CN101438219A - 电池组中的随机数生成器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于电池管理的设备、方法和计算机程序产品。在一种实施方式中，提供一种通信方法。该方法包括确定电池组何时连接到一个装置，所述电池组包括电池管理系统。该方法还包括在所述电池管理系统中生成一个随机数，所述电池管理系统包括电池监测电路、处理器、存储器、以及随机数生成器。该方法包括利用所述随机数以提供鉴权，而且如果鉴权成功，则在所述电池组和所述装置之间实现通信。

Description

电池组中的随机数生成器
技术领域
本申请一般涉及电气装置。
背景技术
许多现代的便携式装置(例如，膝上型计算机，移动电话，数字摄像机，视频摄像机，媒体播放器，个人数字助理(“PDA”)，游戏控制台等)都包括电池组。一种特殊类型的常规电池组包括连接到一个或多个集成电路(“IC”)芯片的一个或多个电池单元。该芯片典型地包括控制器(例如，微控制器)和电路，而且尤其提供电池单元管理和保护。
一些常规的电池组包括锂离子(“Li-ion”)电池单元，其基本上是封装在一个柱体内的挥发性化学反应。潜在的能量被存储在每个电池单元中，而且如果该电池单元被暴露到其规范以外的条件下时，该电池单元可能过热、起火、或者爆炸。配置有这些易失性单元的常规电池组通常包括故障保护电路，用于检测不安全状态(例如，充电或放电过电流、短路等等)，以及用于采取纠正措施来防止损坏电池单元和/或器件破坏，以及保护终端用户。
某些常规电池组可以与所连的装置通信。例如，电池组可以将电池充电(或容量)程度数据传递给该装置或充电器。该装置/充电器例如可以利用所接收的电池充电信息，将电池充电程度的显示提供给该装置/充电器的用户。一些常规的装置/充电器被设计用于特定的电池组类型(例如，来自特定制造商的电池组)。装置/充电器可以被设计用于特定的电池组类型，例如，用于增强装置的安全性、用于确保电池组与装置/充电器之间的正常通信(例如，纠正充电程度信息)，以及适当地操作装置/充电器(例如，适当地调整提供给装置的功率)。
发明内容
在一种实施方式中，提供一种设备、方法以及计算机程序产品用于电池管理。一般而言，在一方面，提供一种通信方法。该方法包括确定电池组何时连接到一个装置，所述电池组包括一个电池管理系统。该方法还包括在所述电池管理系统中生成一个随机数，所述电池管理系统包括电池监测电路、处理器、存储器、以及随机数生成器。该方法包括利用随机数以提供鉴权，而且如果鉴权成功，则在所述电池组和所述装置之间实现通信。
该方法的实现包括一个或多个的以下特征。所述鉴权还可包括确定所述装置是否为授权的装置。所述鉴权还可包括执行一个或多个用于允许所述装置确定所述电池组是否被授权与所述装置一同使用所需的步骤。所述鉴权还包括利用第一加密密钥加密所述随机数，并且将加密后的随机数发送给所述装置。所述鉴权还包括从所述装置接收加密后的随机数，并且利用第二加密密钥解密所述接收的加密后的随机数。所述鉴权还可包括将所生成的随机数与利用第二加密密钥解密的随机数进行比较。
该方法还可包括如果鉴权失败的话，则限制所述电池组与所述装置之间的通信。限制通信可包括阻止通信。所述电池组与所述装置之间的通信可包括将电池充电数据提供给所述装置。
所述鉴权还可包括从所述装置接收加密后的随机数，所述随机数是利用所述第一加密密钥加密的。所述接收的随机数是利用所述第一加密密钥解密的。所述解密后的随机数是利用所述第二加密密钥加密的。利用所述第二加密密钥加密的所述随机数被发送到所述装置。
一般而言，本发明在一方面提供一种电池组。该电池组包括一个或多个电池单元、包含集成处理器的电池管理系统、以及包含随机数生成器的通信引擎。
实施方式可包括一个或多个以下优点。电池管理系统可用于实现电池组和装置/充电器之间的安全鉴权。电池组中的电池管理系统可包括随机数生成器。所述随机数生成器可包括一个或多个随机数以便于鉴权过程。利用所述鉴权过程，所述电池组可以鉴权所连接的装置/充电器，或者被所连接的装置/充电器鉴权。所述电池管理系统还可包括用于加密或解密随机数的密钥。所述加密和解密功能均可用于鉴权所述装置/充电器，而且可用于被所述装置/充电器鉴权。
在以下的附图和说明书中陈述了本发明的一个或多个实施例的细节。根据该说明书和附图以及根据权利要求书，本发明的其它特征、目的、以及优点将是明显的。
