BlockEV：基于区块链的隐私保护充电站选择

BlockEV：面向电动汽车的高效安全充电站选择

摘要

智能交通系统（ITS）已成为国家经济和技术发展的关键组成部分。通信技术（车对基础设施（V2I）和车对车（V2V））的成熟，以及智能电网、电动汽车（EV）和能源交易的融合，为绿色ITS带来了大量研究机遇。此外，车载通信技术与ITS的结合实现了电动汽车充电站（CS）的高效选择，并能够实时调度电动汽车的充电需求。然而，能源市场和电动汽车充电基础设施的不可信的中心化特性给电动汽车用户的私人信息带来了多种隐私和安全威胁。这些安全与隐私威胁包括定向广告、隐私泄露、向第三方出售数据等。在本研究中，我们提出了BlockEV，一种基于区块链的高效充电站选择协议，旨在保障电动汽车用户的安全与隐私、充电站预留时间段的可用性、高质量的服务质量（QoS）以及提升电动汽车用户的舒适度。首先，我们引入一个基于区块链的框架，通过执行智能合约来实现安全充电服务和可信预约。其次，我们专注于高效的充电站选择，提出一种机制，使电动汽车能够在本地选择充电站，而无需向充电站共享私人信息，同时满足其服务需求。评估结果表明，所提出的BlockEV具有良好的可扩展性，且区块链交易和存储开销显著较低。

索引词

—电动汽车，区块链，充电站，安全与隐私，智慧城市。

I. 引言

电动汽车（EVs）是智慧城市中新兴的未来智能交通系统（ITS）[1],[2]应用，且已被公认为相较于传统车辆减少CO2排放的有前景解决方案。电动汽车的数量正在以显著的速度增长，根据国家目标，预计每年将有超过2亿5000万辆电动汽车投入使用，到2030年[5]。这一快速增长将为管理电动汽车充电带来新的挑战，因此，为了确保电动汽车行业的长期可行性，有必要高效地管理电动汽车充电，以向电动汽车驾驶员提供至关重要的便利性。以往关于电动汽车充电管理的研究主要集中在停放在充电站（CSs）或家庭中的电动汽车的充电调度，以决定电动汽车应在何时充电，从而优化充电站效率[6]。最近，随着在自由化市场中部署的公共充电站数量增加，并出现竞争性能源运营商，不同的充电站提供商基于电力负荷和可用充电级别（即慢充或快充）实施动态定价[7]。此外，高峰定价方案可能被采用以转移负荷，因此当前的研究趋势正转向应选择哪个充电站为特定电动汽车充电[8]，因为每个能源提供商根据当前负荷、能源可用性和等待时间提供不同的价格[7]。国际可再生能源署（IREA）认为，智能充电和用户激励（如动态定价）是释放来自电动汽车的灵活性潜力的两个关键因素，这对于未来电动汽车与可再生能源的成功电网集成至关重要[9]。此外，当前趋势正朝着竞争性充电网络之间的动态定价发展，以使电动汽车公共充电成为可行的商业模式[10]，例如在美国，许多充电网络运营商（Electrify America、特斯拉、Blink、ChargePoint、eVgo）正在进入市场，提供每分钟或每千瓦时（kWh）不同的充电价格。

鉴于上述动态电动充电网络，本文解决了第一个问题：在满足每辆充电电动汽车服务需求的同时，如何保护电动汽车用户的隐私，选择合适的充电站。具体而言，我们的目标是将决策能力从中央管理和充电站转移到电动汽车自身，以更好地保护电动汽车用户的隐私。我们考虑一个由电动汽车和已部署的充电站组成的网络，其中每辆行驶中的电动汽车在价格、充电时间、行驶时间和等待时间方面具有不同的服务需求，并且每辆电动汽车都能够根据其服务需求，以分布式方式自主选择充电站，同时加以考虑其附近存在多个充电站。此外，一些电动汽车用户的服务需求具有弹性，例如，部分用户愿意以更低的价格充电，但可以接受更长的等待和行驶时间，而其他电动汽车用户则倾向于较短的等待时间，但愿意支付更高的充电价格。这种由单个电动汽车进行的充电站选择机制将对充电站网络的可行性产生重要且长期的影响，因为它将缓解某些充电站的拥堵情况，即充电站通过为不同时间段提供预先预约来实现。此外，它还将通过优化价格和为电动汽车用户提供更好的服务质量（QoS）来提升用户舒适度。最后，电动汽车能够在不向充电站或其他网络实体共享其私人信息的情况下，做出去中心化的充电站选择决策。

目前，行业标准协议正在实现充电网络中电动汽车和充电站之间的通信，例如 ISO 15118 和开放充电点协议（OCPP）[11]。然而，这些行业标准协议存在严重的安全与隐私威胁。ISO 15118 协议涉及一个可信中介移动运营商，该运营商保留电动汽车的私有信息（电动汽车身份、位置、充电状态、充电参数、可用性以及支付信息），以认证和识别电动汽车[12],[13]。此外，它还会跟踪移动中的电动汽车，将其引导至合适的充电站进行充电，如果该移动运营商有意或无意泄露电动汽车的私有信息，则会引发严重担忧[13]。此外，当电动汽车或充电站在充电协议中行为异常时，该协议并未提供可追溯性和问责机制[13]。OCPP 充电协议同样面临相同的安全与隐私问题[11],[14]。为了在充电站预约充电时段，电动汽车需将其私有信息发送给可信的中央管理实体，然后由该中央实体将此信息转发至充电站，为电动汽车预留充电时段[11]。此外，即使采用了传输层安全性（TLS），OCPP 仍容易受到冒充攻击，攻击者可伪装成充电站或中央实体，请求或获取有关充电交易的电动汽车私有数据[11]。

