WO2011124298A2 - Vorrichtung und verfahren zum kontrollierten energieaustausch zwischen einem stromnetz und einem verbraucher - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum kontrollierten energieaustausch zwischen einem stromnetz und einem verbraucher Download PDF

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WO2011124298A2
WO2011124298A2 PCT/EP2011/000841 EP2011000841W WO2011124298A2 WO 2011124298 A2 WO2011124298 A2 WO 2011124298A2 EP 2011000841 W EP2011000841 W EP 2011000841W WO 2011124298 A2 WO2011124298 A2 WO 2011124298A2
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Thomas Frey
Markus A. Stulle
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Ifs Informationstechnik Gmbh
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    • Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
    • Y02T90/14—Plug-in electric vehicles

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the controlled exchange of energy between a
  • Enable energy exchange between a power generator and an energy consumer This applies in particular to devices for charging rechargeable batteries.
  • WO 2000/019580 discloses a protection system for a solar module for protecting the solar module against theft or against unauthorized use.
  • the solar module can as
  • the protection system of the solar module comprises a solar module-side interruption device and a consumer-side release device. To protect against unauthorized use of the solar module sends the
  • Power line receives.
  • Release device may include a smart card reader. In this way, one of the recorded amount of energy corresponding amount of money can be debited immediately from the smart card of a user.
  • Charging station various parameters can be set to charge the vehicle battery with a certain amount of energy in a given time. To this
  • Parameters include in particular the charging voltage and the charging current. It is generally known to control these parameters via a vehicle-mounted control unit.
  • a vehicle-side radio unit is known from US Pat. No. 5,049,802, which transmits information about the instantaneous state of charge of the vehicle battery to the charging station.
  • the charging of the delivered amount of energy becomes during the charging process of electric vehicles of a
  • a consumption meter is an integrating meter with
  • Parking meter installed outlet can be charged.
  • US 2008/0281663 A1 describes a system for distributing energy quantities between individual consumers. The distribution of energy is carried out with the aim of avoiding extreme load peaks in the power grid. Also
  • Electric vehicles can be included in the system, with the user of the electric vehicle with a mobile device has the opportunity to exchange energy
  • Charging cable should be removed by an unauthorized person and used for another electric vehicle.
  • a charging station for electric vehicles in which the charging process is started with a user identification and in which the charging cable is mechanically locked in the charging station during the charging process.
  • Such a charging station is thus mechanically protected against misuse.
  • the disadvantage of such a charging station in turn is that relatively high costs for the construction of a nationwide network of appropriately designed charging stations must be expended.
  • the object of the invention is therefore to enable a flexible and at the same time safe charging of rechargeable batteries. To solve this problem is a device for
  • Charging station a charging station controller for sending and receiving control signals via a
  • Signal transmission path includes, and with a
  • the consumer installed SIM station for establishing a power connection between the consumer and the said supply point, wherein the SIM station comprises a SIM controller for transmitting and receiving control signals over the signal transmission path.
  • one of the SIM station assigned SIM identifier sends to the charging station controller that the charging station controller on receipt of a SIM identifier between the power grid and the consumer on the
  • Amount of energy is below a predetermined measurement resolution of the energy quantity counter.
  • SIM is one of the
  • SIM stands for any conceivable module that is able to generate a system-wide unique SIM identifier.
  • SIM identifier is Identification Signal or Subscriber Identity Number, abbreviated SIN.
  • SIN Subscriber Identity Number
  • Example a chip card The module can, however, for example, consist of a fingerprint reader.
  • the stationary charging station is any type of transfer point in which electrical energy is transmitted from a power network to a consumer or in which reverse electrical energy is fed by a consumer into the power grid.
  • Charging station can stromnet zmeter be interconnected, for example, with the usual home connection, which is provided by a power company to a homeowner.
  • the consumer is any type of equipment that requires electrical energy or that gives off electrical energy in order to fulfill a human task.
  • the supply point in this context is any standardized interface between the charging station and the consumer.
  • the SIM identifier is in this context any system-wide unique identifier that the consumer or the
  • the SIM identifier can be as in be a fixed-time GSM network. But it is also possible that the SIM identifier changes over time. Decisive for the SIM-identifier is only that other components identify the respective consumer or the relevant SIM station on the basis of the SIM identifier then a corresponding SIM station to other components identified in the system.
  • the SIM identifier can be as in be a fixed-time GSM network. But it is also possible that the SIM identifier changes over time. Decisive for the SIM-identifier is only that other components identify the respective consumer or the relevant SIM station on the basis of the SIM identifier then a corresponding
  • the device according to the invention can preferably be used as a charging device for rechargeable batteries at supply points provided for this purpose.
