CN115631579A - 基于区块链的充电桩计量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的充电桩计量方法及系统，此方法包括步骤：S1、预先在区块链平台中完成电动汽车与家用电表ID的绑定注册；S2、建立充电桩与区块链平台之间的通信，电动汽车通过充电桩与区块链平台连接，进行车桩安全认证；S3、在车桩安全认证通过后，充电桩对电动汽车进行充电并计量，并将计量信息发送至区块链平台形成充电帐单，再将充电帐单直接计入家庭电费账单。本发明能够提高充电设施使用效率和车主体验、简化了充电基础设施建设和运营。

Description

基于区块链的充电桩计量方法及系统

技术领域

本发明主要涉及新能源汽车充电桩技术领域，具体涉及一种基于区块链的充电桩计量方法及系统。

背景技术

随着新能源汽车的快速普及，主要实现车用电池的充电及用户计费的充电桩已经成为重要的新型基础设施，其建设和发展对我国新能源汽车产业的发展具有重要意义。

目前，在充电桩运营平台中，充电桩主要通过有线方式(以太网、CAN总线等)和无线方式(CDMA等)实现通信，通过APP完成用户的认证，通过置入智能电表和刷卡器进行电量计费以及缴费，通过运营管理平台进行业务管理和技术支持。然而，随着新能源汽车数量的快速增加和用户数量的迅速扩大，目前的充电桩功能、应用及运营模式面临着极大的挑战。通过APP实现用户的认证，需要依赖于可信第三方，这种中心化认证方式存在着易遭受内外攻击而引发单点故障或数据被篡改等安全问题；计费方面，同样也存在数据不安全问题。在运营方面，存在多个平台管理分散，效率低下以及重复建设的弊端。上述问题都严重制约了我国充电桩基础设施的建设和发展，限制了新能源汽车的快速普及。如何实现简单、高效、安全的充电桩应用和运营模式已经成为研究的重要方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种提高充电设施使用效率和车主体验、简化了充电基础设施建设和运营的基于区块链的充电桩计量方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于区块链的充电桩计量方法，包括步骤：

S1、预先在区块链平台中完成电动汽车与家用电表ID的绑定注册；

S2、建立充电桩与区块链平台之间的通信，电动汽车通过充电桩与区块链平台连接，进行车桩安全认证；

S3、在车桩安全认证通过后，充电桩对电动汽车进行充电并计量，并将计量信息发送至区块链平台形成充电帐单，再将充电帐单直接计入家庭电费账单。

优选地，在步骤S1中，绑定注册过程涉及用户电动汽车识别信息、用户家庭电表ID及用户本人信息，通过上述信息的绑定和交换，完成与电网公司的签约。

优选地，在步骤S2中，采用基于区块链技术的智能合约实现认证；合约由电网运营商与电动汽车车主双方确定，合约中规定了认证过程中所需的电动汽车指纹内容；通过交易双方签字生效，上传到区块链上；当认证事件发生时，智能合约自动执行，进行相应的认证操作，完成此次认证；充电桩检测到电动汽车连接时，向电动汽车发送指纹请求；其中指纹请求包括电动汽车ID、电池组ID硬件标识信息；电动汽车接收到请求后，返回其指纹信息；充电桩收到电动汽车指纹信息后，根据共识机制选取负责此次认证的一个区块链节点并向该区块链节点发送安全认证请求；该节点接收到请求后，向充电桩返回认证所需的信息；充电桩接收到消息后，将电动汽车的指纹信息发送到区块链中，此时合约条件被触发，智能合约自动执行；智能合约向区块链节点返回认证结果；最后，区块链节点将认证结果返回给充电桩，从而完成整个电动汽车认证过程。

优选地，在认证完成后，将采用加密算法对认证数据进行加密，加密后的认证数据被写入智能合约并存储到区块节中。

优选地，步骤S3的具体过程为：采用智能合约机制触发月结电费账单生成及支付交易；其中充电账单存储到区块中；当共识时间到达时，触发区块链上的智能合约；智能合约按照事前用户与电网公司约定，分别计算预定周期内，该电动汽车用户充电数据以及与之绑定的家用电表用电数据，形成该用户月度总用电清单；根据月度总用电清单，结合充电电量、家用电量与计费信息的映射关系，采用分级收费计费策略，确定总月度费用；同时建立电动车主、充电桩以及电网运营商之间的支付通道，按照计算出来的月度总费用，完成此次交易，并将交易记录储存在区块中。

