WO2015043929A1 - Verfahren zur automatischen erkennung von steuergeräten in batteriemanagementsystemen - Google Patents

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WO2015043929A1
WO2015043929A1 PCT/EP2014/069026 EP2014069026W WO2015043929A1 WO 2015043929 A1 WO2015043929 A1 WO 2015043929A1 EP 2014069026 W EP2014069026 W EP 2014069026W WO 2015043929 A1 WO2015043929 A1 WO 2015043929A1
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main control
sensorjd
sensor control
sensor
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PCT/EP2014/069026
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Christoph Brochhaus
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Robert Bosch Gmbh
Samsung Sdi Co., Ltd.
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • Electronic control units are used in the automotive environment in increasing numbers today. They find their use in modern motor vehicles as engine control units, control units for the ABS system, for the deployment of the airbag, etc. In developing electrically powered vehicles, the development of battery packs with an associated battery management system is required. At the
  • Battery management system are control devices with software to monitor the battery functionality.
  • the topologies of battery packs are very diverse with respect to the number of battery cells, battery modules, sensors or the like.
  • Typical battery management systems generally ensure the safe and reliable operation of the battery cells and battery packs. They monitor and control currents, voltages, temperatures, insulation resistances and other sizes for the battery cells and the whole battery pack. With the help of these sizes can be
  • battery management systems typically include a plurality of controllers running various implemented software functionalities. Depending on the number of battery cells, the number of sensors and the distribution of the
  • the ECU topology with a battery control unit (BCU) and a number of subordinate sensor ECUs for acquisition of measurement data.
  • the measured data to be acquired are, in particular, voltages, Temperatures and currents that are measured directly on the individual battery modules.
  • the acquired measurement data are generally exchanged between the individual control units, ie the sensor control units and the main control unit, via a communication bus, which may in particular be a CAN bus.
  • the controller includes a first integrated circuit having a microcontroller and a programmable memory, and at least one further integrated circuit, the further integrated circuit having fixed programmed identification information.
  • the programmable memory of the first integrated circuit includes a
  • Control information that allows verification of the identification information.
  • BCU main control unit
  • the battery management system can block the detection of an unauthorized exchange of a control device, in particular a sensor control unit, the use of the battery pack in question, within which the exchange has taken place.
  • a method for detecting an exchange of at least one control device is proposed in a battery system in which used for all inside of the battery management system control unit, a one-way function f (x, y) -> ⁇ defines z, which has the following properties:
  • the function value z of the one-way function is easy to calculate, but on the other hand, the inversion of the function can be carried out with great difficulty.
  • proposed methods are considered in the one-way functions in the
  • Cryptography such as hash functions and a function for multiplication of primes and the like.
  • the one-way function is used in all within the battery management
  • control units in which the one-way functions are implemented are controlled by a main control unit of the battery management system.
  • the value y in the one-way function is in particular a unique sensor identification
  • Control units provide different results.
  • a one-time initialization of the control units takes place. This is done by each ECU used within the battery management system receives an individual SensorJD at the first use of the main control unit, for example, the above-mentioned 32-bit number.
  • this individual SensorJD may be a random number. This random number determines the one-way function for the verification to be performed later. This process is understood to mean the initialization of the control units.
  • the SensorJD will, whether by determining a
  • the main control unit (BCU) of the battery management system stores all within a battery pack of multiple battery cells with multiple control devices assigned SensorJD's.
  • each of the control units used, in particular each sensor control unit has its own SensorJD and all control units different
  • Control unit varies.
  • the SensorJD uses the same communication path as later exchanges of measurement data.
  • the communication path can be, for example, a vehicle data bus, in particular a CAN data bus of a vehicle.
  • the control units are verified in that the main control unit (BCU) of the battery management system generated a random number every time the system starts up.
  • the random number is transmitted to the first sensor control device via the data bus, for example the CAN bus.
  • the random number enters as an input value in the one-way function of the control unit, wherein the result of the one-way function depends on the SensorJD this control unit.
  • the result obtained is transmitted to the second sensor control unit.
  • the main control unit (BCU) of the battery management system all SenorJD's are known, so that thus all the one-way functions of the individual control devices, in particular sensor control devices, in the main control unit (BCU) of the battery management system can be determined.
  • the initially generated random number is sequentially input to all the one-way functions in the main control unit (BCU). If the ID calculated in the main control unit (BCU) of the battery management system coincides with the ID transmitted from the last control unit, in particular from the last sensor control unit, all originally installed sensor control units, in particular sensor control units, are in the chain. Otherwise, a sensor controller was replaced.
  • a new control device to be used in particular a sensor control device to be newly inserted, is programmed in such a way that there is verification during startup of the battery management system;
  • this process by choosing the one-way function extremely expensive and designed to be not worthwhile
  • the method proposed according to the invention is characterized by a relatively high level of protection against abuse, since each of the control units, by using the SensorJD as function parameter, exhibits different one-way functions. It should also be noted that the one-way function is not reversible by analysis of the communication. This means that the provision of a replaced control unit with the appropriate ID for deception of the main control unit can almost be excluded.
  • FIG. 1 shows the construction of a battery management system
  • control devices in particular sensor control devices by a
  • BCU Main control unit
  • BCU main control unit
  • FIG. 1 shows a battery management system 10 with its most important components.
  • a battery management system 10 as shown diagrammatically in FIG. 1, includes a data bus 12, which is generally a CAN bus in automotive applications.
  • BCU Battery Control Unit
  • the main controller 14 (BCU) and a first sensor controller 18, a second one
  • Sensor control unit 22 and an nth sensor control unit 26 communicate with each other via the data bus 12.
