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Die Erfindung betrifft ein Kommunikationsverfahren zur Vorbereitung und Durchführung einer Betriebsunterstützung für ein Fahrzeug mit einem elektrischen Fahrantrieb an einer Versorgungsstation. Die Betriebsunterstützung betrifft die Rekuperation eines Energiespeichers, beispielsweise durch Ersetzen oder Aufladen von einer oder mehreren Energiespeicherzellen des Fahrzeugs.
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Eine solche Betriebsunterstützung wird von einer Versorgungsstation geleistet, die beispielsweise an ein öffentliches Versorgungsnetz angeschlossen ist. Für die Vorbereitung und Durchführung der Betriebsunterstützung ist ein Nachrichtenaustausch zwischen der Versorgungstation und dem Fahrzeug notwendig. Bisher wurde vorgesehen, diesen Nachrichtenaustausch über eine kabelgebundene Kommunikationsverbindung erfolgen zu lassen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes, insbesondere ein schnelleres und robusteres Kommunikationsverfahren sowie ein Kommunikationsgerät zur Ausführung des Verfahrens aufzuzeigen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen in den zugehörigen eigenständigen Ansprüchen.
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Bei dem Kommunikationsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wird zusätzlich zu der kabelgebundenen Kommunikationsverbindung eine kabellose Kommunikationsverbindung aufgebaut und der Nachrichtenaustausch wird zeitweise alternativ oder zusätzlich über die kabellose Verbindung durchgeführt.
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Durch die abwechselnde oder gleichzeitige Nutzung der kabellosen und der kabelgebundenen Kommunikationsverbindungen können verschiedene Vorteile erreicht werden. Einerseits lässt sich ein Betriebsunterstützungsvorgang durch den Austausch von vorbereitenden Nachrichten über die kabellose Verbindung bereits einleiten, wenn ein Fahrzeug noch nicht physisch mit einer Versorgungseinrichtung verbunden ist. Hierdurch kann die Gesamtzeit, während der ein Fahrzeug an einer Versorgungseinrichtung verweilen muss, reduziert werden. Andererseits kann die kabellose Kommunikationsverbindung als Backup-Verbindung oder zur redundanten Authentifizierung verwenden. Hierdurch wird die Robustheit, d. h. die Anfälligkeit des Nachrichtenaustausch gegen Störungen, Verbindungsabbrüche oder unautorisierte Zugriffe verringert. Durch Kommunikationsprobleme hervorgerufene Unterbrechungen des Betriebsunterstützungsvorgangs, insbesondere Unterbrechungen eines Ladevorgangs, können weitgehend ausgeschlossen und Versuche zum Missbrauch einer Versorgungseinrichtung können erkannt und unterbunden werden. Es entstehen somit Vorteile für die Nutzer und die Betreiber einer Versorgungseinrichtung.
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Die kabellose Kommunikationsverbindung ist bevorzugt eine Direktverbindung zwischen einer Versorgungseinrichtung und einem Fahrzeug, d. h. zwischen jeweils einem Kommunikationsgerät an der Versorgungseinrichtung und an dem Fahrzeug. Mit anderen Worten kommunizieren die jeweiligen Kommunikationsgeräte in einem gemeinsamen „Home“-Subnetz. Eine Direktverbindung ist bevorzugt eine Verbindung zum Austausch von Nachrichten ohne Weiterleitung (Routing) über zwischengeschaltete Kommunikationsteilnehmer. Bei einer solchen Direktverbindung können sich die Versorgungseinrichtung und das Fahrzeug gegenseitig mit einer erhöhten Sicherheit authentifizieren. Ferner ist bei einer Direktverbindung sichergestellt, dass sich das Fahrzeug in einer vergleichsweise geringen räumlichen Nähe zu einer Versorgungsstation befinden muss, wenn eine Betriebsunterstützung vorbereitet oder durchgeführt wird.
