專利名稱：可再充電電池組和操作系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及可重新充電電池和尤其涉及在例如充電器或電動工具的電子設(shè)備上使用的智能型(smart)電池組。在一個示范性實施例中，本發(fā)明要求進(jìn)行智能型電池組和充電器或工具之間的識別和認(rèn)證的步驟，其作為進(jìn)行其它操作的先決條件。
背景技術(shù)：
用于便攜式電動工具、室外工具、以及一些廚房和家用器械的電池組可包括可充電二次電池，例如可以充電而不更換的鋰離子、鎳鎘和鉛酸電池。
在工廠和在家中使用可重新充電電池的產(chǎn)品非常普遍。從家庭器具到電動工具，可重新充電電池用于各種不同的用途。
根據(jù)想要使用的環(huán)境，用戶可以選擇具有一個或多個獨有特性的可重新充電電池。用戶一般通過權(quán)衡由所需用途確定的很多因素，例如功率、重量、成本、安全性和其它因素，來選擇特定的可重新充電電池。特別是，一些向例如電動工具的裝備供電的電池的用戶可能對增強(qiáng)電量和運行時間的電池具有獨特的需要。在其它用途中，電池成本的需要可能多于加強(qiáng)性能的需要。從而，對于可重新充電電池用戶存在很多選擇，以滿足各種需要和可以用于不同的用途。
因為存在很多類型和化學(xué)性質(zhì)的可重新充電電池，用戶對于所需用途選擇適當(dāng)設(shè)計的可重新充電電池是很重要的。專門設(shè)計例如電動工具和充電器的許多功率裝置，以僅僅使用具有獨有的化學(xué)性質(zhì)和特性的可重新充電電池適當(dāng)運行。
設(shè)計例如電動工具和充電器的復(fù)雜的便攜式電子設(shè)備以在狹窄的限定條件下操作。隨著這些裝置的發(fā)展，所以就需要開發(fā)具有更復(fù)雜的智能，又名智能型電池的可重新充電電池，當(dāng)向裝置充電和/或供電時其能生成準(zhǔn)確的和最佳的操作狀態(tài)。不論是電動工具或充電器，沒有適當(dāng)設(shè)計電源，裝置不大可能發(fā)揮其全部潛力。
然而，當(dāng)與其它裝置組合使用時，傳統(tǒng)的電池組、充電器和工具不能執(zhí)行用于認(rèn)證和識別電池組的有效和安全的方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一個示范性實施例中，本發(fā)明涉及一種可再充電電池組系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，其識別和認(rèn)證用于相應(yīng)用途和/或環(huán)境的可重新充電電池電源。
在另一個示范性實施例中，本發(fā)明涉及一種可再充電電池組系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，其使用規(guī)定的加密算法來識別和認(rèn)證用于相應(yīng)用途和/或環(huán)境的可重新充電電池電源，該加密算法例如國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)學(xué)會(“NIST”)開發(fā)的先進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)(“AES”)。
在另一個示范性實施例中，本發(fā)明涉及一種可再充電電池組系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，其使用具有例如128位密鑰值和64或128位消息(加密的隨機(jī)數(shù))的加密方法來識別和認(rèn)證用于相應(yīng)用途和/或環(huán)境的可重新充電電池電源。
在另一個示范性實施例中，本發(fā)明涉及一種可再充電電池組系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，其從例如8或16密鑰的任意密鑰程序庫中選擇一個或多個加密密鑰來識別和認(rèn)證用于相應(yīng)用途和/或環(huán)境的可重新充電電池電源，也就是說通過預(yù)選消息的提取值來選擇。
在另一個示范性實施例中，本發(fā)明涉及一種可再充電電池組系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，其基于通過使用A/D噪聲位(noise bit)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)作為初始值(seed)和異或-相加和移位算法的加密密鑰，以提供偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(PRGN)，來識別和認(rèn)證用于相應(yīng)用途和/或環(huán)境的可重新充電電池電源。