  • the batteries may be, for example, batteries of electric vehicles or batteries of portable ones
  • the supply point is then, for example, a conventional 220V socket to the consumer side, a charging cable for making the power connection to the battery can be connected.
  • Signal transmission path in the area of the socket to be coupled to the charging cable.
  • the coupling can be on the
  • the PLC-BUS uses the
  • the charging cable can be used both for the bidirectional energy transfer as well as for the bidirectional transmission of control signals.
  • the advantage of the coupling is, inter alia, that a removal of the charging cable from the socket already by monitoring the Signal transmission path can be detected. By monitoring the signal transmission path, the function of the energy connection in the area of the socket can thus also be monitored.
  • the invention allows for electric vehicles
  • the amount of energy supplied is recorded on an energy counter, which depends on the SIM identifier of the
  • Identification and billing can be done in the same way as in GSM networks with the same security
  • the invention also enables a reversal of
  • the operator of the power grid uses the charging capacity of the vehicle battery. This is possible, As each connected vehicle battery is logged in the network and thus controllable. The sum of all registered vehicle batteries in the network can be used as a large energy storage by the network operator to load peaks
  • the stationary charging station comprises corresponding rectifiers or inverters whose
  • corresponding rectifiers or inverters can also be provided in the battery-side installed SIM station for establishing the energy connection between the battery and the supply point. If power is removed from the mains then a power supply with rectifier is required to supply this energy to the battery. If, on the other hand, energy is taken from the battery, then an inverter with a power supply is required to feed this energy into the grid.
  • the object of the invention is solved in a corresponding manner by a method for exchanging energy between a power grid and a consumer, in which a power connection between the power grid and a supply point is established via a stationary charging station, wherein the charging station is a charging station controller for transmitting and receiving Control signals via a
  • Signal transmission path comprises, and in the case of a consumer-installed SIM station a Power connection between the consumer and said supply point is made, the SIM station a SIM controller for sending and receiving
  • Control signals via the signal transmission path comprises.
  • the solution according to the invention is characterized in that the SIM controller sends a SIM identifier assigned to the SIM station to the charging station controller at intervals over the signal transmission path, that the charging station controller receives a between the power network and the SIM when receiving a SIM identifier to the consumer about the
  • Amount of energy is below a predetermined measurement resolution of the energy quantity counter.
  • the two essential components of the invention are the SIM station and the stationary charging station.
  • the SIM station is a component of the controlled device according to the invention.
  • the SIM station is suitable for establishing a power connection between the consumer and a stromnet zseit supply point and a SIM controller for transmitting and receiving control signals over a signal transmission path.
  • Intervals over the signal transmission path one of the SIM Station assigned SIM identifier for driving an energy meter associated with the SIM number meter, and that the time intervals are such that at a time interval between the power network and the consumer via the power connection exchanged or exchanged energy below a predetermined measurement resolution of the energy quantity meter lies.
  • the stationary charging station is a component of the device according to the invention for
  • Controlled energy exchange between a power grid and a consumer wherein the stationary charging station is suitable for establishing a power connection between the power grid and a consumer-side supply point and a charging station controller for transmitting and receiving control signals via a signal transmission path.
  • Signal transmission path received control signals comprise a SIM identifier, which is associated with the consumer and which is included in the control signals at intervals, that the charging station controller upon receipt of a SIM identifier between the power grid and the one
  • the charging station comprises a charging station measuring unit for measuring the amount of energy that exceeds the through the
  • the charging station measuring unit is an integrating
  • the amount of energy measured in the time interval between the receipt of two SIM identifiers can be used by the charging station controller in order, according to the invention, to supply the energy amount delivered in the time interval to the energy counter
  • the SIM station includes a SIM measuring unit for measuring the amount of energy that is exchanged over the power connection through the SIM station.
  • the SIM measuring unit is also a
  • Integrating meter with counter for measuring the electrical work or the amount of energy Integrating meter with counter for measuring the electrical work or the amount of energy.
  • Time interval between sending two SIM identifiers measured amount of energy can be sent as a measured value from the SIM station to the charging station.
  • the dispatch takes place in the context of the from the SIM station to the
  • Battery charging power is transferred from the mains to the battery, then has the charging station controller so on the one hand by a reading from the
  • Charging station measuring unit of the total dispensed Amount of energy corresponds, and on the other hand over one
  • the charging station comprises a controllable main switch, which is connected between the power grid and supply point.