  • the first sensor control unit 18 controls and / or monitors a first battery module 16, which has a number of electrically interconnected
  • Battery cells includes. Similarly, the second sensor control unit 22 controls and / or monitors a second battery module 20, which likewise comprises a number of battery cells connected electrically to one another. An nth sensor control unit 26 controls and / or monitors an nth battery module 24, which likewise comprises a number of battery cells electrically connected to one another.
  • Battery modules 16, 20, 24 represent a battery pack that can be used as a traction battery for a hybrid or for an electric vehicle.
  • FIG. 2 shows sensor control devices 14, 18, 26 of a battery management system, which are initialized with initial sensor JDs by a main control unit of the battery management system.
  • FIG. 2 shows that a plurality of generators 28 are provided in the main control unit 14 of the battery management system, which generate sensor JDs for the individual sensor control units 18, 26.
  • n generators 28 are preferably provided for n sensor control devices 18, 22, 26.
  • the main control unit 14 n generator 28, which are each connected to a sensor control unit 18, 22, 26 in connection.
  • a SensorJD Via a communication link 30 between the main control unit 14 and the second sensor control unit 18 is a SensorJD, which is intended for the second sensor control devices 18 and this identified uniquely.
  • the sensor JD intended for the second sensor control unit 18 is stored in the second sensor control unit 18 in a memory 32, stored there permanently and may not be changed.
  • the generator 28 provided in the main controller 14 generates as many SensorJD's as sensor control devices 18, 22, 26 are installed in the battery pack. Finally, the nth generator 28 generates the sensor JD for the nth sensor controller 26. About one
  • the SensorJD for the nth sensor control unit 26 is transmitted to a memory 36 for the SensorJD of the nth sensor control unit 26, and permanently stored in the memory 36 of the nth sensor control unit 26.
  • the SensorJD is a 32-bit number.
  • the sensor JD individually assigned by the main controller 14 to each of the sensor controllers 18, 22, 26 determines one
  • One-way function f (x, y) - » ⁇ z are implemented both in the main control unit 14, as well as individually in each of the sensor control units 18, 22 and 26, which are provided in a corresponding number, depending on the number of battery modules to be monitored in the battery management system 10.
  • FIG. 3 shows a verification process which is carried out by the method proposed according to the invention and follows the initialization shown in FIG According to the invention proposed method for the sensor control units 18, 22, 26 connects.
  • Sensor controllers 18, 22, 26 receives each of the sensor control units 18, 22, 26 in the first use of the main control unit 14, an individual SensorJD, which is, for example, a 32-bit number. This random number determines the
  • One-way functions f (x, y) -> ⁇ z which is implemented in the units 42, 44, 46 of the sensor control unit 18, 22, 26th
  • the one-way functions are implemented in the units 42, 44, 46 of the sensor control devices 18, 22, 26 involved.
  • the variable y in the function f (x, y) -> ⁇ Z represents a unique SensorJD of the respective sensor control unit 18, 22, 26 is by the variable y, that is, by the unique SensorJD ensures that equal.
  • the illustrated in Figure 2 initialization process of the individual sensor control units 18, 22, 26 is made only at the first commissioning of a battery pack factory.
  • the main control unit 14 generates for each of the sensor control units 18, 22, 26, the SensorJD and transmits them to the respective sensor control units 18, 22, 26 via the data bus 12, which is designed in particular as a CAN bus.
  • the SensorJD's are permanently stored and serve as variables for the one-way functions implemented in the units 42, 44, 46 of the respective sensor control units 18, 22, 26.
  • the sensor JDs are stored in the main controller 14.
  • the initialization process is a one-time operation that takes place in a secure environment at the factory. It must be ensured that this process is not logged by unauthorized persons. Of the
  • Main controller 14 connected sensor control devices 18, 22, 26, is performed at each start of the battery management system 10. This generates this
  • Main controller 14 a random number.
  • the random number is generated in at least one generator 40 of the main control unit 14 (BCU).
  • the main control unit 14 according to the representation in Figure 3 memory 48, 50, 52.
  • the Sensor_ID stored for the first sensor control unit 18, while in the second memory 50, the SensorJD is stored for the second sensor control unit 22.
  • the main controller 14 includes an nth memory 52 in which the sensor JD for the nth
  • Battery management system 10 all implemented in the units 42, 44, 46 disposable functions for each connected sensor control units 18, 22, 26 known. Furthermore, the sensor control device comprises a computing capacity which determines a final ID, compare position 54 and a comparison stage 56
  • Comparative stage 56 will be described below.
  • the initialization process shown in FIG SensorJD transmitted to the first sensor control unit 18 is known in the memory 32 of the first sensor control unit 18 and represents the variable yi of the first sensor control unit 18.
  • the dotted arrow between the first sensor control unit 18 shown in FIG. 3 and the nth sensor control unit 26 indicates that it may be a plurality of sensor control units connected to the main control unit 14.
  • the result z 2 would be sent to a also not shown in Figure 3 third sensor control unit and
  • the nth sensor control device 26 shown in FIG. 3 receives the result from the preceding sensor control device n-1 and calculates z (n-1) from this result, Which of the variables x for the n-th one-way function 46 of the nth sensor control unit 26 forms the input value of the own SensorJD y N and delivers the result z N.
  • the calculation takes place in the calculation stage 68 of the nth sensor control unit 26 as shown in FIG. 3.
  • the result z 2 of the second sensor control unit represents the input value for the subsequent third sensor control unit whose one-way function calculates the result z 3 according to the relationship f (z 2 SensorJD for the third sensor control unit y 3 ), and so on.