在下文給出的詳細(xì)說明中，本發(fā)明可應(yīng)用的更多領(lǐng)域?qū)兊酶用黠@。應(yīng)該理解，說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例的同時，詳細(xì)說明和具體實例僅是用于說明目的而不打算限制本發(fā)明的范圍。


圖1是示出具有可再充電電池組的多個電子設(shè)備實例的方框圖；
圖2是智能型電池示范性實施例的透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的電池充電器的透視圖；圖4是與可再充電的智能型電池結(jié)合使用的電子設(shè)備(例如，充電器)組合的方框圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的識別/認(rèn)證過程一部分的流程圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的識別/認(rèn)證過程一部分的流程圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的識別/認(rèn)證過程一部分的流程圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的識別/認(rèn)證過程一部分的流程圖；和圖9是根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的識別/認(rèn)證過程一部分的流程圖；具體實施方式
參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明示范性實施例的各種電子設(shè)備。該系統(tǒng)包括電子設(shè)備(例如電動工具或充電器)，以及可再充電電池組，例如智能型電池。
圖1中示出的電動工具是無繩手持電動工具。這種電動工具可包括示出的無繩鉆1或圓盤鋸2，但也可以包括例如往復(fù)鋸、打磨器和無線電設(shè)備的其它裝置的廣泛組合。雖然圖1中示出了電動工具，但是公開的可再充電電池組和認(rèn)證/識別方法，可以由使用可再充電的智能型電池的其它類型的電氣裝置所采用。
圖2中示出的充電器20表示能夠容納和供電向可再充電的智能型電池30的電池充電器的集合。本領(lǐng)域周知，具有許多用于向各種其中具有獨特化學(xué)性質(zhì)的可重新充電電池重新充電的電池充電器。在很多情況下，在用于獨特電池組的充電器中采用充電方法以保證最恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。例如，通常向第一類型可重新充電電池充電的重新充電方法在向具有不同化學(xué)性質(zhì)(例如鎳鎘)、單元結(jié)構(gòu)或其它功能特性的第二可重新充電電池充電時可能是無效的。
圖4是說明根據(jù)本發(fā)明示范性實施例能夠執(zhí)行認(rèn)證/識別協(xié)議的系統(tǒng)組成元件之間的數(shù)據(jù)流的方框圖。為了便于討論，所描述的電子設(shè)備為充電器。然而，應(yīng)該認(rèn)識到，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思的情況下，可使用具有類似界面和內(nèi)部處理系統(tǒng)的任何電子設(shè)備，尤其包括電動工具的。該電池組優(yōu)選是智能型電池。
圖4示出充電器40和電池組60之間連接的兩個引腳連接。沿著數(shù)據(jù)總線連接部分70和72提供用于電池組60和電子設(shè)備40之間的數(shù)據(jù)通信。雖然顯示了兩個引線連接，但是也可以使用能夠進(jìn)行下述的用于由電子設(shè)備認(rèn)證和識別電池組的信息通訊的其它連接配置。
充電器40包含中央處理器，例如充電器CPU 42，其能夠執(zhí)行多項功能，包括執(zhí)行下文中陳述和解釋的認(rèn)證/識別過程。
充電器CPU 42首先能夠基于初始值和與異步事件無關(guān)的時間產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)。該異步事件包括電子設(shè)備、電池組或其兩者組合的電氣環(huán)境內(nèi)部發(fā)生的時間相關(guān)隨機(jī)事件，例如檢測到的溫度輸入、用戶介入和半導(dǎo)體噪聲。上述列舉僅僅是說明目的。不脫離本發(fā)明構(gòu)思和范圍也可以利用其它事件。在A/D轉(zhuǎn)換器中通過檢測噪聲來確定初始值。檢測噪聲的一個方法包括讀取非零A/D通道的最小有效位和使用其作為初始值。在給定時間由于LSB值的不可預(yù)測性，所以提供不確定數(shù)?？梢赃M(jìn)一步擴(kuò)展包括在產(chǎn)生初始值時的按照時變信號的A/D通道的過程。