附图说明
图1A是包含电池组的应用的原理图；
图1B是电池组的原理图；
图2是包含随机数生成器的电池管理系统的框图；
图3A是用于在电池管理系统中提供通信的过程；
图3B是用于在电池管理系统中执行鉴权的示例性单向鉴权过程。
各个附图中类似的附图标记指示类似的单元。
具体实施方式
下面参考单芯片电池管理系统，其中微控制器、非易失存储器以及其它电路组件被集成到单个集成电路中。作为选择，可以在多芯片解决方案中实现所提出的方法和系统。如本领域的技术人员所能够理解的，可以在这些以及其它体系结构中实现所公开的方法和系统。
包含管理系统的电池组
现在参考图1A，图中示出了用于应用50中的电池组100。电池组100可以与装置102或充电器104相连。当与充电器104相连时，电池组100的端子(即，正端、负端以及可选的通信端)通过媒介106与充电器104的相应端子(即，正端、负端以及通信端)相连，以允许对与电池组100相关联的电池单元充电。媒介106可以是电线、导线、插针形式，或者其它电连接手段。
类似的，当与装置102相连时，电池组100的端子(即，正端、负端以及通信端)通过媒介108与装置102的相应端子(即，正端、负端以及通信端)相连，以允许装置102的操作。媒介108可以是电线、导线、插针形式，或者其它电连接手段。在一些实施方式中，电池组100还在各自的通信端口与装置102和充电器104相连。通信端口允许在装置102/充电器104与电池组100之间传送信息(例如，命令和控制)。可交换的信息的一个实例包括电池充电程度(即，容量)。
现在参考图1B，图1B提供了电池组100的一个更为详细的原理图。电池组100包括一个或多个电池单元120，分立晶体管110、112，分流电阻器114，以及电池管理系统130。电池管理系统130包括下面将要讨论的多个组件，它们可以集成在单个封装中(例如，集成到单个集成电路中)。或者，电池管理系统130的组件可以被分别封装。分立晶体管110、112可以与电池管理系统130分离，并且被包含在一个分离的封装中(即，两芯片或三芯片方案)，或者可以与电池管理系统130的组件一起封装。
分立晶体管110、112用于断开电池单元120与外部电池组端子(外部电池组正端150和负端140)的连接。在所示的实施方式中，示出了两个分立晶体管，它们可以为FET形式。虽然可以使用其它晶体管技术，但是FET在工艺、性能(例如，导通电阻)、成本、尺寸等方面具有优势。在所示的实施方式中，提供有两个晶体管，而且它们代表分离的充电晶体管110和放电晶体管112。充电晶体管110用于实现电池单元120的安全充电。放电晶体管112用于实现电池单元120的安全放电。充电和放电晶体管110、112串联连接。在一个实施方式中，使用两个NFET晶体管，而且它们以串联配置方式漏极-漏极相连。或者，可以使用两个PFET晶体管，而且它们二者源极-源极相连。在PFET方案中，可能需要未示出的其它二极管来给电池管理系统130供电(即，馈电Vfet)。
在所示的实施方式中，充电和放电晶体管110、112以高压端配置相连(即，与低压端配置相反的是，串联晶体管与电池单元的高压端相连)。在所示的高压端配置中，充电晶体管110的一端(即，NFET实施方式中的源极)与电池单元120-1的正端相连。放电晶体管112的一端(也是NFET实施方式中的源极)与外部电池组正端150相连。充电和放电晶体管110、112的各自的第二端彼此相连(在NFET实施方式中形成漏极-漏极结点)。充电晶体管110和放电晶体管112的栅极在输入端OC和OD分别与电池管理系统130相连。类似的，晶体管110、112之间的结点在电池管理系统输入端(有时称为VFET)处与电池管理系统130相连。电池管理系统输入端向电池管理系统提供工作功率。
在所示的实施方式中，需要两个晶体管来阻止电流在两个方向上的流动。具体而言，FET包括寄生二极管(分别标记为110-1和112-1)，因此如果是单个FET，则不允许禁止电流在两个方向上的流动。当两个FET串联使用时(或者源极-源极，或者漏极-漏极)，可以禁止电流流入以及流出电池单元。类似的，当使用两个晶体管时，可以实施选择性控制以允许电流仅在给定时间在单个方向流动(即，允许充电，但是不允许放电，直到电池组已经充入了足够的电)。