  • the result z N is determined according to the relation f (ni, sensor JD, y N ). From the result z N reported back via the output 70 from the nth sensor control unit 26, which is determined in the calculation stage 68 of the nth sensor control unit 26 and which is applied to the second input 60 of the main control unit 14 and in the
  • Main controller 14 calculated final ID 54, a comparison is made in the
  • Sensor control units 18, 22, 26 replaced in the battery management system 10. On the other hand, if the numbers do not match, then at least one of the sensor control devices 18, 22, 26 has been exchanged.
  • the main control unit 14 blocks the operation of the battery pack comprising the battery modules 16, 20, 24, since not all sensor control devices 18, 22, and 26 in
  • main control unit 14 (BCU) may be configured such that in the present case this only permits limited operation, since not all of them anymore
  • this query may be directed to querying which of the
  • Sensor control units 18, 22, 26 is the replaced sensor control unit. Due to the fact that the individual SensorJD's of the individual sensor control units 18, 22, 26 (in the original state) are stored in the main control unit 14, can by a sequential balance of the one-way functions, as in the units 42, 44, 46 of the sensor control units 18th , 22, 26, the exchanged ones of the sensor controllers 18, 22, 26 are identified.
  • Battery management system is integrated, to take over, if this acquisition is possible in a secure way.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur automatischen Erkennung eines Austausches eines Steuergerätes (18, 22, 26), insbesondere eines Batteriemanagementsystems, welches ein Hauptsteuergerät (14) umfasst. Jedem der Steuergeräte (18, 22, 26) wird eine Einwegfunktion (Hash) f(x,y) ->z zugewiesen, deren Variable y durch einen Sensor_ID gegeben ist, die das jeweilige Steuergerät (18, 22, 26) eindeutig identifiziert. Eine vom Hauptsteuergerät (14) generierte Zufallszahl wird bei jedem Systemstart an das erste Steuergerät (18) versandt, die als Variable x in die erste Einwegfunktion des ersten Steuergerätes (18) eingeht, deren Ergebnis als Eingangswert für die folgende Einwegfunktion (44) des folgenden, zweiten Steuergerätes (22) dient, bis das letzte der Steuergeräte (26) sein Ergebnis zNan das Hauptsteuergerät (14) übermittelt. Im Hauptsteuergerät (14) werden mit dem Sensor ID's aller Steuergeräte (18, 22, 26) die Einwegfunktionen aller Steuergeräte (18, 22, 26) bestimmt. Die im Hauptsteuergerät (14) erzeugte Zufallszahl wird allen Einwegfunktionen aufgegeben. Eine im Hauptsteuergerät (14) erzeugte, endgültige ID (54) wird in einer Vergleichsstufe (56) mit dem Ergebnis zNdes letzten Steuergerätes (26) verglichen.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur automatischen Erkennung von Steuergeräten in
Batteriemanagementsystemen
Stand der Technik
Elektronische Steuergeräte werden im automobilen Umfeld heutzutage in zunehmender Zahl eingesetzt. Sie finden ihre Verwendung in modernen Kraftfahrzeugen als Motorsteuergeräte, Steuergeräte für das ABS-System, für die Auslösung des Airbags usw.. Bei in Entwicklung befindlichen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist die Entwicklung von Batteriepacks mit einem zugehörigen Batteriemanagementsystem erforderlich. Beim
Batteriemanagementsystem handelt es sich um Steuergeräte mit Software zur Bewachung der Batteriefunktionalität. Abhängig von den Anforderungen des jeweiligen Kunden oder vorhandenen Bauräumen im Kraftfahrzeug, sind die Topologien von Batteriepacks bezogen auf die Anzahl von Batteriezellen, Batteriemodulen, Sensoren oder dergleichen sehr vielfältig.
Typische Batteriemanagementsysteme gewährleisten im allgemeinen die sichere und zuverlässige Funktion der Batteriezellen und der Batteriepacks. Sie überwachen und steuern Ströme, Spannungen, Temperaturen, Isolationswiderstände und andere Größen für die Batteriezellen und den ganzen Batteriepack. Mit Hilfe dieser Größen lassen sich
Managementfunktionen realisieren, die die Lebensdauer, die Zuverlässigkeit und die
Sicherheit des Batteriesystems erheblich steigern können.
In der Regel umfassen Batteriemanagementsysteme eine Vielzahl von Steuergeräten, auf denen unterschiedliche implementierte Softwarefunktionalitäten ablaufen. Abhängig von der Anzahl der Batteriezellen, von der Anzahl der Sensoren und der Verteilung der
Batteriemodule auf verschiedene Bauräume am Fahrzeug ergibt sich eine
Steuergerätetopologie mit einem Hauptsteuergerät (BCU = Battery Control Unit) und einer Anzahl mehrerer untergeordneter Sensorsteuergeräte für die Erfassung von Messdaten. Bei den zu erfassenden Messdaten handelt es sich insbesondere um Spannungen, Temperaturen und Ströme, die direkt an den einzelnen Batteriemodulen gemessen werden. Die erfassten Messdaten werden im Allgemeinen zwischen den einzelnen Steuergeräten, d.h. den Sensorsteuergeräten und dem Hauptsteuergerät über einen Kommunikationsbus, bei dem es sich insbesondere um ein CAN-Bus handeln kann, ausgetauscht.
Aus DE 10 2006 048 555 A1 ist ein Steuergerät bekannt. Das Steuergerät umfasst einen ersten integrierten Schaltkreis, der einen Mikrocontroller und einen programmierbaren Speicher aufweist, ferner mindestens einen weiteren integrierten Schaltkreis, wobei der weitere integrierte Schaltkreis eine feste programmierte Identifikationsinformation aufweist. Der programmierbare Speicher des ersten integrierten Schaltkreises enthält eine
Kontrollinformation, die eine Überprüfung der Identifikationsinformation erlaubt.