充電器CPU 42包含用于存儲基于從A/D通道檢測到的噪聲的預(yù)定數(shù)目的位的初始值寄存器44。當(dāng)充電器CPU 42檢測到特定事件時，在特別事件時，其基于初始值寄存器44中的內(nèi)容計算偽隨機(jī)數(shù)。在示范性實施例中，當(dāng)在兩個單元之間形成電連接時，電池組60一插入到充電器40中時產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)。通過“電池組插入”42示意示出示范性實施例中由充電器CPU 42檢測的這一事件。在一個實施例中，電池組60初始插入到充電器40中時僅僅執(zhí)行這步驟。然而，在不脫離本發(fā)明范圍和構(gòu)思的情況下起動產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)的事件可以改變。
在偽隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生時充電器CPU 42還能夠執(zhí)行CHECKSUM(檢查和)操作。該CHECKSUM操作接收所產(chǎn)生的用于計算密鑰索引的偽隨機(jī)數(shù)。執(zhí)行CHECKSUM的充電器CPU 42的一部分示意性地顯示為元件50?？墒褂每倐坞S機(jī)數(shù)或者其部分來計算密鑰索引。在一個示范性實施例中，所選擇的偽隨機(jī)數(shù)的位可形成密鑰索引。用于基于偽隨機(jī)數(shù)確定任意的密鑰索引的其它變化方案是可能的。
充電器CPU 42還包含指定作為密鑰存儲體52的部分存儲器。密鑰存儲體52包含至少一個，優(yōu)選地大于一個用于可以加密數(shù)據(jù)流的密鑰。在示范性實施例中，密鑰存儲體52包含多個具有相同長度的密鑰，例如128位密鑰。從基于偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器45通過使用密鑰索引從密鑰存儲體52中選擇密鑰保證多重安全，以確保適當(dāng)認(rèn)證和識別電池組60。
當(dāng)從密鑰存儲體52中選擇密鑰(還稱為密鑰素材)時，充電器CPU 42使用用于產(chǎn)生數(shù)據(jù)流的加密算法加密密鑰素材，該數(shù)據(jù)流最終輸送到電池組60用于認(rèn)證/識別。其示意性地示為元件48。在示范性實施例中，加密算法是常規(guī)的和公眾可獲得的稱為AES的算法。
如上所述，電池組60是包含類似于充電器CPU 42的內(nèi)部處理單元的智能型電池。電池組60包含電池組CPU 62，其通過連接部分70和72電連接到充電器40，依據(jù)規(guī)定事件，例如當(dāng)電池組60插入充電器40中時，電池組CPU的一部分執(zhí)行類似CHECKSUM功能66，正如參照充電器CPU 42描述的。CHECKSUM基于通過充電器CPU 42產(chǎn)生的相同偽隨機(jī)數(shù)和通常用于執(zhí)行CHECKSUM 50。
電池組CPU 62還包含參照充電器CPU 42描述的類似于密鑰存儲體52的密鑰存儲體68。選擇合適密鑰索引的過程與通過充電器CPU 42執(zhí)行的過程相同，更簡單地說，當(dāng)產(chǎn)生用于加密的密鑰素材時，通過充電器CPU 42中的電池組CPU 62執(zhí)行相同的過程。一旦從密鑰存儲體68中選擇出密鑰素材，電池組CPU62加密該選擇的密鑰素材并且通過總線傳輸加密數(shù)據(jù)流到充電器CPU 42。
最后，充電器CPU 42將來自充電器40的加密數(shù)據(jù)流以及來自電池組60的加密數(shù)據(jù)流，進(jìn)行比較，用于確定是否電池組是否被適當(dāng)識別/認(rèn)證。如果充電器CPU 42確定加密數(shù)據(jù)流一致，則可確定電池是認(rèn)證的并且開始正常的操作。相反地，如果充電器CPU 42確定加密數(shù)據(jù)流不一致，則不起動充電器40和電池組60的正常操作。在示范性實施例中，充電器CPU確定兩個加密數(shù)據(jù)流是否一致，以進(jìn)行最后確定電池是否認(rèn)證。該最后的確定可以通過電池組CPU 62或中間處理器完成。
參考圖4方框圖的各種元件，下面結(jié)合圖5-9的流程圖來描述用于識別和加密的方法。
在進(jìn)行識別/認(rèn)證過程之前，發(fā)生兩個單獨事件。首先，充電器40連接到外接電源(未示出)。其次，插入電池60，或另外連接到充電器40以形成用于數(shù)據(jù)通信的互連。
當(dāng)連接充電器40和電池60時，電池中的微處理器62執(zhí)行用于初始化充電過程(步驟S1)的加電常規(guī)程序。作為加電常規(guī)程序的一部分執(zhí)行識別/認(rèn)證過程。
