DE102021203533A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vorbereiten einer Betankung - Google Patents

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Abstract

Verfahren (10) zur Vorbereitung einer Betankung eines Fahrzeuges an einer Tanksäule,gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- ein Anfahrtsweg des Fahrzeuges zur Tanksäule wird nachverfolgt und- anhand des Anfahrtsweges wird eine Zuordnung (16) des Fahrzeuges zur Tanksäule vorgenommen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung einer Betankung. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
  • Stand der Technik
  • US2013139897A1 stellt ein System und ein Verfahren zum sicheren Befüllen von Wasserstoff unter Verwendung von Echtzeit-Wasserstofftank-Ausdehnungsdaten bereit. Das System umfasst eine Ausdehnungs-Messeinheit, eine fahrzeugseitige Steuereinheit, eine tankstellenseitige Steuereinheit und eine drahtlose Kommunikationseinheit. Die Ausdehnungs-Messeinheit ist auf einem Wasserstofftank des Fahrzeugs angeordnet und misst den Grad der Ausdehnung des Wasserstofftanks und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. Die fahrzeugseitige Steuereinheit wandelt das Ausgangssignal in ein drahtloses Ausgangssignal um. Die tankstellenseitige Steuereinheit stoppt das Wasserstoffnachfüllen durch eine Wasserstoff-Füllvorrichtung, wenn das drahtlose Ausgangssignal einen unsicheren Grad der Tankausdehnung anzeigt. Die drahtlose Kommunikationseinheit ist vorgesehen, um eine drahtlose Datenkommunikation zwischen der fahrzeugseitigen Steuereinheit und der tankstellenseitigen Steuereinheit durchzuführen.
  • US2020276909A1 , US10800281B2 und US2020346554A1 beschreiben weitere Kommunikationssysteme und Verfahren zur Wasserstoffbetankung und Aufladung von Elektrofahrzeugen.
  • Die in US20130091042A1 vorgeschlagene Methode und das darauf beruhende Sicherheitssystem bieten eine auf dem geografischen Standort basierende Sicherheit mit unterschiedlichen Zugriffsebenen und ermöglichen es dem Benutzer, zu schützende Einheiten auszuwählen, geografische Standorte, geografische Grenzen, Berechtigungen und Zugriffsebenen für bestimmte geografische Standorte und geografische Grenzen sowie Sicherheitswarnungen zu konfigurieren. Sie treffen anhand des aktuellen geografischen Standortes des Benutzers und dessen eigener Konfiguration für diesen geografischen Standort oder dessen Grenze die Entscheidung, Berechtigungen zu erteilen, zu verweigern oder eine bestimmte Zugriffsebene zuzuweisen, und senden Sicherheitswarnungen aus.
  • US2018213376A1 offenbart ein Verfahren zur Konfiguration sogenannter V2X - Kommunikation.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Vorbereitung einer Betankung, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
  • Der erfindungsgemäße Ansatz fußt auf der Erkenntnis, dass das beschleunigte Tanken zum Beispiel von Wasserstoffgas die Thermodynamik des Betankungsvorgangs berücksichtigen und damit den Vorgang geschlossen regeln sollte. Dabei dürfen aus Gründen der (funktionalen und allgemeinen) Sicherheit die für den Tankbehälter festgelegten Werte für Maximaltemperatur und Maximaldruck zu keiner Zeit überschritten werden.
  • Bekannte Verfahren zur Übertragung von Daten vom Fahrzeug zur Tanksäule weisen in dieser Hinsicht verschiedene Nachteile auf. So wird eine herkömmliche unidirektionale Infrarotverbindung des Fahrzeuges zur Tanksäule durch Kratzer auf der Sende- oder Empfangs-Optik sowie durch Eisbildung um den Tankrüssel oder -stutzen stark beeinträchtigt und ist deshalb in der Praxis von Ausfällen betroffen, was ein beschleunigtes Betanken vereitelt. Eine solche unidirektionale Verbindung sieht zudem keinen Rückkanal von der Tanksäule zum Fahrzeug vor, sodass kein Abruf der unterstützten Tankverfahren und somit keine Einigung auf ein für die vorliegende Kombination von Fahrzeug und Tanksäule optimales Verfahren stattfinden kann.
