基于ESAM安全模塊的電動汽車電池管理系統(tǒng)

　　0 引言

　　能源緊張和氣候變化使具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢的電動汽車受到了全球的關(guān)注。電動汽車采用清潔能源電能作為動力，是未來交通的長遠(yuǎn)解決方案［1］。對于個人用戶而言，充電時需要到就近的充電站或充電樁進行充電，充電時間較長，如選擇電池快充，則對電池?fù)p傷較大。如當(dāng)前車內(nèi)電池電量不足且時間較緊，則需常備備用電池隨時進行更替。電動汽車電池體積較大，操作不易且成本較高，如個人購買備用電池勢必將造成個人基礎(chǔ)投入的提高，造成電動汽車在個人用戶中難以推廣。因此，由充電站或電池租賃公司常備多塊電池，由公司統(tǒng)一對電池進行充電和維護，根據(jù)需求為使用者進行電池更換。電動汽車的電能補充以換電方式為主。

　　該方式具有以下優(yōu)點：降低了用戶的基礎(chǔ)投入；延長電池的使用壽命；提高電池的利用率；有助于解決充電網(wǎng)點外的緊急情況；租賃公司利用峰谷電統(tǒng)一進行充電，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行流通，在電池進行更換時根據(jù)電池狀況進行資費結(jié)算，因此電動汽車電池需與不同使用者的信息（如車牌號等）掛鉤。一方面，需要保證使用者的個人信息不被泄露;另一方面，又需要保證電池在流通使用時的資產(chǎn)安全。此時，電池資產(chǎn)的所屬者（如充電站或電池租賃公司），對于電動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，將其安裝在電動汽車電池中，同時，設(shè)置與該ESAM安全模塊配套的手持終端。此時，將使用者的個人信息以及電池的資產(chǎn)信息存儲在ESAM安全模塊中，不僅個人信息被進行加密，同時，在進行充電或換電時，也需首先將電池中ESAM安全模塊與智能電網(wǎng)的后臺售電系統(tǒng)進行認(rèn)證，認(rèn)證通過后才可正常進行充換電，從而保證了電池資產(chǎn)的安全性。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　為實現(xiàn)電動汽車電池管理，整套系統(tǒng)共分為以下幾部分：電動汽車電池端的電池安全RFID模塊、手持機、固定讀頭、后臺管理系統(tǒng)。

　　在電動汽車電池上加裝電池安全RFID模塊，簡稱電池模塊。該模塊用于實現(xiàn)電池信息存儲、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，具有內(nèi)部獨立的片上操作系統(tǒng)（Card Operating System，簡稱COS）的嵌入式安全產(chǎn)品，除了具有防檢測、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制，以及標(biāo)準(zhǔn)的加解密運算功能等特性。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，將電動汽車電池的關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲在ESAM模塊中。對于不同的電池數(shù)據(jù)進行分類管理，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)通信時是否進行加密。

　　2.2 主控MCU作用

　　在電池模塊上，選擇適當(dāng)?shù)膯纹瑱C作為MCU，目前該模塊選用STM32芯片作為MCU，包括多個的外設(shè)接口，可以同時連接汽車本身的BMS系統(tǒng)、ESAM安全模塊以及射頻發(fā)射RF收發(fā)器，可以實現(xiàn)多個模塊間的數(shù)據(jù)交互，同時在進行數(shù)據(jù)交互時對數(shù)據(jù)進行協(xié)議處理運算。

　　2.3 RF收發(fā)器

　　電池模塊上的RF收發(fā)器與MCU通過SPI接口進行連接，同時，在手持機側(cè)配置相同的RF收發(fā)器，兩者設(shè)置相同的無線通信頻率，即可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信。

　　同時，由于RF收發(fā)器可以實現(xiàn)多個標(biāo)簽同時處理，因此，也可在電池管理倉庫門口設(shè)置固定的無線通信讀頭，便于倉儲的出入庫管理。

　　3 手持機/固定讀頭

　　手持機/固定讀頭為對電池模塊進行信息讀寫的設(shè)備，區(qū)別為手持機為移動讀寫設(shè)備，主要用于在野外的緊急換電或倉儲內(nèi)的盤庫清點等場合，可攜帶性高，包含顯示屏、鍵盤及人機交互系統(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庫出入庫等固定地點，利用RF收發(fā)器可實現(xiàn)多個標(biāo)簽同時讀取、后臺處理的特性，快捷地進行出入庫管理。

　　在手持機上具備可選的GPRS模塊，用于手持機采集信息后可通過GPRS與后臺主站及時進行數(shù)據(jù)更新。對于關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在通過GPRS公網(wǎng)進行傳輸時進行加密，以免在公網(wǎng)傳輸過程中被他人截獲或進行篡改［3］。

