)模型

因此，用GM(1, 1)模型进行预测，精度较高的仅

仅是距离起始点最近几个点的数据。一般来说，越是

远离时间原点，GM(1, 1)的预测精度越低，其预测意

义也就越弱。所以在本文的实际应用中，采用残差建

立GM(1, 1)模型，以修正原模型[7,8]。

根据公式(3)、(4)，计算得出



k。设



k的

残差为，则：







 

kxkxk







因此可以得到一个残差序列：







000 0

1,2, ,kn

 







所对应的生成数列分别为

 



11 11

1,2, ,'

xx xn















11 11

ˆˆ ˆ

1,2, ,

与其还原数列



xx xn













一般有 'nn



，





的生成列为







111 1

1,2, ,'kn

 



对





建立 GM(1, 1)模型，其微分方程的解为



ˆ11 k















 





熊长寿等 纯电动汽车保有量预测以及充电设施需求分析 75

其中，u



和





为对生成序列





建立的微分方程

中的待辨别参数。





ˆ1k







的导数为：

(0) (0)

ˆ(1)((1) )k















采用修正，得到修正后的模型为：



ˆ1k







ˆ11

xk xe

ki e

















 







 





其中或 1。



0ki





如果是对已经经过数据还原的模型修正，则相应

地有数列：

 





00 00

1,2, ,

xx xn

 





00 00

ˆˆˆˆ

1,2, ,'

xx xn (6)

残差为：





000 0

2,2, ,qk qqqn (7)



000

qk xkxk



上式中的



k为下式的数据：



ˆ11

kxe















(8)

若通过残差建立的 GM(1, 1)的模型为：



ˆ11 qk

qk qe







 





则的导数为：





ˆ1qk





ˆ11

qkq e









 





修正后的模型为



ˆ11

xkx e

ki qe







 





 







 





(9)

其中或 1。



0ki





2.3. 重庆电动汽车保有量预测

汽车保有量的预测需要有历史数据作为样本数

据，而电动汽车发展还处于起步阶段，没有过多的历

史数据作为参考，因此电动汽车的保有量的预测无法

像民用汽车保有量一样，直接根据历史数据，采用

GM(1, 1)模型对其进行预测分析。因此对于电动汽车

保有量预测将采用以下方法：

1) 根据目标地区民用汽车的保有量，对目标地区

未来一段时间内民用汽车保有量进行预测；

2) 根据全国民用汽车的历史数据，对全国电动汽

车保有量将来一段时间内的保有量进行预测；

3) 采用三次 Hermite插值方式根据发改委对全国

电动汽车未来20 年的规划数据，对未来一段时间内全

国电动汽车保有量进行预测分析。

4) 根据目标地区、全国的民用汽车保有量，全国

的电动汽车保有量，对目标地区电动汽车保有量进行

预测分析。即目标地区的电动汽车保有量为：

OBJ

EVOBJ EVTCT

OWOW OW





 (10）

式中：

OWEVOBJ：目标地区电动汽车保有量；

OWEVT：全国电动汽车保有量；

OWCOBJ：目标地区民用汽车保有量

OWCT：全国民用汽车保有量；

λ：地区系数，即目标地区电动汽车的支持政策等

因素决定的比例系数。图 1为电动汽车保有量预测流

程图。

3. 充电设施需求分析

3.1. 充电设施需求方法

电动汽车充电设施规划包括“需求”和“可能性”

Figure 1. Flow chart for the forecast of electric vehicle ownership

图1. 电动汽车保有量预测流程图

熊长寿等 纯电动汽车保有量预测以及充电设施需求分析

两个因素。充电站与充电桩的规划应该遵循以下规则

[9,10]：

1) 充放电站分布与电动汽车交通密度和充电需

求的分布一致性。

2) 充放电站的布局应符合充放电站服务半径要

求。

3) 充放电站的设置应满足城市总体规划和路网

规划要求。

4) 充放电站的设置应充分考虑本区域的输配电

网现状。

5) 充放电站规划应充分考虑电动汽车未来发展

趋势。

根据各地市的建成区面积对建成区充放电设施

(包括充(放)电站和充放电桩(柱))数量进行总体规划。

充电站的规划计算公式如下：





(11)

式中，N为充放电总体数量；S为城市的建成区

面积；R为充电站服务半径，取0.9~1.5。

假定目标地区机动载客车辆数目为Ci，建成区面

积为 Si，单位面积的车辆数目Di = Ci/Si，则Ri 的计

算公式为：



min

maxmax min

max min

RRR R



 

 (12)

