電動汽車的推廣與發展能有效降低碳排放、促進清潔能源轉型，助力實現國家“雙碳”目標。當前，單站式“分散充電、分散換電”的換電電動汽車運營模式面臨著城市內充換電需求與配電網容量潛在不平衡的巨大挑戰。電動汽車推廣與發展的基本要求是保障動力電池能量供應，其中設計和優化電動汽車的電能供應網絡是關鍵。

在國家自然科學基金項目（批準號：71871023、72271029、72061127001）等資助下，清華大學祁煒副教授與北京理工大學張玉利研究員的合作研究團隊，在調研北汽新能源、奧動新能源等企業的基礎上，針對充換電需求與配電網容量不平衡的問題，開展電動汽車的電能供應網絡設計與優化研究，取得以下研究成果：

（1）提出了“集中充電、分散換電”的充換電柔性服務網絡運營新模式（圖），通過車電分離、電網交通網解耦，既能有效緩解城市中心電網容量不足、場地成本高的運營難題，又能有效解決電動汽車司機排隊等待時間長、服務體驗差的問題。

圖 “集中充電、分散換電”的充換電服務網絡布局和運營過程

（2）針對“集中充電、分散換電”運營模式，建立了 （隨機到達和服務時間為一般概率分布、批量達到）排隊模型刻畫動力電池“充—換—儲—運”循環過程，并提出了基于系統穩態分布特性和隊列分解思想的新分析方法，為電力供應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”兩級網絡的“選址—庫存”非線性離散非凸數學優化模型，并利用問題的次模性和子問題的結構特性設計了基于參數搜索的約束生成算法。算法求解速度相比現有方法提升了三個數量級以上，為非線性離散優化的算法設計提供了新的思路。

上述研究成果以“在城市中升級電動汽車換電服務：一個聯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月發表在《管理科學》（Management Science）期刊上。論文鏈接：https://doi.org/10.1287/mnsc.2023.4731。

該研究推動了隨機系統分析理論發展。Manufacturing & Service Operations Management副編輯Owen Q. Wu在該成果的基礎上拓展研究了自有電池的智能充電問題。同時，該成果于2023年獲得INFORMS（運籌學與管理科學學會）交通科學和物流領域最佳論文獎。

依托新能源汽車國家監測與管理中心平臺和出租車運營數據的計算結果表明，隨著換電出租車的逐步推廣，采用“集中充電、分散換電”的網絡設計方案可將日常運營成本和電池數量降低30%以上，具有良好的應用前景。