基于区块链的电动汽车共享充电交易模式研究

雒焕强 ,梁 丽

(1.西北民族大学电气工程学院,甘肃省 兰州市 730070;2.国网甘肃省电力公司市场营销事业部,甘肃省 兰州市 730300)

0 引言

电动汽车产业的发展对助推节能减排、助力“双碳”目标实现具有非常重要的意义。近年来,我国电动汽车产业实现了跨越式的发展,但现有充电基础设施建设及运营模式与电动汽车产业发展不协调的问题日益突出。比如存在车多桩少、部分充电桩分布不均衡等问题。据统计,2021年我国新能源汽车保有量达784 万辆,充电基础设施保有量261.7万台,车桩比约为3∶1[1]。现有电动汽车电池续航能力条件下,为满足电动汽车用户充电需求,国家持续加大对充电基础设施的投资建设,并鼓励私人充电桩有序安装。电动汽车充电桩位置的分散性具有明显的共享经济特征,但现有共享充电桩平台主要都是基于中心化结构的,存在诸如架构偏于僵化、规模扩展性差、数据难以共享、用户隐私容易泄漏等一系列问题。因此,亟需探索一种高效、安全、互信的共享充电服务模式以提高已有充电桩的使用率,满足车主日常充电需求。

区块链技术具有去中心化、透明性、不可篡改性、多方共识等特点[2],与充电桩共享充电应用具有很好的结合点,且可以避免因中心化平台带来的弊端。本文将区块链技术引入到电动汽车与充电桩共享交易过程中,通过共享充电网络,电动汽车主可随时定位预约附近的可用充电桩进行充电,充电桩运营商或个人通过提供有偿充电服务获得收益。通过借助区块链共识机制、智能合约机制及加密技术等,构建高度可信、公正透明的运营环境,实现智能高效的充电交易。此外,为了解决区块链交易速度低的问题,本文采用区块链链下扩容方法,即利用雷电网络构建充电交易通道,达到实现及时支付、降低交易费用、保护用户隐私等目的。

1 区块链及其关键技术

1.1 区块链

区块链技术最早是2008年日本学者中本聪在其论文《比特币:一种点对点的电子现金系统》中提出的,该论文阐述了一个去中心化的电子现金交易系统,提出了一种基于哈希证明的链式区块结构。区块链技术从定义上可以理解为是一种以密码学算法为基础的点对点分布式账本技术,并涵盖分布式数据存储、加密算法、点对点传输、共识机制等计算机技术的应用[3]。2021 年,区块链被写入国家“十四五”规划发展纲要,积极推动区块链技术在各领域的应用。

1.2 区块链关键技术

区块链关键技术主要包括分布式存储技术、非对称加密算法、共识机制和智能合约四个方面[4-6]。

1.2.1 分布式存储技术

区块链本质上是一个分布式的共享账本和数据库,是一种多方共同参与记录信息、存储信息的技术[7-8]。与传统的中心化平台不同,区块链技术建立在分布式的点对点网络环境中,没有特定的中心节点,而是利用对等网络模型,所有参与节点共同组网,任务在各个节点进行分配、资源共享,实现数据的分布式存储、记录与更新。区块链的数据是分散存储在网络的各个节点上,当出现网络故障或黑客攻击时,一般不会出现全线崩溃的情况,网络容错率较好,系统更加安全。

1.2.2 非对称加密算法

非对称加密算法是区块链加密算法的一种,有公钥和私钥2个密钥,公钥可以对数据进行安全加密,加密后的数据在区块链中传输或存储,当需要解密时,利用与该公钥相匹配的私钥进行解密即可,加密和解密的流程有效保证了数据的安全性和个人的隐私性。常见的非对称加密算法有RSA、SM2、椭圆曲线加密(elliptic curve cryptography,ECC)等[9]。本文采用ECC 加密算法,该算法以椭圆曲线理论为基础,利用有限域上椭圆曲线的点构成的离散对数难解性来实现加密的,相较于RSA,其优势是密钥更短、安全性更高。