由于电动汽车的私人信息由受信任的中心化中介处理，此类私有数据的收集以及对电动汽车的跟踪引发了严重的隐私与安全问题[7],[15]。已发现，电动汽车的私人信息被用于车辆的位置追踪，以及预测电动汽车用户的习惯，例如工作时间、工作场所及其他重要模式[7],[16]。同样，恶意企业可通过使用电动汽车的位置信息对其开展定向广告[7],[17]。此外，这些中心化决策机制本身也存在漏洞，因其构成了单点故障。最后，中心化的电动汽车充电调度存在可扩展性问题，即网络中大量电动汽车导致高通信和计算需求[18]。由于中心化的电动汽车充电协议带来了严重的隐私与安全问题以及高昂的通信成本，有必要去除受信任的中介，提出一种去中心化的电动汽车充电协议。因此，针对上述安全与隐私问题，我们着手解决以下问题：电动汽车如何在不依赖可信中介的情况下与充电站进行通信，在共享私人信息的同时，确保其身份安全。

此外，在当前的电动汽车充电协议中，电动汽车通过向可信的中央管理和充电站共享其私人信息来预约充电站的充电时段，由中央管理或充电站为电动汽车做出预约决策。因此，现有解决方案要求电动汽车以去中心化的方式自主决定充电站选择机制，而无需将私人信息共享给网络中的其他实体。除了隐私问题外，充电预约的正确交易逻辑通常未被正确实施[7]。例如，一个充电站可以承诺在特定时间段进行远程预约时提供某个价格，但当电动汽车到达时价格却发生变化；反之，电动汽车可以对某个充电站进行远程预约，但却未能按时到达。因此，鉴于电动汽车与充电站之间的这些信任问题，我们解决以下问题：如何强制电动汽车和充电站在预约达成后诚实履行预约，并使其在充电协议中的行为和不当行为具有可问责性和可审计性[13]。

为了解决上述隐私和安全问题，我们提出使用基于区块链的分布式账本技术（DLT）[4],[19]。现有研究通过采用基于区块链的解决方案来解决电动汽车充电协议的问题。然而，这些研究在其设计中假设了可信第三方/中心聚合器的存在，这些实体会处理电动汽车的私人信息，因此电动汽车的隐私在很大程度上被忽视。此外，[7]中的作者提出了隐私保护的电动汽车充电协议，但该工作在电动汽车或充电站于充电协议中行为异常时，缺乏可追溯性、问责性和可用性。此外，该工作缺乏关于电动汽车在不泄露其私人信息的情况下进行隐私保护的充电站选择的技术细节和理论建模。最后，[7]中提出的设计在区块链网络中产生了较大的交易和存储开销。因此，本文解决了两个主要的研究挑战：第一个研究挑战是，电动汽车如何在不向充电站或中心实体披露其私人信息的前提下，私密地进行充电站预约，并保证充电站的可用性，同时强制交互实体（电动汽车和充电站）在非可信环境中遵守预约和支付机制；第二个研究挑战是，单个电动汽车如何在去中心化方式下高效地做出充电站选择决策，且不向充电站及其他网络实体泄露其私人信息。

为了解决第一个研究挑战，我们提出了BlockEV，一种基于区块链的电动汽车充电协议，使电动汽车能够在不共享其私人信息的情况下与充电站进行通信。该协议旨在确保信任、隐私、可审计性和可追溯性，并强制电动汽车和充电站遵守能源交易协议并诚实运行。区块链提供了不可篡改性、透明性、匿名性、可用性，能够在非可信环境中在无需可信第三方中介的情况下建立信任，从而实现充电站与电动汽车之间透明、防篡改且安全的能源交易，使得电动汽车可以在不向可信中介或充电站泄露私人信息的情况下完成充电站预约。所提出的BlockEV在确保电动汽车用户隐私的同时与充电站交互，以远程预约充电站场所内的充电插槽。此外，BlockEV 还确保在充电站预留的充电插槽的可用性，即避免多辆电动汽车之间的充电预约冲突。我们所提出的协议还利用智能合约来强制执行电动汽车和充电站之间的充电预约和支付逻辑，以确保各方的正常行为，并在偏离正常行为时施加惩罚，同时在较低的交易和存储开销下保护电动汽车用户的隐私。

为解决第二个研究挑战，本文提出了一种高效的去中心化的电动汽车充电站选择机制，该机制允许电动汽车在保障高质量服务与提升电动汽车用户舒适度的同时自主选择充电站，并确保电动汽车的私人信息安全。我们考虑了一种去中心化的充电框架，其中充电站仅广播其参数（如价格、充电时段、等待时间等），而电动汽车则基于广播的参数独立做出决策。我们对该问题进行了理论建模，构建了一个以最小化总成本为目标的决策优化问题，依据电动汽车的服务需求来选择充电站。本文做出了以下主要贡献:

• 与以往的集中式架构不同，我们提出了一种基于区块链的去中心化电动汽车充电架构，该架构无需任何可信第三方，并使电动汽车和充电站能够以去中心化方式通信。
• 我们提出了一种基于区块链的电动汽车充电协议，使电动汽车能够在无需任何可信的中介中央管理系统的条件下，自主选择充电站并进行远程预约。所提出的协议允许电动汽车远程预约充电站的充电时段，从而保护电动汽车的隐私。与以往的研究不同，该协议在确保电动汽车隐私、安全以及预约后充电站可用性的同时，还支持电动汽车私密地选择充电站并远程预约充电时段。此外，当网络中任何实体行为异常时，该协议还能提供可追溯性、问责性以及数据完整性。
• 我们提出了智能合约设计，以在非可信环境中实现电动汽车与充电站之间的匿名通信。该智能合约可确保远程预约后充电站的可用性，若电动汽车或充电站在充电协议中行为异常，则施加惩罚，并定义信誉机制，根据电动汽车用户的体验对充电站进行评级。
• 我们分析了电动汽车服务需求的详细成本构成，并从理论上将去中心化的充电站选择机制建模为一个决策优化问题，其中电动汽车在满足价格、充电时间、等待时间和行驶时间等服务需求的同时，选择最优的充电站以最小化其总体服务成本。与以往的研究不同，电动汽车自身独立做出去中心化的充电站选择决策，而非将其信息共享给中心实体或充电站。
• 我们对所提出的协议提供了安全分析和数值结果。我们针对各种安全攻击对协议进行了详细的安全分析，并与最先进的方案和行业标准协议进行了详细的比较。此外，我们在真实世界数据集上进行了大量仿真，通过与其他传统方案的对比，验证了所提出的基于区块链框架的有效性。

本文的其余部分组织如下。第二部分介绍了相关工作。第三部分提出了一种基于区块链的电动汽车充电框架。第四和第五部分分别介绍了智能合约设计和基于区块链的电动汽车充电协议。第六部分建立了一个充电站选择决策优化问题。第七和第八部分分别对所提出的协议进行了安全分析和数值结果验证。本文的关键结论和未来工作在第九部分中进行了总结。

II. 相关工作

在本节中，我们回顾了基于电动汽车调度和选择机制[20]–[40]以及基于区块链的电动汽车框架[7],[41]–[50]的相关研究，并对现有研究进行了详细比较。

A. 电动汽车充电调度

在现有文献中，研究提出了不同的方法来优化电动汽车在充电站的最优调度，以降低电动汽车和充电站的总体充电成本。在[20],[26]中，作者通过综合考虑电动汽车和聚合商收益来提出电动汽车的调度方案。[21]中的作者提供了一种对充电站影子价格进行随机逼近的方法，用于调度价格弹性电动汽车。[22]的研究提出了一种电动汽车调度机制，在最大化同时充电的电动汽车数量的同时，最小化总体充电成本。在[23],[25],[27]–[30]中，作者提出了基于电动汽车需求的最优充电方案，以最小化电动汽车用户的成本。[24]的研究提出了一种基于拍卖平台的在线调度和定价机制，以激励充电站和电动汽车双方。此外，还有多项研究致力于减少电动汽车的行驶时间。[31]中的作者将电动汽车调度问题建模为：首先最小化覆盖所有计划行程所需的车辆数量，其次最小化总行驶距离。[32]中的作者提出了一种基于A*算法的分布式调度方法，并利用充电站预约系统，旨在最小化每辆电动汽车的总行驶时间。[33]中的作者为警用电动汽车提出了一种调度机制，目标是最小化总成本，该成本包括行驶成本和延迟成本。[34]中的作者为电动汽车引入了一种补电计划，仅基于最小行驶时间寻找具有最短路径的充电站。类似地，[35]中的作者研究了电动汽车的路径规划问题，以最小化行驶时间和补电时间。

研究还提出了不同的电动汽车调度方法，以最小化充电站在整体等待时间。文献[36]提出了一种将电动汽车流引导至充电站的算法，通过让电动汽车与交通网络通信来分配充电负荷并最小化排队时间。文献[37]选择排队时间最短的最佳充电站。在[38]中，作者提出了一种调度机制，通过最小化电动汽车的等待时间来优化充电站的利用率。文献[39]研究了电动汽车充电调度活动，通过最小化在充电站的等待时间进行优化。在[40]中，作者提出了一种调度策略，允许充电站之间协调以最小化在充电站的等待时间。然而，在所有这些工作中，决策均由中心聚合商和充电站做出，而未包含电动汽车的参与。此外，针对电动汽车的决策需要与中心聚合商和充电站通信信息，这可能导致电动汽车私人信息的泄露。据我们所知，此前尚无研究从电动汽车的角度考虑在电动汽车充电网络中不向其他实体共享其私人信息的去中心化的充电站选择问题。因此，亟需一种去中心化机制，使电动汽车能够基于自身服务需求以分布式方式高效地自主选择充电站，且无需向中心聚合商和充电站共享其私人信息。

