CN104183881B - 用于认证蓄电池的测量数据的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于认证蓄电池的测量数据的方法，该蓄电池包括至少一个具有配属的模块控制装置的蓄电池模块和中央的控制装置，该方法具有以下步骤：a)通过模块控制装置获取多个蓄电池单元的测量数据；b)通过模块控制装置确定至少一个附加的信息载体，其被设置用于认证测量数据；c)将测量数据和至少一个附加的信息载体从模块控制装置传递到中央的控制装置；d)由中央的控制装置根据至少一个附加的信息载体验证测量数据。此外，本发明提出一种数据结构、一种计算机程序和一种蓄电池管理系统，其都被设置用于执行上述方法，以及一种蓄电池和一种机动车，该机动车的驱动系统与这种蓄电池相连接。

Description

用于认证蓄电池的测量数据的方法和装置
技术领域
本发明涉及到一种用于认证蓄电池的测量数据的方法，该蓄电池包括至少一个具有配属的模块控制装置的蓄电池模块和中央控制装置，其中，多个蓄电池单元的测量数据通过至少一个模块控制装置获取。
此外，本发明提出一种具有这种测量数据的数据结构、一种计算机程序和一种蓄电池管理系统，其都尤其地被设置用于执行该方法。此外，本发明还提出了一种蓄电池和一种具有这种蓄电池的机动车。
背景技术
目前在车辆领域越来越多地使用电子的控制装置，例如发动机控制装置和用于ABS或气囊的控制装置。对于电驱动车辆目前的研究重点是开发具有从属的多个蓄电池管理系统，即多个控制装置的高性能的蓄电池组，该蓄电池管理系统装备有用于监控蓄电池功能性的软件。此外，多个蓄电池管理系统保证所使用的多个蓄电池单池和多个蓄电池组的安全和可靠的功能。该多个蓄电池管理系统监控和控制单个单池和/或整个蓄电池组的电流、电压、温度、绝缘电阻和其它的量。利用该些量能够实现管理功能，该管理功能提高了蓄电池管理系统的使用寿命、可靠性和安全性。
US 7,863,858 B2阐述了用于认证蓄电池组内的多个模块的方法和装置。该文献中所介绍的通信方法包括在蓄电池管理系统中产生随机数字，从而确定装置是否与蓄电池授权地连接。
US 7,657,338，B2阐述了一种具有与传感器相连接的控制单元的自动化系统。RFID芯片能够实现对传感器的认证。
发明内容
根据本发明的用于认证蓄电池的测量数据的方法包括以下步骤：
a)通过模块控制装置获取多个蓄电池单元的测量数据；
b)通过模块控制装置确定至少一个附加的信息载体，该信息载体被设置用于认证测量数据；
c)将测量数据和至少一个附加的信息载体从模块控制装置传递到中央的控制装置；
d)由中央的控制装置根据至少一个附加的信息载体验证测量数据。
通常通过多个模块控制装置获取和监控的测量数据包括例如温度、充电状态、释放的电流或者所提供的电压。使用数据同样还能够包括从中推导的数值，例如在时间上累加或者积分的参量、彼此相乘或者以其他方式聚合得到的参数，例如在合适的可量化的多个单元中的蓄电池的所谓的健康状态(SOH)。此外，在使用数据中能够包括最小状态与最大状态，例如充电状态之间的差值，相对蓄电池功率或充电和放点循环的执行的次数。根据这些测量数据实现蓄电池管理功能，例如确定蓄电池系统的预期的使用寿命或者蓄电池的健康状态(SOH)。通过计数运行周期此外能够推导出蓄电池在每个运行周期的平均情况。该测量数据也能够使用于在损坏情况下确定原因。
该方法能够尤其地使用在锂离子蓄电池和镍金属氢蓄电池上。优选地，该方法应用于一个或多个蓄电池的多个和尤其全部的模块上，该些模块基本上同时地运行。
在在上文中论述的方法的有利的改进和优化通过在下文中举出的措施是可能的。