類似地，充電器40中的處理器42檢測時間相關(guān)事件43。在一個實施例中，處理器42將在A/D通道所有的或選擇的子集的最小有效位(“LSB”)上進(jìn)行連續(xù)讀取。理想地用于該操作的A/D通道將符合標(biāo)準(zhǔn)，它們的值非零而且它們連接到例如溫度或其它環(huán)境測量的可變源上。在單個通道多次或者多通道連續(xù)地進(jìn)行LSB讀取，直到獲得所需的位數(shù)為止。在一個示范性實施例中，當(dāng)充電器40第一次連接到外接電源時，充電器40僅僅進(jìn)行A/D通道讀取。其它事件可起動認(rèn)證/識別步驟的開始。該LSB隨后移位到具有預(yù)定或任意數(shù)的固有位單元(bit location)的初始值寄存器44中。在該實例中，消息寄存器可以是64或者128位。然而，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思和范圍的情況下可以使用其它存儲器配置。
反復(fù)進(jìn)行A/D讀取操作使得填充寄存器44中的所有或部分的位單元。在一個實施例中，如果發(fā)生其中預(yù)定數(shù)目例如4和5的連續(xù)位相等的位模式，該第四位用1進(jìn)行異或運算，以保證非對稱消息啟動值?？梢酝瑫r使用加法、乘法或表格功能的其它方法以保證非對稱消息啟動值。
通過使用一系列的異或-相加和移位操作，作為后臺處理部分的初始值寄存器44連續(xù)地被刷新。構(gòu)成這些操作以形成用于產(chǎn)生密鑰素材的偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(PRNG)45。密鑰素材是在識別和認(rèn)證電池中用作加密/解密步驟的要點的信息。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器初始值保證了PRNG將產(chǎn)生具有高度平均信息量的高不可預(yù)料數(shù)。因為PRNG連續(xù)地刷新并且通過電池組插入起動其輸出，該輸出是特別不可預(yù)料的。
一旦產(chǎn)生，該密鑰素材將用于執(zhí)行識別/認(rèn)證過程。當(dāng)電池組60與充電器40連接時，消息值用于詢問-答復(fù)算法。該詢問答復(fù)算法代表事件，其中電子設(shè)備(例如充電器或工具)有效地發(fā)送消息到電池并且該電池響應(yīng)。在下文中參考附圖討論該過程的細(xì)節(jié)。因為消息的啟動值和電池組插入的時間是隨機(jī)事件，因此能夠獲得消息值的高度非概率性。雖然在具體地實例中采用一種信息類型，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思和范圍的情況下，可以利用用于產(chǎn)生密鑰素材的其它類似事件。
在示范性實施例中，充電器40負(fù)責(zé)證實電池組60的認(rèn)證性?；蛘咄ㄟ^電子設(shè)備在這種情況下是充電器40，或者通過電池60來啟動該操作。在電池組插入到電池組中時，通過將隨機(jī)數(shù)輸送到PRNG中(步驟S6)來實現(xiàn)這一操作。
通過使用先進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)(″AES″)算法，電池組60和充電器40均加密該數(shù)。通過處理器48和64執(zhí)行該功能。AES算法是對稱-密鑰鎖密碼書寫算法，其支持128位塊大小和128-、192-、256-位密鑰大小。該算法通過美國的國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)學(xué)會(NIST)持有并提供給公眾。與AES算法有關(guān)的一個優(yōu)勢是通過NIST條款其對公眾是免費的。該算法已經(jīng)通過徹底地測試和證明。雖然在示范性實施例中使用AES算法，但是也可以使用其它密碼工具和系統(tǒng)。
在電池組60和充電器40上使用的算法將是相同的。在兩個單元加密該數(shù)之后，電池60將結(jié)果返回到充電器40，該結(jié)果與充電器自己的編密碼比較(步驟S11)。如果兩個結(jié)果相配，則充電器向電池組充電(步驟S13)。
用于這個示范性實施例的AES算法使用128位密鑰以加密該消息。對于這個的特別說明，在兩單元上存儲多個密鑰。通過隨機(jī)消息(圖8)的校驗或者通過隨機(jī)消息任意選擇的位的值(圖9)來確定將使用的專用密鑰。該檢查和(checksum)可以是這樣的檢查和，該檢查和與通過將在隨機(jī)消息中的所有位相加或者進(jìn)行或異或運算產(chǎn)生的密鑰索引是否具有相同長度。使用多個密鑰還保證不會繞過認(rèn)證措施。而且，多個密鑰的使用使其繞過認(rèn)證措施的未經(jīng)認(rèn)證人員更困難。
除了圖4中示出的充電器-電池組合裝置以外，在圖5-9中如上所述和說明的相同或類似的方法也可以用于認(rèn)證和識別智能型電池組和智能型工具的組合。在該組合中，不首先認(rèn)證智能型電池組是經(jīng)認(rèn)證的，該智能型工具將不執(zhí)行功能。
