摘要：现代汽车安全体系主要由功能安全(FuSa)、预期功能安全(SOTIF)和网络安全(Cybersecurity)三大体系构成，这三大体系共同构成了BMS安全设计的基础框架。功能安全关注系统失效和随机硬件失效的风险，预期功能安全关注系统性能不足或可预见误用导致的风险，而网络安全则关注外部恶意攻击带来的风险。随着电动汽车技术的飞速发展，电池管理系统(BMS)作为"三电"核心技术之一，其安全性直接关系到车辆和乘客的安全。本文从电动汽车出发，概述汽车安全三大体系主要内容，并尝试分析三大安全体系中与BMS设计相关的注意事项，为BMS安全设计提供系统性指导。

关键词：汽车安全；电动汽车；BMS

一、汽车三大安全体系

1.1 功能安全 (Functional Safety - ISO 26262)

目标：防止由电子电气系统故障导致的危害

核心标准：ISO 26262

关键流程：

(1)危害分析：HARA(危害分析与风险评估)；

(2)安全目标：定义ASIL等级(A-D)；

(3)系统开发：安全需求分解至硬件/软件；

(4)验证措施：FTA(故障树分析)、FMEDA(失效模式分析)。

技术方法：

(1)冗余设计(如双MCU)；

(2)安全监控(看门狗定时器)；

(3)安全机制(内存ECC校验）

1.2 预期功能安全(SOTIF/ISO 21448)

目标：解决无系统故障下的性能局限(如感知误判)

核心标准：ISO 21448

开发流程：

(1)场景识别：构建极端场景库；

(2)功能改进：传感器融合、算法鲁棒性提升；

(3)验证验证：仿真测试、实车道路测试。

典型风险：

(1)感知局限(雷达误识别静态物体)；

(2)决策错误(AEB误触发)。

1.3 网络安全 (Cybersecurity - ISO/SAE 21434)

目标：防御恶意攻击引发的车辆风险。

核心标准：ISO/SAE 21434, UNECE WP.29 R155

关键领域：

①威胁分析：TARA(威胁分析与风险评估)；

②防护机制：(1)安全通信(TLS/加密)；(2)入侵检测系统(IDS)；(3)安全OTA更新。

③生命周期管理：(1)供应链安全(软件物料清单SBOM)；(2)事件响应(CSMS管理体系)；

④攻击面：(1)车载网络(CAN总线注入)；(2)外部接口(蓝牙/WiFi渗透)；(3)后端服务器(云端数据泄露)。

三大安全体系关联与差异

二、 三大安全体系与BMS设计的关系

功能安全、预期功能安全和网络安全三大体系共同构成了BMS安全设计的完整框架。功能安全(FuSa)通过ISO 26262标准实现，主要目的是避免BMS系统电子/电气功能异常引发的危害，防止严重人身伤害事件(如起火、爆炸、排气、电击)。预期功能安全(SOTIF)通过ISO 21448标准实现，主要关注BMS在预期功能范围内的性能局限或合理可预见误用导致的风险。网络安全(Cybersecurity)通过ISO/SAE 21434标准实现，主要防护BMS系统免受恶意攻击或非法入侵导致的系统风险。