优选地，在进行交易时，通过智能合约打开交易通道，在链下完成交易；完成交易后，将交易数据上传到区块链中，具体过程如下：

给电动车主A，电网运营商保留哈希密钥R；

建立充电桩A和电网运营商之间的基于HTLC的支付通道；

当充电完成后，电网运营商向电动车主A提交密钥R，电动车主A利用哈希值验证密钥R，验证成功后，根据智能合约，电网运营商自动获得交易金，即完成此次交易。

优选地，区块的区块头包括了版本号、前个区块哈希值、默克尔根、时间戳、难度值和随机数；区块体中存储当前区块中的所有充电计费交易信息；每个区块记录了一段时间内的交易信息并被打包存储于区块体中，每个区块的头部块包含了前一个区块经过哈希函数处理后的哈希值，各区块以此哈希值顺序相连构成区块链。

优选地，区块体内的充电交易信息以默克树形式保存并用其根节点连接区块头和区块体；整个区块链信息是对所有节点开放，各节点通过检查新区块的完整性和计算哈希值来进行验证区块内充电交易信息是否正确。

优选地，智能合约设计的主要内容包括：1)管理员按照系统的需求，定义用户角色，同时为各节点分配权限；2)节点的准入准出需要管理员审批，当节点请求接入链时，管理员发起交易，交易达成共识后，节点接入；同理，节点申请接出时，管理员发起交易，交易达成共识后，节点接出，链接断开；3)普通用户调用智能合约时，若用户具有调用智能合约的权限，则允许调用；反之，拒绝调用。

本发明还公开了一种基于区块链的充电桩计量系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于区块链的充电桩计量方法，具有如下优点：

一是将电动汽车识别信息与家庭电表设备ID绑定，从而实现电动汽车在任一充电桩上充电的费用直接计入家庭电费账单，避免了多运营平台、多支付渠道以及多主体结算的弊端，简化了充电基础设施建设和运营；

二是利用区块链，完成充电桩对接入电动汽车的快速身份自动识别以及充电费用账单的自动记账，从而实现即插即充，充完即走，极大地提高了充电设施使用效率和车主体验。

附图说明

图1为本发明的计量系统在实施例的方框结构图。

图2为本发明中的并表计费平台在实施例的方框图。

图3为本发明中的并表计费方法在实施例的流程图。

图4为本发明中的区块更新示意图。

图5为本发明中的支付通道示意图。

图6为本发明的计量方法在实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图6所示，本发明实施例提供了一种基于区块链的充电桩计量方法，包括步骤：

S1、预先在区块链平台中完成电动汽车与家用电表ID的绑定注册；

S2、建立充电桩与区块链平台之间的通信，电动汽车通过充电桩与区块链平台连接，进行车桩安全认证；

S3、在车桩安全认证通过后，充电桩对电动汽车进行充电并计量，并将计量信息发送至区块链平台形成充电帐单，再将充电帐单直接计入家庭电费账单。

本发明的基于区块链的充电桩计量方法，具有如下优点：

一是将电动汽车识别信息与家庭电表设备ID绑定，从而实现电动汽车在任一充电桩上充电的费用直接计入家庭电费账单，避免了多运营平台、多支付渠道以及多主体结算的弊端，简化了充电基础设施建设和运营。

二是利用区块链，完成充电桩对接入电动汽车的快速身份自动识别以及充电费用账单的自动记账，从而实现即插即充，充完即走，极大地提高了充电设施使用效率和车主体验。

在一具体实施例中，区块链在安全认证方面的能力能够有效解决目前充电桩的设备认证问题，为充电桩实现简单高效的快捷接入和安全的运营管理提供了解决思路。具体地，步骤S2中的汽车认证主要包括三个阶段：注册、认证和状态监控。其中电动汽车用户在接入充电服务前，首先需要在系统完成相关信息注册。注册过程涉及用户电动汽车识别信息、用户家庭电表ID及用户本人信息，通过上述信息的绑定和交换，完成与电网公司的签约。上述绑定信息将存储到区块中，实现用户所属电动汽车在任一充电桩上充电所产生的费用与用户家庭电表ID自动关联，从而实现电动汽车与家庭用电的并表计费，简化用户充电的认证和支付流程，减少中间运营环节，实现即插即充，充完即走。通过并表计费可以将电动汽车的充电过程简化为日常手机等电子设备的充电过程，即把用户的电动汽车转换成家庭用电设备，通过统一的电表实现费用核算。

