《Journal of Environmental Chemical Engineering》：From green routes to digital design: Two-dimensional photocatalysts at the interface of machine learning and environmental applications
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电池管理系统网络安全与加密技术的研究：基于AES-128和NodeMCU的本地监控架构设计与实验验证，同时探讨区块链技术的应用。
Gaurav Kumar | Suresh Mikkili
电气与电子工程，印度果阿国立技术学院，Cuncolim
摘要
随着锂离子（Li-ion）电池在电动汽车（EVs）中应用的日益增加，对安全电池管理系统（BMS）的需求也随之增强。确保BMS的安全性至关重要。由于BMS依赖于通信技术，因此它容易受到网络安全风险的威胁，例如数据篡改、截获和拒绝服务（DoS）攻击，这些攻击可能导致电池过充、欠充或热损伤。本文旨在开发并实验验证一种基于加密保护机制的安全本地监控架构，用于BMS数据管理。采用密码保护的加密和解密框架来保护重要的电池参数，如电压、电流、荷电状态（SoC）、温度和湿度。所提出的系统利用部署在NodeMCU 32位微控制器上的AES-128加密技术实现本地Web服务器功能。加密过程的执行时间为1.2毫秒，每秒可处理811次交易（TPS），而解密过程需要1.5毫秒，每秒可处理660次交易。实验中使用了6节锂离子电池组（总容量14.4瓦时，每节电池容量600毫安时）来验证系统性能。本文还概述了电动汽车BMS中的网络安全威胁、电池均衡方法、荷电状态估算方法，以及区块链技术在安全监控框架中的应用。
章节摘录
缩写说明
| 6S | 6系列电池 |
| AES | 高级加密标准 |
| AI | 人工智能 |
| ANN | 人工神经网络 |
| BMSs | 电池管理系统 |
| CAN | 控制器局域网 |
| CCS | 组合充电系统 |
| DNN | 深度神经网络 |
| DoC | 充电拒绝 |
| DoS | 服务拒绝 |
| DSP | 数字信号处理 |
| DSRC | 专用短距离通信 |
| ECC | 椭圆曲线密码学 |
| ECU | 电子控制单元 |
| EKF | 扩展卡尔曼滤波器 |
| EVs | 电动汽车 |
| EVCS | 电动汽车充电站 |
| FPGA | 现场可编程门阵列 |
| GA | |
电动汽车中使用的技术
全球范围内使用了多种充电标准和连接器（例如CHAdeMO、CCS、特斯拉超级充电站、Type 1、Type 2、GB/T、Chaoji、BHARAT AC和BHARAT DC）。OCPP协议将所有电动汽车充电器连接到充电管理服务器。OCPP的最新版本是2.0.1，发布于2019年12月。
OCPP是一种通信协议标准，用于实现电动汽车充电器与充电站之间的互操作性。这是一个开源协议，用于电动汽车充电器与充电站之间的数据交换。
电动汽车中的网络安全威胁
在硬件方面，BMS、动力总成、传感器和通信系统等关键组件对电动汽车的功能至关重要。例如，如果固件被篡改或传感器被操纵，控制电池充电、放电和温度管理的BMS可能会受到攻击，从而导致电池故障或安全隐患。FPGA芯片、STM32或DSP微控制器等组件对于控制各种车辆系统至关重要。
CPS和通信技术的网络攻击检测与缓解
由于现代电动汽车的复杂性和连接性不断增加，检测和缓解针对CPS的威胁变得十分重要，因为这些车辆集成了网络和物理组件。为了有效检测威胁，需要持续监控和异常检测。已有许多研究致力于网络物理系统中的攻击检测，例如攻击树[48]、Petri网[49]和博弈论[50]。此外，还需要密切关注CAN总线等通信网络的安全性。
电池的BMS和荷电状态估算技术
电池组的C率取决于电池化学成分、温度和荷电状态（SoC）。电池的充放电电流由C率决定。图11展示了在不同放电C率下电池的放电电压曲线。这些曲线分别对应5.4 A（1C）、10.8 A（2C）和16.2 A（3C）的放电电流，其中C率是根据电池的标称容量来定义的。在较低的C率（1C）下，电池能够保持稳定的性能。
区块链在BMS中的应用
区块链技术凭借其去中心化的账本结构和天然的抗数据篡改能力，为提高电动汽车BMS的安全性和可靠性提供了强大的框架[27]。将区块链与BMS集成可以提升数据完整性、访问控制、系统透明度，并增强对网络攻击的防护能力。区块链还被应用于充电调度算法中，根据距离和需求条件确定最佳充电时间和充电站位置。
结果与讨论
使用NodeMCU安全地监测和传输电压、电流、湿度、荷电状态（SoC）和温度值。电压和电流传感器以及温度传感器连接到BMS电路以读取实时数据。数据通过128位AES加密技术进行安全传输，加密时间为1.2毫秒，每秒可处理791至811次交易（TPS）。解密任务在3.4至3.5毫秒内完成，解密功能耗时1.5毫秒，每秒可处理660次交易。
结论
本文对BMS技术进行了全面回顾，重点讨论了电池类型、特性和电池单元建模。此外，还探讨了电池单元均衡技术，以防止过充和欠充现象。同时，文章解释了与电动汽车相关的网络攻击、通信技术、荷电状态估算方法，以及私有区块链在保障BMS安全中的应用。在实际BMS实现中，采用了主动电池均衡技术。
CRediT作者贡献声明
Gaurav Kumar：负责撰写初稿、软件开发、调查分析及概念构思。
Suresh Mikkili：负责审稿编辑、项目监督、资金筹措、分析工作及概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢Anusandhan国家研究基金会（ANRF，印度政府）在Grant number ANRF/PAIR/2025/000017/EPAIR项目下提供的财务支持。