电池单元120为可充放电电池，而且可以是锂离子(Li-ion)电池或锂聚合物(Li-polymer)形式。其它电池技术类型也是可能的。当提供有多个电池单元时，电池单元120可以串联连接。在所示的双单元实施方式中，电池单元120-1的最顶端的正端与电池管理系统130(例如，允许检测电池电压电平)相连，并与其中一个分立晶体管(即，充电晶体管110)相连。最顶端的电池单元120-1的负端与最底端的电池单元120-2的正端相连，并且与电池管理系统130在输入端170相连。该串联连接中最底端的电池单元120-2的负端与电池管理系统130相连(例如，允许检测电池电压电平)以及与分流电阻器114的一端相连。虽然图中示出了双电池单元的实施方式，但在该电池组100中可包含其它数量的电池单元，包括单电池单元配置或者其它多电池单元配置。分流电阻器114的第二端与本地的接地(电池管理系统的本地的接地)相连、与电池管理系统130相连(以允许测量通过分流电阻器114的电流)、以及与电池组100的外部电池组负端140相连。
电池管理系统130包括用于在非正确操作的情况下保护电池的监控器电子器件、用于估计剩余电池容量的监测电子器件、用于系统控制并且与电池组100所连接的装置通信的控制器(例如，微控制器)、以及存储器(例如，EEPROM、Flash ROM、EPROM、RAM等等)。如上所述，如果使用不当的话，某些电池技术将产生有害状况。例如，如果锂离子和锂聚合物电池被过充或放电过快的话，它们可能过热、爆炸或自燃。此外，如果它们被放电过度，锂离子和锂聚合物电池可能损失它们的大量充电容量。电池管理系统130包括用于保证无错误操作的监控电子器件。
作为电池管理系统130一部分的监测电子器件可用于估计剩余电池容量。电池容量信息可以在电池管理系统130和通过通信端口端子160连接的装置/充电器之间传递。如下面将更为详细地讨论的，电池管理系统130还可包括用于电池组100和装置/充电器之间通信的鉴权特征。
电池管理系统
图2示出了用于电池组100中的示例性电池管理系统130的框图。电池管理系统130一般包括处理器202(例如，基于RISC体系结构的低功率CMOS 8位微控制器)、电池保护电路204、电流流量控制器206、电压调节器208、功率监控器210、充电检测器212、时钟生成器214、端口216、存储器218、电压基准220、看门狗定时器222、以及通信引擎224。处理器202、端口216、电池保护电路204、电压基准220以及通信引擎224均与数据总线226相连。
电池管理系统130的一种实际实施方式可包括其它组件和子系统，为简明起见，它们从图2中被去除了。例如，电池管理系统130可包括用于电池监控的电路(例如，模-数变换器)、用于均衡电池单元电压的电池单元均衡电路(例如，电池单元均衡FET)、用于与外部装置通信的通信装置、噪声抑止电路、唤醒定时器、以及其它监视器或控制电路。
存储器218可以被编程有由处理器202执行的指令以执行各种任务，如电池单元均衡、电池保护、用于确定充电程度的电流测量、以及通信和鉴权任务。
在一些实施方式中，电流流量控制器206有多个输出端(例如，OC、OD)，它们与可以由电流流量控制器206配置的外部装置相连，以便控制电池单元和装置或充电器之间的电流流量。电流流量控制器206包括各种电路和逻辑(例如，运算放大器、控制和状态寄存器、晶体管、电容器、二极管、逆变器、门电路等等)，用于在输出端(例如，OC和OD)产生电压。在一些实施方式中，OC输出端为高电压输出端，其与充电FET(例如，充电晶体管110)的栅极相连以完全或部分启用或禁止充电FET，控制在充电事件期间的电流流量。OD输出端是高电压输出端，其与放电FET(例如，放电晶体管112)的栅极相连，以完全或部分启用或禁止放电FET，控制放电事件期间的电流流量。图1B示出了高压端实施方式中的FET装置的示例性配置，用于响应来自电流流量控制器206的控制电压来控制电流流量。
电流流量控制器206通过接口240与电池保护电路204相连。电池保护电路204包括用于监测电池单元电压和充电/放电电流以便检测故障状态，以及用于启动动作(例如，禁止或部分禁止充电、放电、或预充电FET)，以便保护电池组100免受损害的电路(例如，差分放大器)。故障状态的实例包括但不限于：放电期间的深度欠压、放电期间的短路、以及充电和放电期间的过电流。在一些实施方式中，电流感应电阻器(Rsense，即分流电阻器114)可以跨越电池保护电路204的PPI和NNI的输入端相连，其中PPI为来自电路感应电阻器的非过滤正输出，而NNI为来自电流感应电阻器的非过滤负输入。如参考图1B描述的，电流感应电阻器可以与电池单元和电池管理系统130相连。