Da zwar identische Sensorsteuergeräte in verschiedenen Projekten eingesetzt werden, jedoch abhängig von den Projektparametern mit anderen Daten versehen werden, was die Spannungs- und Stromgrenzen abhängig von den Leistungsdaten der verwendeten
Batteriezellen betrifft, ist sicherzustellen, dass Sensorsteuergeräte ohne Erkennung durch das Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystems ausgetauscht werden können. Durch den Einbau eines neuen Sensorsteuergerätes, welches für leistungsfähigere Batterien ausgelegt ist, kann die Batterie unerlaubterweise außerhalb der Spezifikation betrieben werden, was zum Beispiel ein„Tuning" durch den Endkunden ermöglichen würde. Aus Sicherheitsgründen und insbesondere aus Gewährleistungsgründen muss ein derartiger Austausch erkannt und verhindert werden. Das Batteriemanagementsystem kann bei Erkennung eines unerlaubten Austausches eines Steuergerätes, insbesondere eines Sensorsteuergerätes, die Verwendung des betreffenden Batteriepacks, innerhalb dessen der Austausch stattgefunden hat, sperren.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erkennung eines Austausches mindestens eines Steuergerätes in einem Batteriesystem vorgeschlagen, bei dem für alle innerhalb des Batteriemanagementsystems eingesetzten Steuergeräte eine Einwegfunktion f(x,y) -»■ z definiert wird, welche folgende Eigenschaften aufweist:
Einerseits ist der Funktionswert z der Einwegfunktion einfach zu berechnen, andererseits jedoch die Umkehrung der Funktion sehr aufwendig durchführbar. Für das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren in Frage kommende Einwegfunktionen finden sich in der
Kryptographie, so beispielsweise als Hash-Funktionen und eine Funktion zur Multiplikation von Primzahlen und dergleichen mehr. Die Einwegfunktion wird in allen innerhalb des Batteriemanagements verwendeten
Steuergeräten implementiert. Die Steuergeräte, in denen die Einwegfunktionen implementiert sind, werden von einem Hauptsteuergerät des Batteriemanagementsystems gesteuert. Der Wert y in der Einwegfunktion ist insbesondere eine eindeutige Sensor-Identifikation
(SensorJD), beispielsweise eine 32-Bit-Zahl des Sensorsteuergerätes. Durch den
Parameter y wird sichergestellt, dass gleiche Einwegfunktionen in unterschiedlichen
Steuergeräten unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend erfolgt, beispielsweise werkseitig ein einmaliges Initialisieren der Steuergeräte. Dies erfolgt dadurch, dass jedes innerhalb des Batteriemanagementsystem eingesetzte Steuergerät bei der ersten Verwendung vom Hauptsteuergerät eine individuelle SensorJD erhält, zum Beispiel die oben stehend bereits erwähnte 32-Bit-Zahl. Bei dieser individuellen SensorJD kann es sich beispielsweise um eine Zufallszahl handeln. Diese Zufallszahl bestimmt die Einwegfunktion für die später durchzuführende Verifikation. Unter diesem Vorgang wird das Initialisieren der Steuergeräte verstanden. Die SensorJD wird, unabhängig davon, ob sie durch Bestimmung einer
Zufallszahl oder durch Festlegung einer SensorJD durch das Hauptsteuergerät entstanden ist, dauerhaft im Steuergerät, insbesondere im Sensorsteuergerät gespeichert.
Zusätzlich speichert das Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystems alle innerhalb eines Batteriepacks aus mehreren Batteriezellen mit mehreren Steuergeräten vergebene SensorJD's. Somit hat jedes der eingesetzten Steuergeräte, insbesondere jedes Sensorsteuergerät eine eigene SensorJD und alle Steuergeräte unterschiedliche
Einwegfunktionen, da der Parameter y der Einwegfunktion f(x,y) von Steuergerät zu
Steuergerät variiert. Die Zuteilung der Zufallszahl, d.h. der SensorJD erfolgt beispielsweise auf dem gleichen Kommunikationsweg wie später ein Austausch von Messdaten. Bei dem Kommunikationsweg kann es sich beispielsweise um ein Fahrzeugdatenbus, insbesondere um einen CAN-Datenbus eines Fahrzeugs handeln.
Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren folgend, erfolgt eine Verifikation der Steuergeräte dadurch, dass das Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystems bei jedem Systemstart eine Zufallszahl erzeugt. Die Zufallszahl wird an das erste Sensorsteuergerät über den Datenbus, beispielsweise den CAN-Bus übermittelt. Dort geht die Zufallszahl als Eingabewert in die Einwegfunktion des Steuergerätes ein, wobei das Ergebnis der Einwegfunktion abhängig von der SensorJD dieses Steuergerätes ist. Das erhaltene Ergebnis wird an das zweite Sensorsteuergerät übermittelt. Hier findet die
Berechnung mittels der Einwegfunktion statt, die am zweiten Steuergerät implementiert ist. Dieses Verfahren der Weitergabe der Ergebnisse von einem Steuergerät, insbesondere eines Sensorsteuergerätes, an das nächste findet solange statt, bis das letzte Steuergerät, insbesondere Sensorsteuergerät, in der Kette sein Ergebnis an das Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystems versendet.
