Blockchain-Based Payment Systems for Electric Vehicle Charging Networks / Kaouther Mattoug

Public ISBD Titre : Blockchain-Based Payment Systems for Electric Vehicle Charging Networks Type de document : document électronique Auteurs : Kaouther Mattoug ; Lina Smail, Auteur ; Sarra Cherbal, Directeur de thèse Editeur : Setif:UFA Année de publication : 2025 Importance : 1 vol (88 f .) Format : 29 cm Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Blockchain Electric Vehicle (EV) Smart Contracts Charging Stations Payment System Ethereum. Index. décimale : 004 Informatique Résumé : Electric vehicle (EV) adoption is rapidly growing, but existing charging and payment infrastructures still face challenges such as centralization, lack of transparency, and security vulnerabilities. To address these issues, this work presents a decentralized solution based on blockchain technology to manage payment systems for EV charging networks. The proposed system uses smart contracts to automate key processes, including driver and station registration, charging session initiation, energy consumption tracking, and secure payment settlement. A prosumer module is also integrated, allowing EV users with surplus energy to exchange energy with other users or stations through a blockchain-secured offer and reservation mechanism. The implementation leverages tools such as Remix IDE for smart contract development, MetaMask for blockchain interaction, Hyperledger Besu as the execution platform, and Hyperledger Caliper for performance evaluation. The system was tested and analyzed based on key performance metrics such as throughput, latency, CPU usage, and gas consumption. The results demonstrate significant improvements compared to existing solutions: throughput increased by up to 97.37%, latency decreased by up to 55.61%, CPU usage improved by up to 20%, and gas consumption was reduced by up to 14.47%. Results confirm the system’s effectiveness in enabling secure, transparent, and efficient EV charging and payment processes in a decentralized environment. Note de contenu : Sommaire General Introduction 1 1 Foundations and Functionalities of Blockchain Systems 1 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Blockchain definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 The History of Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3.1 Blockchain Origins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3.2 Blockchain Generations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Blockchain Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5 Blockchain Architecture and Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.1 The Data Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5.2 The Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5.3 The Consensus Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.4 The Incentive Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.5 The Contract Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.6 The Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6 Blockchain Features and Working Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6.1 Decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6.2 Immutability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6.3 Auditability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6.4 Fault Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.6.5 Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.6.6 Traceability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7 Blockchain Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7.1 Public Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.2 Private Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.3 Consortium Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.7.4 Hybrid Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.8 Smart contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.9 Platforms for Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.9.1 Ethereum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.9.2 NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.9.3 Hyperledger Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.10 Blockchain Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.10.1 Cryptocurrency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.10.2 Healthcare Data Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.10.3 Voting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.10.4 Identity Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.10.5 Supply Chain Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.10.6 Vehicular Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.11 Blockchain Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.11.1 Mining and Consensus Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.12 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Electric Vehicle Charging Systems Using Blockchain 18 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 Supply Chain and Blockchain Payment Systems . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3 Electric Vehicle Charging Networks as Distributed Systems . . . . . . . . . 19 2.4 Integration of Blockchain in EV Charging Infrastructure . . . . . . . . . . 20 2.5 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3 Proposed approach 25 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3 System Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4 System Entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5 System Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.1 Driver and Charging Station Registration via Blockchain . . . . . . 30 Registration of charging stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Registration of drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5.2 Update account information for drivers and charging stations . . . . 34 3.5.3 Automatic Search and Selection of an Optimal Charging Station When the EV’s Battery is Low . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5.4 Choose Charging Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5.5 Smart Charging Mechanism: Start of Charging, End of Charging, Stop Charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Complete Charging Session . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Stop Charging Session . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.5.6 Get Driver Transactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.5.7 Station Evaluation Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.5.8 Energy Offer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4 Implementation and Results 63 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2 Implementation Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.1 Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 MetaMask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Caliper Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.4 Hyperledger Besu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Deploy the smart contract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4.1 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 CPU Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Gas Fees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5 Evaluation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5.1 Throughput and latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5.2 CPU usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.5.3 Gas fees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.6 Comparison graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.6.1 Throughput and latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.6.2 CPU usage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6.3 Gas Fees: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 General Conclusion 81 Bibliography 88 Côte titre : MAI/1009 Blockchain-Based Payment Systems for Electric Vehicle Charging Networks [document électronique] / Kaouther Mattoug ; Lina Smail, Auteur ; Sarra Cherbal, Directeur de thèse . - [S.l.] : Setif:UFA, 2025 . - 1 vol (88 f .) ; 29 cm. Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Informatique Mots-clés : Blockchain Electric Vehicle (EV) Smart Contracts Charging Stations Payment System Ethereum. Index. décimale : 004 Informatique Résumé : Electric vehicle (EV) adoption is rapidly growing, but existing charging and payment infrastructures still face challenges such as centralization, lack of transparency, and security vulnerabilities. To address these issues, this work presents a decentralized solution based on blockchain technology to manage payment systems for EV charging networks. The proposed system uses smart contracts to automate key processes, including driver and station registration, charging session initiation, energy consumption tracking, and secure payment settlement. A prosumer module is also integrated, allowing EV users with surplus energy to exchange energy with other users or stations through a blockchain-secured offer and reservation mechanism. The implementation leverages tools such as Remix IDE for smart contract development, MetaMask for blockchain interaction, Hyperledger Besu as the execution platform, and Hyperledger Caliper for performance evaluation. The system was tested and analyzed based on key performance metrics such as throughput, latency, CPU usage, and gas consumption. The results demonstrate significant improvements compared to existing solutions: throughput increased by up to 97.37%, latency decreased by up to 55.61%, CPU usage improved by up to 20%, and gas consumption was reduced by up to 14.47%. Results confirm the system’s effectiveness in enabling secure, transparent, and efficient EV charging and payment processes in a decentralized environment. Note de contenu : Sommaire General Introduction 1 1 Foundations and Functionalities of Blockchain Systems 1 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Blockchain definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 The History of Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3.1 Blockchain Origins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3.2 Blockchain Generations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 Blockchain Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.5 Blockchain Architecture and Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5.1 The Data Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5.2 The Network Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5.3 The Consensus Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.4 The Incentive Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.5 The Contract Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5.6 The Application Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6 Blockchain Features and Working Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6.1 Decentralization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6.2 Immutability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6.3 Auditability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.6.4 Fault Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.6.5 Transparency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.6.6 Traceability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7 Blockchain Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.7.1 Public Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.2 Private Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.7.3 Consortium Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.7.4 Hybrid Blockchain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.8 Smart contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.9 Platforms for Smart Contracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.9.1 Ethereum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.9.2 NXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.9.3 Hyperledger Fabric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.10 Blockchain Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.10.1 Cryptocurrency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.10.2 Healthcare Data Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.10.3 Voting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.10.4 Identity Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.10.5 Supply Chain Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.10.6 Vehicular Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.11 Blockchain Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.11.1 Mining and Consensus Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.12 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Electric Vehicle Charging Systems Using Blockchain 18 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 Supply Chain and Blockchain Payment Systems . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3 Electric Vehicle Charging Networks as Distributed Systems . . . . . . . . . 19 2.4 Integration of Blockchain in EV Charging Infrastructure . . . . . . . . . . 20 2.5 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3 Proposed approach 25 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3 System Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4 System Entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.5 System Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.1 Driver and Charging Station Registration via Blockchain . . . . . . 30 Registration of charging stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Registration of drivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.5.2 Update account information for drivers and charging stations . . . . 34 3.5.3 Automatic Search and Selection of an Optimal Charging Station When the EV’s Battery is Low . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.5.4 Choose Charging Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5.5 Smart Charging Mechanism: Start of Charging, End of Charging, Stop Charging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Complete Charging Session . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Stop Charging Session . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.5.6 Get Driver Transactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.5.7 Station Evaluation Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.5.8 Energy Offer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4 Implementation and Results 63 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2 Implementation Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.1 Remix IDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 MetaMask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.3 Caliper Benchmark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2.4 Hyperledger Besu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3 Deploy the smart contract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Performance Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4.1 Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Throughput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 CPU Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Gas Fees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5 Evaluation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5.1 Throughput and latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.5.2 CPU usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.5.3 Gas fees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.6 Comparison graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.6.1 Throughput and latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.6.2 CPU usage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.6.3 Gas Fees: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 General Conclusion 81 Bibliography 88 Côte titre : MAI/1009

Exemplaires (1)

Code-barres	Cote	Support	Localisation	Section	Disponibilité
MAI/1009	MAI/1009	Mémoire	Bibliothèque des sciences	Anglais	Disponible Disponible

---

1 (1 - 1 / 1)