Исследование киберфизической системы электромобилей

Привет всем, добро пожаловать в новый пост сегодня. В данной статье рассматривается киберфизическая система электромобиля. Описан киберуровень системы и рассмотрен физический уровень системы с позиций энергетики.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Что составляет киберфизическую систему электромобиля?

Ⅱ. Физический слой

Ⅲ. Киберслой

Ⅳ. Подведение итогов по ключевым моментам

Ⅴ. Ссылка

Автомобильная промышленность в настоящее время переживает значительный переход с появлением электромобилей (EV), что приводит к отходу от обычных транспортных средств, работающих на бензине. В мире электромобилей, зарядных станций для электромобилей (EVCS) и электросетей существует сеть сложных киберфизических взаимозависимостей.

Киберфизические взаимоотношения электромобиля показаны на рис. 1. Крайне важно понимать эти взаимозависимости, и он также может быть уязвим для злонамеренной эксплуатации, потенциально причиняющей вред различным задействованным компонентам.

Рис. 1. Киберфизический уровень электромобиля

Ⅰ. Что составляет киберфизическую систему электромобиля?

Киберуровень описывает коммуникационные возможности и интерфейсы электромобиля, которые позволяют связать его с внешними компонентами, а физический уровень обсуждает компоненты электромобиля с точки зрения энергетики.

Ⅱ. Физический слой

По наблюдениям энергетика, физические уровни типичного электромобиля включают в себя аккумулятор энергии, блок формирования мощности, двигатель и нагрузки, как показано на рис. 1.

Энергетические накопители (батарея)

Аккумуляторы электромобилей обычно работают при напряжении от 300 до 700 вольт и могут заряжаться различными способами, в том числе путем подключения к сети, использования двигателя внутреннего сгорания (ДВС), рекуперации энергии при торможении или некоторой комбинации этих способов. Электромобили обычно оснащены вспомогательными батареями на 12 В или 24 В для использования со вспомогательными нагрузками и контроллерами.

Блоки стабилизации питания (зарядные устройства)

Электрическая сеть может заряжать аккумуляторы электромобилей напрямую через бытовые или коммерческие зарядные устройства или бортовое зарядное устройство. Последний метод требует больше времени для зарядки той же энергии.

Встроенные и внешние зарядные устройства используют преобразователь переменного/постоянного тока для преобразования переменного тока из электросети в постоянный ток для аккумулятора . Зарядные устройства также оснащены корректором коэффициента мощности (PFC), преобразователем постоянного/постоянного тока, вспомогательным преобразователем переменного/постоянного тока, монитором зарядки и контроллером.

PFC гарантирует, что электричество, заряженное в батарею, соответствует требованиям безопасности по гармоникам и искажениям, чтобы предотвратить повреждение батареи и преждевременный выход из строя. Аккумулятор подключен еще к четырем преобразователям.

Первый преобразователь постоянного/переменного тока является трехфазным и двунаправленным, питает тяговый двигатель и заряжает аккумулятор во время рекуперативного торможения. Во-вторых, постоянный/переменный ток преобразует энергию для мощных вспомогательных нагрузок, таких как системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Третий преобразователь постоянного/постоянного тока обслуживает маломощные нагрузки, такие как освещение и вспомогательную батарею напряжением 12 или 24 В. Четвертый преобразователь переменного/постоянного тока обеспечивает питание аккумулятора от ДВС.

Двигатель и нагрузки

Тяговый двигатель переменного тока, обычно трехфазный синхронный двигатель с постоянными магнитами (например, Nissan Leaf) или асинхронный двигатель (например, Tesla), работает при ≈240 В. Вспомогательные нагрузки высокой мощности включают трехфазный компрессор и вентиляторы кондиционера. , а к маломощным (12 или 24 В) относятся фары, освещение салона, магнитола, гидроусилитель руля и зарядные устройства USB.

Если температура в помещении и температура окружающей среды сильно различаются, вспомогательные нагрузки могут снизить диапазон EV на 35%. Запас хода EV можно увеличить на 22% за счет изменения параметров систем отопления, вентиляции и кондиционирования.