B. 基于区块链的电动汽车框架

已有若干研究提出将区块链与电动汽车网络相结合。文献[41],[47]提出了一种基于区块链和智能合约的支付交易验证机制，用于电动汽车和充电站充电记录在区块链上的验证。文献[42]聚焦于通过区块链网络实现充电站在电动汽车之间的充电权分配与交易。文献[43]提出了一种基于区块链的电动汽车充电系统，以提升安全性、效率和密钥管理能力。文献[44]提出了一种基于区块链的框架，通过智能合约基础设施优化充电站对电动汽车的分配。文献[45]中，作者提出一种基于区块链的框架，用于电动汽车和充电站之间的能量交易，并将充电站的成本存储在区块链网络上。文献[46]中，作者提出了一种针对电动汽车充电场景的基于区块链的动态最优合约分配与能量分配算法。然而，在所有这些研究中，均未提供保护电动汽车私人信息的安全机制，因为电动汽车需要与中心聚合商或充电站进行通信。此外，这些区块链系统带来了较高的区块链存储和交易费用开销。

文献[48]的作者提出了一种基于区块链的电动汽车能源交易机制，并结合了匿名支付机制，但其研究基于存在可信第三方的联盟链假设。文献[49]的作者提出了一种基于区块链的数据共享框架并支持匿名支付，但其工作重点在于私有支付机制，忽略了电动汽车对充电站的选择问题。文献[50]提出了一种针对电动汽车和充电站的基于区块链的能源交易机制，但在其框架中，电动汽车需向中心聚合商共享私人信息，可能导致严重的隐私问题。据我们所知，仅有文献[7]与本文提出的框架相关。与文献[7]不同的是，本文提出的框架不仅为电动汽车用户提供了同等水平的隐私保护，还确保了预留时间段的可用性以及与选定充电站的可信支付。文献[7]缺乏理论。然而，本文提出了一种基于电动汽车需求的充电站高效选择的数学建模方法。需要注意的是，本研究以去中心化方式解决单个电动汽车的充电站选择问题，且本文未进行任何电动汽车调度。此外，我们提出的框架在区块链网络中产生的存储和交易开销更小。与[7]中的工作相比，我们提出的框架确保了充电站的盈利能力，因为只有选定的充电站会参与与电动汽车及其他充电站的区块链交互，其他充电站无需承担区块链交易费用。最后，与[7]不同的是，我们的工作引入了基于用户的充电站信誉机制，该机制作为反馈信息供电动汽车未来选择充电站时使用。

C. 本工作的创新性

本文提出了一种基于区块链的去中心化电动汽车充电框架BlockEV，旨在解决在充电站预约充电时段时电动汽车用户的安全与隐私问题，同时保证高服务质量（QoS）。当前最先进的解决方案主要关注分布式充电站选择或电动汽车充电网络的安全与隐私。然而，本工作的主要创新之处在于同时解决了这两个问题。更准确地说，与以往的框架不同，所提出的协议无需任何可信中介，也无需向充电网络中的任何实体共享个人信息即可完成充电时段的预约。充电站选择的决策能力已转移至电动汽车本身，即电动汽车用户根据自身的舒适度和QoS参数自主做出充电站选择决策。在BlockEV中，电动汽车在选择充电站时不会向任何人共享其私人信息，因为相关信息由路侧单元（RSU）广播给其周边的所有电动汽车，从而保障了其安全与隐私。此外，为了确保电动汽车和充电站之间的匿名通信，BlockEV采用了区块链智能合约功能。与以往的框架不同，BlockEV不仅实现了匿名通信，还保证了远程预约后充电站在充电时段的可用性，同时确保了可追溯性、问责性、预约数据完整性，并在区块链网络中保持较低的交易和存储开销。此外，相较于以往的研究，本文分析了充电站选择问题，并对去中心化的充电站选择问题进行了理论建模，以最大化用户舒适度和服务质量。最后，我们利用纽约的真实世界数据集进行实验，验证了BlockEV的有效性。

III. 基于区块链的电动汽车充电

在本节中，我们提出了一种基于区块链的电动汽车充电框架，用于单个电动汽车的充电站选择。图1展示了所提出的BlockEV系统架构，包括电动汽车、充电站、路侧单元（RSUs）和区块链网络。此外，本节还解释了所提出的协议所考虑的隐私需求和威胁模型。

网络实体定义

图1中提出的架构中各实体的角色如下所述。

1)

电动汽车

：电动汽车中的电动机由可充电电池供电。当电动汽车的充电状态（SoC）达到其阈值时，电动汽车会根据自身需求向充电站发起充电预约。每辆电动汽车都内置有智能电表[51]，用于实时记录交易的电量，并用于向充电站支付充电费用[52]。

2)

充电站

：充电站由城市中不同竞争性运营商地理上分布部署。每个充电站拥有多个充电插槽，即可同时为多辆电动汽车充电。此外，充电站通过可靠通信信道向路侧单元广播其充电信息（价格、等待时间、可用充电插槽、位置和充电功率）。

3)

路侧单元

：RSUs[53]部署在道路两侧的固定位置，向其附近的电动汽车广播充电信息。

4)

