电动汽车用户网络视角下的充电桩共享问题研究

浙江图盛输变电工程有限公司温州科技分公司 曲 钰 王慕将 国网温州供电公司 黄海宁

在全球能源危机和自然资源不堪重负的时代背景下，新能源电动汽车的推广和普及速度大幅度加快，电动汽车以低碳环保、能源来源多元化、对环境外部性较小等优势得到了市场消费者和许多国家政府的支持。充电桩是向电动汽车电力能源的重要基础设施，充电桩的使用效率对于电动汽车产业的推广、普及和低碳化运行具有重要意义，绿色共享经济时代，电动汽车充电桩共享不仅是一种时尚流行的经济模式，而且是推动电动汽车快速普及推广且大幅度提升低碳绿色程度的重要保证，充电桩共享可省去大批资金和物资去建设更多的充电桩设施。

作为电动汽车电力能源补给的重要设施，充电桩一般安装在专用充电站、公用停车场或私人停车场，安装在专用充电站、公用停车场的充电桩一般为向公众开放的公共充电桩，安装在私人停车场上的充电桩一般为个人私有专属使用。在当前电动汽车电池技术条件下，电动汽车的续航里程普遍较小或有限，因此使用充电桩进行充电的频率较高，每次充电所需的时间一般在1～3个小时左右。

随着电动汽车数量的增长，公共充电桩问题也越来越突出，如区域分布不均匀、燃油车不当占位、充电排队以及额外停车费用等。私人充电桩使用起来相对方便快捷且成本较低，因此不少电动汽车用户选择安装私人充电桩，但私人充电桩的安装费用和后期的维护成本也相对较高，同时私人充电桩的设备闲置率一般也较高，一定程度上浪费了充电桩的资源利用率，既给电动汽车用户带来了诸多不便，也给充电桩运营带来了一定的损失，此外还抑制了电动汽车产业的进一步发展。充电桩经营方具有全面的关于电动汽车充电行为等方面的信息，但它忽略了电动汽车车主构建用户网络的可能性与可行性，以及其在充电桩资源整合和信息共享中的作用。基于此，本文从电动汽车用户网络构建的视角研究了充电桩共享及其机制问题。

1 电动汽车用户网络的构建及其意义

社会网络及其节点之间的关系一直为人们所重视，并广泛应用到自然或社会问题的解决之中。公共充电桩建立之初就是基于共享的目的而去的，这里所讲的充电桩共享是指私人充电桩的共享。在此电动汽车用户网络是一个重要的存在，它负责生成并传递充电桩共享的大部分重要信息，这个网络的节点是每一个拥有电动汽车的用户，这些用户根据是否拥有私人充电桩将其分为两类，一类是私人充电桩拥有者、表示为OCP,一类是不拥有私人充电桩、表示为NOCP，OCP 可向NOCP 提供充电桩设备进行电动汽车充电，于是二者就建立了提供者和使用者间的关系。

OCP 既要负责管理经营共享充电桩，又要满足自身电动汽车的充电要求，由于单个充电桩所能承载的电动汽车数量有限，单位时间内只能满足部分电动汽车用户的充电需求，在一个网络信息传输不完善的电动汽车用户网络中，共享充电桩的信息传送和共享较差，通常会存在OCP 无法找到NOCP，而NOCP 又集中使用少数OCP 充电桩的情况，所以在电动汽车用户网络中共享充电桩的信息资源整合就显得非常重要，要整合和完善电动汽车用户网络的关键在于构建科学合理的电动汽车用户网络的拓扑结构[1]，从而提高和完善共享充电桩的信息传播质量和传播效率，构建科学的充电桩共享机制，提高共享充电桩使用效率。

图1给出了电动汽车用户网络中共享充电桩的共享过程，在该网络中OCP、NOCP、充电桩是三者重要节点，OCP 与NOCP 之间是共享关系，这也是整个充电桩共享用户网络能够存在的基础和前提，因此对该网络拓扑结构进行调整的主要问题是在OCP 与NOCP 间构建完善的共享关系。

图1 用户网络中共享充电桩的共享过程

如图1所示，充电桩共享用户网络通过充电桩共享构建了OCP、NOCP、充电桩三个重要参与节点的关系网络，OCP 具有决定是否共享其私人充电桩的权利，NOCP 具有是否选择使用OCP 共享充电桩的权利，因此整个网络的自组织性非常强，整个网络的拓扑结构与NOCP 选择偏好、充电桩所在区域环境、充电桩设备的信息共享程度等都有着直接的关系。事实上，只要对该网络进行适当的干预和调节就能大幅度地提升网络的性能，充电桩经营机构在长期的业务过程中积累了大量的关于充电桩、OCP 及其充电行为等方面的大量数据[2]，因此在其网络调控方面具有先天性的优势，所以作为充电桩经营机构，应加强对用户网络信息传播对充电桩共享影响的重视，构建相应的共享机制，促进电动汽车充电桩共享的发展。

