基于区块链技术的电动汽车充电链建设与应用

陆莎

（甘肃机电职业技术学院 甘肃省天水市 741000）

随着科技的快速发展，汽车产业朝着电动化、智能化方向发展，纯电动汽车加快了我国汽车产业转型升级发展步伐。充电链建设是实现电动汽车产业化发展的关键所在。如何建立安全可靠、灵活方便、成本低廉，且能为多方主体创造更多经济社会效益是当前需要思考的课题。接下来，谈谈对基于区块链技术的电动汽车充电链建设的几点思考。

1 区块链技术相关概述

1.1 区块链数据结构

区块链技术概念分为广义和狭义两个方面。其中，广义上的区块链技术是通过块链式数据结构储存并验证数据、通过密码学增加数据访问与传输安全性、通过分布式节点共识算法形成或更新数据，实现编程与操作数据的分布式基础架构和计算范式。狭义上的区块链技术主要是遵循时间顺序将数据区块化进而形成全新的链式数据结构。

区块作为链式结构的基础单元，每个区块都包含了默克尔树根、时间戳、加密数据以及父区块哈希值。这里的父区块哈希值是依据父区块数据根据散列算法计算而产生的固定长度字符串，这些哈希值能够精准的标识每个区块，每一个节点都能够利用快速哈希运算来验证哈希值的准确性，精准检测区块内容有无被篡改。其次，每个区块内都涵盖了父区块的哈希值，首尾相应，实现对全部区块的有效串联，进而产生区块链。默克尔树根是全部区块数据信息组成的哈希二叉树的根哈希值，它的存在让区块头只要有根哈希值即可，无需再封装全部底层数据，如此一来，哈希运算能够在低功耗的终端设备上有效运行，这也在很大程度上有效检验了非完整区块链网络节点下数据的准确性。

1.2 数字签名

分析区块链数据结构不难发现，区块链是能够实现数据的链式传输和存储。其次，为了有效提高安全性、精准验证其所有权，区块链技术多利用ECC、Rabin、RSA、D‐H 等诸多非对称法来实现对数据的有效加密，如此一来，用一个密钥加工，确保只存在一个能解开的密钥。这一非对称加密在区块链技术内的利用就是数字签名。只需发送方利用哈希算法计算原始数字摘要，利用非对称密钥实现对数字摘要的加密，那么经加密的数据就是数字签名。接收方受到数字签名原始数据后利用公钥来解密，就能够获得原始摘要值，并利用相同的哈希算法计算摘要值，对比判定二者间的一致性，如果二者一致，说明签名通过；如果不一致，则不通过。区块链系统内的所有数据节点都存在一对公钥、一对私钥，如果节点成功发送数据，通过私钥来签名数据，并把签名附于数据内，其余节点接受数据以后，第一步就是验证数据内的签名，只有数据的合法性、完整性达标以后，才能通过。

1.3 共识机制

区块链系统内，每一个节点都在数据存储中有所参与，共识机制的建立能在一定程度上确保每个节点都能够存储正确数据。现阶段，区块链系统共识算法可细分为四大类，即工作量证明类共识算法、拜占庭容错算法、凭证类共识算法以及可执行环境共识算法。正是因为数据结构、数字签名以及共识机制的存在，区块链系统具备以下几点优势：

（1）无可篡改性。因为每个节点都需要参与数据的储存与维护，验证合格的数据形成共识后被写进区块，此时，区块链系统通过数字签名防伪认证、哈希函数单向性、分布式共识容错等功能共同作用，确保每个节点都不能随意篡改数据，大大降低了违法者肆意删减、伪造和篡改数据的可能。

（2）去中心化。区块链系统内全部节点都属于对等节点，能够平等存储、维护、发送或接受数据，节点之间具有公平公正性、公开透明性。

（3）安全可靠。区块链系统内所有节点在维护数据、参与系统共识时都存在对等性，某个节点发生问题后并不会影响系统的正常运行，且区块链系统一直运用非对称密码学来实现对每个节点敏感数据的加密，确保只有经授权的节点才可访问、使用，提高了区块链数据安全可靠性。