2.1 BMS功能安全设计

BMS功能安全的核心目标是防止系统失效导致的安全风险，主要关注硬件和软件的可靠性设计。

BMS功能安全的核心要求

(1)危害分析与风险评估：识别BMS系统可能导致的危害事件，如过压、欠压、过温、过流等，并评估其风险等级，确定汽车安全完整性等级(ASIL)；

(2)安全目标与安全需求：根据危害分析结果，设定安全目标和相应的安全需求，如"及时检测电池过充情况并作出处理"。

(3)安全机制设计：针对不同的安全需求，设计相应的安全机制，如冗余架构、故障诊断等。

(4)安全等级验证：通过单点故障指标(SPFM)、潜在故障指标(LFM)和随机硬件失效指标(PMHF)评估系统的安全性等级。

BMS功能安全框架设计要点：

(1)硬件安全架构：采用冗余设计，如双MCU架构、双通道AFE芯片、冗余通信链路等；

(2)软件安全机制：实现安全监控、故障处理和安全状态机等功能；

(3)安全验证与确认：通过硬件在环(HIL)测试、软件测试和系统测试等方法验证BMS的安全性。针对不同类型车辆的BMS功能安全设计对比如下，仅供参考。

2.2 BMS预期功能安全设计

BMS预期功能安全，关注的是系统在预期功能范围内的性能局限或合理可预见误用导致的风险，主要依据ISO 21448标准进行设计。

BMS预期功能安全的核心要求

(1)潜在性能不足识别：识别BMS在正常工况和极端工况下可能出现的性能不足，如SOC估算误差过大、热管理能力不足等；

(2)场景分析与风险评估：分析BMS在各种场景下的表现，评估潜在风险，确定安全目标；

(3)安全需求与措施：针对潜在风险，制定安全需求和相应的安全措施，如算法优化、冗余设计等；

(4)验证与确认：通过场景测试和验证，确保BMS在各种预期场景下的安全性能。

BMS预期功能安全框架设计要点

(1)场景库构建：建立全面的场景库，包括正常工况、极端工况和故障工况等场景；

(2)算法鲁棒性设计：优化SOC/SOH估算、均衡控制等算法，提高其在复杂环境下的鲁棒性；

(3)人机交互设计：设计清晰的用户界面和提示信息，避免用户误解或误操作。

2.3 BMS网络安全设计

BMS网络安全关注的是防止系统受到恶意攻击或非法入侵导致的安全风险，主要依据ISO/SAE 21434标准进行设计。

BMS网络安全的核心要求

(1)资产识别与风险评估：识别BMS系统的关键资产和潜在威胁，评估风险等级；

(2)安全需求与目标：根据风险评估结果，设定安全需求和目标；

(3)安全机制设计：设计适当的安全机制，如加密、认证、访问控制等；

(4)安全验证与确认：通过安全测试和评估，验证安全机制的有效性。

BMS网络安全框架设计要点

(1)安全通信协议：采用加密通信协议，确保数据传输的安全性；

(2)身份认证与访问控制：实现BMS与外部系统之间的双向认证；

(3)数据保护与隐私：保护电池数据的机密性和完整性；

(4)安全更新与维护：实现安全的软件更新机制。

三、总结与展望

3.1 BMS安全设计的关键思路

(1)系统性思维：BMS安全设计需要从系统角度出发，综合考虑功能安全、预期功能安全和网络安全的需求，形成完整的安全防护体系；

(2)基于场景的设计：BMS安全设计应基于实际应用场景，覆盖各种正常工况和极端工况，确保在各种情况下的安全性；

(3)技术创新与标准合规：BMS安全设计需要结合最新的技术创新，同时确保符合相关标准和法规要求，如ISO 26262、ISO 21448、ISO/SAE 21434等标准；

(4)全生命周期管理：BMS安全设计应覆盖从概念设计到退役的全生命周期，确保系统在整个生命周期内的安全性。

3.2 BMS安全设计的未来发展趋势

智能化安全技术：(1)AI技术在BMS安全中的应用，如基于深度学习的电池状态预测和故障诊断；(2)数字孪生技术在BMS安全验证中的应用。

新型电池技术的安全挑战：(1)固态电池、锂金属电池等新型电池技术对BMS安全设计提出新的挑战；(2)高能量密度电池的安全管理技术发展。

车-桩-网协同安全：(1)电动汽车与充电设施的安全协同；(2)电动汽车与电网的安全交互；(3)车联网环境下的BMS安全挑战。

安全与性能的平衡：(1)安全与能效的平衡；(2)安全与成本的平衡；(3)安全与用户体验的平衡。

随着电动汽车技术的不断发展和应用场景的不断扩展，BMS安全设计将面临更多的挑战和机遇。只有坚持系统性思维，采用先进的安全技术和方法，才能确保BMS的安全性和可靠性，为电动汽车的安全运行提供坚实保障。