[논문 리뷰] Vulnerabilities of Electric Vehicle Battery Packs to Cyberattacks

Shashank Sripad, Sekar Kulandaivel외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 01.

Advanced Battery Technologies Research참고 문헌 2인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 전기자동차(EV) 배터리 팩의 사이버공격 영향을 평가하기 위해 물리 기반 시뮬레이션 프레임워크를 개발한다. 재정적 손실과 물리적 손상의 양면에 초점을 맞추며, 손상된 배터리 관리 시스템(BMS)이 과충전 또는 과방전을 유도할 수 있음을 규명하여, 새로운 배터리 수명을 1년 이내로 단축시키고, 복구 불가능한 열화 또는 열적 사고를 유발할 수 있음을 밝혀낸다.

ABSTRACT

Electric Vehicles (EVs), like all modern vehicles, are entirely controlled by electronic devices embedded within networks that are exposed to the threat of cyberattacks. Cyber vulnerabilities are magnified with EVs due to unique risks associated with EV battery packs. Current batteries have well-known issues with specific energy, cost and fire-related safety risks. In this study, we develop a systematic framework to assess the impact of cyberattacks on EVs. While the current focus of automotive cyberattacks is on short-term physical safety, it is crucial to consider long-term cyberattacks that aim to cause financial losses through accrued impact, especially in the context of EVs. Faulty components of battery management systems such as a compromised voltage regulator could lead to cyberattacks that can overdischarge or overcharge the battery. Overdischarge could lead to failures such as internal shorts in the timescale of minutes through cyberattacks that compromise energy-intensive EV subsystems like auxiliary components. Attacks that overcharge the pack could shorten the lifetime of a new battery pack to less than a year. Further, such attacks also pose physical safety risks via the triggering of thermal (fire) events. Attacks on auxiliary components lead to battery drain, which could be up to 20% of the state-of-charge per hour. Lastly, we develop a heuristic for the stealthiness of a cyberattack to augment traditional threat models. The methodology presented here will help in building the foundational principles of electric vehicle cybersecurity: a nascent but critical topic in the coming years.

연구 동기 및 목표

• 사이버공격이 EV 배터리 팩에 미치는 장기적인 재정적 및 물리적 영향을 체계적으로 평가하기 위해.
• 과충전, 과방전 및 보조 구성요소 기반 공격를 가능하게 하는 배터리 관리 시스템(BMS)의 취약점을 규명하기 위해.
• 사이버공격이 배터리 열화를 가속화하고 수명을 단축시키는 방식, 특히 새로운 배터리에서의 영향을 정량화하기 위해.
• EV 사이버보안의 위협 모델링을 향상시키기 위해 공격의 은밀함을 평가할 수 있는 히우리스틱을 개발하기 위해.
• BMS 손상으로 인해 개별 배터리 스트링 또는 세포를 대상으로 하는 새로운 'Rowhammer'-스타일의 공격을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 실험적으로 검증된 열적 결합 다물리스 배터리 모델을 사용하여 실제 세계의 열화 과정을 시뮬레이션한다.
• 차량 동역학 모델과 배터리 모델을 통합하여 공격 워크로드 하에서 일상 주행 및 충전 사이클을 시뮬레이션한다.
• 표준 주행 프로파일(예: 도시 다이내모미터 주행 스케줄) 내에서 보조 구성요소 과부하 및 BMS 전압 조절기 손상 등의 공격 시나리오를 구현한다.
• 레벨-1 충전기 파arameters를 사용하여 CC-CV 충전 프로토콜을 적용하여 실제 주행 조건을 시뮬레이션한다.
• 성능 열화 평가를 위해 정규화된 저항 증가 및 복구 불가능한 용량 손실과 같은 지표를 사용하여 손상을 정량화한다.
• 공격의 은밀함을 평가할 수 있는 히우리스틱을 도입하여, 탐지되지 않은 채로 최대한의 손상을 입힐 수 있는 공격의 효과를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보조 구성요소에 대한 사이버공격이 시간이 지남에 따라 배터리 방전 속도와 열화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 손상된 배터리 관리 시스템이 과충전 또는 과방전을 얼마나 심각하게 유도할 수 있으며, 그로 인한 물리적 및 재정적 결과는 무엇인가?
• RQ3 배터리 팩의 연령이 사이버 유도 열화에 대한 취약성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 주변 온도가 사이버공격로 인한 저항 증가 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 개별 배터리 스트링 또는 세포를 대상으로 하는 'Rowhammer'-스타일의 공격이 국소적 열화를 가속화할 수 있는가?

주요 결과

• 보조 구성요소에 대한 사이버공격은 시간당 최대 20%의 배터리 충전 상태를 소모할 수 있으며, 이는 주행 거리에 심각한 영향을 미친다.
• 손상된 BMS를 통한 과방전 공격는 2시간 이내에 고체-전해질 상호면(SEI)층을 분해시켜 구리 용해와 내부 단락을 유발할 수 있다.
• 과충전 공격는 새로운 배터리 팩의 용량을 1년 이내에 初기 값의 80%로 감소시켜, 최종 수명 상태에 해당하는 수준으로 이르게 할 수 있다.
• 성능 열화의 지표로 사용되는 정규화된 저항 증가는 추운 지역에서 더 높으며, 특히 배터리가 완전 충전 상태일 때 더욱 두드러진다.
• 새로운 배터리 팩은 노후된 팩보다 보조 구성요소 공격에 더 취약하며, 이는 시간이 지남에 따라 SEI 성장이 비선형적이기 때문이다.
• BMS 손상은 특정 세포 집합을 선택적으로 손상시키는 'Rowhammer'-스타일의 공격를 가능하게 하여, 시스템의 불안정성을 증가시키고 국소적 열화를 가속화한다.