電動汽車用戶網絡視角下的充電樁共享問題研究

浙江圖盛輸變電工程有限公司溫州科技分公司 曲 鈺 王慕將 國網溫州供電公司 黃海寧

在全球能源危機和自然資源不堪重負的時代背景下，新能源電動汽車的推廣和普及速度大幅度加快，電動汽車以低碳環保、能源來源多元化、對環境外部性較小等優勢得到了市場消費者和許多國家政府的支持。充電樁是向電動汽車電力能源的重要基礎設施，充電樁的使用效率對于電動汽車產業的推廣、普及和低碳化運行具有重要意義，綠色共享經濟時代，電動汽車充電樁共享不僅是一種時尚流行的經濟模式，而且是推動電動汽車快速普及推廣且大幅度提升低碳綠色程度的重要保證，充電樁共享可省去大批資金和物資去建設更多的充電樁設施。

作為電動汽車電力能源補給的重要設施，充電樁一般安裝在專用充電站、公用停車場或私人停車場，安裝在專用充電站、公用停車場的充電樁一般為向公眾開放的公共充電樁，安裝在私人停車場上的充電樁一般為個人私有專屬使用。在當前電動汽車電池技術條件下，電動汽車的續航里程普遍較小或有限，因此使用充電樁進行充電的頻率較高，每次充電所需的時間一般在1～3個小時左右。

隨著電動汽車數量的增長，公共充電樁問題也越來越突出，如區域分布不均勻、燃油車不當占位、充電排隊以及額外停車費用等。私人充電樁使用起來相對方便快捷且成本較低，因此不少電動汽車用戶選擇安裝私人充電樁，但私人充電樁的安裝費用和后期的維護成本也相對較高，同時私人充電樁的設備閑置率一般也較高，一定程度上浪費了充電樁的資源利用率，既給電動汽車用戶帶來了諸多不便，也給充電樁運營帶來了一定的損失，此外還抑制了電動汽車產業的進一步發展。充電樁經營方具有全面的關于電動汽車充電行為等方面的信息，但它忽略了電動汽車車主構建用戶網絡的可能性與可行性，以及其在充電樁資源整合和信息共享中的作用。基于此，本文從電動汽車用戶網絡構建的視角研究了充電樁共享及其機制問題。

1 電動汽車用戶網絡的構建及其意義

社會網絡及其節點之間的關系一直為人們所重視，并廣泛應用到自然或社會問題的解決之中。公共充電樁建立之初就是基于共享的目的而去的，這里所講的充電樁共享是指私人充電樁的共享。在此電動汽車用戶網絡是一個重要的存在，它負責生成并傳遞充電樁共享的大部分重要信息，這個網絡的節點是每一個擁有電動汽車的用戶，這些用戶根據是否擁有私人充電樁將其分為兩類，一類是私人充電樁擁有者、表示為OCP,一類是不擁有私人充電樁、表示為NOCP，OCP 可向NOCP 提供充電樁設備進行電動汽車充電，于是二者就建立了提供者和使用者間的關系。

OCP 既要負責管理經營共享充電樁，又要滿足自身電動汽車的充電要求，由于單個充電樁所能承載的電動汽車數量有限，單位時間內只能滿足部分電動汽車用戶的充電需求，在一個網絡信息傳輸不完善的電動汽車用戶網絡中，共享充電樁的信息傳送和共享較差，通常會存在OCP 無法找到NOCP，而NOCP 又集中使用少數OCP 充電樁的情況，所以在電動汽車用戶網絡中共享充電樁的信息資源整合就顯得非常重要，要整合和完善電動汽車用戶網絡的關鍵在于構建科學合理的電動汽車用戶網絡的拓撲結構[1]，從而提高和完善共享充電樁的信息傳播質量和傳播效率，構建科學的充電樁共享機制，提高共享充電樁使用效率。

圖1給出了電動汽車用戶網絡中共享充電樁的共享過程，在該網絡中OCP、NOCP、充電樁是三者重要節點，OCP 與NOCP 之間是共享關系，這也是整個充電樁共享用戶網絡能夠存在的基礎和前提，因此對該網絡拓撲結構進行調整的主要問題是在OCP 與NOCP 間構建完善的共享關系。

圖1 用戶網絡中共享充電樁的共享過程

如圖1所示，充電樁共享用戶網絡通過充電樁共享構建了OCP、NOCP、充電樁三個重要參與節點的關系網絡，OCP 具有決定是否共享其私人充電樁的權利，NOCP 具有是否選擇使用OCP 共享充電樁的權利，因此整個網絡的自組織性非常強，整個網絡的拓撲結構與NOCP 選擇偏好、充電樁所在區域環境、充電樁設備的信息共享程度等都有著直接的關系。事實上，只要對該網絡進行適當的干預和調節就能大幅度地提升網絡的性能，充電樁經營機構在長期的業務過程中積累了大量的關于充電樁、OCP 及其充電行為等方面的大量數據[2]，因此在其網絡調控方面具有先天性的優勢，所以作為充電樁經營機構，應加強對用戶網絡信息傳播對充電樁共享影響的重視，構建相應的共享機制，促進電動汽車充電樁共享的發展。