区块链网络

：电动汽车和充电站通过公有区块链网络上的智能合约进行预约和支付。此外，该区块链网络还用作存储层，以存储预约和支付信息。

A. 系统模型

我们考虑一个由不同竞争性运营商提供的 M个地理上分布于城市中的充电站组成的网络，其中m ∈ M表示任意一个充电站。这些 M充电站将其充电信息广播给地理上分布在城市中的路侧单元，其中r ∈R表示任意一个路侧单元。一组 G电动汽车在城市中运行，处于停车或行驶模式，每辆电动汽车具有不同的充电需求，例如，一些电动汽车用户愿意以更低的价格充电，但可以接受更长的等待和行驶时间，而其他电动汽车则偏好较短的等待时间，但可接受较高的充电价格，其中g ∈ G表示任意一辆电动汽车。这些电动汽车通过其附近的r th路侧单元接收充电站广播的充电信息，并求解一个决策优化问题，以确定应通过哪个充电站为其电池充电，从而使总货币成本以及在选定的充电站到达并充电的时间成本被共同最小化。一个公共区块链网络直接连接到电动汽车和充电站，其中 M和 G 中的每个实体都在公有区块链网络中拥有一个公开账户，用于与智能合约及其他实体进行交互。为了便于参考，我们在表I中总结了重要的符号表示。

表 I 符号表示

描述

假设

：为了广播充电站信息，可以使用两种通信模式。路侧单元可以通过蜂窝网络或车载自组织网络（VANET）来广播信息[55],[56]。然而，在本研究中，我们仅考虑使用VANET通信技术通过路侧单元将充电站信息传播给电动汽车。可采用发布者/订阅者（P/S）推送模型，其中作为订阅者的电动汽车无需显式查询，即可被动接收附近路侧单元发布的充电站广播信息。当电动汽车处于某个路侧单元的无线覆盖范围内时，将接收到该路侧单元发送的充电站广播信息。我们在模型中假设存在可靠的通信信道，由于这不是本文的重点，有关P/S VANET传播模型的详细信息请参见[17]。此外，每辆电动汽车均配备全球定位系统（GPS）服务，能够提供速度和当前位置信息。 G中的每辆电动汽车还知道 R路侧单元和 M充电站的位置信息。

B. 充电站信息广播场景

在本研究中，我们假设一个智慧城市的场景，其中来自不同竞争性运营商的多个充电站地理上分布部署。此外，充电站的位置信息对所有路侧单元和电动汽车公开可用。路侧单元在整个城市中部署，用于处理充电站与电动汽车之间的控制信息。假设每个充电站都通过可靠的通信信道（例如，授权的蜂窝网络通信[17]。它获取与其连接的所有充电站的充电信息，并定期向其范围内的所有电动汽车广播这些信息。

每个充电站在可用时间段内以一定的充电价格为电动汽车提供充电服务。每辆单个电动汽车都会做出决策，以确保选定的充电站满足其所有服务需求。充电站的广播信息定义如下：

定义1

: 每个充电站由<编号、位置、Ts、Te、α、Tw、Cm、Cp、RCS>表征，分别表示充电站的编号、位置、可用充电时段开始时间、可用充电时段结束时间、充电功率、预计等待时间、单位时间充电成本、单位时间停车成本和信誉。

考虑到一个充电时段为一小时，Ts和Te之间的时间是充电站为电动汽车用户提供的可用充电时间段，该时间段可包含多个可供电动汽车用户根据自身偏好选择的时间段。示例 1解释了通过路侧单元向电动汽车广播充电站充电信息的典型场景。

示例1

：图2显示了不同充电站的充电参数广播场景。三个充电站通过可靠通信信道将其充电参数（包括可用时间段和价格）广播给连接的路侧单元，例如，充电站1广播的充电信息为< CS1, (51.49, -0.55), 8:00, 12:00, 50kW, 3 min, 2$, 1$ >。随后，路侧单元将此信息连同从区块链网络获取的充电站信誉一起广播给其覆盖范围内的电动汽车，信息特征为< CS1, (51.49, -0.55), 8:00, 12:00, 50kW, 3 min, 2$, 1$, 7 >。现在，由于电动汽车收到来自不同充电站的报价，单个电动汽车将利用这些信息求解(21)式中推导出的优化问题，以选择满足其需求的充电站。

C. 隐私与安全要求

该协议的主要目标是确保电动汽车和充电站之间的隐私以及信任环境，使电动汽车能够在自身续航范围内根据需求从所有可用的充电站中选择最合适的充电站。这些充电站包括预约时可用的私人和公共充电站。然而，在此过程中，任何相关方都不应获知用户位置和能源需求。为了保护私人信息，电动汽车用户在选择为其充电的充电站时，该协议需要满足以下要求：

• 参与协议的任何实体都无法获取电动汽车的精确位置信息。
• 参与协议的任何实体都无法获取电动汽车的当前电池荷电状态和所需能量信息。
• 协议中没有任何参与者能够获取购买的能源价格信息，除了选定的充电站。
• 协议中的任何实体都无法获取用于随时间跟踪电动汽车的信息，即电动汽车离开充电站场所后，充电站无法获取该电动汽车的任何信息。
• 协议中的任何参与者都无法获知相应电动汽车的决策参数，除非是电动汽车本身。

除了这些隐私要求外，该协议的另一个目标是确保协议参与者（即充电站或电动汽车）之间的信任环境，即充电站或电动汽车应遵守正常协议，偏离正常行为将导致金钱和声誉惩罚。

威胁模型

：在本研究中，我们考虑了电动汽车充电市场中的恶意参与者，这些参与者可能会威胁到电动汽车的隐私和安全。我们假设政府已在城市中地理上部署了路侧单元，并且这些路侧单元正常、诚实运行。我们认为路侧单元是诚实的实体，因为政府为路侧单元的部署制定了安全规范。例如，在美国，路侧单元部署的安全要求由美国交通部在官方文件中定义。由于这些路侧单元是在美国交通部的监管下部署的，因此我们假设这些路侧单元是诚实的，且政府控制对这些路侧单元的物理访问。然而，我们将恶意对手定义为：