  • Die vorgeschlagene Methode trägt ferner dem Umstand Rechnung, dass metallische Kontakte, wie sie für eine drahtgebundene Kommunikation unerlässlich sind, im Rahmen einer Wasserstoffbetankung insbesondere in der Nähe der Tankkupplung zu vermeiden sind, weil hier ein etwaiger Funkenschlag das Wasserstoffgas explosiv entzünden könnte. Zum Schutz der Tankstelle vor Explosionen ist die drahtlose (funkbasierte) Kommunikation somit der drahtgebundenen vorzuziehen.
  • Die Anwendung von Funk birgt aufgrund der ungehinderten Ausbreitung der Funkwellen jedoch besondere Herausforderungen, die erfindungsgemäß bewältigt werden. So bedarf es eines auslösenden Ereignisses zur Aktivierung des Gesamtvorgangs. Ferner muss die Funkverbindung so zuverlässig Daten übertragen, dass die funktionale und allgemeine Sicherheit der Betankung garantiert werden kann. Insbesondere sollten Dritte, die sich in Funkreichweite von Fahrzeug oder Tanksäule befinden, den Ablauf weder - etwa durch Störsendung (jamming) oder Überlastungsangriffe (denial of service, DoS) - beeinträchtigen noch manipulieren können. Schließlich ist zu bedenken, dass sämtliche Fahrzeuge und Tanksäulen innerhalb der Funkreichweite, die in der Regel eine gesamte Tankstelle erfasst, gegenseitige Funksignale empfangen. Die im Rahmen einer einzelnen Betankung interagierenden Teilnehmer, also Fahrzeug und Tanksäule, müssen einander deshalb selbstständig finden und identifizieren.
  • Zusammenfassend muss die Funkverbindung folglich vor der Betankung informations- und betriebssicher sein. Das nachfolgend beschriebene Verfahren erreicht dieses Ziel unabhängig von der verwendeten Funktechnologie, Tankstellen-Infrastruktur und Hardware. Es ist ebenso unabhängig von der zur Standortbestimmung eingesetzten Technologie und kann für die Betankung beliebiger (gasförmiger oder flüssiger) Kraftstoffe sowie das Laden von Elektrofahrzeugen verwendet werden.
  • Ein Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung besteht hierbei darin, dass die Anfahrt des Fahrzeugs in die Tankstelle sensorisch nachverfolgt und eine Trajektorie gebildet wird, mit der dann Fahrzeug und Tanksäule sich gegenseitig finden und autorisieren können. Diese Erfassung kann durch das Fahrzeug, die Tanksäule oder anderweitig von der Tankstelle aus erfolgen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit einer ortsabhängigen Autorisierung des Gegenübers kombiniert werden. Auf diese Weise lassen sich die IT-Sicherheit und die funktionale Sicherheit kostengünstig erhöhen, da z. B. Lidar-, Radar- oder Ultraschallsysteme zur Umfeld-Erfassung in großer Vielfalt am Markt verfügbar und in Tankstellen bzw. - insbesondere teilautomatisierten - Fahrzeugen in der Regel bereits vorgesehen sind, sodass sie im Rahmen des Verfahrens ohne nennenswerten konstruktiven Mehraufwand wiederverwendet werden können.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann vorgesehen sein, dass ein Fahrzeug die es versorgende Tankstelle oder Ladesäule finden und eindeutig sowie betriebs- und informationssicher identifizieren kann und umgekehrt. Die sich aus einer Mehrzahl anwesender Fahrzeuge und Tanksäulen ergebende Mehrdeutigkeit kann auf diesem Wege aufgelöst und erhöhte Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllt werden.
  • Gemäß weiteren Aspekten kann vorgesehen sein, dass Fahrzeug und Tanksäule sich gegenseitig authentifizieren und für den Betankungsvorgang autorisieren. Dies wiederum ermöglicht automatisierte Betankungsvorgänge und Abrechnungen. Auf diese Weise kann ferner sichergestellt werden, dass Fahrzeug und Tanksäule zueinander kompatibel sind, weil sie beiderseits gestellte und durch die Kommunikation nachgewiesene Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllen.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
    • 1 die Vorbereitung und Initialisierungsphase einer Betankung gemäß einer ersten Ausführungsform.