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Das Kommunikationsverfahren wird bevorzugt basierend auf einem Schichtenmodell (Protocol Stack) ausgeführt, das eine Transportschicht aufweist, welche eine Parallelverwaltung von mehreren Kommunikationsverbindungen ermöglicht. Zu diesen Kommunikationsverbindungen gehören zumindest die kabelgebundene Kommunikationsverbindung und die kabellose Kommunikationsverbindung, die als parallele Verbindungen aufgebaut und gehalten werden können. Durch die Parallelverwaltung wird ermöglicht, dass ohne eine Unterbrechung des Nachrichtenaustauschs zwischen den Verbindungen umgeschaltet werden kann.
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Es kann bevorzugt zusätzlich vorgesehen sein, dass in dem Schichtenmodell eine Cross-Layer-Optimierung ausgeführt wird, die eine schichtenübergreifende Steuerung der Nutzung der Kommunikationsverbindungen erlaubt. Durch die Cross-Layer-Optimierung wird beispielsweise erreicht, dass die kabellose Kommunikationsverbindung zielgerichtet für bestimmte besonders vorteilhafte Kommunikationsszenarien eingesetzt werden kann.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1: eine Kommunikationssituation zwischen einem Fahrzeug und einer Versorgungseinrichtung für die Vorbereitung und Durchführung eines Betriebsunterstützungsvorgangs;
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2: ein bevorzugtes Schichtenmodell für das Kommunikationsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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3: ein Übersichtsdiagramm zur Verdeutlichung vorteilhafter Szenarien zur parallelen oder alternativen Nutzung der Kommunikationsverbindungen.
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Eine Betriebsunterstützung gemäß der vorliegenden Offenbarung für ein Fahrzeug (102) mit einem elektrischen Fahrantrieb kann in verschiedener Weise geleistet werden. Sie umfasst bevorzugt das Aufladen eines oder mehrerer Energiespeicherzellen (106) des Fahrzeugs (102). Sie kann alternativ oder zusätzlich das Auswechseln von solchen Energiespeicherzellen (106) betreffen.
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Ein Nachrichtenaustausch gemäß der vorliegenden Offenbarung wird innerhalb einer sogenannten Vehicle-to-Grid (V2G) Kommunikation geführt. Der Begriff „Grid“ bezeichnet hierbei ein Versorgungsnetz, insbesondere ein öffentliches elektrisches Versorgungsnetz.
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In 1 ist ein Fahrzeug (102) dargestellt, das sich in räumlicher Nähe, insbesondere innerhalb der Sende- und Empfangsreichweite, zu einer oder mehreren Versorgungstationen (100, 100a, 100b) befindet. Eine Versorgungseinrichtung (100, 100a, 100b) kann insbesondere ein sogenanntes electric vehicle supply equipment (EVSE) sein. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich hierbei um eine Ladesäule. Eine oder mehrere Versorgungseinrichtungen (100, 100a, 100b) können in einer Service-Anlage angeordnet sein, in die ein Nutzer sein Fahrzeug (102) einfahren kann. Die Service-Anlage kann beispielsweise Teil einer Tankstelle oder eines Rasthofs sein. Sie kann alternativ separat vorliegen.
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Die Versorgungseinrichtung (100, 100a, 100b) weist ein Ladekabel auf, das mit dem Fahrzeug (102) zur Übertragung der Ladeenergie verbunden werden kann. An dem Ladekabel kann zusätzlich eine Kommunikationsleitung angeordnet sein, die beim Anstecken des Ladekabels gleichzeitig zu einem Aufbau der kabelgebundenen Kommunikationsverbindung (Con1) genutzt wird. Alternativ kann eine separate Kommunikationsleitung vorgesehen sein.
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Die kabelgebundene Kommunikationsverbindung kann insbesondere eine sogenannte Power-Line-Communication (PLC) sein bzw. erfolgt der Aufbau der kabelgebundenen Kommunikationsverbindung (Con1) bevorzugt über ein sog. Power-Line-Communication Interface. Unter PLC wird insbesondere eine Kommunikationsverbindung verstanden, die direkt über die Ladekontakte geschlossen wird, d. h. über die den Hauptenergiefluss führenden Kontakte. Alternativ kann die Verbindung oder über separate Steuerleitungen erfolgen, denen ein PLC-Signal aufmoduliert wird.