Ⅲ. Киберслой

Киберуровень для электромобилей , который включает в себя внутренний и внешний уровни, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Киберуровень электромобиля

Уровень в автомобиле

В настоящее время в современных автомобилях имеется около 125 электронных блоков управления (ЭБУ), и это число только растет. ЭБУ позволяют управлять основными системами автомобиля, такими как тормоза, аккумуляторы и информационно-развлекательные системы.

Компонентами ЭБУ являются процессор, память, а также порты ввода и вывода. Как показано на рис. 2, шина сети контроллеров (CAN), локальная межсетевая сеть (LIN), медиа-ориентированный системный транспорт (MOST) и FlexRay используются для соединения блоков управления двигателем вместе.

Поскольку она связывает наиболее важные блоки управления двигателем и в случае взлома может быть использована для вмешательства в процесс зарядки электромобиля, сеть CAN-шины оказалась в центре внимания дискуссий по безопасности. LIN не требует высокоскоростной связи и является недорогой сетью.

Однако MOST — это дорогая сеть, используемая в автомобильной информационно-развлекательной системе (IVI), которая требует передачи с высокой пропускной способностью, поэтому она не является подходящим выбором для большинства мобильных устройств. ЭБУ, такие как блок управления подушками безопасности, используют FlexRay из-за высокой отказоустойчивости, которую они требуют от своих компонентов.

Шина сети контроллеров (CAN)

Шина CAN построена в одноранговой сети, в которой все ЭБУ и периферийные устройства связаны между собой и могут взаимодействовать друг с другом как партнеры. Сеть функционирует аналогично централизованному средству связи. Есть четыре основных преимущества внедрения этого стандарта автобусов в электромобили.

Первым преимуществом шины CAN является то, что она может обрабатывать в реальном времени одновременные команды от множества ЭБУ без серьезных задержек связи. Централизованная конструкция CAN-шины позволяет это сделать; ECU может отправить сообщение всем другим ECU с арбитражным идентификатором (ID), и только предполагаемый получатель получит сообщение.

Во-вторых, шина CAN разделена на высокоскоростную и низкоскоростную ветви, которые используют общий шлюз. Например, контроллер отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха подключен к низкоскоростной шине CAN, а управление тормозами и аккумулятором, которые являются критичными по времени устройствами, подключены к высокоскоростной шине CAN.

В-третьих, шина CAN позволяет осуществлять централизованную диагностику ЭБУ через разъем бортовой диагностики (OBD). Используя этот порт, механики и регулирующие организации могут следить за выбросами углекислого газа и состоянием аккумуляторов электромобилей.

В-четвертых, шина CAN является адаптируемой, что упрощает добавление или удаление электронных блоков управления (ЭБУ), а также является недорогим и устойчивым к электрическим и электромагнитным помехам, которые в противном случае могли бы нарушить жизненно важные функции электромобиля.

Некоторые электронные блоки управления (ЭБУ), например система контроля давления в шинах (TPMS), имеют собственные подсети датчиков. Радиочастотное (РЧ) соединение между датчиками с батарейным питанием на шинах электромобиля и блоком контроля давления в шинах создает систему TPMS.

Блок управления получает данные датчиков и передает эту информацию через сеть контроллера (CAN) оператору автомобиля. Таких специализированных сетей невозможно избежать. Чтобы предотвратить дорожно-транспортные происшествия из-за недостаточно накачанных шин, по закону требуется система TPMS.

Внешний слой

Этот уровень включает в себя несколько критериев, как показано на рис. 2, которые подробно описаны ниже.

Зарядная станция для электромобилей

Электромобили используют проводной канал для координации деталей и предпочтений по зарядке с выбранным EVCS. Инструкции по управлению и защите включают обнаружение замыкания на землю, необходимый зарядный ток, текущий уровень заряда аккумулятора электромобиля и готовность электромобиля к зарядке (с использованием сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ)) .

