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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.
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Stand der Technik
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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.
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US2020276909A1 ,
US10800281B2 und
US2020346554A1 beschreiben weitere Kommunikationssysteme und Verfahren zur Wasserstoffbetankung und Aufladung von Elektrofahrzeugen.
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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.
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US2018213376A1 sowie
US9355561B2 offenbaren Verfahren zur sogenannten V2X - Kommunikation.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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, Minimal- und Maximaldruck zu keiner Zeit über- bzw. unterschritten werden.
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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.
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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.
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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.
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Zu Beginn des Betankungsvorgangs müssen die auf diese Weise einander zugeordneten Teilnehmer zudem die für die Betankung relevanten Parameter austauschen, beispielsweise die Anzahl an Tankbehältern des Fahrzeuges sowie deren Füllstand, Tankinnentemperatur und maximal erlaubten Betankungsdruck sowie den seitens der Tanksäule größtmöglichen Mengenstrom oder die Gastemperatur. Dabei können beide Partner Vorschläge zum Betankungsvorgang - etwa der maximalen Betankungsdauer und - geschwindigkeit - unterbreiten und unabhängig voneinander Messungen zum Beispiel der Umgebungstemperatur vornehmen.
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Bevor diese Werte dazu verwendet werden können, den Betankungsvorgang zu planen, ist es erforderlich, die beiderseits kommunizierten Werte zu einem gemeinsamen Satz an Eingangsparametern abzugleichen und zu verarbeiten. Angesichts der funktionalen Sicherheitsanforderungen an den Betankungsvorgang selbst sind ebensolche Anforderungen auch an dessen Planung und insbesondere die beschriebene Konsolidierung der Parameter zu stellen.
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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 sowie dem für den Abgleich der Betankungsparameter zuständigen Teilnehmer. 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.
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Ein Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung besteht hierbei darin, mithilfe einer mathematischen Ordnungsfunktion und einem optionalen Modell entweder über alle Parameter einzeln oder im Verbund funktional sicher zu entscheiden, welcher der Parameterwerte verwendet werden soll, um den Betankungsvorgang zu planen bzw. zu regeln.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet den notwendigen Abgleich von Parametern beider Betankungspartner oder über mehrere Tankbehälter eines Fahrzeugs hinweg. Hierzu nutzt es in großer Vielfalt am Markt verfügbare und in Tankstellen bzw. - insbesondere teilautomatisierten - Fahrzeugen in der Regel bereits vorgesehene Funktechnologie, welche somit im Rahmen des Verfahrens ohne nennenswerten konstruktiven Mehraufwand wiederverwendet werden kann, ohne den Betankungsvorgang durch unnötig konservative Parametervorgabe für alle Fahrzeug-bzw. Tanksäulen-Klassen verlangsamen zu müssen. Dies ermöglicht mehr Betankungen pro Tankplatz bei verkürzter Wartezeit seitens der Fahrer, erhöht somit die Auslastung von Anlagen und Personal und gestattet letztlich eine schnelle und kostengünstige Betankung.
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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.
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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.
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Figurenliste
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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.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nunmehr in Kenntnis des zu erbringenden Betankungsdienstes handeln Tanksäule und Fahrzeug ein einschlägiges Datenübertragungsprotokoll für die Nutzdaten des Betankungsvorganges aus und bestimmen das - ggf. standardisierte - thermodynamische Betankungsprotokoll (20) und dessen Parameter (21). Für die Zwecke der folgenden Ausführungen sei angenommen, dass der Tanksäule die Leitung des Verfahrens (10) und damit die letztendliche Entscheidung über die Zusammenführung der Parameter obliegt.
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Ziel dieser Festlegung (21) ist es, dass gleichartige Parameter (meist für den Ablauf des Betankungsvorgangs relevante physikalische Größen) mit unterschiedlichen Werten von Fahrzeug oder Tanksäule zu einem Wert zusammengeführt werden. Das Ergebnis dessen wird dann mit andersartigen, ebenfalls zusammengeführten oder nur von einem der Partner erhobenen Parameterwerten für die Planung (22) des Betankungsvorgangs bzw. zu dessen Durchführung verwendet.
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In Betracht kommen zunächst direkte Eingangswerte für den Planungsvorgang (22) wie Umgebungstemperatur, maximal zulässiger Fülldruck, Treibstoff-Mengenstrom und -Druck oder dessen Änderungsrate innerhalb der vom jeweiligen Teilnehmer vorgegebenen Grenzen, maximal zulässige Betankungsdauer oder -menge sowie mindestens benötigter Mengenstrom. Zu denken ist ferner an daraus abgeleitete Werte wie einen Index oder Werte eines fest vorgegebenen Tabelleneintrags, zum Beispiel eines standardisierten Betankungsprotokolls, welche aufgrund direkter Eingangswerte von jedem Partner zum Teil unabhängig voneinander ausgewählt werden, sowie die Auswahl eines vordefinierten Rückfallplans, gemäß dem weiter funktionssicher betankt werden kann, falls die Kommunikation ausfällt. Während des Befüllens zu berücksichtigende Parameter umfassen etwa die Temperaturen der Umgebung und des im Tankschlauch befindlichen Treibstoffes sowie dessen Mengenstrom, Druck und Druckänderungsrate.