Im Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystems sind alle SenorJD's bekannt, so dass somit sämtliche Einwegfunktionen der einzelnen Steuergeräte, insbesondere Sensorsteuergeräte, im Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystems bestimmt werden können. Die anfangs erzeugte Zufallszahl wird im Hauptsteuergerät (BCU) sequentiell in alle Einwegfunktionen eingegeben. Wenn die im Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystem berechnete ID mit der vom letzten Steuergerät, insbesondere vom letzten Sensorsteuergerät übermittelten ID übereinstimmt, befinden sich alle original eingebauten Sensorsteuergeräte, insbesondere Sensorsteuergeräte in der Kette. Andernfalls wurde eine Sensorsteuergerät ausgetauscht.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren besteht eine Sicherheit vor
Missbrauch. Falls nämlich jemand unerlaubterweise ein Steuergerät, insbesondere ein Sensorsteuergerät des Batteriemanagementsystems austauschen möchte, muss er erst die SensorJD des auszutauschenden Steuergerätes kennen und in das neue Steuergerät programmieren, um das Hauptsteuergerät (BCU) zu täuschen. Nach und nach ist nachfolgend der ganze Wertebereich der SensorJD's in das neue Steuergerät zu programmieren und zu vergleichen, ob in beiden Steuergeräten, dem alten, d.h. dem ausgebauten und dem neuen, dem einzubauenden die gleiche Einwegfunktion vorhanden ist. Zwar kann durch das erfindungsgemäße vorgeschlagene Verfahren nicht gänzlich verhindert werden, dass ein neues einzusetzendes Steuergerät, insbesondere ein neu einzusetzendes Sensorsteuergerät, so programmiert wird, dass es die Verifikation beim Hochfahren des Batteriemanagementsystems besteht; jedoch ist dieser Vorgang durch Wahl der Einwegfunktion extrem aufwendig und gestaltet sich als nicht lohnenswert
nachvollziehbar. Vorteile der Erfindung
Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren zur automatischen Erkennung eines Austausches von Steuergeräten in einem Batteriemanagementsystems kann insbesondere erkannt werden, wenn ein Steuergerät ausgetauscht wurde. Durch die Initialisierung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens bei einem jeden Systemneustart, d.h. bei einem jeden Start des Batteriemanagementsystems, lässt sich die Detektion relativ schnell durchführen. Zur Durchführung des Verfahrens ist ein vergleichsweise geringes
Datenaufkommen bei einer Verifikation der Steuergeräte erforderlich, ferner wird das Hauptsteuergerät (BCU) des Batteriemanagementsystems durch den erforderlichen
Abgleich, der bei der Verifikation durchgeführt wird, nur sehr gering belastet.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich durch eine relativ hohe Sicherheit gegen Missbrauch vor, da ein jedes der Steuergeräte durch Verwendung der SensorJD als Funktionsparameter unterschiedliche Einwegfunktionen vorweist. Ferner ist darauf hinzuweisen, dass die Einwegfunktion nicht mittels Analysen der Kommunikation umkehrbar sind. Dies bedeutet, dass das Versehen eines getauschten Steuergerätes mit der passenden ID zur Täuschung des Hauptsteuergerätes fast ausgeschlossen werden kann.
Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren tritt keine Verzögerung des
Hochfahrvorgangs des Batteriemanagementsystems auf, da ein Abgleich der ID's parallel zur restlichen Kommunikation durchgeführt werden kann und der Datenbus, insbesondere der CAN-Datenbus des Batteriemanagementsystems nur gering belastet wird.
Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens ist eine einfache implementierende Einwegfunktion möglich. Alle Sensorsteuergeräte verfügen über ein- und dieselbe Implementierung der Einwegfunktion, erst der Parameter SensorJD macht die Einwegfunktion zur Identifikation unterschiedlicher Steuergeräte, insbesondere unterschiedlicher Sensorsteuergeräte im Batteriepack eindeutig. Da die per Einwegfunktion berechneten Werte von Steuergerät zu Steuergerät geschickt werden und im empfangenden Steuergerät als Eingangswerte dienen, wird das Umkehren der Einwegfunktion zusätzlich erschwert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert. Es zeigt:
Figur 1 den Aufbau eines Batteriemanagementsystems,
Figur 2 ein Initialisieren von Steuergeräten, insbesondere Sensorsteuergeräten durch ein
Hauptsteuergerät (BCU) eines Batteriemanagementsystems, und
Figur 3 die Durchführung einer Verifikation angeschlossener Steuergeräte, insbesondere
Sensorsteuergeräte durch ein Hauptsteuergerät (BCU) eines
Batteriemanagementsystems.
Ausführungsvarianten
Figur 1 zeigt ein Batteriemanagementsystem 10 mit seinen wichtigsten Komponenten. Ein Batteriemanagementsystem 10 gemäß der schematischen Darstellung in Figur 1 umfasst einen Daten-Bus 12, bei dem es sich im Allgemeinen bei Automobilanwendungen um einen CAN-Bus handelt. Das Batteriemanagementsystem 10 umfasst ein Hauptsteuergerät 14 (BCU = Battery Control Unit), welches eine Anzahl von Sensorsteuergeräten 18, 22, 26 steuert.
Das Hauptsteuergerät 14 (BCU) und ein erstes Sensorsteuergerät 18, ein zweites
Sensorsteuergerät 22 und ein n-tes Sensorsteuergerät 26 kommunizieren über den Daten- Bus 12 miteinander. Das erste Sensorsteuergerät 18 steuert und/oder überwacht ein erstes Batteriemodul 16, welches eine Anzahl von elektrisch miteinander verschalteten
Batteriezellen umfasst. Analog steuert und/oder überwacht das zweite Sensorsteuergerät 22 ein zweites Batteriemodul 20, welches ebenfalls eine Anzahl elektrisch miteinander verschalteter Batteriezellen umfasst. Ein n-tes Sensorsteuergerät 26 steuert und/oder überwacht ein n-tes Batteriemodul 24, welches ebenfalls mit einer Anzahl von elektrisch miteinander verschalteten Batteriezellen umfasst. Die hier dargestellten 1 bis n
Batteriemodule 16, 20, 24 stellen ein Batteriepack dar, welches als Traktionsbatterie für ein Hybrid- oder für ein Elektrofahrzeug eingesetzt werden kann. Figur 2 zeigt Sensorsteuergeräte 14, 18, 26 eines Batteriemanagementsystems, welche mit initialen SensorJD's durch ein Hauptsteuergerät des Batteriemanagementsystems initialisiert werden.