根据一种优选的实施方式，附加的信息载体是校验和，其根据测量数据和模块控制装置的自身的秘钥确定。尤其优选地，附加的信息载体根据测量数据和模块控制装置的序列号或者由中央的控制装置已知的自身的模块控制装置代码确定。
根据一种优选的实施方式，模块控制装置的自身的秘钥由中央的控制装置分配。在此能够例如设置，中央的控制装置确定一个随机数，例如一个32位数，其永久保存在中央的控制装置中。中央的控制装置将自身的模块控制装置代码传递到相应的模块控制装置上，其被保存在配属的非易失的存储器中。自身的密钥的传递能够例如在与测量数据交换相同的通信路线上实现，例如通过CAN总线。
尤其优选地，附加的信息载体借助单向函数f(x，y)从模块控制装置的自身的秘钥和测量数据中确定。单向函数f(x，y)→z优选地被定义具有这样的特性，使得函数值z能够被简单地计算并且函数的反向计算是非常耗费并且在实践中是不可能的。例如这类单向函数能够在密码学中找到，例如Hash函数，尤其是SHA-1、SHA-2或者SHA-3，或者是质数的乘法。
Hash函数适合用于确定数据的完整性。这意味着，实践中不可能的是，通过有意的改动产生与给定测量数据具有相同Hash值的测量数据。在不知道附加的信息载体的计算规则的情况下，潜在的攻击者不能产生测量数据的可信的组合和适当的签名并将其储存在控制装置中。
校验和也能够借助循环的冗余检查形成。在循环的冗余检查(CRC：cycle redundancy check)中测量数据的位顺序通过确定的生成多项式，即所谓的CRC多项式模2划分，其中，保留一个余数。该余数是添加到测量数据上的CRC值。
在单向函数f(x，y)→z上y值是模块控制装置的自身的秘钥。通过值y保证不同控制装置中的相同单向函数提供不同的结果。每个模块控制装置具有其自身的模块控制装置代码并因此在相同的测量数据的情况下使用互相不同的单向函数。通过使用模块控制装置的自身的秘钥使得反推出计算规则非常困难。输入值x是测量数据。例如所有的测量数据能够借助XOR函数联接成一个值，该值之后与值y一起被用于计算附加的信息载体。
在获取之后，测量数据或者单独地或者打包地配备有附加的信息载体，它在本文中也能够被称作认证信息或者所谓的签名。该签名、例如一个32位数与测量数据一起被储存在数据结构中。
根据一种优选的实施方式该方法包括以下的另一个步骤：
e)将测量数据储存在中央的控制装置的非易失的存储器中。这种非易失的存储器例如是所谓的EEPROM，即电可擦除、可编程的只读存储器。
根据一种优选的实施方式在中央的控制装置的验证失败的情况下产生错误提示并将其提供给例如CAN总线。对此替换地或者附加地能够进行设置，使得中央的控制装置切断或者减少部分蓄电池，例如开始所谓的跛行模式(Limp-Home)。
优选地，验证在确定数量的测量循环之后发生，例如在每百个、每千个或者每万个之后。可选地，验证能够在确定的时间段之后发生，例如一天，如果蓄电池在那一天被使用的话。
此外，根据本发明提供一种数据结构，其具有多个蓄电池单元的测量数据并且具有至少一个附加的信息载体，该信息载体被设置用于对所述测量数据进行可靠性测试。在实施所描述的方法时编制该数据结构。数据结构例如由计算机装置读取以用于保养和维修或者用于认证测量数据。
此外，根据本发明提供一种计算机程序，当计算机程序在可编程的计算机设备上执行时，根据该计算机程序实施上述多种方法中的任一种。计算机程序上能够涉及例如用于实施用于提供用于蓄电池管理系统的测量数据的装置的模块和/或用于实施车辆的蓄电池管理系统的模块。计算机程序能够被储存在机器可读的存储介质上，例如储存在一个永久的或者可复写的存储介质上或者在计算机设备的配件内，例如在诸如CD-ROM、DVD、USB条或存储卡的便携式存储器上。补充地或者替代地能够在计算机设备上，例如在服务器或者云-服务器上提供计算机程序用于例如通过数据网络，例如因特网或者通信连接，例如电话线路或者无线连接进行下载。