• 恶意充电站

  ：恶意充电站可能在时隙可用性不足的情况下广播虚假充电参数，如充电功率 α 等。此外，某些充电站在预约时可能无法满足电动汽车的充电需求，还可能在预约时使用不同的充电参数进行预约。

• 恶意电动汽车

  ：恶意电动汽车可能会同意从选定的充电站获取充电服务，但随后拒绝支付所产生的充电费用。此外，电动汽车还可以预订某个充电站的充电时段，却从不按时出现。

此外，假设所有密码学原语和安全协议都是安全的，且不会被攻破。

IV. 智能合约设计

在本节中，我们介绍了所提出的BlockEV协议的智能合约设计。智能合约部署在区块链网络中，并包含协议参与者之间的数字承诺。智能合约为一段代码，当节点通过发送交易触发时，无需第三方参与即可自动执行[57]。在BlockEV中，智能合约实现了电动汽车和充电站之间的安全可验证通信，在非可信环境中强制执行诚实预约和支付机制。与所提出的协议相关的四个主要智能合约功能是reservation、authentication、payment和reputation。假设电动汽车和充电站能够以加密货币形式进行资金交换。算法1中详细介绍了所提出的智能合约功能的概览。

A. 预约

当电动汽车根据其服务需求选定充电站（步骤3）后，需要向选定的充电站进行远程预约。该预约通过区块链网络中的智能合约完成，以确保:

• 充电站可在预约时间满足充电请求，并且在电动汽车到达充电站后不会改变该充电请求的价格。
• 电动汽车不应在选定的充电时间段内对充电站进行虚假预约。

reservation函数将接收来自电动汽车和充电站的输入，比较信息后作为交易发送至区块链网络，以确保电动汽车获得与（步骤3）中选择充电站时相同的成本参数。电动汽车和充电站将以下信息作为输入提供给reservation函数。

EV, CS → SCreservation:
{TA||SoCcurr||SoCdes||Cm||Cp||Ts||deposit}EV
⋃{Cm||Cp||Ts||(randomnumber)pkEV}CS.

reservation函数将确保电动汽车拥有足够的代币来支付押金和充电费用。此外，该函数还将比较电动汽车和充电站的充电价格以及时间段信息，如下所示。

SCreservation: compare
={CmEV ||CmCS , CpEV ||Cp CS , TsEV ||TsCS)} .

如果所需信息匹配，则该功能将执行，并向区块链网络发送交易，从而将预约记录写入不可篡改的分布式账本。需要注意的是，如果不通过区块链网络实现押金功能以防止恶意电动汽车进行虚假预约，则电动汽车隐私将无法得到保护，因为电动汽车可能会通过可信第三方或充电站与其信用卡信息关联。

备注1（预约的重要性）

：由于电价是动态的，并且取决于当前负荷，因此在预约时必须确定价格，这样即使在电动汽车预约的充电时段内电价发生变化，电动汽车仍应支付远程预约时约定的金额。智能合约确保一旦在预约时确定了价格，充电站和电动汽车都无法 later 更改，从而在非可信环境中确保信任。

B. 认证

一旦电动汽车与充电站完成预约，电动汽车将在预定时间到达充电站场所。充电站需要在开始电动汽车充电之前，需要对电动汽车进行认证，以确保该车辆是进行远程预约的同一辆车。此时，电动汽车已拥有一个随机数，它将通过其skEV解密该随机数，并将其作为输入发送给认证函数。随后，认证函数将从区块链网络中检索出在之前的预约功能交易中添加的随机数。接着，认证函数将比较这两个随机数，如下所示。

SCauth: compare
={decskEV((随机数)pkEV)||(随机数) pkEV}.

如果随机数匹配，充电站将对电动汽车进行认证，并在可用时间段内开始充电。

C. 支付

支付函数在电动汽车于充电站完成充电后，根据达到 SoCdes所用时间，处理电动汽车和充电站之间的支付。该函数将获取充电开始时的初始时间，并自动读取电动汽车和充电站智能电表中的充电结束时间和SoCcurr，以验证实际交换的电能是否与所述金额相符。随后，支付函数将从电动汽车账户向充电站账户转移总成本，并扣除电动汽车在预约时支付的押金金额，具体如下。

EV → SC payment → CS: transfer
={Ttotal(CmCS + C p CS ) − depositinit} .