Figur 2 zeigt, dass im Hauptsteuergerät 14 des Batteriemanagementsystems mehrere Erzeuger 28 vorgesehen sind, die SensorJD's für die einzelnen Sensorsteuergeräte 18, 26 generieren. Vorzugsweise sind dabei für n Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 n Erzeuger 28 vorgesehen. Damit umfasst das Hauptsteuergerät 14 n Erzeuger 28, die jeweils mit einem Sensorsteuergerät 18, 22, 26 in Verbindung stehen. Über eine Kommunikationsverbindung 30 zwischen dem Hauptsteuergerät 14 und dem zweiten Sensorsteuergerät 18 wird eine SensorJD, die für das zweite Sensorsteuergeräte 18 bestimmt ist und dieses eindeutig identifiziert. Die für das zweite Sensorsteuergerät 18 bestimmte SensorJD wird im zweiten Sensorsteuergerät 18 in einem Speicher 32 abgelegt, dort dauerhaft gespeichert und darf nicht verändert werden.
Die im Hauptsteuergerät 14 vorgesehenen Erzeuger 28 generiert so viele SensorJD's wie Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 im Batteriepack verbaut sind. Schließlich generiert der n-te Erzeuger 28 die SensorJD für das n-te Sensorsteuergerät 26. Über eine
Kommunikationsverbindung 34 zwischen dem n-ten Erzeuger 28 und dem n-ten
Sensorsteuergerät 26 wird die SensorJD für das n-te Sensorsteuergerät 26 an einen Speicher 36 für die SensorJD des n-ten Sensorsteuergerätes 26 übertragen, und im Speicher 36 des n-ten Sensorsteuergerätes 26 dauerhaft abgelegt. Bei der SensorJD handelt es sich beispielsweise um eine 32-Bit-Zahl.
In der Darstellung gemäß Figur 2 ist eine Initialisierung der SensorJDs für die einzelnen Sensorteuergeräte 18, 22, 26 dargestellt. Die durch das Hauptsteuergerät 14 an jedes der Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 individuell vergebene SensorJD bestimmt eine
Einwegfunktion f(x,y) -»■ z. Diese Einwegfunktionen sind sowohl im Hauptsteuergerät 14 implementiert, als auch individuell in einem jeden der Sensorsteuergeräte 18, 22 und 26, die in entsprechender Anzahl, abhängig von der Anzahl der zu überwachenden Batteriemodule im Batteriemanagementsystem 10, vorgesehen sind.
Figur 3 zeigt einen Verifikationsvorgang, der durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren durchgeführt wird und sich an das in Figur 2 dargestellte Initialisieren gemäß des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens für die Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 anschließt.
Ausgehend von der Darstellung gemäß Figur 2 in der ein Initialisierungsprozess der
Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 dargestellt ist, erhält jedes der Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 bei der ersten Verwendung vom Hauptsteuergerät 14 eine individuelle SensorJD, bei der es sich beispielsweise um eine 32-Bit-Zahl handelt. Diese Zufallszahl bestimmt die
Einwegfunktionen f(x,y) -»■ z, die in den Einheiten 42, 44, 46 der Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 implementiert ist. Die Einwegfunktionen werden in den Einheiten 42, 44, 46 der beteiligten Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 implementiert. Die Variable y in der Funktion f(x,y) -»■ z stellt eine eindeutige SensorJD des jeweiligen Sensorsteuergerätes 18, 22, 26 dar. Durch die Variable y, d.h. durch die eindeutige SensorJD wird sichergestellt, dass gleiche
Einwegfunktionen, die jedoch in unterschiedlichen Einheiten 42, 44, 46 der
Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 implementiert werden, jeweils unterschiedliche Ergebnisse liefern.
Der in Figur 2 dargestellte Initialisierungsvorgang der einzelnen Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 wird nur bei der ersten Inbetriebnahme eines Batteriepacks werkseitig vorgenommen. Das Hauptsteuergerät 14 erzeugt für jedes der Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 die SensorJD und übermittelt diese an die jeweiligen Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 über den Datenbus 12, der insbesondere als CAN-Bus ausgebildet ist. In diesem werden die SensorJD's dauerhaft gespeichert und dienen als Variablen für die in den Einheiten 42, 44, 46 der jeweiligen Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 implementierten Einwegfunktionen. Zusätzlich werden die SensorJD's im Hauptsteuergerät 14 gespeichert. Beim Initialisierungsvorgang handelt es sich um einen einmaligen Vorgang, der in gesicherter Umgebung im Werk stattfindet. Es ist sicherzustellen, dass dieser Vorgang nicht von Unbefugten protokolliert wird. Der
Initialisierungsvorgang stellt die einzige Möglichkeit dar, genaue Kenntnisse über die einzelnen Einwegfunktionen zu erhalten. Die in Figur 3 dargestellte Verifizierung innerhalb des Batteriemanagements 10 an das
Hauptsteuergerät 14 angeschlossener Sensorsteuergeräte 18, 22, 26, wird bei einem jeden Start des Batteriemanagementsystems 10 durchgeführt. Dazu generiert das
Hauptsteuergerät 14 eine Zufallszahl. Die Zufallszahl wird in mindestens einem Erzeuger 40 des Hauptsteuergerätes 14 (BCU) erzeugt. Des Weiteren umfasst das Hauptsteuergerät 14 gemäß der Darstellung in Figur 3 Speicher 48, 50, 52. Im ersten Speicher 48 ist die Sensor_ID für das erste Sensorsteuergerät 18 gespeichert, während im zweiten Speicher 50 die SensorJD für das zweite Sensorsteuergerät 22 hinterlegt ist. Schließlich umfasst das Hauptsteuergerät 14 einen n-ten Speicher 52, in dem die SensorJD für das n-te
Sensorsteuergerät 26 hinterlegt ist. Des Weiteren sind im Hauptsteuergerät 14 des
Batteriemanagementsystems 10 sämtliche in den Einheiten 42, 44, 46 implementierten Einwegfunktionen für die jeweils angeschlossenen Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 bekannt. Des Weiteren umfasst das Sensorsteuergerät eine Rechenkapazität, die eine endgültige ID, vergleiche Position 54 bestimmt sowie eine Vergleichsstufe 56. Die Funktion der
Vergleichsstufe 56 wird nachstehend noch beschrieben.
