基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車共享充電交易模式研究

雒煥強(qiáng) ,梁 麗

(1.西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院,甘肅省 蘭州市 730070;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司市場營銷事業(yè)部,甘肅省 蘭州市 730300)

0 引言

電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)助推節(jié)能減排、助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有非常重要的意義。近年來,我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了跨越式的發(fā)展,但現(xiàn)有充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及運(yùn)營模式與電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展不協(xié)調(diào)的問題日益突出。比如存在車多樁少、部分充電樁分布不均衡等問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),2021年我國新能源汽車保有量達(dá)784 萬輛,充電基礎(chǔ)設(shè)施保有量261.7萬臺(tái),車樁比約為3∶1[1]。現(xiàn)有電動(dòng)汽車電池續(xù)航能力條件下,為滿足電動(dòng)汽車用戶充電需求,國家持續(xù)加大對(duì)充電基礎(chǔ)設(shè)施的投資建設(shè),并鼓勵(lì)私人充電樁有序安裝。電動(dòng)汽車充電樁位置的分散性具有明顯的共享經(jīng)濟(jì)特征,但現(xiàn)有共享充電樁平臺(tái)主要都是基于中心化結(jié)構(gòu)的,存在諸如架構(gòu)偏于僵化、規(guī)模擴(kuò)展性差、數(shù)據(jù)難以共享、用戶隱私容易泄漏等一系列問題。因此,亟需探索一種高效、安全、互信的共享充電服務(wù)模式以提高已有充電樁的使用率,滿足車主日常充電需求。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、透明性、不可篡改性、多方共識(shí)等特點(diǎn)[2],與充電樁共享充電應(yīng)用具有很好的結(jié)合點(diǎn),且可以避免因中心化平臺(tái)帶來的弊端。本文將區(qū)塊鏈技術(shù)引入到電動(dòng)汽車與充電樁共享交易過程中,通過共享充電網(wǎng)絡(luò),電動(dòng)汽車主可隨時(shí)定位預(yù)約附近的可用充電樁進(jìn)行充電,充電樁運(yùn)營商或個(gè)人通過提供有償充電服務(wù)獲得收益。通過借助區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制、智能合約機(jī)制及加密技術(shù)等,構(gòu)建高度可信、公正透明的運(yùn)營環(huán)境,實(shí)現(xiàn)智能高效的充電交易。此外,為了解決區(qū)塊鏈交易速度低的問題,本文采用區(qū)塊鏈鏈下擴(kuò)容方法,即利用雷電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建充電交易通道,達(dá)到實(shí)現(xiàn)及時(shí)支付、降低交易費(fèi)用、保護(hù)用戶隱私等目的。

1 區(qū)塊鏈及其關(guān)鍵技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈技術(shù)最早是2008年日本學(xué)者中本聰在其論文《比特幣:一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》中提出的,該論文闡述了一個(gè)去中心化的電子現(xiàn)金交易系統(tǒng),提出了一種基于哈希證明的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈技術(shù)從定義上可以理解為是一種以密碼學(xué)算法為基礎(chǔ)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)分布式賬本技術(shù),并涵蓋分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、加密算法、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制等計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用[3]。2021 年,區(qū)塊鏈被寫入國家“十四五”規(guī)劃發(fā)展綱要,積極推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.2 區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)主要包括分布式存儲(chǔ)技術(shù)、非對(duì)稱加密算法、共識(shí)機(jī)制和智能合約四個(gè)方面[4-6]。

1.2.1 分布式存儲(chǔ)技術(shù)

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個(gè)分布式的共享賬本和數(shù)據(jù)庫,是一種多方共同參與記錄信息、存儲(chǔ)信息的技術(shù)[7-8]。與傳統(tǒng)的中心化平臺(tái)不同,區(qū)塊鏈技術(shù)建立在分布式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,沒有特定的中心節(jié)點(diǎn),而是利用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型,所有參與節(jié)點(diǎn)共同組網(wǎng),任務(wù)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分配、資源共享,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)、記錄與更新。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)是分散存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上,當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障或黑客攻擊時(shí),一般不會(huì)出現(xiàn)全線崩潰的情況,網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)率較好,系統(tǒng)更加安全。

