一种基于区块链的电池管理系统的制作方法

本发明涉及电动汽车电池管理系统领域，具体涉及一种基于区块链的电池管理系统。

背景技术：

随着现代社会人们环保意识的不断增强以及电动汽车关键技术的不断发展，世界范围内的电动汽车保有量不断增加，作为电动汽车核心部件的动力电池系统，它为电动汽车提供能量来源，保证电动汽车安全、可靠的运行。动力电池系统的正常充放电过程会导致动力电池系统容量以及循环次数的不断减小，当动力电池系统的实际容量减少为初始容量的80％时，将无法满足电动汽车使用的要求，需更换新的足量的动力电池系统，替换下来的动力电池称为退役动力电池。

出于环保角度考虑，退役动力电池系统尽管无法满足电动汽车的使用要求，但经过分拣、重组等步骤后可作为要求较低领域的储能系统使用，比如低速电动车、电网储能、光伏发电储能等，即实现车载动力电池系统的梯次利用。对完成梯次利用后的电池进行拆解、回收不经能够最大限度发挥动力电池系统的效能，还能降低动力电池的使用成本，实现动力电池系统的收益最大化目标。然而实际情况下，我们对动力电池的使用状态缺乏进行有效和安全的监控，而且电池残值评估和梯次应用困难重重。目前传统的退役动力分级方法为实验测试，即对退役动力电池系统中的每块电芯或模组单独进行测试，测试内容包含容量测试、内阻测试等，这些测试不但需要大量的测试时间，还会浪费大量的电能。

区块链是一种由分布式存储技术、密码学账本和共识算法组成的计算机技术，它具有去中心化、开放性、自治性、信息不可篡改等特点。区块链技术可以为动力电池梯次利用提供一种新的模式以及思路。实现动力电池梯次利用，最重要的一点就是实现电池数据的有效管理，这个有效管理包括电池数据自身的权威性、有效性及安全性，电池数据来源的可追溯以及电池数据的可查询，这些要求与区块链的技术特点在某种程度上是不谋而合的，将区块链技术与动力电池梯次利用相结合不仅能够提高梯次利用的效率还可以降低中间成本。因此，本发明提出了一种基于区块链技术的电池管理系统。本发明与现有技术相比具有以下特点

1、采用区块链技术记录动力电池系统的运行数据，系统中的若干个节点之间会实时同步，实现动力电池系统运行状态的可查询与可追溯。

2、采用区块记录动力电池系统的制造以及维护信息，实现动力电池系统的全寿命周期管理与防伪。

3、当动力电池系统达到退役标准后，可以从区块链系统中获取动力电池系统的相关信息，实现电芯或模组的快速评估及分级，缩短现有评估分拣方法在能量与时间上的开销。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决动力电池使用状态缺乏进行有效和安全的监控、电池残值评估和梯次应用困难重重等问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：本发明提出一种基于区块链的电池管理系统。该系统由区块链网络、文件管理网络、用户网络以及ca网络四个部分组成，其中区块链网络由一种或者多种类型的节点构成，该网络主要负责区块的生成、将区块添加至区块链、区块链的审计以及对外开放读写接口，存储在区块链上的所有数据信息可选择加密存储也可选择明文储存；文件管理网络为一种基于分布式哈希表与有向无环图的对等节点网络，该网络主要负责动力电池具体数据的上传、下载以及网络内部节点之间的同步；用户网络包含电动汽车、电动汽车充电设施以及多种类型的用户，该网络主要负责动力电池系统相关信息的登记、动力电池系统详细数据的导入、动力电池系统数据的评价、动力电池系统状态变化的记录；ca网络为电池管理系统的数字证书管理中心，该网络主要负责系统中用户及设备身份信息的认证与注册、数字证书的发行、数字证书的延期与吊销。电池管理系统中的每个用户拥有一个属于自己的身份证书，身份证书包含用户身份信息、用户操作权限，任何用户不得进行跨权限操作。当有一个新动力电池系统产生时，由制造部门(制造商)为其进行身份信息注册，注册内容包含新动力电池系统内所有电芯各自的生产信息、标识信息、动力电池系统内部电芯的联结方式，电池管理系统根据注册内容建立merkle树结构后生成动力电池系统身份唯一性标识并永远存储在动力电池系统中。基于merkle树结构的动力电池包标识法将动力电池系统的“电池包-模组-电芯”结构以merkle树形式进行表达，树中存在有4种类型节点，分别为电池包节点，串联节点，并联节点，电芯节点，每个节点均有一个id及节点类型标识。电芯节点均为叶子节点，它没有子节点且父节点只能为串联节点或者并联节点；并联节点与串联节点有至少2个以上的子节点和唯一的父节点，节点类型决定了它子节点的联结方式，并联/串联节点表示其子节点所代表的电芯或者模组按照排列顺序依次并联/串联；电池包节点为merkle树根的根节点，它拥有一个子节点且只能为串联节点或并联节点中的一种。所有节点id均按照指定规则生成，生成方式如下：