通信引擎224与数据总线226和通信端口端160相连。通信引擎224提供电池组100和相连装置(例如，图1A中的装置102或充电器104)之间的数据通信。例如，通信引擎224可以为该装置提供电池状态数据，例如电池充电程度数据。电池充电程度数据可以由该装置使用，例如在充电显示器中指示剩余充电程度(例如，移动电话上的电池程度指示器)。
在一种实施方式中，通信引擎224被配置用于提供电池组和所连装置之间的安全鉴权。例如，通信引擎224确定该所连装置是否为被接受或授权装置(即，“友好”装置)。一个非友好装置例如可以是用于逆向工程电池组的特征的装置。另外，通信引擎224可用于将数据流提供给处理器用于鉴权该电池组。
例如，一种装置可以被设计用于与一种特定的电池组类型工作。该鉴权过程可用于确认该装置是否正使用正确的电池组(即，该正确的电池类型已经与该装置连接)。如果鉴权失败，则电池组可以为该装置提供有限的通信以减少装置功能。例如，该装置可能无法接收和显示电池充电数据。在一种实施方式中，非授权装置或电池组可能导致电池组和该装置之间的通信阻塞，或者禁止放电电阻器，这将导致没有电流提供给该装置。
通信引擎224包括随机数生成器(“RNG”)228。RNG 228配置用于生成一个或多个随机数以支持通信引擎224的鉴权功能。RNG228可使用物理特性或一个或多个算数算法来生成一序列的数，其模式是难于辨别的。
在一种实施方式中，RNG并没有包含在通信引擎224中。RNG可以是电池管理系统130内部的分离组件。RNG可以通过例如数据总线226与通信引擎224相连。
随机数生成器通信方法
现在参考图3A，图3A中提供了一种用于提供电池组和所连装置之间的通信的方法300的流程图。方法300包括将电池组连接到装置(步骤302)。例如，电池组(例如电池组100)的正、负和通信端可利用媒介(例如媒介108)与装置(例如装置102)的相应端相连。
在连接电池组到该装置之后，发生鉴权过程以鉴权该电池组、所连装置、或二者(步骤302)。这些鉴权步骤将参考图3B进行详细讨论。如果鉴权过程成功，则启用电池组和该装置之间的通信。例如，如果该鉴权成功，则电池组的通信引擎(例如通信引擎224)可以将电池充电数据提供给该装置。
鉴权过程
现在参考图3B，图3B提供了示例性单向鉴权过程304的流程图，用于电池组鉴权装置。鉴权过程304以生成随机数(步骤350)开始。例如，当在将电池组连接到装置之后由通信引擎启动该鉴权处理时，电池组中的RNG(例如RNG 228)可以生成随机数。
在一种特定的鉴权方案中，所生成的随机数然后利用第一加密密钥被加密(步骤352)。加密密钥定义了一种用于加密数据或者用于解密已经利用该密钥而被加密的数据的变换。该密钥对电池组可以是唯一的，但是对该装置是已知的。该正确的密钥必须被用于恢复原始数据。在一种实施方式中，通信引擎包括一个或多个加密密钥，并且被配置用于同时提供加密和解密功能。
作为选择，通信引擎可以调用电池组中的处理器(例如处理器202)以提供所需的加密(和/或解密)功能。该处理器可以与其它电池组组件协同工作，例如存储器(例如存储器218)，以提供加密/解密功能。例如，存储器218可以存储加密密钥，这些加密密钥可用于执行加密和解密处理。
被加密的随机数然后被发送到装置(步骤354)。例如，通信引擎可以利用到电池组的通信端口(例如通信端口160)的连接来发送该加密的随机数。
在从电池组接收到加密的随机数后，该装置解密该加密的随机数(步骤356)。在一种实施方式中，该装置使用与该电池组加密该随机数(例如，对称密钥)相同的第一加密密钥，解密所接收的随机数。在解密了该加密后的随机数之后，该装置然后用任选的第二加密密钥来重新加密该随机数(步骤358)。可以使用对该装置唯一的但是对该电池组已知的不同的第二加密密钥。在一种实施方式中，电池组和该装置各自包含第一密钥和第二密钥。或者，在一种实施方式中，第一和第二密钥不是对称密钥。因此，电池组包含加密密钥1和解密密钥2，而该装置包含加密密钥2和解密密钥1。该装置将利用第二加密密钥加密的随机数发送到电池组(步骤360)。与从电池组发送的加密后的随机密钥的发送一样，该装置可以将加密后的随机数发送到电池组的通信端口。