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Eine solche Festlegung (21) kann auch zweckmäßig sein, um einen Parameter aus einer Vielzahl gleichartiger Parameter verschiedener Tankbehälter eines Tanksystems des Fahrzeuges zusammenzuführen, etwa deren jeweils maximal zulässigen Betankungsdruck, Temperatur, Betankungsmenge oder aktuellen Füllstand.
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Im Einzelnen gestaltet sich die Festlegung (21) wie folgt:
- Zunächst werden alle Parameter empfangen und nach gleicher Art gruppiert, zum Beispiel jene der Umgebungstemperatur beider Seiten oder alle Maximaldruckwerte der empfangenen Auswahl an Tankbehältern einer Seite.
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Für jede Parameterart erfolgt sodann die Festlegung auf einen zusammengeführten Wert entsprechend einem vorgegebenen Verfahren über die Parametergruppe - etwa durch die Auswahl eines Wertes aus der Menge empfangener Werte, beispielsweise deren Median, Minimum oder Maximum - oder einer skalaren Funktion der empfangenen Werte. In Betracht kommt etwa deren geometrischer oder arithmetischer Mittelwert.
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Besonders zweckmäßig ist es, den „konservativsten“ Parameterwert, das heißt denjenigen mit dem geringsten Gefährdungspotential für die Funktionssicherheit zu wählen, beispielsweise das Minimum aus der Menge der übermittelten maximal zulässigen Gasdrücke der jeweiligen Tankbehälter.
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Jedes so ermittelte Ergebnis wird mit etwaigen Minimal- oder Maximalwerten (Toleranzwerten) abgeglichen, die unabhängig von den beteiligten Instanzen zum Beispiel durch Vorgaben eines Standards vorgegeben sind.
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Wenn der Abgleich für alle oder zumindest die besonders sicherheitskritischen zusammengeführten Parameter erfolgreich verläuft, das heißt die Parameterwerte innerhalb der Toleranzgrenzen liegen, so wird das Ergebnis zur Planung (22) des Tankvorgangs verwendet.
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Anstatt die für einen Parameter empfangenen Einzelwerte in einem einzigen Schritt vollständig zu einem Ergebnis zusammenzuführen, können auch für eine (unechte) Untermenge mehrerer Werte (im Folgenden: „Wertesatz“) die folgenden Schritte wiederholt zur Anwendung kommen:
- a) Bilden des Wertesatzes als Kombination der Parameter verschiedener Partner. Besonders zweckmäßig ist die Auswahl eines Wertesatzes gemeinsamen Ursprungs (Partner oder Tankbehälter); ebenso zweckmäßig ist es, alle möglichen Kombinationen von Parametern und deren Ursprung nacheinander als Wertesatz zu verwenden.
- b) optionale Berechnung von Zwischenergebnissen eines mathematischen Modells, welches den betrachteten Wertesatz als Eingabe verwendet, zum Beispiel eines (eventuell reduzierten) thermodynamischen Modells des aktuellen (oder eines allgemeineren) Betankungssystems. Entfällt dieser Schritt, so bildet der Wertesatz selbst das Zwischenergebnis.
- c) Berechnung einer mathematischen Ordnungsfunktion auf Grundlage der Zwischenergebnisse.
- d) Speichern des Ergebnisses der Ordnungsfunktion und Wiederholung der obigen Schritte für weitere durch Kombination gewonnene Wertesätze.
- e) Auswahl des Ergebnisses der Ordnungsfunktion und des zugehörigen Wertesatzes nach einem vorgegebenen Kriterium. Zweckmäßig sind Kriterien wie zum Beispiel Maximum, Minimum oder Median; besonders zweckmäßig ist ein im Sinne der Funktionssicherheit „konservatives“ Kriterium.
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Sofern der so ausgewählte Testparametersatz die Prüfung auf Einhaltung der vorgegebenen Grenzwerte besteht, werden die Parameter auf dieses Ergebnis festgelegt (21) und zur weiteren Planung (22) des Betankungsvorgangs herangezogen.
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Selbstverständlich ist auch eine Kombination beider möglicher Methoden zur Zusammenführung der Einzelwerte möglich, indem eine disjunkte Auswahl an Parameterarten für die jeweilige Möglichkeit gebildet wird.
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Schließlich informieren die Teilnehmer einander mittels der eingerichteten Verbindung über den gefassten Plan (22). Während die eigentliche Betankung nach diesem Plan (22) geregelt wird, können die oben beschriebenen Maßnahmen auch zum wiederholten Abgleich von übertragenen Parametern verwendet werden.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013139897 A1 [0002]
- US 2020276909 A1 [0003]
- US 10800281 B2 [0003]
- US 2020346554 A1 [0003]
- US 20130091042 A1 [0004]
- US 2018213376 A1 [0005]
- US 9355561 B2 [0005]