1)整个电池树中电池包节点的层级为1，根据电池模块的联结方式选择第二层级子节点的节点类型；

2)第二层级节点的子节点依据电池模块的构成生成；子节点的数量与电池模块数量一致，子节点的顺序与电池模块排列顺序一致；

3)若第三层节点的子节点不为电芯节点，则由子节点的构成方式生成第四层节点；

4)依据(3)继续向下生成电池树，直至树的末端节点均为电芯节点且叶子节点的数目等于电池包中电芯的个数；

5)电池包树的节点id为自下而上生成，电芯节点的id为对编码标识进行hash运算生成；

6)每个节点id的计算公式如下式所示，

idnode＝idchidren1|idchidren2|…|idchidreni|typeid

idnode＝hash(idnode)

式中，idchidreni为节点第i个子节点id，nodetypeid为节点类型标识，|为累加运算符，idnode为运算后生成的新id，hash(·)函数为哈希函数，idnode为计算后形成的最终节点id标识。注册完成后需将动力电池系统与电动汽车进行绑定；电池管理系统中的贸易部门负责记录动力电池系统的销售过程，包括销售价格、销售人员信息、购买人员信息、质保信息。电池管理系统中的个人用户能够查阅与自己相关的动力电池系统状态信息与记录信息、参与动力电池系统的数据验证过程。若动力电池系统需要进行检修、维护，需将动力电池系统运送至维护部门进行安全维护，完成维护后维护部门须进行维护登记，登记内容会记录在区块链网络中，登记内容包括维护内容、维护时间及维护人员信息。当动力电池系统达到退役标准时，须将动力电池系统运送至回收部门，回收部门对退役动力电池系统进行登记，登记内容会记录在区块链网络中，回收部门根据唯一性标识可以从区块链网络中获取对应动力电池系统的当前状态并可进行流水单式的审计，避免进行试验性测试，快速对退役动力电池系统进行分级、重组，提高动力电池系统梯次利用的效率。

当动力电池系统使用至低电量状态时，需将电动汽车连接电动汽车充电设施进行充电，充电过程中电动汽车会与电动汽车充电设施进行能量与信息的双向交换，即电动汽车充电设施将电能输送给动力电池系统，动力电池系统将自身的运作数据传输给电动汽车充电设施。数据传输完成后，电动汽车充电设施会随机连接文件管理网络中的一个可用节点并对获取数据使用自己的身份信息进行数字签名后上传至文件管理网络，上传完毕后文件管理网络会反馈电动汽车充电设施一个哈希文件名，该哈希文件名为传输数据的信息摘要且存在唯一性，然后电动汽车充电设施在电池管理系统中触发一次数据验证过程并开启一个定时器t，此时电池管理系统会产生一个不大于系统中总用户人数n的随机数x，若x小于随机门槛值m，电池管理系统会随机选择x个用户参与验证且须收集x个用户的选择，若x大于随机门槛值m，电池管理系统会随机选择x个用户参与验证且须至少收集a(a＜x)个用户的选择，电池管理系统会通知被选择的用户参与验证过程并将数据的哈希值与动力电池系统唯一性标识发送给参与用户，用户可根据唯一性标识查看动力电池系统历史数据，根据哈希文件名从文件管理系统获取相应数据内容，用户在经过对比、匹配、校验后给出自己选择结果。若此阶段动力电池系统出现非正常运行状态，用户可迅速通知电池管理系统的管理者用户，防止危险事故的发生。若在定时器t溢出时系统仍未收集到目标数量的用户选择，则认定此次验证过程无效，须重置定时器t并重新开启一次数据验证过程，若定时器重置次数超过3次以上，则由电池管理系统的管理者进行数据验证，若定时器t未溢出且系统收集到目标数量的用户选择，根据用户选择结果的大多数进行数据评判，即有超过三分之二的用户认为该数据有效判断数据为有效，否则数据为无效，若评判结果为无效，则将放弃该数据，若评判结果有效，电池管理系统会将数据的哈希文件名，动力电池系统的当前状态，验证过程结果记录在区块链网络中。

