基于ESAM安全模塊的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)
0 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201710/366870.htm能源緊張和氣候變化使具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)的電動(dòng)汽車受到了全球的關(guān)注。電動(dòng)汽車采用清潔能源電能作為動(dòng)力,是未來(lái)交通的長(zhǎng)遠(yuǎn)解決方案[1]。對(duì)于個(gè)人用戶而言,充電時(shí)需要到就近的充電站或充電樁進(jìn)行充電,充電時(shí)間較長(zhǎng),如選擇電池快充,則對(duì)電池?fù)p傷較大。如當(dāng)前車內(nèi)電池電量不足且時(shí)間較緊,則需常備備用電池隨時(shí)進(jìn)行更替。電動(dòng)汽車電池體積較大,操作不易且成本較高,如個(gè)人購(gòu)買備用電池勢(shì)必將造成個(gè)人基礎(chǔ)投入的提高,造成電動(dòng)汽車在個(gè)人用戶中難以推廣。因此,由充電站或電池租賃公司常備多塊電池,由公司統(tǒng)一對(duì)電池進(jìn)行充電和維護(hù),根據(jù)需求為使用者進(jìn)行電池更換。電動(dòng)汽車的電能補(bǔ)充以換電方式為主。
該方式具有以下優(yōu)點(diǎn):降低了用戶的基礎(chǔ)投入;延長(zhǎng)電池的使用壽命;提高電池的利用率;有助于解決充電網(wǎng)點(diǎn)外的緊急情況;租賃公司利用峰谷電統(tǒng)一進(jìn)行充電,有利于整體電網(wǎng)的調(diào)配等。由于使用換電模式,電池將在多用戶多地域間進(jìn)行流通,在電池進(jìn)行更換時(shí)根據(jù)電池狀況進(jìn)行資費(fèi)結(jié)算,因此電動(dòng)汽車電池需與不同使用者的信息(如車牌號(hào)等)掛鉤。一方面,需要保證使用者的個(gè)人信息不被泄露;另一方面,又需要保證電池在流通使用時(shí)的資產(chǎn)安全。此時(shí),電池資產(chǎn)的所屬者(如充電站或電池租賃公司),對(duì)于電動(dòng)汽車電池管理的安全性要求大大提高。
本文將ESAM安全模塊與射頻模塊相結(jié)合,形成新的安全性更高的電池安全模塊RF收發(fā)器,將其安裝在電動(dòng)汽車電池中,同時(shí),設(shè)置與該ESAM安全模塊配套的手持終端。此時(shí),將使用者的個(gè)人信息以及電池的資產(chǎn)信息存儲(chǔ)在ESAM安全模塊中,不僅個(gè)人信息被進(jìn)行加密,同時(shí),在進(jìn)行充電或換電時(shí),也需首先將電池中ESAM安全模塊與智能電網(wǎng)的后臺(tái)售電系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)證,認(rèn)證通過后才可正常進(jìn)行充換電,從而保證了電池資產(chǎn)的安全性。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池管理,整套系統(tǒng)共分為以下幾部分:電動(dòng)汽車電池端的電池安全RFID模塊、手持機(jī)、固定讀頭、后臺(tái)管理系統(tǒng)。
在電動(dòng)汽車電池上加裝電池安全RFID模塊,簡(jiǎn)稱電池模塊。該模塊用于實(shí)現(xiàn)電池信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)加解密認(rèn)證、數(shù)據(jù)交互傳輸?shù)裙δ?,主要由MCU、ESAM及射頻發(fā)射RF收發(fā)器構(gòu)成。系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 電池端的電池安全RFID模塊
2.1 ESAM安全模塊
ESAM(Enbedded Secure Access Module)嵌入式安全控制模塊是以專用高性能安全微處理器為硬件平臺(tái),具有內(nèi)部獨(dú)立的片上操作系統(tǒng)(Card Operating System,簡(jiǎn)稱COS)的嵌入式安全產(chǎn)品,除了具有防檢測(cè)、抗攻擊、自毀等硬件特性外,還具有安全的文件密鑰管理和完善的安全機(jī)制,以及標(biāo)準(zhǔn)的加解密運(yùn)算功能等特性。內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括微處理器、加密協(xié)處理器、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、ROM、RAM、EEPROM以及數(shù)據(jù)I/O口[2]。
由于ESAM安全模塊具有以上安全特性,因此,將電動(dòng)汽車電池的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ESAM模塊中。對(duì)于不同的電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分類管理,按安全性需求設(shè)置為透明文件或不透明文件,即數(shù)據(jù)通信時(shí)是否進(jìn)行加密。