电池组解密该加密后的随机数(步骤362)。而且，电池组必须包含(或者能够访问)由该装置使用的相同的第二加密密钥。例如，通信装置可以包含第二加密密钥并且解密该随机数。或者，与加密过程一样，通信装置可以调用该处理器来帮助或者执行随机数的解密。
一旦被加密，该随机数就与通信装置的RNG所最初生成的随机数进行比较(步骤364)。例如，通信装置可以保留所生成的随机数以便执行该鉴权过程。如果RNG所生成的随机数与解密的随机数匹配，则鉴权成功(步骤366)。如果该鉴权成功，则电池组已经验证该装置是友好的(例如，该装置为与电池组一起使用的授权装置)。电池组和所连装置之间的通信可以如同上面参考图3A所描述的那样被启用。
然而，如果RNG所生成的随机数与所解密的随机数不匹配，则鉴权失败(步骤368)。例如，如果该装置没有正确的加密密钥，则试图解密从电池组接收的随机数将导致产生一个不正确的数。在另一实例中，一个装置可以通过生成一个替代加密的随机数来旁路该鉴权过程；然而，该替代数将不与RNG所生成的随机数相匹配。在另一实例中，如果装置不是授权的装置类型，则该装置将不会知道如何响应所接收的加密后的随机数。因此，如果在例如一个预定的时间周期内没有从该装置接收到响应，则鉴权过程还是会失败。
在一种实施方式中，除了图3B所示的鉴权过程304之外或者替代鉴权过程304，可以由装置执行一种类似的用于鉴权电池组的单向鉴权过程。在这种实施方式中，上述的操作被反向，而且将执行下述的镜像鉴权过程(例如，装置中的RNG生成一个可以用于鉴权该电池组是否被该装置接受的随机数)。
在一种实施方式中，需要双向鉴权。在一个双向鉴权过程中，发生镜像鉴权过程304，除了随机数是由位于装置上的RNG最初生成的。该装置然后发送该初始加密的随机数到电池组的通信引擎。电池组解密所接收的随机数，然后利用第二加密密钥重新加密该数。该加密的随机数然后被发送到该装置。该装置然后将最初生成的随机数与从电池组接收的随机数进行比较。该镜像鉴权过程允许装置验证电池组是否友好(即，电池组是否为接受的电池组类型)。在一种实施方式中，电池组和该装置之间的通信必须在两个方向上都成功鉴权。
上面公开的鉴权过程304仅仅是一种可能的利用由电池组生成的随机数的鉴权方案。其它可能的鉴权技术也可能用于启用电池组和所连装置之间的通信。
已经描述了本发明的许多实施例。然而，应理解的是，可以进行多种修正而不会偏离本发明的精神和范围。因此，其它实施例也在所附权利要求书的范围之内。

Claims (11)

1、一种通信方法，包括：
确定电池组何时与装置相连，所述电池组包括电池管理系统：
在所述电池管理系统中生成随机数，所述电池管理系统包括电池监测电路、处理器、存储器、以及随机数生成器；
利用所述随机数以提供鉴权；以及
如果鉴权成功，则在所述电池组和所述装置之间实现通信。
2、根据权利要求1的方法，所述鉴权还包括：
确定所述装置是否为授权装置。
3、根据权利要求1的方法，所述鉴权还包括：
执行允许所述装置确定所述电池组是否被授权与所述装置一起使用所需的一个或多个步骤。
4、根据权利要求1的方法，所述鉴权还包括：
利用第一加密密钥加密所述随机数；以及
发送所述加密后的随机数到所述装置。
5、根据权利要求4的方法，所述鉴权还包括：
从所述装置接收加密后的随机数；以及
利用第二加密密钥解密所述接收的加密后的随机数。
6、根据权利要求5的方法，所述鉴权还包括：
比较所述生成的随机数与利用所述第二加密密钥解密的随机数。
7、根据权利要求1的方法，还包括：
如果鉴权失败，则限制所述电池组和所述装置之间的通信。
8、根据权利要求7的方法，其中限制通信包括阻止通信。
9、根据权利要求1的方法，其中所述电池组和所述装置之间的通信包括将电池充电数据提供给所述装置。
10、根据权利要求1的方法，所述鉴权还包括：
从所述装置接收加密后的随机数，利用所述第一加密密钥加密所述随机数；
利用所述第一加密密钥解密所述接收的随机数；
利用所述第二加密密钥加密所述解密后的随机数；以及
将利用所述第二加密密钥加密的随机数发送到所述装置。
11、一种电池组，包括：
一个或多个电池单元；
包含集成处理器的电池管理系统；以及
包含随机数生成器的通信引擎。
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