Zur Verifikation der einzelnen Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 wird die im Erzeuger 40 erzeugte Zufallszahl an einen Eingang 62 des ersten Sensorsteuergerätes 18 und an eine Einheit 42, die die Variablen x und yi gemäß der Einwegfunktion (f(x,yi) = z-ι) transformiert, übermittelt. Das erste Sensorsteuergerät 18 empfängt die Zufallszahl vom Hauptsteuergerät 14. Diese Zufallszahl stellt die Variable x der im ersten Sensorsteuergeräte in der Einheit 42 implementierten Einwegfunktion (f(x,yi) = z-ι) dar. Die beim Initialisierungsvorgang gemäß der Darstellung in Figur 2 an das erste Sensorsteuergerät 18 übermittelte SensorJD ist im Speicher 32 des ersten Sensorsteuergerätes 18 bekannt und stellt die Variable yi des ersten Sensorsteuergerätes 18 dar. Aus der Einwegfunktion f(xi,yi) = z-ι wird das Ergebnis z-i errechnet. Dies erfolgt in der Berechnungsstufe 64. Von dieser aus wird das errechnete Ergebnis z-ι an einen Eingang 66 eines nachfolgenden Sensorsteuergeräts 26 übermittelt.
In Figur 3 ist durch den punktierten Pfeil zwischen dem in Figur 3 dargestellten ersten Sensorsteuergerät 18 und dem n-ten Sensorsteuergerät 26 angedeutet, dass es sich um eine Vielzahl von mit dem Hauptsteuergerät 14 verbundener Sensorsteuergeräte handeln kann.
Bei einem in Figur 3 nicht dargestellten weiteren Sensorsteuergerät verhielte es sich so, dass dieses das Ergebnis des ersten Sensorsteuergerätes 18 erhält und aus diesem Ergebnis, d.h. der Zahl z-i, die die Variable x der Einwegfunktion 44 des zweiten
Sensorsteuergerätes darstellt, der eigenen SensorJD, y2 und der Einwegfunktion f(x(x = Zi , y2 = SensorJD Sensorsteuergeräte 2) das Ergebnis z2 berechnet. Das Ergebnis z2 würde an ein in Figur 3 ebenfalls nicht dargestelltes drittes Sensorsteuergerät gesendet und dort verarbeitet. Das in Figur 3 dargestellte n-te Sensorsteuergerät 26 empfängt das Ergebnis vom vorhergehenden Sensorsteuergerät n-1 und berechnet aus diesem Ergebnis z(n-1 ), welche der Variablen x für die n-te Einwegfunktion 46 des n-ten Sensorsteuergerätes 26 den Eingangswert der eigenen SensorJD yN bildet und das Ergebnis zN liefert. Die Berechnung erfolgt in der Berechnungsstufe 68 des n-ten Sensorsteuergerätes 26 gemäß der Darstellung in Figur 3.
Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht hervor, dass dieses Ergebnis zN am Ausgang 70 zurück zum Hauptsteuergerät 14 gesendet wird und das Ergebnis zN an einen zweiten Eingang 60 der Vergleichsstufe 56 gesendet wird. Parallel zu diesem Verifikationsvorgang der an den mit dem Hauptsteuergerät 14
verbundenen Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 erfolgt, werden im Hauptsteuergerät 14 (BCU) parallel die gleichen Berechnungen durchgeführt:
Aus der in dem Erzeuger 40 generierten Zufallszahl und der SensorJD für das erste Sensorsteuergerät 18 wird über die Einheit 42, in der die erste Einwegfunktion implementiert ist, das Ergebnis z-ι erhalten, z-ι stellt die x-Variable der nachfolgenden, zweiten
Einwegfunktion 44 des zweiten Sensorsteuergerätes dar, welches anhand der Funktion f (x = z-i , SensorJD für das zweite Sensorsteuergerät =y2) das Ergebnis z2 berechnet. Das Ergebnis z2 des zweiten Sensorsteuergerätes wiederum stellt den Eingangswert für das nachfolgende dritte Sensorsteuergerät dar, dessen Einwegfunktion gemäß der Beziehung f(z2 SensorJD für das dritte Sensorsteuergerät y3) das Ergebnis z3 berechnet, und so fort. Im n-ten Sensorsteuergerät schließlich wird gemäß der Beziehung f(n-i , SensorJD, yN) das Ergebnis zN bestimmt. Aus dem über den Ausgang 70 vom n-ten Sensorsteuergerät 26 zurückgemeldeten Ergebnis zN, welches in der Berechnungsstufe 68 des n-ten Sensorsteuergerätes 26 bestimmt wird und welches am zweiten Eingang 60 des Hauptsteuergerätes 14 anliegt und der im
Hauptsteuergerät 14 berechneten endgültigen ID 54, erfolgt ein Vergleich in der
Vergleichsstufe 56. Stimmen die erhaltenen Zahlen überein, wurde keines der
Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 im Batteriemanagementsystem 10 ausgetauscht. Stimmen die Zahlen hingegen nicht überein, so wurde mindestens eines der Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 getauscht.