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Um die Betriebsunterstützung leisten zu können und andere zugehörige Dienste zu ermöglichen, bspw. eine Abrechnung der erbrachten Leistung, müssen mehrere Nachrichten zwischen dem Fahrzeug (102) und der Versorgungseinrichtung (100) ausgetauscht werden.
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3 zeigt beispielhaft eine Übersicht über den Ablauf eines Betriebsunterstützungsvorgangs (flow of operation support process), die dabei auszutauschenden Nachrichteninhalte (message content) und Beispiele für geeignete hand-over Vorgänge zwischen einer kabellosen und einer kabelgebundenen Kommunikationsverbindung. Das Beispiel in 3 bezieht sich auf eine Betriebsunterstützung in Form des Aufladens einer Energiespeicherzelle (106). Das Beispiel kann entsprechend auf andere Formen einer Betriebsunterstützung abgewandelt werden.
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Ein Betriebsunterstützungsvorgang kann in drei Phasen unterteilt werden, nämlich die Vorbereitung (preparation), die eigentliche Erbringung der Unterstützungsleistung (support) und den Abschluss (close, auch termination genannt). In der Vorbereitungsphase werden vorbereitende Nachrichten zur Einrichtung des Ladevorgangs bzw. eines Energiezellentausches, zur Buchung bzw. Zahlung sowie ggf. zur Kompatibilitätsprüfung, Verfügbarkeitsprüfung oder zur Anwendung von Ladeplänen ausgetauscht.
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Alternativ oder zusätzlich können andere Nachrichteninhalte vorgesehen sein.
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Während der Erbringung der Unterstützungsleistung können iterativ Kontrollnachrichten und gegenseitige Bestätigungsinformationen ausgetauscht werden. In der Abschlussphase können Bestätigungen über die insgesamt erbrachte Leistung ausgetauscht und die logischen sowie physikalischen Datenverbindungen kontrolliert geschlossen und/oder abgebaut werden.
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Der in 3 gezeigte Ablauf betrifft in erster Linie ein Beispiel für einen Ladevorgang, insbesondere einen Schnell-Ladevorgang, einer Energiespeicherzelle, die in einem Fahrzeug (102) verbleibt. In einem ersten Schritt (supported app) kann die gegenseitige Unterstützung der Anwendungssoftware von Versorgungstation (100) und Fahrzeug (102) verifiziert werden. Anschließend kann in einem weiteren Schritt (session set up) eine logische session (Sitzung / Kommunikationssitzung) zwischen der Versorgungseinrichtung (100) und dem Fahrzeug (102) aufgebaut werden, innerhalb derer die weiteren Nachrichten ausgetauscht werden.
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In einem weiteren Schritt (service discovery) werden die gegenseitig zur Verfügung gestellten Dienste, wie beispielsweise Ladepläne, Laden über Wechselstrom, Laden über Gleichstrom, Laden bei verschiedenen Spannungen etc. bekannt gegeben. Hierbei können von beiden Seiten Informationen über angebotene und nutzbare Dienste ausgetauscht werden.
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Im nächsten Schritt (service and payment select) werden die zu nutzenden Dienste sowie die Zahlungsmodalitäten zwischen der Versorgungseinrichtung (100) und dem Fahrzeug (102) vereinbart. Im Schritt (payment details) werden konkrete Zahlungs- oder Buchungsinformationen übermittelt. In einem weiteren Schritt (contract Authentication) können ggfs. weitere vertragliche Bestimmungen für die Durchführung einer Betriebsunterstützung festgelegt und evtl. bestehende Verträge zwischen den beteiligten Diensteanbietern und Verwendern überprüft werden. Hierbei wird insbesondere kryptographisch festgestellt, ob und wie ein Nutzer berechtigt ist, eine Betriebsunterstützung (Ladung / Energiespeicherwechsel) durchzuführen bzw. in Anspruch zu nehmen.