  • Charging station measurement unit exceeds a predetermined deviation compared to the measured values recorded by the SIM measuring unit and transmitted by the SIM controller, then the charging station controller disconnects the power connection between the power supply and the supply point by activating the main switch. Conversely, the additional assurance makes it possible for several authorized consumers, each of whom is assigned a SIM identifier, to be simultaneously at a charging station
  • the charging station detects a deviation in the energy balance and interrupts the power supply for all connected consumers by operating the main switch. Thereupon, the charging station controller repeatedly checks (for example, with low-energy test currents) whether the energy balance is still violated. Only when the energy balance is balanced again, the
  • FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a block diagram of a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a fourth embodiment of the invention.
  • Fig. 7 shows a possible authentication protocol between
  • Fig. 1 shows a block diagram of a first
  • Embodiment of the invention extends to a loading device for a
  • socket 1 defines an interface
  • the Authentication Center (AC) 14 Since the authentication center 14 is usually responsible for several charging stations, the interface 3 is also shown.
  • the charging station 10 is connected via the cable 4 a to the power grid 11.
  • the SIM station 20 is connected to the battery 21 via the cable 4d.
  • the charging cable 4b, 4c connects the charging station 10 to the SIM station 20.
  • the energy flow between the power network 11 and the battery 21 thus passes through the cable components 4a, 4b, 4c, 4d, of which the components 4b and 4c, the actual charging cable represent both sides of the socket 1.
  • the energy connection can be made in the simplest case by the charging cable 4c is plugged into the socket 1.
  • the charging station modulator and / or the SIM modulator can include circuit breakers that are controlled by the charging station controller and / or the SIM controller.
  • the SIM modulator 22 is connected to the SIM controller 23 via the control line 5.
  • the SIM controller 23 contains like the mobile phone in a GSM network, a SIM card (Subscriber Identity Module), on which the SIM identifier is stored encrypted.
  • SIM card Subscriber Identity Module
  • the charging station controller 13 is connected to the charging station modulator 12 via the control line 6.
  • the charging station controller 13 assumes the same functions that a
  • Base station runs together with an authentication center in a GSM network to identify a logging in user on the network.
  • the charging station controller 13 is therefore connected in a corresponding manner to the authentication center 14 via the interface 3.
  • Authentication Center 14 is on
  • the interface 3 is a suitable for remote transmission interface.
  • Line 7 may thus be, for example, an ISDN line, a GSM line or a DSL line.
  • the signal transmission path is formed in total by the control line 5, the charging cable 4b, 4c and the control line 6. On sections 4b, 4c of the charging cable, the signal transmission path is coupled to the energy connection, in this case to the charging cable.
  • the SIM controller 23 sends out the SIM identifier.
  • the SIM modulator 22 modulates the SIM identifier on the charging cable 4b, 4c.
  • the charging station modulator demodulates the SIM identifier and forwards the SIM identifier to the charging station controller 13.
  • the transmission of the SIM identifier from the SIM controller 23 to the charging station controller 13 is always encrypted. This prevents that the SIM identifier on the signal transmission path, in particular on the route 4b, 4c of the charging cable, tapped by an unauthorized person and then for
  • the charging station controller 13 verifies the SIM identifier via the authentication center 14 in a first step. If it is a system registered one
  • the charging station controller 13 switches the power connection between the power circuit breaker
  • Power supply 11 and the battery 21 free and also controls an energy counter to that of the SIM identifier
  • the associated with the energy meter Measuring unit can be located anywhere on the line 4a, 4b, 4c, 4d between the power grid 11 and the battery 21, for example, in the charging station modulator 12 or in the socket 1.
  • Electricity charges are calculated for the amount of energy consumed, however, is preferably in the
  • the SIM controller 23 continuously transmits the SIM identifier during the charging process at short time intervals. As soon as the charging station controller 13 no longer receives the SIM identifier, the activation of the corresponding energy quantity counter is stopped. In the simplest case, this can be done by pulling the charging cable 4c out of the socket 1. But it is also possible that the user with the SIM controller 23 via more
  • Telecommunications equipment is connected and thus the
  • Fig. 2 shows a block diagram of a second embodiment of the invention. This embodiment also extends to a loading device for a
  • the second embodiment is in principle identical to the first embodiment, so that the same components are also designated by the same reference numerals. With the additionally marked
  • Components may be the charger of the second
  • Embodiment of multiple consumers are used simultaneously.