（4）追溯性强。区块链系统一来时间戳等给数据创造了时间维度，让受众能够实时了解数据库从源头更新至最佳状态的过程。

2 共享充电链技术方案

区块链技术和电动汽车充电链建设之间的共享经济发展模式成为国内诸多学者的研究焦点。有专家学者提出将比特币区块链作为底层支撑，结合闪电网络、智能合约能建立安全可靠的点对点共享充电桩方案。比特币在区块链中的应用较为成熟，借鉴意义大。但是，比特币区块链是公链，具有公开用户隐私、吞吐量低等劣势。且因为比特币价值缺乏稳定性，所以，将比特币视作充电交易结算货币缺乏可靠性。构建联盟链TPS 高、能有效满足充电桩共享中的支付需求，且联盟链能有效保护用户隐私，成效显著。目前来看，构建基于联盟链的充电桩共享系统具有较大的现实意义。基于联盟链的充电桩共享系统主要涉及以下几点内容：

（1）共识机制。区块链系统中无需中心化的节点来管理数据库，因此，系统内全部的“改变”、“决策”等的实现都在很大程度上依赖于节点间的共识机制。

（2）底层区块链。其为区块链系统搭建了完善的底层框架，建立分布式、去中心化、全方位维护的实时动态加密数据库，数据严格遵循时间戳顺序来实现链式存储，进而提高数据库内数据的无可篡改性、安全可靠性。

（3）普通节点。普通节点不参与数据记录与共识，仅接受系统提供的服务，其能够向联盟节点发出申请，要求审阅链上所记录的数据，获得批准后就能自由读取充电交易数据。

（4）联盟节点。其作为联盟链内功能最齐全的节点，多以系统管理员、充电桩运营商为主，联盟链能够向底层区块链写进、更新并验证数据，还可以赋予普通用户读取区块链上数据的资格。

2.1 电动汽车充电桩共享系统模块

（1）底层区块链结构和种类。新形势下，为建立全方位、多角度共同记账和维护账本、公平交易数据、保护隐私的充电桩共享系统，多将联盟链视作底层区块链。联盟链内节点获得授权后加入，有效提高节点的安全可靠性。相比普通节点，联盟节点能够向区块链上写进数据，但普通节点只能获得批准授权才能访问数据，那么交易数据就不会对外全部公开，在很大程度上保证了用户隐私。联盟节点将充电交易数据打包发送至区块内，联盟链内不同节点形成共识以后，利用哈希指针连接至最长区块链，区块头内有时间戳，如此确保交易数据不可随意被篡改。联盟节点间利用P2P 网络实现节点通信、节点间发现。利用非对称加密算法来有效加密数据，确保用户交易隐私不被侵犯（详见图1）。

图1：电动汽车充电桩共享系统及其方案设计

用户通过扫描二维码，当服务器接收到用户端指令之后，通过路由器进行数据传输，然后充电桩收到指示信号，将信息传递到主板，此时，经过主板分别将信号传递给通信模板和后台的运营管理终端，当终端设备接收到通信模板信号之后，会开始运行，最后将数据输出到用户手机端。

（2）普通节点。就是指获得充电桩充电服务的电动车，车主在利用手机安装相关APP 以后，利用APP 打开充电桩接口来为汽车充电，在充电完成以后支付费用。其次，用户还能利用APP 向联盟节点申请查看交易记录。

（3）联盟节点。新能源汽车企业、充电桩运营商以及共享平台运营商等时联盟链中的联盟节点，他们具备区块链上的记账权，且能够向区块链写进充电交易信息数据，当数据被写进链上后，就不能再篡改。