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Im Schritt (charge parameter discovery) können schließlich konkrete physische Parameter für die Durchführung des Ladevorgangs, beispielsweise Ladestrom, Ladespannung, Zeitintervalle etc. festgelegt werden.
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Während der Erbringung der Unterstützungsleistung, d. h. insbesondere während der Durchführung des Ladevorgangs werden Nachrichten über eine übertragene Leistung oder Energiemenge (power delivery) einen Ladezustand der Energiespeicherzelle (106) (charging status) sowie Empfangsbestätigungen über jeweilige Messwerte (meter receipt) ausgetauscht. Die Iterationen für den Austausch dieser Nachrichten sind bevorzugt kurz, d. h. mit einer Iterationsdauer im Bereich von Millisekunden oder Sekunden, damit stets sowohl auf der Seite der Versorgungseinrichtung (100) als auch auf der Seite des Fahrzeugs (102), aktuelle Zustandsinformationen vorliegen, d.h. auch im Falle einer Unterbrechung der physischen Verbindung.
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Während der Abschlussphase (close) des Unterstützungsvorgangs werden Nachrichten zum sicheren Beenden des Ladevorgangs (power delivery) sowie zum Abbau der session (session stop) benötigte Informationen übertragen.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Nachrichten zur Vorbereitung (preparation) eines Betriebsunterstützungsvorgangs teilweise oder vollständig über die kabellose Kommunikationsverbindung (Con2) ausgetauscht werden. In einem solchen Fall kann zunächst ein Nachrichtenaustausch über die kabellose Verbindung (Con2) erfolgen und dann ein hand-over zur kabelgebundenen Kommunikationsverbindung (Con1) erfolgen, insbesondere zu einer PLC-Verbindung. Hierdurch wird erreicht, dass die vorbereitenden Nachrichten schon bei der Annäherung eines Fahrzeugs (102) an eine Versorgungsstation (100) ausgetauscht werden können, bspw. beim Einfahren des Fahrzeugs (102) in eine Service-Anlage. Der Austausch der Nachrichten während der Vorbereitungsphase kann eine merkliche Zeitdauer in Anspruch nehmen, weil beispielsweise zusätzliche Authentifizierungsanfragen bei Versorgungsanbietern oder Zahlungsdienstlern ausgeführt werden müssen, bevor eine Freigabe für die Durchführung einer Betriebsunterstützung erfolgt. Ferner können vor der Freigabe durchzuführende kryptographische Rechenoperationen eine erhebliche Zeitdauer in Anspruch nehmen. Gerade bei der Durchführung von Schnellladungen oder bei einem Wechsel von Energiespeicherzellen kann die Vorbereitungsphase einen nicht unerheblichen Anteil an der Gesamtdauer des Betriebsunterstützungsvorgangs ausmachen, sodass ein merklicher Zeitanteil eingespart werden kann.
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Während der Durchführung des Ladevorgangs bzw. während der Erbringung der Unterstützungsleistung, ist es im Regelfall erforderlich, dass eine kabelgebundene Kommunikationsverbindung (Con1) zwischen der Versorgungseinrichtung (100) und dem Fahrzeug (102) hergestellt wird, um eine eindeutige Zuordnung und eine zweifelsfreie gegenseitige Authentifizierung und eine Zuordnung eines Stromzählers zu ermöglichen. Die kabelgebundene Kommunikationsverbindung (Con1) muss jedoch nicht während der gesamten Dauer der Erbringungsphase (Support) bestehen.
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Bei der Übertragung des Ladestroms, insbesondere beim Laden mit Wechselstrom, können infolge der hohen übertragenen Leistungen Störungen in der Kommunikationsleitung für die kabelgebundene Verbindung hervorgerufen werden. Ferner kann es bei sehr häufig genutzten Steckverbindungen zu Kontaktierungsproblemen kommen. Daneben sind andere Ursachen möglich, die zu zwischenzeitlichen Störungen oder Abbrüchen der kabelgebundenen Kommunikationsverbindung führen können.