  • Such a charging device can therefore as a public outlet for a variety of
  • the problem with public sockets is the billing of the amount of energy provided.
  • public outlets for operating portable computers are usually provided free of charge. The associated electricity costs must then from the
  • the second embodiment according to FIG. 2 represents a solution to this problem.
  • the socket 1 should therefore be a
  • the socket 1 is designed as a triple plug with the individual sockets la, lb and lc. At the socket 1 therefore three electric cars can be connected simultaneously.
  • Fig. 2 only a connected electric car is shown, wherein the components are installed to the right of the interface line 2 in the electric car, so the SIM station 20, the battery 21 and the smart card reader 24 with a
  • Chipcard 25
  • the components between the interface line 2 and the interface line 3 are installed in the technical room of the parking garage.
  • the technical room has a house connection to the power grid 11, the power consumption via an electricity meter 16 is charged in the usual way.
  • a branch 17, a controllable power switch 18 and the charging station 10 are provided behind the household meter 16.
  • the charging station 10 may be located in a housing that has a comparable size as the housing of the commercial
  • Electricity meter 16 has.
  • the charging station 10 is on the power grid side via the cable 4 a with the
  • Circuit breaker 18 and connected on the socket side with the socket 1 via the cable 4b.
  • the power switch 18 is controlled by the charging station controller 13 via the control line 8.
  • Power switch 18 can also in the case of
  • Charging station 10 to be integrated. To operate the charging station 10, the charging station 10 then only needs to be connected to the telecommunications line 7, the telecommunication line 7, the charging station 10 with the remote
  • Authentication Center 14 connects.
  • Amount of energy is determined, which is continuously added to the energy meter associated with the SIM identifier.
  • a charging station measuring unit 19 in the second embodiment shown in FIG. 2 are for this purpose.
  • the charging station measuring unit 19 and the SIM measuring unit 29 are each an integrating meter with counter for measuring the electrical work or the amount of energy.
  • corresponding integrated circuits are available. From the outside, these circuits are connected with voltage divider shunts and current transformers.
  • Current transformers are devices that convert a current into a voltage proportional thereto, such as a voltage. Hall sensors for alternating and / or direct currents or miniature transformers for pure alternating currents. The applied values for the supplied current and the supplied voltage are in the circuit via analog-to-digital converter a
  • the integrating counter adds all the calculated power values over time, providing a digital value for the amount of energy delivered.
  • the counters for example, can be viewed as digital accounts on one
  • the SIM station On the vehicle side, the SIM station is connected via the line 17 to a chip card reader 24, to which a SIM card 25 can be supplied.
  • the main task of the SIM card 25 is the authentication of the SIM station 20 with respect to the authentication center 14. In addition, it can be provided that the user himself faces the SIM card 25 with his Personal Identification Number (PIN).
  • PIN Personal Identification Number
  • the SIM card 25 can also be used for various other services, in particular for the logging of the individual loading operations.
  • the chip card reader 24 is integrated in the housing of the SIM station 20, wherein the housing of the SIM station does not have to be larger than the housing of a simple triple 220V distributor.
  • connection 17 may be wired (eg USB) or alternatively wirelessly (eg GSM or W-LAN for longer distances or Blue-Tooth for shorter distances).
  • the SIM identifier is transmitted encrypted via the connection 17 from the mobile phone to the SIM controller 23.
  • Authentication center of the GSM operator is also used by the power grid operator by the GSM operator, the energy meters 15 and 15 'managed on behalf of the power grid operator. The consumer then receives with his monthly mobile phone bill in it
  • the charging station modulator 12 and the SIM modulator 22 are preferably based on the already established
  • the PLC-BUS uses the AC voltage of the power grid as a carrier signal for the to be transmitted
  • the charging station 10 closes the power switch 18 for establishing the power connection.
  • the amount of energy supplied by the power network 11 via the line 4a is first measured by the charging station measuring unit 19 and forwarded via the line 6a to the charging station controller.
  • each SIM measuring unit 29 is also measured by each SIM measuring unit 29 and forwarded via line 5a to the SIM controller 23. With each transmission of a SIM identifier, the SIM controller 23 also transmits the value of the measured since the last transmission
  • Charging station controller 13 can thus take place quasi an ongoing comparison of the measured amounts of energy. As soon as a predetermined deviation is exceeded, the charging station controller 13 controls the via the control line 8 Circuit breaker 18 and interrupts the power supply for all connected to the public socket 1 consumers. The charging station controller 13 and the
  • Charging station modulator 12 have an independent of the power switch 18 power supply. Subsequently, the charging station controller 13 repeatedly checks (for example, with low-energy test currents) whether the
  • Main switch 18 for transmitting larger amounts of energy from the charging station controller 13 closed again.