认证主要包括三个过程：车桩通信、桩链通信以及认证信息存储。采用基于区块链技术的智能合约实现认证。合约由电网运营商与电动汽车车主双方确定，合约中规定了认证过程中所需的电动汽车指纹等内容。最后通过交易双方签字生效，上传到区块链上。合约的执行过程、结果以及合约中的代码对链上用户公开。当认证事件发生时，智能合约自动执行，进行相应的认证操作，完成此次认证。车桩通信当电动汽车接入充电桩时，首先通过CAN总线与充电桩建立通信。充电桩检测到电动汽车连接，向电动汽车发送指纹请求，其中，指纹请求包括电动汽车ID，电池组ID等设备硬件标识信息。电动汽车接收到请求后，返回其指纹信息。

充电桩收到电动汽车指纹信息后，根据共识机制选取负责此次认证的一个区块链节点并向该区块链节点发送安全认证请求。该节点接收到请求后，向充电桩返回认证所需的信息。充电桩接收到消息后，将电动汽车的指纹信息发送到区块链中，此时合约条件被触发，智能合约自动执行。智能合约向区块链节点返回认证结果。最后，区块链节点将认证结果返回给充电桩，从而完成整个电动汽车认证过程。认证完成后，将采用加密算法对认证数据进行加密，加密后的认证数据被写入智能合约并存储到区块节中。

充电桩具备实时状态监控功能，以便及时检测充电事件并执行相应处理。充电桩中的控制模块，实时监控接入汽车的充电状态。若设备断开，则执行充电结束处理，形成此次充电电量记录并开始计费流程。

如图2所示，基于区块链的并表计费主要实现用户电动汽车充电费用与家庭电表捆绑，实现电动车用户像使用家用电器一样使用电动车。整个并表计费平台采用智能合约机制触发月结电费账单生成及支付交易。

如图3所示，基于区块链的并表计费流程如下：当充电桩检测到充电枪设备连接后，经前述的电动汽车身份认证过程并成功过后，电动汽车开始充放电。

充电桩的控制模块，检测到充电完成后，形成此次充电账单并存储到系统的区块中。当共识时间到达时，触发区块链上的智能合约。智能合约按照事前用户与电网公司约定，分别计算一个月内，该电动汽车用户充电数据以及与之绑定的家用电表用电数据，形成该用户月度总用电清单。根据月度总用电清单，结合充电电量、家用电量与计费信息的映射关系，采用分级收费等计费策略，确定总月度费用。同时建立电动车主、充电桩以及电网运营商之间的支付通道，按照计算出来的月度总费用，完成此次交易，并将交易记录储存在区块中。

在一具体实施例中，区块链技术的基本处理单元是数据块，它存储一定时间内的所有交易数据和相关的验证信息。区块链数据按照时间顺序以链的形式组织成特定的数据结构。区块头包括了版本号、前个区块哈希值、默克尔根、时间戳、难度值和随机数。其中，版本号记录存储区块链系统和协议的相关版本号；前个区块哈希值：记录前一个区块的哈希值。根据父区块哈希值，所有的区块可以连接在一起形成区块链；区块链中默克尔树根的哈希值能够用于快速检查当前区块中所有存储事务的正确性；时间戳则是以年月日小时和秒记录区块生产时间；难度值为工作量证明算法要解决的目标难度值；随机数记录当前的工作量证明算法的解决方案。

区块体中主要存储当前区块中的所有充电计费交易信息。该数据库是按照时间顺序将充电记录数据生成区块。每个区块记录了一段时间内的交易信息并被打包存储于区块体中，每个区块的头部块包含了前一个区块经过哈希函数处理后的哈希值，各区块以此哈希值顺序相连构成区块链。因此，这些交易将永久链接到以前的一系列交易。为了提高区块链中各节点验证交易信息的效率，区块体内的充电交易信息以默克树形式保存并用其根节点连接区块头和区块体。整个区块链信息是对所有节点开放，各节点可以通过检查新区块的完整性和计算哈希值来进行验证区块内充电交易信息是否正确。

另外，交易广播机制负责向向全网广播充电桩与电动汽车之间的一次充电交易信息，各个节点更新区块链信息，并标记同步完成状态。充电桩交易服务网关定期更新区块链信息，保持完成的区块链信息，同时解析区块信息，形成结构化信息，存入数据库，如图4所示。

在一具体实施例中，智能合约扩展了区块链的功能，能够实现复杂的业务逻辑。针对充电便利性需求，结合智能合约，在以太坊区块链平台中实现充电桩的并表计费，从而确保结算过程的简单化和结构化，并具备透明度和可审计性。在充电桩并表计费系统的智能合约中，包含了角色管理和权限控制的服务，并将该服务设计为控制合约。合约设计的主要内容包括：1)管理员按照系统的需求，定义用户角色，同时为各节点分配权限；2)节点的准入准出需要管理员审批，当节点请求接入链时，管理员发起交易，交易达成共识后，节点可接入。同理，节点申请接出时，管理员发起交易，交易达成共识后，节点可接出，链接断开。3)普通用户调用智能合约时，若用户具有调用智能合约的权限，则允许调用；反之，拒绝调用。

