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图 “集中充电、分散换电”的充换电服务网络布局和运营过程
电动汽车的推广与发展能有效降低碳排放、促进清洁能源转型，助力实现国家“双碳”目标。当前，单站式“分散充电、分散换电”的换电电动汽车运营模式面临着城市内充换电需求与配电网容量潜在不平衡的巨大挑战。电动汽车推广与发展的基本要求是保障动力电池能量供应，其中设计和优化电动汽车的电能供应网络是关键。
在国家自然科学基金项目（批准号：71871023、72271029、72061127001）等资助下，清华大学祁炜副教授与北京理工大学张玉利研究员的合作研究团队，在调研北汽新能源、奥动新能源等企业的基础上，针对充换电需求与配电网容量不平衡的问题，开展电动汽车的电能供应网络设计与优化研究，取得以下研究成果：
（1）提出了“集中充电、分散换电”的充换电柔性服务网络运营新模式（图），通过车电分离、电网交通网解耦，既能有效缓解城市中心电网容量不足、场地成本高的运营难题，又能有效解决电动汽车司机排队等待时间长、服务体验差的问题。
（2）针对“集中充电、分散换电”运营模式，建立了 （随机到达和服务时间为一般概率分布、批量达到）排队模型刻画动力电池“充—换—储—运”循环过程，并提出了基于系统稳态分布特性和队列分解思想的新分析方法，为电力供应链的电池库存管理提供了新的分析工具。
（3）建立了“集中充电、分散换电”两级网络的“选址—库存”非线性离散非凸数学优化模型，并利用问题的次模性和子问题的结构特性设计了基于参数搜索的约束生成算法。算法求解速度相比现有方法提升了三个数量级以上，为非线性离散优化的算法设计提供了新的思路。
上述研究成果以“在城市中升级电动汽车换电服务：一个联合选址和可修库存模型（Scaling Up Electric-Vehicle Battery Swapping Services in Cities: A Joint Location and Repairable-Inventory Model）”为题，于2023年11月发表在《管理科学》（Management Science）期刊上。论文链接：https://doi.org/10.1287/mnsc.2023.4731。
该研究推动了随机系统分析理论发展。Manufacturing & Service Operations Management副编辑Owen Q. Wu在该成果的基础上拓展研究了自有电池的智能充电问题。同时，该成果于2023年获得INFORMS（运筹学与管理科学学会）交通科学和物流领域最佳论文奖。
依托新能源汽车国家监测与管理中心平台和出租车运营数据的计算结果表明，随着换电出租车的逐步推广，采用“集中充电、分散换电”的网络设计方案可将日常运营成本和电池数量降低30%以上，具有良好的应用前景。