Хотя это соединение часто является проводным, бывают случаи, когда электромобили и EVCS используют свои IP-адреса для беспроводной связи. Хотя в будущем ожидается широкое распространение беспроводной связи, в настоящее время существует множество протоколов для беспроводных соединений EV-EVCS.

Физически доступные порты

Для внешних подключений электромобили оснащены портами USB, слотом для компакт-диска, защищенным слотом для цифровой SD-карты и портом встроенной диагностики (OBD). Механики электромобилей, пользователи электромобилей и регулирующие органы по электромобилям могут контролировать производительность электромобилей (например, выбросы углекислого газа), скорость электромобилей и структуру движения, а также состояние батареи электромобилей, используя порт OBD, стандартизированный интерфейс для шины CAN.

Интернет-порталы услуг

В большинстве случаев пользователи могут иметь удаленный доступ к функциям электромобиля с помощью порталов интернет-сервисов (например, приложений для смартфонов). Беспроводная связь между электромобилями и веб-приложениями и приложениями для смартфонов позволяет отслеживать и контролировать зарядку электромобилей.

Кроме того, многие приборные панели бортовых информационно-развлекательных систем (IVI) для электромобилей оснащены разъемами Bluetooth и USB, что позволяет подключать смартфоны для воспроизведения мультимедиа и доступа к телефону.

Брелоки и другие сервисные порталы могут обмениваться данными с электромобилями по беспроводной сети, обеспечивая вход без ключа. В то время как веб-приложения и приложения для смартфонов используют сотовые сети и Wi-Fi для беспроводной связи на больших и средних расстояниях, брелоки используют радиочастотную связь ближнего действия или связь ближнего радиуса действия (NFC).

Радиостанции

Для доступа к данным о местоположении, транслируемым с космической радиостанции, нынешним электромобилям требуется система глобального позиционирования (GPS). Например, электромобили используют сигналы GPS для прокладки курса к наиболее удобному и экономичному EVCS или к любому другому месту, указанному пользователем. Информационно-развлекательные программы для электромобилей используют сотовые сети для связи с радио- и навигационными станциями.

Производитель оборудования

Электромобили используют глобальные сети, такие как сотовые сети и радиочастотные сети, для беспроводной связи со своими производителями и OEM-производителями, чтобы получать регулярные и специальные обновления программного обеспечения и исправления безопасности. Из-за быстрой доставки и низкой стоимости OEM-производители и поставщики предпочитают методы беспроводного исправления традиционным процедурам исправления, выполняемым через локальный HMI (например, соединения USB и Ethernet).

Придорожная инфраструктура и транспортные средства

Сегодняшние электромобили способны связываться с такими объектами, как светофоры и другие транспортные средства на дороге, через сотовые сети, что обеспечивает более эффективную и приятную транспортировку. Подобные соединения пока широко не используются, но ожидается, что ситуация изменится по мере того, как на рынок выйдет все больше и больше технологий беспилотных и полуавтономных транспортных средств.

Ⅳ. Подведение итогов по ключевым моментам

● Киберуровень системы электромобиля описывает его коммуникационные возможности и интерфейсы, которые позволяют связать его с внешними компонентами.

● Физический уровень системы электромобиля рассматривает его компоненты с точки зрения энергетики.

● Киберфизические взаимозависимости между электромобилями, зарядными станциями и электросетями сложны и могут быть уязвимы для злонамеренного использования.

● Понимание этих взаимозависимостей имеет решающее значение для обеспечения безопасности киберфизических систем электромобилей.

● Решения для защиты киберфизической системы электромобилей включают внедрение безопасных протоколов связи, разработку систем обнаружения вторжений и создание механизмов безопасной аутентификации.

Ⅴ. Ссылка

Ачарья, Самрат, Юрий Дворкин, Хрвое Панджич и Рамеш Карри. «Кибербезопасность интеллектуальной зарядки электромобилей: взгляд на энергосистему». IEEE Access 8 (2020): 214434–53. https://doi.org/10.1109/access.2020.3041074 .