基于NFC的电池管理系统(BMS)架构解析
nfc也可以吗？
芝能智芯出品
欧盟开始导入电池护照计划以后，需要跟踪电池的使用情况。电池管理系统（bms）的重要性不断凸显，研究人员开始关注无线解决方案，提出了一种基于近场通信（nfc）的无线解决方案，旨在填补现有研究的空白，并提供统一的架构。通过nfc技术，系统能够将电池组的日耗电量从毫瓦降低到微瓦，有效提高了电池组的使用效率。电池寿命管理变得越来越重要，即使电池不再满足车辆需求，仍可用于其他用途。电池的健康状态（soh）、充电状态（soc）等信息必须在其生命周期内进行跟踪。当电池存放在仓库中时，只能通过使用外部读取器与bpc连接来访问电池组。
一）使用场景
近场通信（nfc）技术的三种不同场景下的解决方案，探讨系统架构、安全模型以及软件架构等方面的关键信息。nfc技术在bms功能扩展中发挥了关键作用，提供了三种不同场景的解决方案，如下所示：
● 主动读取内部传感器：通过nfc技术，bms能够主动读取内部传感器的数据[
● 考虑用于车外使用案例的空闲状态场景：nfc技术可用于处理电池组在空闲状态下的读取，例如在第二次生命转移期间的存储
● 主动诊断读取：利用nfc技术进行主动诊断读取，适用于bms已部署在邻近系统中的情况
二）系统架构
系统架构如图所示，在建立安全通道之前，设备需要进行身份验证。数据链路通信层由ndef记录处理，而数据存储可离线或在线存储在数据库中。活动状态和空闲状态的诊断读数取决于设备和数据方向，需要与外部nfc阅读器进行通信。软件架构分为三层，包括硬件抽象层（hal）、中间层（中间件）和应用层。hal处理硬件驱动组件，中间件进行设备验证，而应用层由开发人员自由定义，考虑了安全漏洞和格式扩展。
为了确保安全性，系统采用了安全模型，对bms和主动诊断读取情况下的应用数据进行格式化。安全性的考虑因素包括设备相互验证、使用安全渠道（加密和防篡改）以及确保电池组内部读数的安全。
考虑到不同的bms拓扑结构，包括集中式、调制式、分布式和分散式，系统需满足设备相互验证和使用安全渠道的要求。对于每种拓扑结构，必须考虑性能开销的最小化。电池组是封闭的，对其进行物理攻击是不可行或代价太高的。对外部攻击也很可能是困难的。采用基于对称或非对称加密技术的自动验证保护电池组读数。安全协议在身份验证阶段和会话密钥确认阶段采用了双密钥加密，以抵御攻击。中间件在数据格式验证、确认和处理方面发挥关键作用，确保数据的安全传输。
三）唤醒模型设计
在空闲状态用例中，唤醒应用显得尤为重要。通过控制电池组控制器（bpc）的唤醒，可以最大限度地降低电池单元在整个存储期间的功耗，同时在与外部nfc阅读器通信期间提供电源。提出的唤醒系统设计需要满足低功耗和快速唤醒时间的两个主要要求。
● 事件检测（bd）唤醒
◎ 利用ntag板上的事件检测（ed）功能，通过ed引脚对nfc场的存在做出响应。当检测到射频场时，ed引脚设置为逻辑高电平。
◎ 在空闲时间，ntag保持待机状态，由主机bpc持续供电。在主机bpc采用超低功耗状态（lps）时，ntag仍可在待机模式下为其供电并响应唤醒，实现最低理论功耗。
● 能量收集（eh）唤醒
◎ ntag可以完全关闭，bpc进入vlps模式，与事件检测相似。这可以降低功耗，但可能导致唤醒时间稍长，因为唤醒依赖于能量收集。
◎ ntag进入eh模式，从射频场中采集能量。bpc在睡眠阶段不为ntag供电，因此ntag在能量收集触发唤醒后必须保持供电状态，从电池单元中获取电能以维持正常工作模式。
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● 主动读取内部传感器：通过nfc技术，bms能够主动读取内部传感器的数据[
● 考虑用于车外使用案例的空闲状态场景：nfc技术可用于处理电池组在空闲状态下的读取，例如在第二次生命转移期间的存储
● 主动诊断读取：利用nfc技术进行主动诊断读取，适用于bms已部署在邻近系统中的情况
二）系统架构
系统架构如图所示，在建立安全通道之前，设备需要进行身份验证。数据链路通信层由ndef记录处理，而数据存储可离线或在线存储在数据库中。活动状态和空闲状态的诊断读数取决于设备和数据方向，需要与外部nfc阅读器进行通信。软件架构分为三层，包括硬件抽象层（hal）、中间层（中间件）和应用层。hal处理硬件驱动组件，中间件进行设备验证，而应用层由开发人员自由定义，考虑了安全漏洞和格式扩展。
为了确保安全性，系统采用了安全模型，对bms和主动诊断读取情况下的应用数据进行格式化。安全性的考虑因素包括设备相互验证、使用安全渠道（加密和防篡改）以及确保电池组内部读数的安全。
考虑到不同的bms拓扑结构，包括集中式、调制式、分布式和分散式，系统需满足设备相互验证和使用安全渠道的要求。对于每种拓扑结构，必须考虑性能开销的最小化。电池组是封闭的，对其进行物理攻击是不可行或代价太高的。对外部攻击也很可能是困难的。采用基于对称或非对称加密技术的自动验证保护电池组读数。安全协议在身份验证阶段和会话密钥确认阶段采用了双密钥加密，以抵御攻击。中间件在数据格式验证、确认和处理方面发挥关键作用，确保数据的安全传输。
三）唤醒模型设计
在空闲状态用例中，唤醒应用显得尤为重要。通过控制电池组控制器（bpc）的唤醒，可以最大限度地降低电池单元在整个存储期间的功耗，同时在与外部nfc阅读器通信期间提供电源。提出的唤醒系统设计需要满足低功耗和快速唤醒时间的两个主要要求。
● 事件检测（bd）唤醒
◎ 利用ntag板上的事件检测（ed）功能，通过ed引脚对nfc场的存在做出响应。当检测到射频场时，ed引脚设置为逻辑高电平。
◎ 在空闲时间，ntag保持待机状态，由主机bpc持续供电。在主机bpc采用超低功耗状态（lps）时，ntag仍可在待机模式下为其供电并响应唤醒，实现最低理论功耗。
● 能量收集（eh）唤醒
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◎ ntag进入eh模式，从射频场中采集能量。bpc在睡眠阶段不为ntag供电，因此ntag在能量收集触发唤醒后必须保持供电状态，从电池单元中获取电能以维持正常工作模式。
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