根据本发明此外还提出一种蓄电池管理系统(BMS)，其具有用于获取多个蓄电池单元的测量数据的单元、用于确定附加的被设置用于认证测量数据的信息载体的单元、用于将测量数据和附加的信息载体从模块控制装置传递到中央的控制装置的单元以及用于根据附加的信息载体验证测量数据的单元。优选地，蓄电池管理系统具有非易失的存储器以及用于将所传递和验证的测量数据储存在该非易失的存储器中的单元。
根据本发明此外提供一种蓄电池，尤其是锂离子蓄电池或者镍金属氢蓄电池，该蓄电池包括蓄电池管理系统并与机动车的驱动系统是可连接的，其中，如之前所述地构造和/或设置的蓄电池管理系统执行根据本发明的方法。
在本说明书中根据通常的语言习惯用概念“蓄电池”和“蓄电池单元”代替蓄能池或蓄能池单元。优选地，蓄电池包括一个或多个蓄电池单元，该些蓄电池单元能够包括蓄电池单池、蓄电池模块、模块支路或蓄电池组。在此优选地，多个蓄电池单池在空间上被合并在一起并且在线路技术上是彼此相连接的，例如被串联地或并联地连接成模块。多个模块能够形成所谓的蓄电池直接转换器(BDI：BatteryDirect Converter)以及多个蓄电池直接转换器能够形成蓄电池直接逆变器(BDI：Battery Direct Inverter)。
根据发明此外提供一种具有这种蓄电池的机动车，其中，该蓄电池与机动车的驱动系统相连接。优选地，该方法应用于电驱动的车辆，在该些车辆中多个蓄电池单池连接在一起用以提供必要的驱动电压。
通过根据发明的方法能够阻止对测量数据的操纵和/或未授权的蓄电池模块的更换。此外，能够显示在规范之外的通过操纵测量数据的蓄电池组的不允许的使用。当测量数据不具有正确的附加信息载体时，则指示测量数据被操纵或者存储器损坏。
在没有计算规则的确切的知识和模块控制装置的明确的认证的情况下，潜在的攻击者无法计算出可信的信号。借助足够多的已知测量数据-签名组合的签名计算的所谓的反向工程由于使用私有的模块控制装置序列号变得非常困难。在极端的情况下，即攻击者解密了对于模块的使用信息的防御，其至多也只能伪造一个模块的使用信息，其他所有的模块仍然一如既往的受到保护。此外尤其有利的是，单向函数能够在所有的模块控制装置上相同地实现，因为传感器认证明显改变了对于每个模块控制装置的单向函数。
出于安全的目的以及用于保修期索赔的处理尤其有利地也识别模块控制装置的更换。蓄电池管理系统能够在识别出未允许的更换时中断整个蓄电池组的使用或者置于紧急状态下。
中央的蓄电池控制装置和局部的模块控制装置能够任意地进行设置并对伪造做出反应，例如通过在错误存储器中的标记或者切断蓄电池。控制装置此外提供识别存储器错误的可能性，例如相应的做出反应并不再使用损坏的储存单池。
此外尤其有利的是，能够非常快速和低成本的进行认证，因为仅仅需要传递和检查签名。该方法的优点也在于很小的附加的数据量，因为唯一的签名能够被分配给许多个测量数据。此外，蓄电池管理系统的高速启动过程、即所谓的系统引导(system-boot)不会被延迟，因为能够在循环的测量数据通信的范围内对签名实施调整。
附图说明
根据附图和后续的说明进一步解释本发明的实施例。
其中：
图1示出了根据本发明的一种实施方式的蓄电池管理系统；
图2示出了多个模块控制装置的训练的示例；