相关研究表明，社会性网络都具有小范围、小世界和非标度性等特征，小范围、小世界等特性使得社会性网络的各节点之间平均路径具有趋于最小化的特征，非标度性使得网络中的少数几个节点占有相对较多的关联性关系，并由此带来节点之间的异质性，最终使得网络中的节点分布和权重属性分布不均匀。这种特征同样适用于电动汽车用户网络，该网络上的节点用户可通过最小化的路径产生链接关系，但在非标度特征的作用下，会导致在某段时间内大量的不拥有私人充电桩的用户抢夺共享充电桩进行充电的现象，这就需着手解决电动汽车用户网络视角下的充电桩共享机制构建问题。

2 电动汽车用户网络视角下的充电桩共享机制的构建

要构建电动汽车用户网络视角下的充电桩共享机制，充电桩经营机构就须着手搭建电动汽车用户网络平台，在电动汽车充电桩拥有者自愿授权的条件下，登记充电桩及其所有者的基本信息、充电记录、区位位置、空闲时间、使用时间、支付方式、预约方法等，系统对所有登记注册的充电桩及其用户的信息进行处理分析，将与充电桩共享相关的重要信息、参数与属性在用户网络上进行分发和推送，以供共享充电桩需求者查找和选择，在需求者选择某共享充电桩进行充电时，其信息也会自动推送到充电桩所有者，从而在信息充分对称的基础上实现共享充电桩的使用，解决了传统的充电桩分布不均、充电排队和找充电桩困难等问题[3]。

具体过程如下：电动汽车用户网络平台尚未构建时的OCP、NOCP 与充电桩所处的状态是一对一的关系，即所有者专享充电桩，其他没有私人充电桩的电动汽车用户即NOCP 处于孤立节点状态。

图3 T1时刻充电桩开始共享时的网络关系图

从图2可看出，网络中相当一部分的充电桩开始与NOCP 共享，由于私人充电桩充电成本较公用充电桩要低，所以相当一部分的NOCP 用户会选择使用私人共享充电桩，并在这个共享过程中构建起来了NOCP 与OCP 的关联关系，充电桩起到一个中间媒介作用[4]。这一时刻网络中的充电桩1、充电桩2、充电桩3共享给了用户NOCP1，NOCP2，…NOCP7，选择充电桩1的用户有4个，选择充电桩2的用户有2个，选择充电桩3的用户有1个，因此充电桩1的设备利用率最高。充电桩4和充电桩5依然处于独享状态，用户NOCP8还没有加入到充电桩共享网络之中。由于充电桩1的使用者最多，因此需要排队轮流充电，充电桩3的共享人数最少，因此其空闲时间最多，同时充电桩4、充电桩5和电动汽车用户NOCP8没有加入到网络之中，因此从整个网络上来看资源分配和配置并不合理，需采取措施来调整网络的拓扑结构，使之实现充电桩资源的最佳利用[5]。图3给出了T2时刻的网络关系图。充电桩4和充电桩5的所有者开放了充电桩共享，加入到了充电桩共享网络之中，电动汽车用户NOCP8也进入到了共享网络之中，用户NOCP1，NOCP2,…NOCP8在信息充分对称的情况下经过比较选择了如图3所示的充电桩进行共享充电，这时原来需要排队使用的充电桩1的部分用户在充分信息指引下选择了其他相对空闲的充电桩进行充电，这时更多的所有的用户和充电桩均加入到了共享网络之中，充电桩资源得到了充分利用。综上，随着电动汽车的快速发展，充电桩建设显得相对滞后，因此在当前情况下发展共享充电桩能够快速弥补充电桩建设的不足，也能实现充电桩资源的最大化利用，将私人充电桩改造并加入到共享充电桩网络中，不但能降低私人充电桩的使用成本，还能大幅度地改善目前公用充电桩资源分布不均、数量不足等问题，对于电动汽车用户的车辆使用和推动电动汽车产业的发展都会带来方便和好处，能够有效的解决目前电动汽车充电难问题，提升电动汽车用户的充电体验。本文提出并构建的电动汽车用户网络视角下的充电桩共享网络及其运行机制，能有效实现对电动汽车用户网络资源的整合，从而为网络中的每个电动汽车用户提供一个充分的信息交流和资源共享平台，并可依托该平台实现充电资源信息在大量电动汽车用户节点之间的推送和共享。

图2 T1时刻网络关系图