附图说明

图1一种基于区块链的电池管理系统框架图

图2一种基于merkle树结构的电池包唯一标识生成图

图3数据验证过程流程图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明：本发明为一种基于区块链的电池管理系统，其特征在于：该系统由区块链网络、文件管理网络、用户网络以及ca网络四个部分组成，其中区块链网络由一种或者多种类型的节点构成，该网络主要负责区块的生成、将区块添加至区块链、区块链的审计以及对外开放读写接口，存储在区块链上的所有数据信息可选择加密存储也可选择明文储存，文件管理网络为一种基于分布式哈希表与有向无环图的对等节点网络，该网络主要负责动力电池详细数据的上传、下载以及在网络内部节点之间的同步，用户网络包含电动汽车、电动汽车充电设施以及多种类型的用户，该网络主要负责动力电池系统相关信息的登记、动力电池系统详细数据的导入、动力电池系统数据的评价与记录、动力电池系统状态变化的评价与记录，ca网络为电池管理系统的数字证书管理中心，该网络主要负责系统中用户及设备身份信息的认证与注册、数字证书的发行、数字证书的延期与吊销；电池管理系统中的每个用户拥有一个属于自己的身份证书，身份证书包含用户身份信息、用户操作权限，任何用户不得进行跨权限操作，如图1一种基于区块链技术的电池管理系统框架图所示。

当有一个新动力电池系统产生时，由制造部门(制造商)为其进行身份信息注册，注册内容包含新动力电池系统内所有电芯各自的生产信息、标识信息、动力电池系统内部电芯的联结方式，电池管理系统根据注册内容使用基于merkle树结构的动力电池包标识法生成动力电池系统身份唯一性标识并永远存储在动力电池系统中，注册完成后需将动力电池系统与电动汽车进行绑定。基于merkle树结构的动力电池包标识法将动力电池系统的“电池包-模组-电芯”结构以merkle树形式进行表达，一种表达方式如图2所示。树中存在有4种类型节点，分别为电池包节点，串联节点，并联节点，电芯节点，每个节点均有一个id及节点类型标识。电芯节点均为叶子节点，它没有子节点且父节点只能为串联节点或者并联节点；并联节点与串联节点有至少2个以上的子节点和唯一的父节点，节点类型决定了它子节点的联结方式，并联/串联节点表示其子节点所代表的电芯或者模组按照排列顺序依次并联/串联；电池包节点为merkle树根的根节点，它拥有一个子节点且只能为串联节点或并联节点中的一种。所有节点id均按照指定规则生成，生成方式如下：

1)整个电池树中电池包节点的层级为1，根据电池模块的联结方式选择第二层级子节点的节点类型；

2)第二层级节点的子节点依据电池模块的构成生成；子节点的数量与电池模块数量一致，子节点的顺序与电池模块排列顺序一致；

3)若第三层节点的子节点不为电芯节点，则由子节点的构成方式生成第四层节点；

4)依据(3)继续向下生成电池树，直至树的末端节点均为电芯节点且叶子节点的数目等于电池包中电芯的个数；

5)电池包树的节点id为自下而上生成，电芯节点的id为对编码标识进行hash运算生成；

6)每个节点id的计算公式如式(1)所示。

式中，idchidreni为节点第i个子节点id，nodetypeid为节点类型标识，|为累加运算符，idnode为运算后生成的新id，hash(·)函数为哈希函数，idnode为计算后形成的最终节点id标识。基于merkle树结构的动力电池包标识法的特点在于：1)将电池包的电芯连接方式采用merkle树结构进行表示，易于遍历及维护；2)使用哈希算法生成整个电池包树的标识，该算法可以将任意长度的消息m映射成为一个长度较短且长度固定的值h。由于sha-2算法具有单向性与抗碰撞性，对于非电芯节点的所有节点，无论其子节点数量为多少，最后生成的节点id均为固定长度且唯一，整个方法生成根节点的时间复杂度为o(n²)；(3)哈希算法生成的电池包树具有逐层记录的特点，因此电池包树可以用于电池包构造的比较、电芯的快速定位、电芯的从属证明。