相關研究表明，社會性網絡都具有小范圍、小世界和非標度性等特征，小范圍、小世界等特性使得社會性網絡的各節點之間平均路徑具有趨于最小化的特征，非標度性使得網絡中的少數幾個節點占有相對較多的關聯性關系，并由此帶來節點之間的異質性，最終使得網絡中的節點分布和權重屬性分布不均勻。這種特征同樣適用于電動汽車用戶網絡，該網絡上的節點用戶可通過最小化的路徑產生鏈接關系，但在非標度特征的作用下，會導致在某段時間內大量的不擁有私人充電樁的用戶搶奪共享充電樁進行充電的現象，這就需著手解決電動汽車用戶網絡視角下的充電樁共享機制構建問題。

2 電動汽車用戶網絡視角下的充電樁共享機制的構建

要構建電動汽車用戶網絡視角下的充電樁共享機制，充電樁經營機構就須著手搭建電動汽車用戶網絡平臺，在電動汽車充電樁擁有者自愿授權的條件下，登記充電樁及其所有者的基本信息、充電記錄、區位位置、空閑時間、使用時間、支付方式、預約方法等，系統對所有登記注冊的充電樁及其用戶的信息進行處理分析，將與充電樁共享相關的重要信息、參數與屬性在用戶網絡上進行分發和推送，以供共享充電樁需求者查找和選擇，在需求者選擇某共享充電樁進行充電時，其信息也會自動推送到充電樁所有者，從而在信息充分對稱的基礎上實現共享充電樁的使用，解決了傳統的充電樁分布不均、充電排隊和找充電樁困難等問題[3]。

具體過程如下：電動汽車用戶網絡平臺尚未構建時的OCP、NOCP 與充電樁所處的狀態是一對一的關系，即所有者專享充電樁，其他沒有私人充電樁的電動汽車用戶即NOCP 處于孤立節點狀態。

圖3 T1時刻充電樁開始共享時的網絡關系圖

從圖2可看出，網絡中相當一部分的充電樁開始與NOCP 共享，由于私人充電樁充電成本較公用充電樁要低，所以相當一部分的NOCP 用戶會選擇使用私人共享充電樁，并在這個共享過程中構建起來了NOCP 與OCP 的關聯關系，充電樁起到一個中間媒介作用[4]。這一時刻網絡中的充電樁1、充電樁2、充電樁3共享給了用戶NOCP1，NOCP2，…NOCP7，選擇充電樁1的用戶有4個，選擇充電樁2的用戶有2個，選擇充電樁3的用戶有1個，因此充電樁1的設備利用率最高。充電樁4和充電樁5依然處于獨享狀態，用戶NOCP8還沒有加入到充電樁共享網絡之中。由于充電樁1的使用者最多，因此需要排隊輪流充電，充電樁3的共享人數最少，因此其空閑時間最多，同時充電樁4、充電樁5和電動汽車用戶NOCP8沒有加入到網絡之中，因此從整個網絡上來看資源分配和配置并不合理，需采取措施來調整網絡的拓撲結構，使之實現充電樁資源的最佳利用[5]。圖3給出了T2時刻的網絡關系圖。充電樁4和充電樁5的所有者開放了充電樁共享，加入到了充電樁共享網絡之中，電動汽車用戶NOCP8也進入到了共享網絡之中，用戶NOCP1，NOCP2,…NOCP8在信息充分對稱的情況下經過比較選擇了如圖3所示的充電樁進行共享充電，這時原來需要排隊使用的充電樁1的部分用戶在充分信息指引下選擇了其他相對空閑的充電樁進行充電，這時更多的所有的用戶和充電樁均加入到了共享網絡之中，充電樁資源得到了充分利用。綜上，隨著電動汽車的快速發展，充電樁建設顯得相對滯后，因此在當前情況下發展共享充電樁能夠快速彌補充電樁建設的不足，也能實現充電樁資源的最大化利用，將私人充電樁改造并加入到共享充電樁網絡中，不但能降低私人充電樁的使用成本，還能大幅度地改善目前公用充電樁資源分布不均、數量不足等問題，對于電動汽車用戶的車輛使用和推動電動汽車產業的發展都會帶來方便和好處，能夠有效的解決目前電動汽車充電難問題，提升電動汽車用戶的充電體驗。本文提出并構建的電動汽車用戶網絡視角下的充電樁共享網絡及其運行機制，能有效實現對電動汽車用戶網絡資源的整合，從而為網絡中的每個電動汽車用戶提供一個充分的信息交流和資源共享平臺，并可依托該平臺實現充電資源信息在大量電動汽車用戶節點之間的推送和共享。

圖2 T1時刻網絡關系圖