  • the cause for exceeding the deviation may be, in particular, that a consumer was connected to one of the sockets la, lb and lc, which could not authenticate itself.
  • a message is sent to the SIM controllers of the other consumers that were already authenticated by the system. This message can be sent to the
  • the authentication center 14 therefore also manages a within the energy counter 15, 15 '
  • Electricity network operator can make a monthly statement to the car park operator. In order for the
  • FIG. 3 shows a block diagram of a third
  • the third embodiment consists of a variant of the first and second embodiments in which the transmission of the
  • Charging station controller 13 and the SIM controller 23 is one separate from the charging cable 4b, 4c
  • Signal transmission path 5 can be wired (eg USB) or alternatively wirelessly (eg W-LAN for longer Distances or blue-tooth for shorter distances).
  • FIG. 4 shows a block diagram of a fourth
  • Embodiment extends to a charging device for a rechargeable battery. According to the second embodiment is in the charging station 10 a
  • the fourth embodiment is different from the second embodiment
  • control signals are no longer transmitted via the lines 5, 4c, 4b and 6, as shown in FIG. 2, but directly via the separate signal transmission path 5.
  • the signal transmission path 5 wired (eg USB) or alternatively wirelessly (eg W LAN for longer distances or Blue-Tooth for shorter distances).
  • a supply point 1 are located, which consists of a primary coil, which is embedded in the ground.
  • a secondary coil At the base of the above standing electric vehicle is a secondary coil, which emits the energy absorbed via the SIM measuring unit 29 to the battery 21.
  • Power connection 4c is thus carried out wirelessly.
  • the supply point 1 can also extend over several parking spaces, so that at the same time energy can be delivered to several electric vehicles via the action arrows la, lb and lc.
  • the detection of the energy consumption is carried out as already described in the second embodiment on the SIM stations located in the SIM measuring units 29. With each transmission of a SIM identifier and the measured by the SIM measuring unit 29
  • the charging station controller 13 Upon receipt of a SIM identifier, the charging station controller 13 adds the data supplied via the SIM station 23
  • the advantage of the coupling is that a driving away of the electric vehicle from the supply point already by monitoring the
  • SignalREMtragungsst corner can be detected.
  • the position of the electric vehicle and thus also the function of the energy connection in the area of the supply point 1 can thus be monitored.
  • consumers may be configured to sequential power supply of multiple consumers.
  • consumers may be configured to sequential power supply of multiple consumers.
  • consumers may be configured to sequential power supply of multiple consumers.
  • consumers may be configured to sequential power supply of multiple consumers.
  • consumers may be configured to sequential power supply of multiple consumers.
  • consumers may be configured to sequential power supply of multiple consumers.
  • consumers may be configured to sequential power supply of multiple consumers.
  • consumers may be configured to
  • the energy amount is provided in the period t 2 -ti, the area under the trapezoidal curve in the power-time diagram between the times ti and t 2
  • the authentication of the consumer first takes place. Thereafter, the SIM controller 23 of the consumer 1 transmits the SIM identifier assigned to the SIM station at time intervals ⁇ t via the signal transmission path 5 to the charging station controller 13. Upon receipt of a SIM identifier, the charging station controller 13 adds the ones in the time interval ⁇ t to the
  • Power meter 15 wherein the power counter 15 is associated with the SIM identifier of the consumer 1.
  • the addition can also be temporarily stored in the charging station controller 13. This caching has the same effect as directly adding to an energy meter associated with the SIM tag. After completion of the energy transfer is then at time t 2, the first cached and now already total added amount of energy to the
  • the time interval ⁇ t determines the measurement resolution of the energy quantity counter 15. The smallest displayable change in the display of the
  • the measurement resolution is generally prescribed by legal specifications, whereby the measurement resolution to be maintained can again be a function of the meter reading.
  • the time intervals At are measured by the loading device according to the invention such that the in one
  • Amount of energy is below a predetermined measurement resolution of the energy quantity counter.
  • the predetermined measurement resolution preferably corresponds to the measurement resolution due legal requirements. On the other hand, it is not necessary to measure the time intervals At well below the legal requirements, since then the
  • Charging station controller 13 are unnecessarily burdened or caused by additional required computing capacity unnecessary costs. It can be assumed that time intervals ⁇ t can be realized within a range of a few tenths of a second at still acceptable costs with the usually available computing capacities. For optimization, it is also conceivable that the temporal
  • Cradle Controllers managed to manage energy-quantity readings as appropriate, such as anti-aliasing filtering, sampling rate estimation, or prediction of future readings.