　　在手持機或固定讀頭設(shè)備終端內(nèi)均需配置PSAM卡，PSAM卡即銷售點終端安全存取模塊（Purchase Secure Access Module），用于商戶POS、網(wǎng)點終端、直聯(lián)終端等末端設(shè)備上，負(fù)責(zé)機具的安全控管［4］。該PSAM卡與電池模塊中的ESAM對應(yīng)配套發(fā)行，用于在數(shù)據(jù)交換中的加解密操作。

　　4 后臺管理系統(tǒng)

　　由于電動汽車電池在運行使用時，可能在多用戶、多地域間進行流通，后臺管理系統(tǒng)主要用于全部信息的存儲及管理?？赏ㄟ^手持機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。

　　在后臺系統(tǒng)對應(yīng)安裝加密機，以應(yīng)對對上傳數(shù)據(jù)的加解密處理。

　　5 ESAM的安全實現(xiàn)機制

　　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、明文加校驗或密文加校驗?zāi)Ｊ?。對?shù)據(jù)的加密可以保證數(shù)據(jù)的可靠性，而數(shù)據(jù)完整性和對發(fā)送方的認(rèn)證通過使用校驗碼來實現(xiàn)。加密模式就是將要傳送的報文數(shù)據(jù)加密變換后再傳輸；校驗?zāi)Ｊ骄褪菍σ獋魉偷膱笪臄?shù)據(jù)使用一個算法進行加密得到一個4 B的校驗碼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對數(shù)據(jù)進行判別；而加密校驗?zāi)Ｊ郊嫒《咧L［5］。

　　5.1 身份認(rèn)證

　　在電池模塊ESAM中取隨機數(shù)并進行加密計算產(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卡進行內(nèi)部認(rèn)證密文計算，核對兩方產(chǎn)生內(nèi)部認(rèn)證密文是否一致，以實現(xiàn)終端設(shè)備對電池模塊合法性的認(rèn)證，流程如圖2所示。

　　隨機數(shù)由ESAM中內(nèi)置的真隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，真隨機數(shù)發(fā)生器利用內(nèi)部的電磁白噪聲產(chǎn)生隨機數(shù)，消除了偽隨機數(shù)因周期性而被預(yù)測的可能，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或充電樁進行通信和數(shù)據(jù)交互。

　　對于存儲在電池模塊中的數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)文件的重要程度分別進行分類，按不同的安全級別進行讀寫等操作的權(quán)限設(shè)置。安全性要求越高，加密等級越高，通信時的加密方式級別也對應(yīng)較高；安全性要求較低，加密等級也可相應(yīng)降低，即對應(yīng)加密方式可降低或為透明不加密，用以提高通信速度及減低冗余計算。因此，根據(jù)對安全等級的不同需求，通信方式采用明文、密文、明文+校驗、密文+校驗4種方式。

　　在電池模塊的ESAM中，密鑰文件加密等級最高，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，安全等級最高，用于對傳輸數(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，因此對安全性需求較高，此部分文件屬于不透明文件，在進行交互通信時，使用密文+校驗方式，以保證在空間傳輸過程中時無法被第三方進行破譯察看及修改；部分電池運行信息文件則無需進行mac校驗，使用密文方式進行通信；如電池地址查詢、廣播校時等查詢操作，由于不涉及用戶或所有者隱私信息，則可無需經(jīng)由ESAM加解密，在主站與電池模塊間直接使用明文進行通信，以節(jié)省通信時間。

　　5.3 安全管理系統(tǒng)

　　由于安全模塊的加解密功能，因此，電動汽車電池在流通過程中，將和后臺主站間通過配套的密鑰系統(tǒng)連接起來，從而實現(xiàn)對電動汽車電池的資產(chǎn)控制。

　　當(dāng)電動汽車電池在進行充電時，電動汽車內(nèi)模塊通過BMS與充電樁進行通信，只有身份認(rèn)證通過后，充電樁才會對電池進行充電。同時，在交互過程時充電樁也可讀出電池模塊內(nèi)相關(guān)信息并傳輸至后臺系統(tǒng)備份，操作人員可以通過后臺系統(tǒng)隨時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上，用于在出入庫或是人員手動查詢電池資產(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，在后臺系統(tǒng)軟件及手持機上分別設(shè)置權(quán)限等級不同的登陸密碼，用于對系統(tǒng)內(nèi)信息的安全管理。

　　6 結(jié)束語

　　作為未來可能的交通工具的發(fā)展方向之一，電動汽車的發(fā)展顯得尤為引人關(guān)注。其中，電動汽車電池是電動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，引入對電動汽車電池管理系統(tǒng)改善的設(shè)計方法，提高電池的資產(chǎn)管理安全性，使其更為系統(tǒng)、安全、便捷，對于未來電動汽車進一步的推廣和應(yīng)用有著深重的影響。

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