库合约是智能合约中的一种特殊形式，引入模块化方法，通过EVM调用方式完成代码复用。本发明的并表计费系统库合约主要定义了表示数据的结构体，如用户信息的数据结构、电费信息的数据结构等，业务合约主要是实现各种功能，分为管理员业务和普通用户业务。管理员是具有最高权限的用户，拥有自己的界面，能够添加普通用户、确认交易、设置规则等。普通用户依据自己的角色也拥有相应的界面，合约功能包括参数设置、计量计费、支付、数据采集、数据传送、各种信息的查询、显示、存储等。

区块链以分布式点对点的方式将新能源汽车，充电桩及用户等各交易主体连接起来，各主体之间可以根据业务需要自由地定制交易智能合约，在合约中写入执行规则，并用数字化编码存入区块链中，合约中约定的条件事项的发生将自动触发合约的执行。

具体设计过程为：参与方共同协商，明确各自权利与义务，进而确定标准合约文本，将程序化后的文本验证完成后，获得标准合约代码。合约规范需要由具备相关领域专业知识的专家和合约方进行协商制定。例如：在家庭用电侧，电力公司与用户在区块链上签署智能合约，明确电量、协议电价、违约责任等要素。建立在区块链基础上的智能电表直接把电量记录在分布式账本上，自动抄表、自动计量、自动计费，自动履行智能合约。

系统可以规定，每月1号为并表计费账单日，当交易时间到达时，部署在区块链上的计费智能合约代码将被自动执行，计算该电动车用户用电总费用。此时虽然形成了成交信息，但资金未完成转移，成交信息需转移至交易管理系统中，由管理员用户进行确认。上述智能合约的设计，能够帮助交易各方自动、快速、可信地完成交易，降低市场交易的信任成本，避免人为操作的错误，提高清结算效率，同时推动电力交易市场的智能化。编写的智能合约经编译后部署到区块链上，外部应用(如前端用户界面)通过JSON-RPC方式来进行调用。节点本地的以太坊虚拟机通过ABI访问智能合约代码，并根据预置响应规则自动执行，合约执行的结果输出给用户，合约值和状态的改变会记录到区块链上。

另然，传统的基于区块链的充电桩计费平台中，会有多个运营商收取交易金，存在二次收费问题，增加了电动车主的使用成本。本发明基于区块链的并表计费，电动车主与电网运营商直接进行交易，不需要其他运营商参与，支付通道如图5所示。根据电动汽车用户和电网运营商间的高频低额的交易特点，通过智能合约，打开交易通道，在链下完成交易。完成交易后，将交易数据上传到区块链中。其过程如下：

1.给电动车主A，电网运营商保留哈希密钥R；

2.建立充电桩A和电网运营商之间的基于HTLC的支付通道；

3.当充电完成后，电网运营商向电动车主A提交密钥R，电动车主A利用哈希值H(R)验证密钥R，验证成功后，根据智能合约，电网运营商自动获得交易金，即完成了此次交易。

本发明通过以太坊平台，利用智能合约技术，通过编写智能合约实现充电桩充电与家庭用电的并表计费，为区块链在车联网中的应用提供了重要参考，结果表明，系统能够在保证充电和交易安全的同时，实现电动车即插即充，充完即走，按月与家庭用电统一收费，极大方便了车主以及充电桩的运营和管理。

如图1所示，基于区块链的充电桩并表计费系统构架为：

充电桩侧主要完成区块链平台接入、电动汽车身份认证、汽车充电、电量计量以及状态监控等功能；通信模块同时布署于充电桩侧和平台侧，共同完成常规的车桩通信，并为上层区块链平台运行提供底层通信保障，完成充电桩与区块链平台信息的接收与传递；电动汽车通过充电桩的通信模块与平台连接，完成车桩安全认证。平台侧通信模块支撑上层应用实现用户信息采集与展示、实时数据采集与展示、充电流程控制、计量计费等功能。本系统底层通信可支持5G、电力线通信等多种技术实现。区块链平台主要完成用户电动汽车与家用电表ID的绑定注册，充电汽车身份的识别认证、交易执行、数据存储、数据安全等功能；运营平台主要完成电费账单生成、查询、费用核算以及形成月度清单等功能。

本发明实施例还公开了一种基于区块链的充电桩计量系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述方法的步骤。本发明的充电桩计量系统与上述计量方法相对应，同样具有如上计量方法所述的优点。