    • 2 schematisch ein Steuergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Exemplarisch wird ein Betankungsszenario an einer Tankstelle betrachtet, an der beispielsweise ein Brennstoffzellenfahrzeug mit gasförmigem Wasserstoff betankt werden soll. Das Verfahren ist jedoch auf alle Arten von Kraftstoffen (gasförmig, flüssig, kryogen etc.) sowie auf das Laden von Elektrofahrzeugen anwendbar. Außerdem ist es unerheblich, ob die Betankung manuell oder automatisch erfolgt bzw. abgerechnet wird oder ein konventionelles, (teil-)automatisiertes oder autonomes Fahrzeug betrifft. In Betracht kommt ferner, dass ein herkömmliches, teilautomatisiertes oder autonomes Betankungsfahrzeug zum zu betankenden Fahrzeug fährt und dieses betankt. Schließlich kann das Verfahren mit beliebigen anderen Verfahren der IT-Sicherheit oder der funktionalen Sicherheit kombiniert werden.
  • Erfindungsgemäß werden vor, während oder nach dem Betankungsvorgang über eine Funktechnologie Ausprägungen von Sicherheitsmerkmalen übertragen, beispielsweise die Werte für Druck und Temperatur im Tankbehälter. Denkbar ist, dass zumindest ein Teil dieser Datenübertragung erhöhte Anforderungen an IT-Sicherheit und funktionale Sicherheit erfüllen muss.
  • 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren (10) zur Vorbereitung einer solchen Betankung. In dieser Phase wird beiderseits - an der Tankstelle und am Fahrzeug - durch übereinstimmende oder unterschiedliche Ereignisse (11, 12) der Kommunikationsbeginn ausgelöst. Seitens der Tanksäule kommen beispielsweise die Entnahme (11) der Zapfpistole aus ihrer Halterung, das Überfahren eines Kontakts durch das Fahrzeug oder die Auslösung einer Lichtschranke, seitens des Fahrzeuges indes etwa eine Befehlseingabe oder das Öffnen (12) des Tankdeckels in Betracht.
  • Auf dieses auslösende Ereignis (11, 12) hin führen Tanksäule und Fahrzeug - letzteres vorzugsweise nach Aktivierung einer Wegfahrsperre (13) - unabhängig voneinander eine Leckage-Prüfung (14) des eigenen Systems durch. Bei bestandener Prüfung (14) wird das Verfahren (10) durch Freigabe (15) eines Tankventiles für die Betankung fortgesetzt. Anschließend koppeln (16) sich beide Systeme miteinander, um eine informationssichere (17) und betriebssichere (18) Verbindung aufzubauen.
  • Über die solchermaßen eingerichtete Verbindung tauschen sich die Teilnehmer über die jeweils angebotenen Dienste (19) aus und treffen eine geeignete Auswahl. Diese Auskunft kann die Abfrage einer Datenbank umfassen, welche lokal durch einen der Partner oder über eine Internetverbindung per Mobilfunk, Ethernet o. ä. durch einen entfernten Server verwaltet wird.
  • Nunmehr in Kenntnis des zu erbringenden Betankungsdienstes handeln Tanksäule und Fahrzeug ein einschlägiges Datenübertragungsprotokoll für die Nutzdaten des Betankungsvorganges aus (20) und legen fest, welches - ggf. standardisierte - thermodynamische Betankungsprotokoll und -verfahren Anwendung finden. Es folgt ein Austausch der Betankungsparameter (21), in dessen Rahmen zum Beispiel die Tankbehältertypen hinsichtlich ihres Werkstoffes, ihrer Form usw. auf Kompatibilität geprüft werden. Schließlich wird gemäß den Betankungsparametern ein Plan für die Betankung gefasst, über welchen die Teilnehmer einander mittels der eingerichteten Verbindung informieren (22).
  • Die Schritte (11-22) des Verfahrens (10) werden vorzugsweise durch Selbsttests und Plausibilitätsprüfungen auf erfolgreiche Ausführung überprüft. Verläuft die Überprüfung erfolgreich, so wird das Verfahren (10) mit dem jeweils nächsten Schritt fortgesetzt; andernfalls werden die Beteiligten - der Fahrer zum Beispiel durch eine Anzeige im Fahrzeug bzw. an der Tanksäule, das Tankstellenpersonal durch eine Monitoranzeige in der Tankstellenüberwachung - über den Fehler informiert, um diesen beheben zu können.
  • Im Zuge dieses Verfahrens (10) können die vorgeschlagenen Maßnahmen in verschiedenen Schritten zur Identifikation verwendet werden.