此外，penalty函数负责计算电动汽车和充电站在未履行情况下的处罚。如果电动汽车未在某个阈值时间内到达，充电站将收取一定的罚金CostCS pen，如公式(1)和(2)所示。

d= taa − tsa ≤ tthreshold, (1)
CostCS pen= Pt × d. (2)

其中Pt为某个惩罚因子，而tsa和taa分别为预约到达时间和实际到达时间。类似地，如果充电站未能满足电动汽车的期望荷电状态需求（即SoCl= SoCdes – SoCchar），则电动汽车需要根据公式(3)和(4)对充电站施加一定的惩罚成本CostEV pen。

SoCl= SoCdes − SoCchar, (3)
CostEV pen= PSoC × SoCl. (4)

其中PSoC是针对SoC的某个惩罚因子。该函数将在支付功能执行后自动调用，并从区块链网络获取SoCdes和taa ，而SoCchar值将从电动汽车的智能电表中获取。利用这些值，该函数将计算并扣除相应的罚金金额。

备注2（支付意义）

：我们的设计中可以简单地实现支付机制而无需使用区块链，然而，在当前行业标准的电动汽车充电协议中，系统可能被注入虚假定价信息，从而影响支付机制[58]。此外，通过电动汽车身份冒用，攻击者可以利用电动汽车的私人信息进行公共充电计费[58]。因此，我们在区块链上实现支付功能，以确保系统中无法注入任何虚假信息，并且电动汽车仅应为实际提供的服务安全支付。

D. 信誉

电动汽车用户将通过reputation函数根据其在充电站场所的用户体验对充电站进行评分。在特定充电请求t时，充电站的信誉R将根据以下情况判定为正面(Rt=+)或负面(Rt= −)：是否满足预约中约定的电量状态SoCdes、充电站场所的实际充电功率 α以及预留时间段TA的可用性。

EV → SCpayment: transaction={ReputationCSm} .

五、基于区块链的协议

在本节中，我们提出了BlockEV，一种完整的基于区块链的电动汽车充电协议，该协议包括电动汽车的充电站选择决策及其与选定充电站在区块链网络上的交互，交互内容涵盖具有预约、认证、支付和信誉功能的智能合约。此外，本节还解释了针对充电站的信誉机制。

A. 电动汽车充电协议

尽管文献中已提出基于区块链的竞价电动汽车充电协议[7]，但它并不能始终确保在选定充电站预留时间段的可用性，并可能导致两辆电动汽车之间的时隙冲突。此外，它还会产生区块链网络中的高存储和交易成本影响了参与协议的充电站的盈利能力。我们提出BlockEV来解决这些问题。

图3展示了电动汽车充电网络中不同实体之间的协议交互。采用一个公有区块链网络来支持电动汽车和充电站之间交互的智能合约功能。此外，区块链网络还被用作存储层，以提供预约和支付信息的可审计性和可追溯性。在基本层面上，基于区块链的电动汽车充电算法将按照算法 2进行工作。以下详细介绍基于区块链的充电站选择协议：

充电站注册

：所有充电站首先生成一组私钥（skCSm）和公钥（pkCSm）。它们将通过向地理上部署的路侧单元提供其身份标识、公钥以及数字证书（CertCSm）来向路侧单元进行注册，即

CSm →RSUs:requestCSm={编号CSm||pkCSm||CertCSm}

一旦收到请求，路侧单元将检查充电站的CertCSm对于mthCS的有效性，并将其添加到可用充电站列表中。

基于区块链的协议

:

• 步骤1

  ：所有充电站定期将其当前时间t的充电信息发布到与其连接的路侧单元。该充电信息包括充电站ID、充电价格、位置、可用充电时段的开始和结束时间、充电功率以及预期等待时间，即

CSm → RSUs: requesti ={IDCS m||locCS m||Ts||Te||α||Tw||CmCS m||Cp CS m}.