Für den Fall, dass eines der Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 unzulässigerweise ausgetauscht wurde, stehen folgende Reaktionsmöglichkeiten zur Verfügung: Das Hauptsteuergerät 14 sperrt den Betrieb des Batteriepacks, umfassend die Batteriemodule 16, 20, 24, da nicht mehr alle Sensorsteuergeräte 18, 22, und 26 im
Originalzustand sind.
Weiterhin kann das Hauptsteuergerät 14 (BCU) derart konfiguriert sein, dass dieses im vorliegenden Fall nur einen eingeschränkten Betrieb zulässt, da nicht mehr alle
Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 im Originalzustand sind.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, im Hauptsteuergerät 14 im detektierten Fehlerfalle eine Abfrage einzelner Sensorsteuergeräte 18, 22, und 26 zu implementieren. Diese Abfrage kann beispielsweise darauf gerichtet sein, dass abgefragt wird, welches der
Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 das ausgetauschte Sensorsteuergerät ist. Aufgrund des Umstandes, dass die einzelnen SensorJD's der einzelnen Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 (im Originalzustand) im Hauptsteuergerät 14 gespeichert sind, kann durch einen auf sequentiellem Wege erfolgenden Abgleich der Einwegfunktionen, wie sie in den Einheiten 42, 44, 46 der Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 implementiert sind, das Ausgetauschte der Sensorsteuergeräte 18, 22, 26 identifiziert werden.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, im Falle eines Austausche eines defekten
Sensorsteuergerätes 18, 22, 26 das neue Sensorsteuergerät anzulernen. Dieser
Initialisierungsvorgang, vergleiche Darstellung und Beschreibung zu Figur 2 gemäß dem Vorstehenden, sollte beispielsweise nur in einer Werkstatt möglich sein und gesondert abgesichert werden, zum Beispiel durch ein bereits existierendes
Verschlüsselungsverfahren.
Wird hingegen das Hauptsteuergerät 14 (BCU) ausgetauscht, stehen folgende
Reaktionsmöglichkeiten zur Verfügung:
Es kann ein neuer Initialisierungsvorgang für alle Sensorsteuergeräte (vergleiche Darstellung gemäß Figur 2) erfolgen, der durch ein bereits existierendes Verschlüsselungsverfahren abgesichert sein kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, die im defekten Hauptsteuergerät 14 gespeicherten SensorJD's in das neue Hauptsteuergerät, welches in das
Batteriemanagementsystem integriert wird, zu übernehmen, falls diese Übernahme auf abgesichertem Wege möglich ist.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur automatischen Erkennung eines Austausches eines Steuergerätes (18, 22, 26) eines Batteriemanagementsystems (10), welches ein Hauptsteuergerät (14) umfasst mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) jedem Steuergerät (18, 22, 26) wird eine Einwegfunktion f(x,y) -»■ z zugewiesen, deren Variable y durch eine SensorJD gegeben ist, die das jeweilige Steuergerät (18, 22, 26) eindeutig identifiziert, b) eine vom Hauptsteuergerät (14) generierte Zufallszahl wird bei jedem Systemstart an das erste Steuergerät (18) versandt, die als Variable x in die Einwegfunktion des ersten Steuergerätes (18) eingeht, deren Ergebnis als Eingangswert für die nachfolgende Einwegfunktion (44) des nachfolgenden zweiten Steuergerätes (22) dient, c) bis das n-te Steuergerät (26) sein Ergebnis zN an das Hauptsteuergerät (14)
übermittelt, d) im Hauptsteuergerät (14) werden mit den SensorJD's aller Steuergeräte (18, 22, 26) die Einwegfunktionen aller Steuergeräte (18, 22, 26) bestimmt, e) die gemäß Verfahrensschritt b) erzeugte Zufallszahl wird im Hauptsteuergerät (14) allen Einwegfunktionen aufgegeben, f) eine im Hauptsteuergerät (14) erzeugte endgültige ID (54) wird mit dem Ergebnis zN gemäß Verfahrensschritt c) verglichen.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt a) jedes Steuergerät (18, 22, 26) bei Erstverwendung eine individuelle SensorJD, insbesondere eine 32-Bit-Zahl, vom Hauptsteuergerät (14) erhält.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Steuergeräte (18, 22, 26) vergebenen SensorJD's in den Speichern (48, 50, 52) der Steuergeräte (18, 22, 26) und im Hauptsteuergerät (14) gespeichert werden.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptsteuergerät (14) sämtliche an die einzelnen Steuergeräte (18, 22, 26) vergebenen SensorJD's gespeichert werden.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die als Variable y der Einwegfunktion f(x,y) -»■ z dienenden SensorJD's ein jedes der Steuergeräte (18, 22, 26) eine unterschiedliche Einwegfunktion aufweist.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragung auf einem Daten-Bus (12), insbesondere einem CAN-Bus erfolgt, auf dem auch Messdaten übertragen werden, insbesondere Batteriezellenspannungen, Ströme und Temperaturen.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß Verfahrensschritt e) erzeugte Zufallszahl im Hauptsteuergerät (14) sequentiell allen Einwegfunktionen aufgegeben wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einwegfunktionen ausgewählt sind aus der Gruppe der kryptographischen Funktionen, Hash-Funktionen und der Primzahlmultiplikationsfunktionen.
9. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt f) bei Übereinstimmung von im Hauptsteuergerät (14) bestimmte endgültige ID (54) mit der vom n-ten Steuergerät (26) übermittelten Ergebnis zN darauf geschlossen wird, dass sich alle originalen Steuergeräte (18, 22, 26) im Batteriemanagementsystem befinden.
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