图3示出了根据本发明的系统和方法的示例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一种实施方式的蓄电池管理系统1。该蓄电池管理系统1包括中央的控制装置2，该中央的控制装置也能够被称作BCU(Battery Control Unit：蓄电池控制单元)并且具有若干蓄电池模块4-1、4-2......4-n，该些蓄电池具有各自的模块控制装置6-1、6-2......6-n，该模块控制装置也被称作CMC(Cell ModuleController：单池模块控制器)。每个模块4被分配给具有多个蓄电池单池的多个蓄电池单元8，其中该些蓄电池单元通常串联地或者部分附加并联地连接，以便通过蓄电池系统实现要求的功率数据和能量数据。每个蓄电池单池例如是具有2.8至4.2伏的电压范围的锂离子蓄电池。中央的控制装置2和多个模块控制装置6之间的通信通过通信信道5、例如通过CAN总线实现。
图2示出了蓄电池管理系统1的多个模块控制装置6的训练示例，该蓄电池管理系统例如能够参考图1所示地构造。蓄电池管理系统1包括具有配属的非易失的存储器10的中央的控制装置2以及具有配属的非易失的存储器14-1、......14-n的多个模块控制装置6-1、......6-n。
训练的过程在图2中以步骤S1-1、......S1-n示出。这里例如在第一次使用模块控制装置6的时候从中央的控制装置2中获得一个随机数作为私有的模块控制装置代码，例如一个32位数。中央的控制装置2将模块控制装置代码16-1、......16-n传递给多个模块控制装置6，该些模块控制装置将该模块控制装置代码储存在各个非易失的存储器14中。中央的控制装置2此外将模块控制装置代码作为副本12-1、......12-n储存在各自的非易失的存储器10中。由此每个模块控制装置6都有各自的模块控制代码16，它们与其他的代码不同。多个代码16形成上述的单向函数f(x，y)→z中的参数y，从而每个模块控制装置6实施不同的单向函数。该传递能够例如在与交换测量数据相同的通信线路上实现，尤其地通过CAN总线。训练是单次过程并且能够在加工厂内的一个安全环境中进行。这里保证该过程不会被未经授权的记录下来。
图3示出了根据本发明的蓄电池管理系统1，其执行根据本发明的方法。该蓄电池管理系统1包括中央的控制装置2和多个模块控制装置6-1、......6-n。该多个模块控制装置6-1、......6-n连接在多个传感器18-1、......18-n上，多个传感器获得测量数据，例如温度、充电状态、电流或者电压并在步骤S2中提供给模块控制装置6。多个模块控制装置6分别包括用于获取测量数据的单元20-1、......20-n，其接受来自传感器18的测量数据。用于获取测量数据的单元20被连接到用于确定附加的信息载体的单元24上，该信息载体被设置用于认证测量数据。用于确定附加的信息载体的单元24从用于获取测量数据的单元20中接收测量数据并且从非易失的存储器22中接收控制装置识别。根据输入参数单元24借助单向函数计算签名并且在步骤S3中将其提供给通信单元26。该通信单元26在另一个步骤S4中将测量数据和附加的信息载体传递到中央的控制装置2。
中央的控制装置2包括用于从多个模块控制装置6接受测量数据和附加的信息载体的通信单元32。用于接受测量数据和附加的信息载体的通信单元32将所接受到的测量数据和附加的信息载体提供给用于根据附加的信息载体验证测量数据的单元30。用于验证测量数据的单元30包括用于通过中央的控制装置2的非易失的存储器36确定模块控制装置代码的单元34。用于验证测量数据的单元30此外包括用于根据测量数据和从中央的控制装置的非易失的存储器36得到的模块控制装置代码计算签名的单元38和用于对所传递的签名和计算得到的签名进行比较的单元40。
在另一个步骤S6中信息被进一步处理。对于以下情况，即测量数据通过了用于验证测量数据的单元30的认证42，则它被进一步处理。例如被储存或者提供给通信总线。对于以下情况，即签名不完全一致，则能够出现以下情况：
a)模块控制装置6被替换；