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Im Regelfall muss ein Betriebsunterstützungsvorgang, insbesondere ein Ladevorgang, sofort unterbrochen werden, wenn nicht mehr sichergestellt werden kann, dass Versorgungsstation (100) und Fahrzeug (102) korrekt miteinander verbunden. Die Sicherstellung wird beispielsweise durch gegenseitige Bestätigungsnachrichten erreicht, in denen die Präsenz des Kommunikationspartners sowie ggfs. eine korrekte und fehlerfreie Durchführung des Ladevorgangs mitgeteilt werden. Ein kurzzeitiger Ausfall oder eine Störung der kabelgebundenen Kommunikationsverbindung (Con1) (temporary link-loss) kann somit zu einem ungeplanten Abbruch eines Betriebsunterstützungsvorgangs, insbesondere eines Ladevorgangs führen. Diese Unterbrechung kann wiederum zu Beeinträchtigungen der Systeme, insbesondere zu einer Schädigung einer Energiespeicherzelle (106) beitragen.
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Es wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung vorgeschlagen, dass während eines Betriebsunterstützungsvorgangs bei einem zeitweisen Ausfall oder einer zeitweisen Störung der kabelgebundenen Kommunikationsverbindung (Con1) auf die kabellose Kommunikationsverbindung (Con2) umgeschaltet wird. Ein Umschalten umfasst hier begrifflich auch eine redundante Übertragung aller Nachrichten sowohl über die kabelgebundene als auch über die kabellose Kommunikationsverbindung (Con1, Con2), wobei im Falle einer Störung oder eines Ausfalls (ausschließlich) die über die kabellose Kommunikationsverbindung (Con2) empfangenen Nachrichten berücksichtigt werden.
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Für den Fall, dass eine dauerhafte Unterbrechung der kabelgebundenen Kommunikationsverbindung (Con1) auftritt, kann die Sitzung (session) über die kabellose Kommunikationsverbindung (Con2) in kontrollierter Weise beendet werden. Hierbei können insbesondere abschließende Abrechnungs- und Buchungsdaten ausgetaucht werden und gegenseitig ein Ende des Betriebsunterstützungsvorgangs bestätigt werden.
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Neben den vorgenannten Szenarien können beliebige weitere Kommunikationssituationen auftreten, in denen eine alternative oder parallele Nutzung der kabelgebundenen und der kabellosen Kommunikationsverbindung (Con1, Con2) vorteilhaft ist. Beispielsweise kann durch eine redundante Authentifizierung der Versorgungseinrichtung (100) gegenüber dem Fahrzeug (102) (und umgekehrt) eine höhere Sicherheit gegen Manipulation erreicht werden. So kann durch die Doppel-Authentifizierung über zwei parallele Kommunikationsverbindungen (Con1, Con2) mit höherer Sicherheit kontrolliert werden, dass (während der gesamten Unterstützungsphase) die physikalischen Ladekontakte der Versorgungseinrichtung tatsächlich mit dem zu ladenden Fahrzeug (102) verbunden sind, in Bezug auf das eine Abrechnung erfolgen soll.
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Die Versorgungstation (100) und das Fahrzeug (102) verfügen bevorzugt jeweils über ein Kommunikationsgerät (104). Das Kommunikationsgerät an der Versorgungsstation (100) wird beispielsweise als „supply equipment communication controller“ (SECC) bezeichnet. Ein Kommunikationsgerät am Fahrzeug (102) wird beispielsweise als „electronic vehicle communication controller“ (EVCC) bezeichnet. Zwischen diesen Kommunikationsgeräten wird ein sogenanntes „vehicle-to-grid communication interface“ (V2GCI) verwendet.
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In 2 ist der Aufbau für ein solches V2GCI beispielhaft dargestellt. Es umfasst ein Schichtenmodell (110) mit folgenden Schichten (in der Reihenfolge von unten nach oben): einer data link Schicht, die eine physische Schicht umfassen kann (data link and PHY layer); eine Netzwerkschicht (network layer); eine Transportschicht (transport layer); eine Sitzungsschicht (session layer); eine Präsentationsschicht (presentation layer); und eine Anwendungsschicht (application layer).