1.2.2 非對(duì)稱加密算法

非對(duì)稱加密算法是區(qū)塊鏈加密算法的一種,有公鑰和私鑰2個(gè)密鑰,公鑰可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密,加密后的數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中傳輸或存儲(chǔ),當(dāng)需要解密時(shí),利用與該公鑰相匹配的私鑰進(jìn)行解密即可,加密和解密的流程有效保證了數(shù)據(jù)的安全性和個(gè)人的隱私性。常見的非對(duì)稱加密算法有RSA、SM2、橢圓曲線加密(elliptic curve cryptography,ECC)等[9]。本文采用ECC 加密算法,該算法以橢圓曲線理論為基礎(chǔ),利用有限域上橢圓曲線的點(diǎn)構(gòu)成的離散對(duì)數(shù)難解性來實(shí)現(xiàn)加密的,相較于RSA,其優(yōu)勢是密鑰更短、安全性更高。

ECC加密算法的加密和解密流程如圖1所示[10]。

圖1 橢圓曲線加密和解密流程圖Fig.1 Encryption and decryption flowchart of elliptic curve

在充電樁投入使用時(shí),可以采用ECC算法給每個(gè)充電樁創(chuàng)建公鑰和私鑰,其中,私鑰是一組隨機(jī)數(shù),公鑰是利用這組隨機(jī)數(shù)經(jīng)過橢圓曲線算法生成的,公鑰內(nèi)容主要包括充電樁ID、時(shí)間戳、有效時(shí)間等。

1.2.3 共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)由全部節(jié)點(diǎn)共同維護(hù),其共識(shí)機(jī)制是一種保證節(jié)點(diǎn)建立互信、保持一致的算法。通過共識(shí)機(jī)制,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以保存一個(gè)完整區(qū)塊鏈副本,形成分布式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),所有交易均受到共同監(jiān)督見證。常用的共識(shí)算法有:工作量證明機(jī)制(proof of work,POW)、股權(quán)證明機(jī)制(proof of stake,POS)、委托權(quán)益證明(delegated proof of stake,DPOS)、拜占庭容錯(cuò)機(jī)制(practical byzantine fault tolerance,PBFT)等[11-12],通過綜合考慮各個(gè)共識(shí)機(jī)制的特點(diǎn),本文將DPOS 和PBFT 相結(jié)合,通過DPOS 選出代表,限制參與PBFT 的節(jié)點(diǎn)數(shù)量,提高了系統(tǒng)可擴(kuò)展性,PBFT 避免了委托權(quán)益證明容易分叉的缺點(diǎn),提高了系統(tǒng)的安全性、一致性。

1.2.4 智能合約

智能合約作為被部署在區(qū)塊鏈上的一段代碼,其功能是對(duì)接收到的信息進(jìn)行回應(yīng)、對(duì)資產(chǎn)進(jìn)行控制[13-14]。當(dāng)智能合約代碼被編寫好并通過測試后,會(huì)被部署到區(qū)塊鏈中的一個(gè)區(qū)塊,然后可以廣播到區(qū)塊鏈中,進(jìn)而被所有節(jié)點(diǎn)獲知,記錄調(diào)用合約時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)根據(jù)輸入運(yùn)行相應(yīng)的代碼,然后達(dá)成共識(shí),確保結(jié)果的正確性與一致性。在以太坊平臺(tái)上,智能合約代碼被編譯成以太坊虛擬機(jī)代碼,合約被存放在相應(yīng)的合約賬戶中,當(dāng)需要做相應(yīng)的行為操作時(shí),只要發(fā)消息給合約賬戶讓其調(diào)用相應(yīng)的行為函數(shù)即可。通過智能合約,電動(dòng)汽車用戶和充電樁主可以靈活制定交易場景,滿足各類應(yīng)用需求。

2 雷電網(wǎng)絡(luò)

目前,區(qū)塊鏈存在的最大問題是交易速度慢、有時(shí)間延遲。本文選擇基于以太坊的雷電網(wǎng)絡(luò)鏈下擴(kuò)容方法,不僅可以解決交易速度的問題,也大大節(jié)省了區(qū)塊空間,具有很好的實(shí)用價(jià)值。雷電網(wǎng)絡(luò)的作用是為交易雙方搭建一個(gè)鏈下支付通道,通過智能合約,交易雙方在支付通道中事先約定凍結(jié)一定的資金,同時(shí)提供一個(gè)哈希值,若對(duì)方能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)提供與已知哈希值相匹配的字符串,則對(duì)應(yīng)的交易資金就可以給該方接收,同時(shí),智能合約會(huì)把交易結(jié)果存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈的區(qū)塊中[15-17]。