b)模块控制装置或者中央的控制装置的非易失的存储器已损坏；
c)数据传递时出现错误；
d)测量数据被伪造。
优选地，中央的控制装置2进行另外的测试，从而界定错误源，例如用于确定是涉及能够被归因于单独的模块控制的错误还是涉及所有的模块控制装置的错误。在后一种情况下原因在于通信信道的错误。当错误指示测量数据被伪造时，则中央的处理器2中断蓄电池组的工作，因为不是所有的模块控制装置6都处于初始状态。能够进行设置，使得中央的控制装置2允许蓄电池组受限制的运行，从而例如使车辆继续保持行驶能力，使其能够驶入加工厂内进行检查，即所谓的跛行模式。
对于更换已损坏的模块控制装置6的情况规定，中央的控制装置2重新训练它。该过程优选地仅仅在工厂中是可能的并例如通过所谓的秘钥方法被特别地保护。对于替换中央的控制装置2来说存在两种可能性，即重新训练所有与中央的控制装置2相连接的模块控制装置6，或者将储存在已损坏的中央的控制装置2中的模块控制装置代码转移到新的中央的控制装置中。两种情况都优选地通过所谓的秘钥方法受保护地进行。
本发明并不局限于在这里所描述的实施例和其中强调的方面。而是能够在通过权利要求给出的范围内进行大量的在本领域技术人员的处理的范围内的改动。

Claims (7)

1.用于认证蓄电池的测量数据的方法，所述蓄电池包括至少一个具有配属的模块控制装置(6)的蓄电池模块(4)和中央的控制装置(2)，所述方法具有以下步骤：
a)通过所述模块控制装置(6)获取(S2)多个蓄电池单元(8)的测量数据；
b)通过所述模块控制装置(6)确定(S3)至少一个附加的信息载体，所述信息载体被设置用于认证所述测量数据；
c)将所述测量数据和所述至少一个附加的信息载体从所述模块控制装置(6)传递(S4)到所述中央的控制装置(2)；
d)由所述中央的控制装置(2)根据所述至少一个附加的信息载体验证(S6)所述测量数据；
其特征在于，所述附加的信息载体是校验和，所述校验和根据所述测量数据和所述模块控制装置(6)的自身的秘钥确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模块控制装置(6)的自身的秘钥由所述中央的控制装置(2)来分配。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述验证(S6)失败的情况下，所述中央的控制装置(2)部分地或者完全地切断所述蓄电池和/或产生错误提示。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其还具有以下另一个步骤：
e)将所述测量数据储存在所述中央的控制装置(2)的非易失的存储器中。
5.蓄电池的蓄电池管理系统(1)，所述蓄电池包括至少一个具有附属的模块控制装置(6)的蓄电池模块(4)和中央的控制装置(2)，所述蓄电池管理系统具有
用于获取多个蓄电池单元(8)的测量数据的单元(20)；
用于确定附加的信息载体的单元，所述信息载体被设置用于认证所述测量数据(24)；
用于将所述测量数据和所述附加的信息载体从所述模块控制装置(6)传递到所述中央的控制装置(2)的单元(26、32)；以及
用于根据所述附加的信息载体验证所述测量数据的单元(30)；
其特征在于，所述附加的信息载体是校验和，所述校验和根据所述测量数据和所述模块控制装置(6)的自身的秘钥确定。
6.蓄电池，其包括多个蓄电池单池和根据权利要求5所述的蓄电池管理系统(1)，并且所述蓄电池与机动车的驱动系统是可连接的。
7.机动车，其具有根据权利要求6所述的蓄电池，其中，所述蓄电池与所述机动车的驱动系统相连接。
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