3.2. 重庆市充电设施需求分析案例

3.2.1. 重庆市电动汽车保有量预测

根据重庆市民用汽车保有量的历史数据，利用残

差GM(1, 1)模型对2011~2020 年的重庆民用汽车保有

量进行了预测，考虑到重庆是直辖市，在西部地区电

动汽车的推广中应该起到模范作用，但是又由于重庆

地处山城，这阻碍电动汽车的发展。因此这里将重庆

地区的政策系数令为 1.0。得出重庆 2011~2020 民用

汽车保有量预测数据见表1。

依据 2000~2007 年我国民用汽车保有量统计资

料，采用残差GM(1, 1)对我国 2010 年至 2020 年汽车

保有量进行预测图2为我国 2010年至 2020 年民用汽

车保有量预测值，可以看出我国民用汽车保有量将在

2010 年突破1亿大关，015年将接近1.5亿，2020 年

将接近 3亿。未来10年内，民用汽车增长速度较快。

Table 1. The cars ownership forecast of Chongqing

表1. 重庆民用汽车保有量预测(万辆)

年份 2011 2012 2013 2014 2015

重庆民用汽车保有量 278.53327.68 385.52 453.56533.61

年份 2016 2017 2018 2019 2020

重庆民用汽车保有量 627.79738.59 868.95 1022.31 1202.7

Figure 2. Ownership of civil cars in China from 2010 to 2020

图2. 我国 2010 年至 2020 年民用汽车保有量预测

为了验证模型的准确性，对我国民用汽车保有量历

史值进行还原，得出结果如表 2所示。模型预测得到的

百分平均相对误差为：1.2663%，表 2为还原数据与历

史统计数据的比较，因此模型的准确性得以验证。

根据全国电动汽车2011~2020 年保有量的估计，

以及对重庆2011~2020 年民用气成保有量的估计，利

用残差 GM(1, 1)模型对 2011~2020年重庆电动汽车保

有量进行了预测，预测数据如表3所示。

3.2.2. 重庆市充电设施需求分析

借鉴目前已经发展成熟的燃油汽车车辆数据和停

车场数据，截止 2009 年底，重庆市主城区经营性停车

场总数已达 2387 个，总停车位 27.8万个，总停车面

积约 1842 万平方米。

按照每个停车场配 20个充电桩，则2020年，电

动汽车充电桩(柱)的数量为 47,740个。除以建成区面

积，则每平方公里的充电桩(柱)的数量约为 74 个。

根据充电站配置的基本原则，并结合重庆市建成

区情况和道路情况，

2020 年重庆市城区高速公路以及

一级公路充电站建设配置规模以及充电桩数量如表 4

所示。

熊长寿等  纯电动汽车保有量预测以及充电设施需求分析

Comparison of civilian cars between the restore values

时间 2000 2001 2002 2003

Table 2. and statistics

表2. 民用汽车保有量预测还原值与统计值比较

统计辆) 1 1 2 2

值(万608.91 802.04053.17382.93

预测值(万辆) 1608.91 1750.24 2032.508 2360.28

时间 2004 2005 2006 2007

统计辆) 2 3 3 4

值(万693.71 159.66 697.35 358.36

预测值(万辆) 2740.92 3182.95 3696.26 4292.35

Table 3. The electric vehicles of Chongqing

年份 20112012 2013 1420

wnership forecast o

表3. 重庆市电动汽车保有量预测(万辆)

20 15

重庆电动汽车保有量(万辆) 0.032 0.31 1.02 1.973.11

年份 20162017 2018 20192020

重庆电动汽车保有量(万辆) 5.578.36 12.15 15.44 18.74

Table 4. The charging station andharging pile demand forecast of

2020 年充电站数量充电桩数量(每平方公里)

Chongqing

表4. 重庆市充电站充电桩需求预测

重庆市 92个 74个

4. 结论

论文研究了基于残差GM(1, 1)模型的电动汽车保

有量预测方法，并利用残差GM(1, 1)模型对全国的民

用汽车保有量进行了预测，并用预测值与统计值进行

了对比，使得误差控制在 3%左右，从而验证了残差

GM(1, 1)模型对汽车保有量预测的准确性；然后针对

重庆民用汽车保有量历史数据，对重庆民用汽车保有

量进行了预测，得出了2011 年~2020 年重庆民用汽车

保有量预测数据，并根据全国电动汽车保有量预测数

据利用残差 GM(1, 1)模型对重庆 2011年~2020 年10

年的电动汽车保有量进行了预测。最后根据电动汽车

保有量，对充电设施需求分析方法进行了研究，并计

算了重庆市纯电动汽车充电设施的需求量。

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