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Bei dem Kommunikationsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung wird bevorzugt auf der Transportschicht (transport layer) ein stream control transport protocol (SCTP) ausgeführt. Dieses Protokoll ermöglicht die Parallelverwaltung von mehreren Verbindungen auf den darunter liegenden Schichten. In 2 sind beispielhaft eine kabelgebundene Verbindung und eine kabellose Verbindung dargestellt. Die kabelgebundene Verbindung erfolgt über ein power line communication (PLC) interface und eine Adressierung sowie optionales Routing für Mehrwertdienste nach IPv6-Standard und die kabellose Kommunikationsverbindung erfolgt über ein Wireless communication (wireless) interface, beispielsweise per Wi-Fi, und ebenfalls mit einer Adressierung nach IPv6. Alternativ können andere Formen von physikalischen Verbindungen und Adressierungen gewählt werden.
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Die auf der Sitzungsschicht und der Präsentationsschicht ausgeführten Protokolle können beliebig gewählt werden.
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Um eine möglichst effektive Nutzung der parallelen Kommunikationsverbindungen (Con1, Con2) zu ermöglichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass ein schichtenübergreifender Steuerzugriff zwischen der Anwendungsschicht und der Transportschicht erfolgt. Durch einen solchen Steuerzugriff wird die sonst übliche strenge Schichtentrennung für eine Cross-Layer Optimierung durchbrochen. Das Schichtenmodell wird durch die schichtenübergreifenden Zugriffe erweitert, um bestimmte Kommandos zwischen den nicht benachbarten Schichten auszutauschen. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass durch die Anwendungsschicht ein steuernder Zugriff auf die Parallelverwaltung innerhalb der Transportschicht ausgeführt wird, insbesondere dass durch die Anwendungsschicht eine primäre Verbindung und eine sekundäre Verbindung ausgewählt werden. Die primäre Verbindung kann beispielsweise für den Austausch der vorbereitenden Nachrichten die kabellose Kommunikationsverbindung (Con2) sein. Sobald eine kabelgebundene Verbindung (Con1) zwischen der Versorgungsstation (100) und dem Fahrzeug (102) hergestellt worden ist kann diese ggf. zur primären Verbindung gesetzt werden. Das stream control transport protocol (SCTP) kann bevorzugt vorsehen, dass bei Vorliegen redundanter Nachrichten jeweils die Nachrichten von der primären Verbindung berücksichtigt werden, wobei beim Ausfall einer der Verbindungen sofort auf die (parallel gehaltene) sekundäre Verbindung umgeschaltet wird.
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Abwandlungen der Erfindung sind in verschiedener Weise möglich. Insbesondere können die zu den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebenen oder gezeigten Merkmale in beliebiger Weise miteinander kombiniert, gegeneinander ersetzt, ergänzt oder weggelassen werden.
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Eine Service-Anlage kann über mehrere Versorgungsstationen (
100,
100a,
100b) und ein gemeinsam genutztes Kommunikationsgerät (
104) verfügen, welches kabellose Kommunikationsverbindungen (Con2) von und zu mehreren Fahrzeugen (
102) zentral verwalten kann. BEZUGSZEICHENLISTE
| 100 | Versorgungseinrichtung (Electric vehicle supply equiment – EVSE) (stationär) | Supply equipment (station) |
| 100a | Versorgungseinrichtung (stationär) | Supply equipment (station) |
| 100b | Versorgungseinrichtung (stationär) | Supply equipment (station) |
| 102 | Fahrzeug | Vehicle |
| 104 | Kommunikationsgerät | Communication device |
| 106 | Energiespeicherzelle | Energystorage cell |
| 110 | Schichtenmodell | Layer model |
| Con1 | Kabelgebundene Kommunikationsverbindung | tethered (nonwireless) communication connection |
| Con2 | Kabellose Kommunikationsverbindung | wireless communication connection |
| PLC | Kommunikation auf der Leitung zur Übertragung der Ladeleistung (Schnittstelle) | Power-Line-Communication (Interface) |
