基于区块链的充电桩共享平台设计

巩硕，黄碧雄，严晓

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

0 引言

随着电动汽车和直流充电桩的迅速普及，未来能提供电动汽车充电分享服务的人群（充电桩服务商及私人充电桩所有者）会迅速增加，甚至可能达到上亿的规模[1]。同样，需要充电服务的用户（电动汽车车主）更会远远超过这个数字。在这种巨量的充电需求和供应中，各充电服务商之间难以统一充电服务的标准和服务质量，也难以统一充电费用。对于用户来说，更难以判断各服务商的口碑、充电桩安全水平如何。而区块链技术，正是解决这一难题最好的制造信任的工具。

本文以具有动力诊断功能的直流充电桩[2]为研究对象，通过区块链技术设计了一套充电桩的共享策略。基于Fabric 联盟链建立区块链系统，通过智能合约生成充电数据的MD5 码，进行数字摘要后录入到区块链中，利用区块链系统的特性保证了数据的不可篡改、安全与可追溯。另一方面，对区块链技术在充电桩共享经济中的应用模式进行了探究，提出了一种全新的创新服务模式，并设计了一套完整的共享平台界面以及系统运行逻辑。

1 充电桩共享方案设计

基于区块链技术的充电桩共享方案架构如图1 所示，共分为充电桩数据共享平台和充电桩共享平台2 个部分。充电桩诊断云平台[2]通过获取动力电池的CAN 信号并翻译，获得电池工作时单体以及电池包的物理信号，通过脚本对数据进行数清洗、计算并每隔固定时间生成一份充电数据报表。当前一份数据报表生成后，通过私钥签署脚本生成报告的MD5 码并写入到区块之中，同时，开始后一份数据报表的数据采集。充电桩共享平台则采用基于Fabric 联盟链的分布式架构，主要由各联盟链参与者作为记账节点进行维护，平台允许个人用户将自有充电桩接入，通过区块链环境部署提供充电桩的定位、状态、交易记录及安全状态等信息接入区块链系统并进行共享。两者共用同一个区块链网络，实现信息全网广播。

图1 基于区块链的充电桩共享平台技术架构Fig.1 Technical architecture of charging pile sharing platform based on blockchain

2 区块链系统运行机制

2.1 区块链技术介绍

在区块链中，区块的结构主要包含2 个部分：区块头和区块体[3-5]。区块头中储存的信息包括了版本号、前一个区块哈希值、默克尔根、时间戳、难度值和随机数。同时，区块头通过储存前一个区块的哈希值和后一个区块的哈希值，从而实现将所有的区块连接在一起形成区块链。如图2 所示，区块体会记录每一个区块的交易数据。在区块链的基本结构之上，本研究引入了基于充电数据的共识机制（POD），以不同充电桩提供商对充电桩共享的业务需求作为其担任节点并进行记账的共识机制，从而维持系统的运行并实现在区块体中记录充电数据报表的数字摘要（Message-Digest Algorithm）[6]。

图2 区块链的链式结构Fig.2 Chain structure of blockchain

2.2 共识机制设计

POD 共识机制的运行也需要Token（通证）作为介质。本系统中产生的Token 指在共享生态下，基于区块链技术生成的工作量证明，Token的分配与数据存储量、节点所搭建数据库的硬件能力以及数据共享过程中的网络带宽相关联。

计算方式示意：节点分数M=（数据存储量×存储因子+硬件能力×硬件因子+带宽×带宽因子）×（系统运行时长/24 h）；当天所发现Token 总量=Ct。

则当天节点M1当天获得Token 的数量C1为

系统运行过程中，每个因素的因子通过实际情况量化决定。在该充电桩共享系统中，维护系统运行的节点通过记账获取Token，而充电用户可以通过购买Token 来抵扣充电费用，从而形成生态闭环，保证系统的运行。

2.3 充电桩共享平台参与主体

（1）充电桩所有者：充电桩的产权所有者包括公司级别的大型公共充电桩运行商以及私人充电桩所有者，他们作为充电桩的供应方，通过接入基于区块链的充电桩共享平台，在平台上发布闲置的充电桩并赚取收益。

（2）电动汽车车主：电动汽车车主作为充电桩的用户，可以借助充电桩共享平台寻找到价格更优惠、距离更近、充电更方便的充电桩。通过区块链系统，电动汽车车主可以定位到周边空闲的共享充电桩，并与充电桩所有者进行点对点交易，通过区块链系统发起充电请求，记录充电价格和需求并实现在线交易结算。

（3）联盟链节点：作为联盟链的核心组成部分，负责维护区块链交易数据的备份，保证整个区块链系统的运行。联盟链节点主要由大型充电桩运营机构进行竞选产生，通过POD 共识机制将系统上的交易信息保存到区块链中，平台上的所有参与节点都可以充当记录节点，并由联盟链节点进行核算与奖励[7]。

3 区块链系统实现

3.1 区块链应用开发流程

本系统基于当前主流的联盟链Hyperledger Fabric[8]搭建区块链架构，基于PKI 体系，引入了MSP 模块（Membership Service Provider，成员管理服务提供商），生成数字证书来标识和管理成员的身份。Fabric 成员身份基于标准的X.509证书，密钥使用的是ECDSA 算法。基于Fabric的区块链应用开发流程如下：