ECC加密算法的加密和解密流程如图1所示[10]。

图1 椭圆曲线加密和解密流程图Fig.1 Encryption and decryption flowchart of elliptic curve

在充电桩投入使用时,可以采用ECC算法给每个充电桩创建公钥和私钥,其中,私钥是一组随机数,公钥是利用这组随机数经过椭圆曲线算法生成的,公钥内容主要包括充电桩ID、时间戳、有效时间等。

1.2.3 共识机制

区块链中的数据由全部节点共同维护,其共识机制是一种保证节点建立互信、保持一致的算法。通过共识机制,每个节点都可以保存一个完整区块链副本,形成分布式的数据存储,所有交易均受到共同监督见证。常用的共识算法有:工作量证明机制(proof of work,POW)、股权证明机制(proof of stake,POS)、委托权益证明(delegated proof of stake,DPOS)、拜占庭容错机制(practical byzantine fault tolerance,PBFT)等[11-12],通过综合考虑各个共识机制的特点,本文将DPOS 和PBFT 相结合,通过DPOS 选出代表,限制参与PBFT 的节点数量,提高了系统可扩展性,PBFT 避免了委托权益证明容易分叉的缺点,提高了系统的安全性、一致性。

1.2.4 智能合约

智能合约作为被部署在区块链上的一段代码,其功能是对接收到的信息进行回应、对资产进行控制[13-14]。当智能合约代码被编写好并通过测试后,会被部署到区块链中的一个区块,然后可以广播到区块链中,进而被所有节点获知,记录调用合约时每个节点都会根据输入运行相应的代码,然后达成共识,确保结果的正确性与一致性。在以太坊平台上,智能合约代码被编译成以太坊虚拟机代码,合约被存放在相应的合约账户中,当需要做相应的行为操作时,只要发消息给合约账户让其调用相应的行为函数即可。通过智能合约,电动汽车用户和充电桩主可以灵活制定交易场景,满足各类应用需求。

2 雷电网络

目前,区块链存在的最大问题是交易速度慢、有时间延迟。本文选择基于以太坊的雷电网络链下扩容方法,不仅可以解决交易速度的问题,也大大节省了区块空间,具有很好的实用价值。雷电网络的作用是为交易双方搭建一个链下支付通道,通过智能合约,交易双方在支付通道中事先约定冻结一定的资金,同时提供一个哈希值,若对方能在规定时间内提供与已知哈希值相匹配的字符串,则对应的交易资金就可以给该方接收,同时,智能合约会把交易结果存储在区块链的区块中[15-17]。

在电动汽车充电交易过程中,雷电网络是通过智能合约依据有关智能条件对支付通道中的资金余额进行分配来实现智能转账的。为了规避在转账过程中可能出现的支付方临时改变支付通道、交易中途断线、窃取交易资金等问题,雷电网络可以通过将重试哈希锁、收据哈希锁和时间锁3种组合锁重构的方式来提高其安全性和可靠性[18],在整个充电交易过程中,若要提前进行解锁转账,就必须同时提供重试哈希锁和收据哈希锁才行。

3 充电桩共享经济方案

3.1 共享系统方案设计

本文在以太坊平台搭建区块链共享交易网络,在这个网络中,节点可以是电动汽车用户、私人充电桩主、充电桩运营商、电力公司及政府监管机构等,通过利用雷电网络、智能合约、加密算法构建一个开放性的区块链生态系统,实现去中心化、安全、高效、智能的电动汽车共享充电交易。该充电桩共享系统示意图如图2所示。

图2 基于区块链的电动汽车充电桩共享系统Fig.2 Schematic diagram of electric vehicle charging pile sharing system based on block chain

该系统主要的参与主体有:以太坊区块链、电动汽车用户、充电桩主、节点、第三方机构等。

以太坊区块链:是一个采用去中心化、分布式架构的动态加密数据库,确保数据安全可信、不可篡改,提供充电桩的查询定位、交易支付结算、交易记录查询及数据深度分析等功能。

充电桩主:可以是私人充电桩主,也可以是充电桩运营商,通过将充电桩接入区块链平台提供共享充电服务,获取相应收益。

电动汽车用户:充电桩充电需求方,可以是个人,也可以是电动汽车运营商,通过区块链共享平台搜索定位附近的可用充电桩,和充电桩进行点对点充电交易,并完成支付结算。

节点:能独立地维护区块链数据、执行智能合约,并通过P2P 网络进行通信,采用一定的共识机制达成共识,维护全网的状态一致,各参与者均可充当记账节点,获取相应的奖励。