在时间t+ 1的每条充电信息将替换在时间t的充电信息。因此，路侧单元将用新到达的充电站CSm的充电信息，替换在时间t+1的充电站CSm的充电信息。

• 步骤2

  ：当路侧单元接收到与其连接的充电站发送的充电信息后，它们将从区块链网络中检索这些充电站的声誉信息（评分），即

```

RSU → Blockchain: requesti={Rep CS m

B. 结果

1)

计算时间

：我们首先在图5b中研究了充电站选择机制的计算运行时间。我们使用Python CPLEX API在CPLEX中实现了公式(21)所表述的充电站选择优化问题。我们针对不同的充电站数量多次运行这些实验，以绘制平均运行时间值。从图5b可以看出，当电动汽车需要在较小的搜索空间（即较少的充电站数量）内选择充电站时，计算时间较短。然而，随着充电站数量的增加，生成解决方案所需的时间也比充电站数量较少时更长。通过使用高性能计算服务器以及优化的编程实现，可以进一步降低计算运行时间。

然后我们进行端到端延迟分析，即充电站将信息发送给路侧单元直到电动汽车做出充电站选择决策的时间。该分析如图5c所示。我们通过使用Python-flask框架创建 API来执行此实验。该API根据上述真实数据集为每个充电站生成数据实例。这些数据包括充电站ID、位置、价格、等待时间、充电功率和可用时间段。从图5c可以看出，随着充电站数量的增加，整体端到端延迟也随之增加。需要注意的是，该端到端延迟分析不包括区块挖掘所需的时间，因为这取决于所使用的区块链类型。

2)

定价分析

：我们现在研究所提出的充电站选择机制对总体价格的影响，并将其与最近充电站提供的价格进行比较。我们对该实验进行了1000次，并以这些实验的平均值表示结果。图5d显示了不同数量充电站下的每千瓦时价格对比。从图5d可以看出，与最近充电站提供的价格相比，BlockEV提供更低的价格。这是因为公式21中定义的优化问题的解将确保在解空间中选择价格最低的充电站。因此，在所有情况下，BlockEV方案都能提供最低价格。

3)

区块链交易开销

：我们进一步研究了所提出的协议在图6a和图6b中的交易开销，以将交易总数与基线（[7]中的工作）进行比较。我们所提出的协议在一次协议运行中产生4笔交易，因此对于 G辆电动汽车，交易总数量为 4G。在[7]中的工作，总的交易开销为一次协议运行的开销为 2M+ NMn，其中 M、N 和 n 分别表示电动汽车数量、充电站数量和投标数量。图6a 显示了在 M= 5 和 n= 1 条件下，不同电动汽车数量的交易开销对比。可以看出，与 [7] 中的工作相比，我们所提出的协议产生的交易开销更少。这是因为在 [7] 中的协议要求每个充电站都发送一个投标交易，从而增加了交易开销。类似地，图6b 显示了关于充电站数量的对比。可以看出，增加充电站数量不会影响交易开销，因为在我们的协议中，只有一个充电站参与区块链交易，而 [7] 并非如此，因此本协议具有更好的可扩展性。

4)

区块链存储开销

：在本实验中，我们在图6c和图 6d中将区块链网络中的总体存储开销与基线（[7]中的工作）进行了比较。在预约功能中，TA和Tsel可分别用2字节表示。Cm和Cp均可由2字节表示[7]，而SoCdes和SoCcurr可分别由1字节表示。随机数可用2字节表示。类似地，认证交易可用2字节表示，而支付交易中的Tstart和Tend可分别用2字节表示。最后，信誉交易可用30字节的 ID[7]和1字节的评分表示。在[7]中，协议一次运行的总存储开销为 8+ 32Nn+ 16字节，其中N和n分别为充电站数量和投标数量。图6c显示了不同数量电动汽车下的存储开销对比。可以看出，与基线相比，BlockEV产生的存储开销更小。类似地，图6d显示了随着充电站数量变化的存储开销对比。可以看出，增加充电站数量不会影响存储开销，因为在BlockEV中，电动汽车每次仅与一个充电站通信，而不像[7]。

我们现在提供所提出方案与其他方案在交易和存储开销方面的详细比较。我们假设一个包含 N = 1000 EVs 和 M = 5 CS 的电动汽车充电网络，以比较不同方案在1天周期内产生的交易量，如表III所示。

表 III 区块链交易与存储比较

日交易量

日存储开销 (KB)

5)

电动汽车和充电站的存储开销

：在本研究中，我们采用以太坊区块链，使电动汽车和充电站能够通过智能合约进行通信。因此，电动汽车和充电站均需存储私钥和公钥（分别为32字节和64字节）以及区块链地址（20字节），以便参与电动汽车充电协议。此外，为了解决决策优化问题，电动汽车需要临时存储数据以寻找最合适的充电站。路侧单元将广播充电站的充电信息包含充电站ID（30字节）、位置（6字节）、可用充电时段开始时间（2字节）、可用充电时段结束时间（2字节）、充电功率（2字节）、预计等待时间（2字节）、单位时间充电成本（2字节）、单位时间停车成本（2字节）和信誉（1字节）的电动汽车。将这些相加后，一个充电站的广播信息总共为49字节。因此，决策优化问题的数据存储需求取决于充电站数量。概括来说，解决该决策优化问题的临时数据存储需求可表示为 49M，其中 M是充电站数量。

6)

智能合约分析

：为了评估智能合约，我们提供了各函数的燃气成本估算。燃气费（Gas费）是用于衡量执行特定操作所需计算量的单位。如前所述，该智能合约包含四个主要函数：预约、认证、支付和信誉。电动汽车和充电站均向reservation和authentication函数发送相关信息，当电动汽车与充电站的信息匹配时，函数被执行，并在区块链网络中写入一笔交易。充电完成后，payment函数从智能电表获取总充电时间信息，并将代币从电动汽车转移至充电站。最后，电动汽车根据其用户体验，通过 reputation函数对充电站进行评分。我们在表IV中提供了这些函数的燃气成本估算。本文撰写时，燃气价格取自 [64]。

表 IV 智能合约函数的Gas成本估算

Gas成本

备注7（能耗）

：电动汽车和充电站不属于区块链网络的一部分，因此它们不会执行任何耗能的挖矿任务。相反，电动汽车和充电站会向区块链网络支付燃气费以运行其智能合约。换句话说，电动汽车和充电站正在支付一些燃气费（以太币）给区块链矿工，这些矿工使用他们的计算能力来运行智能合约功能，即预约等，并在区块链网络中进行挖矿。

九、结论

能源市场和电动汽车充电基础设施的不可信中心化特性给电动汽车用户的私人信息带来了多种隐私和安全威胁。在本研究中，我们提出了BlockEV，一种基于区块链的高效充电站选择协议，旨在确保电动汽车用户的安全与隐私、充电站的可用性以及提升整体电动汽车用户体验。首先，引入了一种基于区块链的框架，通过智能合约的执行来实现安全充电服务和可信预约。其次，我们对充电站选择决策优化问题进行了理论建模。评估结果表明，与现有方案相比，我们所提出的系统具有更低的区块链交易和存储开销，并提升了可扩展性。此外，我们计划通过引入隐私保护方面来扩展本工作，以向电动汽车用户和充电站提供完全隐私。