（1）系统初始化：cryptogen 生成每个组织节点，以及orderer 节点证书；

（2）Orderer 初始化启动：configxgen orderer生成orderer 创始块，启动orderer；

（3）启动peer；

（4）通道的创建和加入：configtxgen peer ；

（5）启动Fabric-ca：fabric-ca-server；

（6）链码开发和部署；

（7）客户端开发；

（8）其余peer 和其他组织的加入。

3.2 生成数字摘要

图3 显示了在区块链上记录电池信息以保证数据安全共享的3 个步骤。第1 步，定期将动力电池监控模块所采集的电池数据根据协议自动生成报表；第2 步，使用MD5 对报表进行数字摘要；第3 步，将数字摘要录入区块链中。

图3 报表摘要录入区块链的流程Fig.3 Recording on blockchain with report digest

3.3 区块查询与验证

在数据上链的过程中，为了保证区块链系统的精简性与效率，存储在区块链网络中的充电价值信息仅为数字摘要，为了进一步保证存储在电池全生命周期各个节点数据库中的数据为原始数据，本系统增加了对电池数据报表真实性的检验流程。

如图4 所示，一旦数据报表发生过更改，MD5 码将发生改变，从而验证失败并发出警报。具体操作流程为用户从数据接口请求查看充电数据报告，系统会进入权限验证过程，当确认用户具有查询权限之后，读取储存在区块链上的数字摘要信息，对数字摘要中储存的MD5码进行校核，判断此时充电数据报告文件的MD5 码是否与区块链中存储的一致。若校核通过则证明数据未经篡改，由此保证了多方之间的数据互信。

图4 数据真实性检验流程Fig.4 Data authenticity verification process

4 充电桩共享平台

充电桩共享平台除了底层的区块链系统搭建之外，还需要设计用户友好型的操作界面。当充电桩所有者与电动汽车车主申请加入共享平台时，只需填写简单的用户注册信息并通过手机短信验证即可。用户的真实信息可以选择匿名或者进一步实名认证。对于大型充电桩运行商，可以选择认证用户体系，通过充电桩共享平台的初始页面对旗下的众多充电桩进行管理；对于个人用户，可以选择匿名交易，仅通过公钥密码和数字签名算法进行交易[9-10]。

4.1 充电桩共享平台主页面

图5 展示的是共享平台的主页面。用户可以通过该页面监控自有充电桩的实时状态和收益情况。当充电桩所有者需要新增共享充电桩时，需要向区块链平台提交请求，审核通过后，该用户的充电桩便可以在系统地图中进行定位与选择；当其他用户需要租用该充电桩时，则会在交易页面生成一条交易记录，并将充电时间、充电价格、充电地点、充电桩类型以及充电数据MD5 码等数据写入到区块链中。

图5 基于区块链的充电桩共享平台主页Fig.5 Homepage of charging pile sharing platform based on blockchain

4.2 区块查询页面

区块查询实际操作页面如图6 所示。充电桩所有者与电动汽车车主均可以通过区块查询页面对交易过程和交易信息进行核对与查询。区块查询页面展示的信息包括数字摘要与交易信息2 个部分，其中，数字摘要具体包括MD5码、区块高度、确认节点数、区块大小、系统版本、播报方指数、播报方以及区块哈希值等信息。

图6 基于区块链的充电桩共享平台区块查询页面Fig.6 Block query page of charging pile sharing platform based on blockchain

4.3 充电桩共享系统工作流程

充电桩共享系统工作流程如图7 所示。在交易过程中，电动车车主与充电桩所有者通过共享平台发布、浏览充电桩信息，基于区块链系统进行交易并建立支付通道，根据充电量和充电桩所有者所标识的报价计算充电费用并支付给充电桩所有者。交易系统的智能合约在交易达成后会自动生成配置数据包，对充电桩进行远程配置，充电结束后系统通过智能合约更新交易金额并实现账本的同步配置。

图7 充电桩共享平台工作流程Fig.7 Work flow of charging pile sharing platform

5 结束语

本文研究了区块链技术在充电桩共享经济中的应用模式，提出了一种全新的创新共享策略。通过区块链技术更好地实现了充电桩共享平台的分布式、点对点交易问题，并保证了共享过程中交易的去中心化、安全性与用户隐私，为多方提供了一个良好的共识信任机制。设计了一套完整的前端操作逻辑和操作页面，为区块链技术的实际落地提供了一种十分具有尝试价值的思路。

充电桩共享平台是一个开放透明的系统，随着用户数量的增加，充电桩共享过程中会产生大量的数据。在交易过程中，个人用户可以选择将信息进行匿名，保护自身充电数据的安全和隐私。同时，大型充电桩运营商及其他第三方机构也可以对公开的数据进行进一步数据挖掘和大数据分析。规模化的充电桩数据对于电网的负载平衡、用电冲击以及削峰填谷等应用场景提供有效的数据支持。充电桩运营商也可以根据充电桩的使用频率和用户数量，对充电桩的分布进行更合理的规划设计。