如本公开和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于区块链的充电桩计量方法，其特征在于，包括步骤：

S1、预先在区块链平台中完成电动汽车与家用电表ID的绑定注册；

S2、建立充电桩与区块链平台之间的通信，电动汽车通过充电桩与区块链平台连接，进行车桩安全认证；

S3、在车桩安全认证通过后，充电桩对电动汽车进行充电并计量，并将计量信息发送至区块链平台形成充电帐单，再将充电帐单直接计入家庭电费账单。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的充电桩计量方法，其特征在于，在步骤S1中，绑定注册过程涉及用户电动汽车识别信息、用户家庭电表ID及用户本人信息，通过上述信息的绑定和交换，完成与电网公司的签约。

3.根据权利要求1或2所述的基于区块链的充电桩计量方法，其特征在于，在步骤S2中，采用基于区块链技术的智能合约实现认证；合约由电网运营商与电动汽车车主双方确定，合约中规定了认证过程中所需的电动汽车指纹内容；通过交易双方签字生效，上传到区块链上；当认证事件发生时，智能合约自动执行，进行相应的认证操作，完成此次认证；充电桩检测到电动汽车连接时，向电动汽车发送指纹请求；其中指纹请求包括电动汽车ID、电池组ID硬件标识信息；电动汽车接收到请求后，返回其指纹信息；充电桩收到电动汽车指纹信息后，根据共识机制选取负责此次认证的一个区块链节点并向该区块链节点发送安全认证请求；该节点接收到请求后，向充电桩返回认证所需的信息；充电桩接收到消息后，将电动汽车的指纹信息发送到区块链中，此时合约条件被触发，智能合约自动执行；智能合约向区块链节点返回认证结果；最后，区块链节点将认证结果返回给充电桩，从而完成整个电动汽车认证过程。

4.根据权利要求3所述的基于区块链的充电桩计量方法，其特征在于，在认证完成后，将采用加密算法对认证数据进行加密，加密后的认证数据被写入智能合约并存储到区块节中。

5.根据权利要求3所述的基于区块链的充电桩计量方法，其特征在于，步骤S3的具体过程为：采用智能合约机制触发月结电费账单生成及支付交易；其中充电账单存储到区块中；当共识时间到达时，触发区块链上的智能合约；智能合约按照事前用户与电网公司约定，分别计算预定周期内，该电动汽车用户充电数据以及与之绑定的家用电表用电数据，形成该用户月度总用电清单；根据月度总用电清单，结合充电电量、家用电量与计费信息的映射关系，采用分级收费计费策略，确定总月度费用；同时建立电动车主、充电桩以及电网运营商之间的支付通道，按照计算出来的月度总费用，完成此次交易，并将交易记录储存在区块中。

6.根据权利要求5所述的基于区块链的充电桩计量方法，其特征在于，在进行交易时，通过智能合约打开交易通道，在链下完成交易；完成交易后，将交易数据上传到区块链中，具体过程如下：

给电动车主A，电网运营商保留哈希密钥R；

建立充电桩A和电网运营商之间的基于HTLC的支付通道；

当充电完成后，电网运营商向电动车主A提交密钥R，电动车主A利用哈希值验证密钥R，验证成功后，根据智能合约，电网运营商自动获得交易金，即完成此次交易。

7.根据权利要求5所述的基于区块链的充电桩计量方法，其特征在于，区块的区块头包括了版本号、前个区块哈希值、默克尔根、时间戳、难度值和随机数；区块体中存储当前区块中的所有充电计费交易信息；每个区块记录了一段时间内的交易信息并被打包存储于区块体中，每个区块的头部块包含了前一个区块经过哈希函数处理后的哈希值，各区块以此哈希值顺序相连构成区块链。

8.根据权利要求7所述的基于区块链的充电桩计量方法，其特征在于，区块体内的充电交易信息以默克树形式保存并用其根节点连接区块头和区块体；整个区块链信息是对所有节点开放，各节点通过检查新区块的完整性和计算哈希值来进行验证区块内充电交易信息是否正确。

9.根据权利要求5所述的基于区块链的充电桩计量方法，其特征在于，智能合约设计的主要内容包括：1)管理员按照系统的需求，定义用户角色，同时为各节点分配权限；2)节点的准入准出需要管理员审批，当节点请求接入链时，管理员发起交易，交易达成共识后，节点接入；同理，节点申请接出时，管理员发起交易，交易达成共识后，节点接出，链接断开；3)普通用户调用智能合约时，若用户具有调用智能合约的权限，则允许调用；反之，拒绝调用。

10.一种基于区块链的充电桩计量系统，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1～9中任意一项所述方法的步骤。

Images