  • Dazu wird bei der Einfahrt des Fahrzeugs in die Tankstelle bis zu dessen Halt an einer Tanksäule eine Trajektorie des zurückgelegten Weges gebildet, z. B. mittels eines globalen Navigationssatellitensystems wie GPS, GLONASS, Galileo oder Beidou, lokaler Navigationssysteme etwa auf der Grundlage von Ultrabreitband-Technologie, Umfeld-Erfassungssystemen wie Radar, Lidar, Sonar, Sodar oder Kameras oder durch eine Sensordatenfusion der aus verschiedenen derartigen Quellen gewonnenen Messdaten.
  • Diese Trajektorie kann vom Fahrzeug selbst, der Tanksäule oder anderweitigen Messeinrichtungen nachverfolgt werden. Als „Trajektorie“ sind in diesem Zusammenhang nicht nur unmittelbare Beschreibungen der Bewegungsbahn des Fahrzeugs z. B. durch geografische Koordinaten zu verstehen. Vielmehr erfasst der Begriff in seinem hier gebrauchten weiteren Sinne auch eine Bildfolge, die aus der Bewegung des Fahrzeugs folgt. Eine solche Sequenz mag vom Fahrzeug selbst oder aus einer festen Perspektive auf dem Tankstellengelände aufgezeichnet werden.
  • Die auf diese Weise ermittelte Trajektorie wird z. B. mit vorab aufgenommenen und abgespeicherten Referenztrajektorien verglichen. Die zur ähnlichsten Referenztrajektorie gehörige Tanksäule wird dem Fahrzeug zugeordnet (16).
  • Im Einzelnen können etwa folgende Schritte vorgesehen sein:
    1. 1. Ein auslösendes Ereignis wird detektiert, z. B. die Einfahrt eines Fahrzeuges in die Tankstelle.
    2. 2. Das Fahrzeug sendet bei seiner Einfahrt eine Identifikationsnummer (ID). Alternativ kann diese dem einfahrenden Fahrzeug durch die Tankstelle zugewiesen werden.
    3. 3. Der Anfahrtsweg des Fahrzeuges zur Tankstelle wird wie oben beschrieben nachverfolgt.
    4. 4. Die Erfassung wird auf ein bestimmtes Ereignis hin beendet, z. B. beim Stillstand des Fahrzeuges vor einer Tanksäule.
    5. 5. Wahlweise werden die Sensordaten aus verschiedenen Quellen zusammengeführt oder zwischen mehreren Teilnehmern ausgetauscht.
    6. 6. Die Fahrzeug-ID wird per Vergleich der Tanksäule bzw. deren ID zugeordnet. Wird die Trajektorie durch eine Bild- oder Videosequenz beschrieben, so kann hierzu eine komplexere Analyse erkannter Objekte und deren Abgleich mit der bekannten Szenerie jeder Tanksäule erforderlich sein. Unabhängig von der Darstellung der Trajektorie können als Vergleichsgegenstand die oben beschriebenen Referenztrajektorien z. B. aus einer Tabelle oder Datenbank der Tankstelle herangezogen werden. Alternativ werden die von Fahrzeugen einerseits und Tanksäulen andererseits erfassten Trajektorien paarweise miteinander verglichen, woraufhin diejenigen Partner, deren Trajektorien am stärksten übereinstimmen, einander zugeordnet werden (16). Vorzugsweise erfolgt zu diesem Zweck eine Nachverfolgung durch sämtliche Tanksäulen.
  • Sowohl die Auswertung der Sensordaten als auch der Vergleich der auf diese Weise gebildeten Trajektorien müssen hierbei nicht zwingend lokal durch denjenigen Teilnehmer erfolgen, der sie erfasst hat bzw. den sie betreffen. Vielmehr können die jeweils zu verarbeitenden Daten an eine weitere Instanz übertragen werden. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn der Erfasser nicht genügend Rechenressourcen zur Trajektorienbildung bzw. zum Sensordatenabgleich besitzt. Das Ergebnis wird dann der weiterverarbeitenden Stelle (oder allen) mitgeteilt.
  • Die erfindungsgemäß vorgenommene Zuordnung (16) eröffnet beispielsweise die folgenden Anwendungsfälle:
    • 1) Die miteinander gekoppelten Fahrzeuge und Tanksäulen können Funksignale an das jeweilige Gegenüber eindeutig identifizieren.
    • 2) Ist die ID universell eindeutig, so können - z. B. durch eine weitere Datenbankabfrage - weitere Informationen über Fähigkeiten und andere Merkmale von Fahrzeug bzw. Tanksäule abgerufen werden.