2.2 主控MCU作用
在電池模塊上,選擇適當(dāng)?shù)膯纹瑱C(jī)作為MCU,目前該模塊選用STM32芯片作為MCU,包括多個(gè)的外設(shè)接口,可以同時(shí)連接汽車本身的BMS系統(tǒng)、ESAM安全模塊以及射頻發(fā)射RF收發(fā)器,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)交互,同時(shí)在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議處理運(yùn)算。
2.3 RF收發(fā)器
電池模塊上的RF收發(fā)器與MCU通過SPI接口進(jìn)行連接,同時(shí),在手持機(jī)側(cè)配置相同的RF收發(fā)器,兩者設(shè)置相同的無(wú)線通信頻率,即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)通信。
同時(shí),由于RF收發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)處理,因此,也可在電池管理倉(cāng)庫(kù)門口設(shè)置固定的無(wú)線通信讀頭,便于倉(cāng)儲(chǔ)的出入庫(kù)管理。
3 手持機(jī)/固定讀頭
手持機(jī)/固定讀頭為對(duì)電池模塊進(jìn)行信息讀寫的設(shè)備,區(qū)別為手持機(jī)為移動(dòng)讀寫設(shè)備,主要用于在野外的緊急換電或倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)的盤庫(kù)清點(diǎn)等場(chǎng)合,可攜帶性高,包含顯示屏、鍵盤及人機(jī)交互系統(tǒng)等外圍輔助,便于操作人員應(yīng)用。而固定讀頭主要用于倉(cāng)庫(kù)出入庫(kù)等固定地點(diǎn),利用RF收發(fā)器可實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)讀取、后臺(tái)處理的特性,快捷地進(jìn)行出入庫(kù)管理。
在手持機(jī)上具備可選的GPRS模塊,用于手持機(jī)采集信息后可通過GPRS與后臺(tái)主站及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。對(duì)于關(guān)鍵數(shù)據(jù),在通過GPRS公網(wǎng)進(jìn)行傳輸時(shí)進(jìn)行加密,以免在公網(wǎng)傳輸過程中被他人截獲或進(jìn)行篡改[3]。
在手持機(jī)或固定讀頭設(shè)備終端內(nèi)均需配置PSAM卡,PSAM卡即銷售點(diǎn)終端安全存取模塊(Purchase Secure Access Module),用于商戶POS、網(wǎng)點(diǎn)終端、直聯(lián)終端等末端設(shè)備上,負(fù)責(zé)機(jī)具的安全控管[4]。該P(yáng)SAM卡與電池模塊中的ESAM對(duì)應(yīng)配套發(fā)行,用于在數(shù)據(jù)交換中的加解密操作。
4 后臺(tái)管理系統(tǒng)
由于電動(dòng)汽車電池在運(yùn)行使用時(shí),可能在多用戶、多地域間進(jìn)行流通,后臺(tái)管理系統(tǒng)主要用于全部信息的存儲(chǔ)及管理。可通過手持機(jī)或固定讀頭從電池安全模塊中讀出信息,并最終匯總在后臺(tái)管理系統(tǒng)中,便于統(tǒng)一的資產(chǎn)控制及信息管理。
在后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)安裝加密機(jī),以應(yīng)對(duì)對(duì)上傳數(shù)據(jù)的加解密處理。
5 ESAM的安全實(shí)現(xiàn)機(jī)制
根據(jù)數(shù)據(jù)安全要求不同,電池模塊與外界的數(shù)據(jù)交換可以采用以下4種模式:明文、密文、明文加校驗(yàn)或密文加校驗(yàn)?zāi)J?。?duì)數(shù)據(jù)的加密可以保證數(shù)據(jù)的可靠性,而數(shù)據(jù)完整性和對(duì)發(fā)送方的認(rèn)證通過使用校驗(yàn)碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。加密模式就是將要傳送的報(bào)文數(shù)據(jù)加密變換后再傳輸;校驗(yàn)?zāi)J骄褪菍?duì)要傳送的報(bào)文數(shù)據(jù)使用一個(gè)算法進(jìn)行加密得到一個(gè)4 B的校驗(yàn)碼MAC,打包到要傳送的數(shù)據(jù)中一起傳輸,接收方收到數(shù)據(jù)后根據(jù)MAC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判別;而加密校驗(yàn)?zāi)J郊嫒《咧L(zhǎng)[5]。
5.1 身份認(rèn)證