第三方机构:政府监管机构、电力公司等可通过对充电桩数量、布局、使用情况的分析进行科学合理规划及管理决策。同时,通过对充电交易数据的分析结果实现对充电负荷的有序引导与控制,减小大量电动汽车接入充电对配电网的影响。

3.2 支付通道构建

电动汽车用户与充电桩主之间的支付通道是雷电网络的核心,交易双方可以直接进行支付,也可以通过第三方中介进行支付,由智能合约构建链下交易通道[16-19]。雷电网络中的有转账中介参与的支付通道构建图如图3所示。

图3 雷电网络支付通道构建Fig.3 Construction diagram of lightning network payment channel

若要实现由电动汽车用户A 经中介C 向充电桩主B转账,可以通过使用组合锁的方式,具体转账过程为:

(1) 充电桩主B首先发送1个收据哈希锁给电动汽车用户A,同时自己保留密钥D。

(2) 电动汽车用户A 使用收据哈希锁和重试哈希锁,重新构造转账锁给中介C,A 同时保留密钥E。

(3) 电动汽车用户A 确认转账构建完成后,向充电桩主B提供密钥E。

(4) 充电桩主B 向中介C 出示密钥D 和密钥E,解锁转账,就可获得支付资金。

通过此种方法构建支付通道的好处是如果A临时改变了主意,他可以不向C 提供重试哈希锁的密钥,即使B 与C 合谋,也不能在转账途中将资金划走,而只能沿重试哈希锁的传递路径逆向转账资金,保证了资金交易的安全性。

3.3 充电桩共享交易流程分析

电动汽车充电桩共享交易流程如图4所示。

图4 共享交易流程图Fig.4 Flow chart of shared transaction

区块链中的每个电动汽车用户都可以通过类似于分布式应用的移动终端搜索附近的可用充电桩,根据个人需求在线上预定充电服务,用户在指定位置通过预定的充电桩给电动汽车充电。智能合约根据实时电价和充电量计算出实际充电费用,根据共享规则和实际充电费用冻结双方的交易资金,并存放在支付通道上,在交易结束后,根据余额证明在链上更新余额。

3.4 共享系统具体实现

本文中将以太坊区块链及其充电交易状态数据、收据数据等,统称为区块链数据。基于区块链的电动汽车充电桩共享系统架构如图5所示。

图5 基于区块链的电动汽车充电桩共享系统架构Fig.5 Architecture diagram of charging pile sharing system for electric vehicle based on block chain

在该系统中,电动汽车用户、充电桩运营商、私人充电桩主、电力公司及政府监管机构充当节点,均能独立维护区块链数据。当有新的区块链充电交易产生时,各个节点会从各自冗余的区块链数据中读取智能合约代码、状态等信息,独立地在以太坊虚拟机中进行执行。当电动汽车需要充电时,智能合约首先判断交易动作,若电动汽车用户和充电桩主达成交易共识后,开始充电,充电动作完毕后,通过区块链链下雷电网络支付通道,扣除电动汽车用户的资金,转账给提供充电服务的充电桩主。在智能合约执行过程中,如果节点收到非法攻击或篡改,则执行结果及区块链数据将与网络中其他节点不符,无法参与到网络的下一步共识中,因此整个充电交易是安全可靠的。

4 结论

近年来,国内外新能源汽车得到快速发展,但与其配套的充电基础设施不足以满足充电需求,存在车桩比失衡、部分充电桩使用率低等问题。为进一步推动新能源汽车发展,除持续加大基础设施投资建设外,还可通过共享经济模式充分利用闲置的充电桩资源。为了突破信息壁垒、确保交易安全、保护客户隐私,本文利用区块链去中心化等一系列特征优势,将区块链技术应用到电动汽车充电桩共享交易系统,借助其共识机制、智能合约机制、加密技术及链下雷电网络扩容技术等,构建了高度可信的运行环境,使得电动汽车用户可以享受到智能、安全、高效的充电服务。