    • 3) Wenn mit der ID ein kryptographisches Merkmal verknüpft ist, z. B. ein öffentlicher Schlüssel eines asymmetrischen Verschlüsselungsverfahrens, so können die Parteien sich anschließend per Funk gegenseitig authentifizieren und zu bestimmten Aktionen autorisieren.
    • 4) Insbesondere kann für den Aufbau einer informationssicheren Funkverbindung (17) ein Sitzungsschlüssel (session key) für ein symmetrisches Kryptosystem vereinbart werden.
    • 5) Zum selben Zweck kann ein Anfangsschlüssel oder ein skalarer Initialisierungswert (seed) oder entsprechender Vektor übertragen werden, aus welchem unter Heranziehung eines weiteren, beiden Seiten bekannten Geheimnisses ein Schlüssel für ein symmetrisches Kryptosystem abgeleitet werden kann.
    • 6) Unter Verwendung eines sogenannten Zero-Knowledge-Protokolls können die Partner sich z. B. durch Abfrage einer weiteren vertrauenswürdigen zentralen Datenbank gegenseitig beweisen, dass sie bestimmte für den Betankungsvorgang notwendige Kenntnisse besitzen, ohne letztere selbst preiszugeben.
    • 7) Die Identifikation oder weitere Statusinformation über den Ablauf können auf einem Display im Fahrzeug oder auf einer Anzeige an der Tanksäule angezeigt werden.
  • Dieses Verfahren (10) kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät (30) implementiert sein, wie die schematische Darstellung der 2 verdeutlicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2013139897 A1 [0002]
    • US 2020276909 A1 [0003]
    • US 10800281 B2 [0003]
    • US 2020346554 A1 [0003]
    • US 20130091042 A1 [0004]
    • US 2018213376 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Verfahren (10) zur Vorbereitung einer Betankung eines Fahrzeuges an einer Tanksäule, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - ein Anfahrtsweg des Fahrzeuges zur Tanksäule wird nachverfolgt und - anhand des Anfahrtsweges wird eine Zuordnung (16) des Fahrzeuges zur Tanksäule vorgenommen.
  2. Verfahren (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - der Anfahrtsweg wird durch das Fahrzeug nachverfolgt, - der Anfahrtsweg wird durch die Tanksäule nachverfolgt oder - der Anfahrtsweg wird durch eine stationäre Messeinrichtung abseits der Tanksäule nachverfolgt.
  3. Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale: - der Anfahrtsweg wird mittels Satellitennavigation nachverfolgt, - der Anfahrtsweg wird mittels Nahbereichsfunkkommunikation nachverfolgt, - der Anfahrtsweg wird mittels eines bildgebenden Verfahrens nachverfolgt oder - der Anfahrtsweg wird mittels Sensordatenfusion nachverfolgt.
  4. Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eines der folgenden Merkmale: - die Zuordnung (16) wird anhand eines Vergleiches des Anfahrtsweges mit bekannten Anfahrtswegen vorgenommen oder - die Zuordnung (16) wird anhand eines Vergleiches des durch das Fahrzeug nachverfolgten Anfahrtsweges mit dem durch die Tanksäule nachverfolgten Anfahrtsweg vorgenommen.
  5. Verfahren (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - auf ein die Vorbereitung auslösendes Ereignis (11, 12) hin, insbesondere wenn eine Zapfpistole entnommen (11) oder eine Tankklappe geöffnet (12) wird, werden das Fahrzeug und die Tanksäule, vorzugsweise nach Aktivieren einer Wegfahrsperre (13), einer Leckage-Prüfung (14) unterzogen und - bestehen das Fahrzeug und die Tanksäule die Prüfung (14), so wird das Verfahren (10) fortgesetzt, vorzugsweise indem ein Tankventil für die Betankung freigegeben wird (15).
  6. Verfahren (10) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - nach der Zuordnung (16) bauen das Fahrzeug und die Tanksäule eine informationssichere (17) und betriebssichere (18) Funkverbindung auf und - das Fahrzeug und die Tanksäule handeln, vorzugsweise mittels einer Datenbank, über die Funkverbindung einen zu erbringenden Betankungsdienst (19), ein zu befolgendes Betankungsprotokoll (20) und zu berücksichtigende Betankungsparameter (21) aus.
  7. Verfahren (10) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - gemäß den Betankungsparametern wird ein Plan (22) für die Betankung gefasst und - mittels der Funkverbindung informieren das Fahrzeug und die Tanksäule einander über den Plan (22).
  8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
  9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
  10. Vorrichtung (30), die eingerichtet ist, das Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
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