电池管理系统中的个人用户能够通过客户端或者浏览器查阅与自己相关的动力电池系统状态信息与记录信息、参与动力电池系统的数据验证过程；若动力电池系统需要进行检修、维护，需将动力电池系统运送至维护部门进行安全维护，完成维护后维护部门须进行维护登记，登记内容会记录在区块链网络中，登记内容包括维护内容、维护时间及维护人员信息。当动力电池系统使用至低电量状态时，需将电动汽车连接电动汽车充电设施进行充电，充电过程中电动汽车会与电动汽车充电设施进行能量与信息的双向交换，即电动汽车充电设施将电能输送给动力电池系统，动力电池系统将自身的运作数据传输给电动汽车充电设施，数据传输完成后，电动汽车充电设施会随机连接文件管理网络中的一个可用节点并对获取数据使用自己的身份信息进行数字签名后上传至文件管理网络，上传完毕后文件管理网络会反馈电动汽车充电设施一个哈希文件名，该哈希文件名为传输数据的信息摘要且存在唯一性，然后电动汽车充电设施在电池管理系统中触发一次数据验证过程并开启一个定时器t，此时电池管理系统会产生一个不大于系统中总用户人数n的随机数x，当x较大时若让x个用户全部参与验证过程，会浪费系统的资源，因此采用如下方法，若x小于随机门槛值m，系统会随机选择x个用户参与验证且须收集x个用户的选择，若x大于随机门槛值m，系统会随机选择x个用户参与验证且须至少收集a(a＜x)个用户的选择，a的取值根据公式1进行选择。公式1：假设系统中有n个用户，先选择x个用户参与验证过程，那么每个用户被选择的概率为x/n，令x1，x2，x3，…，xn分别表示为系统收到第1至第n个用户的投票结果，收到为1，未受到为0，由于各个投票结果之间均相互独立且对于任意的i∈{1，2，3，…，n}都有xi∈[0，1]，令sn＝x1+x2+x3+…+xn，对于sn有成立，令t＝x-a，则有即sn小于a的概率存在一个上界，根据这个上界选择合适的a值。系统会通知被选择的用户参与验证过程并将数据的哈希值与动力电池系统唯一性标识发送给参与用户，用户可根据唯一性标识查看动力电池系统历史数据，根据哈希文件名从文件管理系统获取相应数据内容，用户在经过对比、匹配、校验后给出自己选择结果，若此阶段动力电池系统出现非正常运行状态，用户可迅速通知电池管理系统的管理者用户，防止危险事故的发生；若在定时器t溢出时系统仍未收集到目标数量的用户选择，则认定此次验证过程无效，须重置定时器t并重新开启一次数据验证过程，若定时器重置次数超过3次以上，则由电池管理系统的管理者进行数据验证，若定时器t未溢出且系统收集到目标数量的用户选择，根据用户选择结果的大多数进行数据评判，即有超过三分之二的用户认为该数据有效判断数据为有效，否则数据为无效，若评判结果为无效，则将放弃该数据，若评判结果有效，电池管理系统会将数据的哈希文件名，动力电池系统的当前状态，验证过程结果记录在区块链网络中，验证过程如图3所示。

电池管理系统中的贸易部门负责记录动力电池系统的销售过程，包括销售价格、销售人员信息、购买人员信息、质保信息；当动力电池系统达到退役标准时，须将动力电池系统运送至回收部门，回收部门对退役动力电池系统进行登记，登记内容会记录在区块链网络中，回收部门根据唯一性标识可以从区块链网络中获取对应动力电池系统的当前状态并可进行流水单式的审计，避免进行试验性测试，快速对退役动力电池系统进行分级、重组，提高动力电池系统梯次利用的效率。