在電動(dòng)汽車充電交易過程中,雷電網(wǎng)絡(luò)是通過智能合約依據(jù)有關(guān)智能條件對(duì)支付通道中的資金余額進(jìn)行分配來實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)賬的。為了規(guī)避在轉(zhuǎn)賬過程中可能出現(xiàn)的支付方臨時(shí)改變支付通道、交易中途斷線、竊取交易資金等問題,雷電網(wǎng)絡(luò)可以通過將重試哈希鎖、收據(jù)哈希鎖和時(shí)間鎖3種組合鎖重構(gòu)的方式來提高其安全性和可靠性[18],在整個(gè)充電交易過程中,若要提前進(jìn)行解鎖轉(zhuǎn)賬,就必須同時(shí)提供重試哈希鎖和收據(jù)哈希鎖才行。

3 充電樁共享經(jīng)濟(jì)方案

3.1 共享系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文在以太坊平臺(tái)搭建區(qū)塊鏈共享交易網(wǎng)絡(luò),在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)可以是電動(dòng)汽車用戶、私人充電樁主、充電樁運(yùn)營商、電力公司及政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)等,通過利用雷電網(wǎng)絡(luò)、智能合約、加密算法構(gòu)建一個(gè)開放性的區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)去中心化、安全、高效、智能的電動(dòng)汽車共享充電交易。該充電樁共享系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電樁共享系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of electric vehicle charging pile sharing system based on block chain

該系統(tǒng)主要的參與主體有:以太坊區(qū)塊鏈、電動(dòng)汽車用戶、充電樁主、節(jié)點(diǎn)、第三方機(jī)構(gòu)等。

以太坊區(qū)塊鏈:是一個(gè)采用去中心化、分布式架構(gòu)的動(dòng)態(tài)加密數(shù)據(jù)庫,確保數(shù)據(jù)安全可信、不可篡改,提供充電樁的查詢定位、交易支付結(jié)算、交易記錄查詢及數(shù)據(jù)深度分析等功能。

充電樁主:可以是私人充電樁主,也可以是充電樁運(yùn)營商,通過將充電樁接入?yún)^(qū)塊鏈平臺(tái)提供共享充電服務(wù),獲取相應(yīng)收益。

電動(dòng)汽車用戶:充電樁充電需求方,可以是個(gè)人,也可以是電動(dòng)汽車運(yùn)營商,通過區(qū)塊鏈共享平臺(tái)搜索定位附近的可用充電樁,和充電樁進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)充電交易,并完成支付結(jié)算。

節(jié)點(diǎn):能獨(dú)立地維護(hù)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)、執(zhí)行智能合約,并通過P2P 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信,采用一定的共識(shí)機(jī)制達(dá)成共識(shí),維護(hù)全網(wǎng)的狀態(tài)一致,各參與者均可充當(dāng)記賬節(jié)點(diǎn),獲取相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)。

第三方機(jī)構(gòu):政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)、電力公司等可通過對(duì)充電樁數(shù)量、布局、使用情況的分析進(jìn)行科學(xué)合理規(guī)劃及管理決策。同時(shí),通過對(duì)充電交易數(shù)據(jù)的分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)充電負(fù)荷的有序引導(dǎo)與控制,減小大量電動(dòng)汽車接入充電對(duì)配電網(wǎng)的影響。

3.2 支付通道構(gòu)建

電動(dòng)汽車用戶與充電樁主之間的支付通道是雷電網(wǎng)絡(luò)的核心,交易雙方可以直接進(jìn)行支付,也可以通過第三方中介進(jìn)行支付,由智能合約構(gòu)建鏈下交易通道[16-19]。雷電網(wǎng)絡(luò)中的有轉(zhuǎn)賬中介參與的支付通道構(gòu)建圖如圖3所示。

圖3 雷電網(wǎng)絡(luò)支付通道構(gòu)建Fig.3 Construction diagram of lightning network payment channel

若要實(shí)現(xiàn)由電動(dòng)汽車用戶A 經(jīng)中介C 向充電樁主B轉(zhuǎn)賬,可以通過使用組合鎖的方式,具體轉(zhuǎn)賬過程為:

(1) 充電樁主B首先發(fā)送1個(gè)收據(jù)哈希鎖給電動(dòng)汽車用戶A,同時(shí)自己保留密鑰D。

(2) 電動(dòng)汽車用戶A 使用收據(jù)哈希鎖和重試哈希鎖,重新構(gòu)造轉(zhuǎn)賬鎖給中介C,A 同時(shí)保留密鑰E。

(3) 電動(dòng)汽車用戶A 確認(rèn)轉(zhuǎn)賬構(gòu)建完成后,向充電樁主B提供密鑰E。

(4) 充電樁主B 向中介C 出示密鑰D 和密鑰E,解鎖轉(zhuǎn)賬,就可獲得支付資金。

通過此種方法構(gòu)建支付通道的好處是如果A臨時(shí)改變了主意,他可以不向C 提供重試哈希鎖的密鑰,即使B 與C 合謀,也不能在轉(zhuǎn)賬途中將資金劃走,而只能沿重試哈希鎖的傳遞路徑逆向轉(zhuǎn)賬資金,保證了資金交易的安全性。

3.3 充電樁共享交易流程分析

電動(dòng)汽車充電樁共享交易流程如圖4所示。

圖4 共享交易流程圖Fig.4 Flow chart of shared transaction

區(qū)塊鏈中的每個(gè)電動(dòng)汽車用戶都可以通過類似于分布式應(yīng)用的移動(dòng)終端搜索附近的可用充電樁,根據(jù)個(gè)人需求在線上預(yù)定充電服務(wù),用戶在指定位置通過預(yù)定的充電樁給電動(dòng)汽車充電。智能合約根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)和充電量計(jì)算出實(shí)際充電費(fèi)用,根據(jù)共享規(guī)則和實(shí)際充電費(fèi)用凍結(jié)雙方的交易資金,并存放在支付通道上,在交易結(jié)束后,根據(jù)余額證明在鏈上更新余額。

3.4 共享系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

本文中將以太坊區(qū)塊鏈及其充電交易狀態(tài)數(shù)據(jù)、收據(jù)數(shù)據(jù)等,統(tǒng)稱為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)?；趨^(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電樁共享系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電樁共享系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Architecture diagram of charging pile sharing system for electric vehicle based on block chain

在該系統(tǒng)中,電動(dòng)汽車用戶、充電樁運(yùn)營商、私人充電樁主、電力公司及政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)充當(dāng)節(jié)點(diǎn),均能獨(dú)立維護(hù)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。當(dāng)有新的區(qū)塊鏈充電交易產(chǎn)生時(shí),各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)從各自冗余的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)中讀取智能合約代碼、狀態(tài)等信息,獨(dú)立地在以太坊虛擬機(jī)中進(jìn)行執(zhí)行。當(dāng)電動(dòng)汽車需要充電時(shí),智能合約首先判斷交易動(dòng)作,若電動(dòng)汽車用戶和充電樁主達(dá)成交易共識(shí)后,開始充電,充電動(dòng)作完畢后,通過區(qū)塊鏈鏈下雷電網(wǎng)絡(luò)支付通道,扣除電動(dòng)汽車用戶的資金,轉(zhuǎn)賬給提供充電服務(wù)的充電樁主。在智能合約執(zhí)行過程中,如果節(jié)點(diǎn)收到非法攻擊或篡改,則執(zhí)行結(jié)果及區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)將與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)不符,無法參與到網(wǎng)絡(luò)的下一步共識(shí)中,因此整個(gè)充電交易是安全可靠的。

4 結(jié)論

近年來,國內(nèi)外新能源汽車得到快速發(fā)展,但與其配套的充電基礎(chǔ)設(shè)施不足以滿足充電需求,存在車樁比失衡、部分充電樁使用率低等問題。為進(jìn)一步推動(dòng)新能源汽車發(fā)展,除持續(xù)加大基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)外,還可通過共享經(jīng)濟(jì)模式充分利用閑置的充電樁資源。為了突破信息壁壘、確保交易安全、保護(hù)客戶隱私,本文利用區(qū)塊鏈去中心化等一系列特征優(yōu)勢,將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車充電樁共享交易系統(tǒng),借助其共識(shí)機(jī)制、智能合約機(jī)制、加密技術(shù)及鏈下雷電網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容技術(shù)等,構(gòu)建了高度可信的運(yùn)行環(huán)境,使得電動(dòng)汽車用戶可以享受到智能、安全、高效的充電服務(wù)。