（4）共识机制。联盟链多使用拜占庭容错共识算法来形成节点共识，节点共识过程为：首先，主要节点通过其它联盟节点采集交易数据，并重新生成全新交易区块，并利用私钥在全新交易区内数字签名，和新区块哈希共同打包，并发给各从节点，从节点来验证区块内交易。系统选举产生主节点，利用同个模运算，也可选择存活节点编号最小的节点作为主节点，公式为：P=Vmod|R|，其中，P 代表节点编号，V 代表视图编号，|R|代表节点数。若遇到主节点恶意更改或者掉线问题，应启动视图更换。其次，从节点接收主节点广播得到的交易区块以后，至关重要的一点是检查区块头内区块哈希值与数字签名信息，进而有效检验交易的精准性、合法合规性，接着从节点在验证结论上进行数字签名，利用P2P 网络传输至其它从节点，如此有利于共验证新区块的安全可靠性。另外，如果从节点接到其它节点传至的新区块验证结论以后，比对自己所进行的新区块验证结论，获得审计对比结果。从节点在这些结果上进行数字签名，并发送至主节点。最后，主节点针对不同的审计结果进行有针对性的操作。若全部联盟节点都认可线下交易区块，主节点会在交易区块上附上全部参与交易区块验证的从节点数字证书、数字签名等信息，并全部发给全部从节点，当从节点接收到这些数据区块以后实现数据的同步性，并遵循时间顺序链接至当前联盟链内。但是，若存在少数从节点不认可当前交易区块，那么主节点会命令相关节点重新对交易区块审计，结合最新审计结果，若出现超过一半的从节点认同数据区块，那么主节点与从节点仍然会根据第一种情况把交易区块增加到联盟链内。如果第二次审计中还存在不认可的问题，那么主节点会深入探究，查看这些节点有无故意作恶的问题，若存在故意作恶问题，那么主节点严格处罚这些节点，如，将其直接清除等。

2.2 电动汽车充电桩共享系统实施过程

在确定好电动汽车充电桩共享系统模块以后，要注重丰富并完善联盟链功能，注重研发基于联盟链的充电桩共享系统。系统框架中的底层联盟链功能应包括用户管理、充电费用结算、充电交易记录等诸多功能。注重完善充电联盟链基础服务，研发基于底层联盟链的去中心化应用EVSmart，EVSmart 从本质上来说是作为智能合约被安排在区块链内的，旨在为外部应用完善接口服务，确保用户能够自由访问链上数据等服务。还要结合实际情况为广大用户开发交互系统EVSmartAPP，应包括充电操作、充值以及余额查询等功能，EVSmartServer 作为系统中由充电桩运营商维护的后台服务系统，也能够结合实际情况委托给平台开发或者提供商来维护管理。EVSmart 客户端和充电桩间的转换器是关键，其功能包括充电权限校验、启动结束充电、调用充电桩接口、钱包等等。基于联盟链的充电桩共享系统框架中的每个运营商都有一个server，在具体运用过程中可能够利用一个server 支持两个或者两个以上运营商，如果有运营商需要接入，只要重新开发调用接口就行。EVSmart 管理系统中，不仅能够为手机APP 后台提供完善的支持服务，还具备了充电交易统计与查询、用户管理、服务监控等诸多完善的功能。

3 结束语

综上所述，随着科技的进步、经济的发展，人们的环保意识越来越强，新能源汽车逐渐取代传统的燃油汽车，具有广阔的发展空间，但城市配套的充电设备却跟不上新能源汽车发展步伐，充电桩数量匮乏、规模较小，充电难问题直接阻碍了新能源汽车的进一步发展。虽然政府也建设了一些公共充电桩，但这些充电桩无法满足新能源汽车日益增长的充电需求。基于此，建立共享模式来共享私人充电桩成为缓解充电难的重要手段，也能有效减少政府对公共充电桩建设成本。但是，电动汽车车主和充电桩运营商间存在信任问题，难以针对充电交易、充电费用形成共识。新形势下，区块链技术因为其不可篡改、可追溯性、去中心化等优势受到社会各界的广泛关注。上文中主张的基于联盟链的电动汽车充电桩共享系统的建立，让多方记账成为可能，在很大程度上增加了彼此之间的信任程度，且共识机制也在一定程度上满足了对交易处理速度的要求，利用智能合约让用户在充电完成以后能够自动结算电费，有效提升了充电费用的公开透明性、公平性，并获得了多方认可。其次，只有联盟节点才能够查看充电交易记录，如此有效确保了广大用户隐私不被侵犯。目前来看，文中主张的这一充电共享系统已通过验证，也通过了验证，各项功能均能有效实现，能够满足车主日常充电需求，具有广阔的发展空间。