在電池模塊ESAM中取隨機(jī)數(shù)并進(jìn)行加密計(jì)算產(chǎn)生認(rèn)證數(shù)據(jù),上傳至及手持終端,再由手持終端中的PSAM卡進(jìn)行內(nèi)部認(rèn)證密文計(jì)算,核對(duì)兩方產(chǎn)生內(nèi)部認(rèn)證密文是否一致,以實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備對(duì)電池模塊合法性的認(rèn)證,流程如圖2所示。
隨機(jī)數(shù)由ESAM中內(nèi)置的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生,真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器利用內(nèi)部的電磁白噪聲產(chǎn)生隨機(jī)數(shù),消除了偽隨機(jī)數(shù)因周期性而被預(yù)測(cè)的可能,從而保證了加密過程的安全性[6]。
5.2 數(shù)據(jù)交互流程
當(dāng)身份認(rèn)證通過后,才可進(jìn)入下一步的數(shù)據(jù)交互流程,即電池模塊與外界的手持機(jī)或充電樁進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。
對(duì)于存儲(chǔ)在電池模塊中的數(shù)據(jù),以數(shù)據(jù)文件的重要程度分別進(jìn)行分類,按不同的安全級(jí)別進(jìn)行讀寫等操作的權(quán)限設(shè)置。安全性要求越高,加密等級(jí)越高,通信時(shí)的加密方式級(jí)別也對(duì)應(yīng)較高;安全性要求較低,加密等級(jí)也可相應(yīng)降低,即對(duì)應(yīng)加密方式可降低或?yàn)橥该鞑患用埽靡蕴岣咄ㄐ潘俣燃皽p低冗余計(jì)算。因此,根據(jù)對(duì)安全等級(jí)的不同需求,通信方式采用明文、密文、明文+校驗(yàn)、密文+校驗(yàn)4種方式。
在電池模塊的ESAM中,密鑰文件加密等級(jí)最高,由于在電池管理系統(tǒng)中使用的ESAM安全芯片為硬加密方式,因此所有密鑰文件均不可更改,但可自由使用,安全等級(jí)最高,用于對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的加解密。
其余數(shù)據(jù),如應(yīng)用信息文件,則根據(jù)安全等級(jí)分為透明文件及不透明文件。如充電文件、資產(chǎn)信息等由于涉及到資產(chǎn)歸屬以及充電次數(shù)及金額等重要信息,因此對(duì)安全性需求較高,此部分文件屬于不透明文件,在進(jìn)行交互通信時(shí),使用密文+校驗(yàn)方式,以保證在空間傳輸過程中時(shí)無(wú)法被第三方進(jìn)行破譯察看及修改;部分電池運(yùn)行信息文件則無(wú)需進(jìn)行mac校驗(yàn),使用密文方式進(jìn)行通信;如電池地址查詢、廣播校時(shí)等查詢操作,由于不涉及用戶或所有者隱私信息,則可無(wú)需經(jīng)由ESAM加解密,在主站與電池模塊間直接使用明文進(jìn)行通信,以節(jié)省通信時(shí)間。
5.3 安全管理系統(tǒng)
由于安全模塊的加解密功能,因此,電動(dòng)汽車電池在流通過程中,將和后臺(tái)主站間通過配套的密鑰系統(tǒng)連接起來(lái),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車電池的資產(chǎn)控制。
當(dāng)電動(dòng)汽車電池在進(jìn)行充電時(shí),電動(dòng)汽車內(nèi)模塊通過BMS與充電樁進(jìn)行通信,只有身份認(rèn)證通過后,充電樁才會(huì)對(duì)電池進(jìn)行充電。同時(shí),在交互過程時(shí)充電樁也可讀出電池模塊內(nèi)相關(guān)信息并傳輸至后臺(tái)系統(tǒng)備份,操作人員可以通過后臺(tái)系統(tǒng)隨時(shí)查詢電池的流通去向。
相同的讀寫設(shè)備也可以配置在固定讀頭或手持機(jī)上,用于在出入庫(kù)或是人員手動(dòng)查詢電池資產(chǎn)信息。
除了在程序算法流程上確保安全外,在應(yīng)用管理系統(tǒng)方面,在后臺(tái)系統(tǒng)軟件及手持機(jī)上分別設(shè)置權(quán)限等級(jí)不同的登陸密碼,用于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)信息的安全管理。
6 結(jié)束語(yǔ)
作為未來(lái)可能的交通工具的發(fā)展方向之一,電動(dòng)汽車的發(fā)展顯得尤為引人關(guān)注。其中,電動(dòng)汽車電池是電動(dòng)汽車中的最為重要組成部分和核心技術(shù)之一。本文基于ESAM安全模塊、手持終端,引入對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)改善的設(shè)計(jì)方法,提高電池的資產(chǎn)管理安全性,使其更為系統(tǒng)、安全、便捷,對(duì)于未來(lái)電動(dòng)汽車進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用有著深重的影響。
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評(píng)論