權(quán)利要求
1.一種向智能型電池充電的方法，該方法包括使用通過時間相關(guān)異步隨機(jī)事件確定的密鑰素材產(chǎn)生加密隨機(jī)信息串作為初始值，其中該加密隨機(jī)信息串包括加密形式的隨機(jī)信息串；和將該隨機(jī)信息串轉(zhuǎn)移到一裝置中和解密該加密隨機(jī)信息串以恢復(fù)用于認(rèn)證智能型電池對于操作的隨機(jī)信息串，該裝置與智能型電池電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該產(chǎn)生步驟包括在基于A/D噪聲位的密鑰庫中存儲的一個或多個任意密鑰中選擇密鑰素材作為初始值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中該產(chǎn)生步驟包括基于A/D噪聲位計算偽隨機(jī)數(shù)作為初始值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中該選擇密鑰素材步驟包括根據(jù)該偽隨機(jī)數(shù)確定密鑰索引。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中該偽隨機(jī)數(shù)至少是8位。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中該偽隨機(jī)數(shù)至少是64位。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中該偽隨機(jī)數(shù)至少是128位。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中按預(yù)定時間讀取A/D噪聲位之后計算的偽隨機(jī)數(shù)是固定的。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中按不同時間間隔讀取A/D噪聲位之后計算的偽隨機(jī)數(shù)是可變的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移步驟當(dāng)電池與電子設(shè)備的連接時發(fā)生。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括通過使用A/D噪聲位確定的密鑰素材由上述裝置產(chǎn)生第二加密隨機(jī)信息串作為初始值，其中第二加密隨機(jī)信息串包括以加密形式的隨機(jī)信息串；和由一裝置比較第一和第二加密隨機(jī)信息串，以認(rèn)證智能型電池。
12.權(quán)利要求11的方法，其中該電子設(shè)備是充電器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該電子設(shè)備是電動工具。
14.一種智能型電池識別系統(tǒng)包括智能型電池，其中該智能型電池包括基于A/D噪聲位可操作以產(chǎn)生第一加密隨機(jī)信息串作為初始值的智能型電子裝置，其中該加密隨機(jī)信息串包括以加密形式的隨機(jī)信息串；和電子設(shè)備，具有控制器，其可操作基于A/D噪聲位以產(chǎn)生第二加密隨機(jī)信息串作為初始值并接收第一加密隨機(jī)信息串以認(rèn)證智能型電池；用于將智能型電子設(shè)備電連接到該控制器上的通信總線；和控制器可操作通過比較第一和第二加密隨機(jī)信息串以認(rèn)證智能型電池。
全文摘要
一種用于認(rèn)證具有智能型電池和電子設(shè)備的智能型電池的方法和系統(tǒng)。使用基于通過A/D噪聲位產(chǎn)生的密鑰素材，該裝置和該智能型電池產(chǎn)生加密隨機(jī)信息串作為初始值。根據(jù)A/D噪聲位產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)，其被傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備和智能型電池。通過兩個裝置使用該偽隨機(jī)數(shù)作為密鑰索引以選擇單獨密鑰庫中存儲的多個密鑰中的一個。該密鑰或密鑰素材用于執(zhí)行一種加密算法。隨后比較該兩種編密碼數(shù)據(jù)流以認(rèn)證智能型電池。
文檔編號H01M10/44GK101030709SQ200610172990
公開日2007年9月5日 申請日期2006年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月1日
發(fā)明者小安德魯·E·西曼, 丹尼爾·C·布羅托, 丹·T·特林, 秦福根 申請人:布萊克和戴克公司