  • the consumer 2 is connected to the public outlet and is disconnected at the time t 4 from the public outlet again. From the mains 11 in the time period t 4 -t 3 , the amount of energy is thereby
  • Times t 3 and t 4 corresponds.
  • the transmission of the SIM-IDs of consumer 2 takes place via the
  • the measured amounts of energy are from the charging station controller 13 to the
  • Consumers may be, for example
  • Rechargeable batteries act.
  • the difference to the signal flow shown in Fig. 5 is that the consumer 1 and the consumer 2 are connected at the time ti via a distributor plug simultaneously to the public outlet. Both consumers will be at the same time again at time t 4
  • the power supply 11 From the power supply 11, the amount of energy corresponding to the area under the trapezoidal curve in the power-time diagram between the times ti and t 4 is provided in the period t 4 -ti. On the part of the power grid 11 can not be distinguished whether the amount of energy to the
  • SIM measuring units in the SIM controllers 23 and 23 ', as described according to the second embodiment according to FIG. 2.
  • the measured values acquired by the SIM measuring units are transmitted together with the SIM identifiers via the signal transmission lines 5 and 5 'to the charging station controller 13 and then removed from the charging station controller. Controller 13 to the power supply 15 and 15 'added accordingly. Otherwise, the functional sequence is as already described with reference to FIG. 4
  • the charging device according to the invention allows the
  • the activation can be completed by completing the
  • Electric cars and the deactivation coupled with unlocking the electric car If the charging cable is disconnected when the electric car is closed, then an alarm can be triggered as in a commercial vehicle theft protection. Additionally or alternatively, a corresponding SMS message can be sent to the mobile phone of the consumer concerned. In addition, it is conceivable that the SIM controller is disabled and can be reactivated only by entering the PIN of the consumer concerned.
  • the removal of the charging cable can be detected immediately and reliably by the charging station controller, as the protocol for transmitting the SIM tags is improperly interrupted. If the SIM codes are transmitted away from the charging cable, then there must be an additional one on the route of the charging cable
  • the state of charge can also be controlled as a function of time in order, for example, to be able to take advantage of low night-time rates.
  • the state of charge of the battery can be expediently to the mobile phone of the
  • FIG. 7 shows a possible authentication protocol between the charging station controller and the SIM controller with subsequent data exchange. The illustrated
  • a smart card is provided in the SIM controller 23.
  • the purpose of the authentication is that both the charging station controller 13 and the SIM controller 23 determine whether the other one
  • Communication partner is a real communication partner. For this, both communication partners must have a common key, which can be used with the help of the
  • Authentication method is generated and checked. This key is hereafter referred to as Key.
  • the key authentication of devices is basically known and is described, for example, in the ISO / IEC 9798 series of standards.
  • type of authentication in particular between the respectively used algorithm (e.g., symmetric, asymmetric) and the
  • the protocol shown in FIG. 7 is based on the mutual symmetric authentication with the
  • the key of the entire signal transmission is calculated from the card number of the chip card and the
  • the described functionality of the authentication is described below from the perspective of the charging station 10 only with reference to the charging station controller 13. However, as already mentioned in connection with the first exemplary embodiment according to FIG. 1, the functionality can also be correspondingly applied to the charging station controller 13 and a more remote authentication center 14 distribute.
  • the charging station controller 13 with the control signal 31, the card number of the SIM controller 23 is requested (command GET CHIP NUMBER).
  • Charging station controller 13 based on the present in the charging station controller 13 master key the individual authentication key of the smart card, which is then used as a key for the entire signal transmission. With the control signal 33, the charging station controller 13 also requests a random number from the SIM controller 23 (command ASK RANDOM).
  • This random number Z_SIM is sent to the charging station controller 13 by the SIM controller 23 with the control signal 34. After receiving the random number Z_SIM, the charging station controller 13 additionally generates the random number Z_LS.
  • the charging station controller 13 sets the random numbers Z_LS and Z_SIM in succession,
  • the SIM controller 23 can decrypt the block obtained and check whether the random number previously sent to the charging station controller 13 with the returned
  • the SIM controller 23 knows that the charging station controller 13 has the secret key. Thus, the charging station controller 13 is authenticated to the SIM controller 23. In the last step of the authentication, the SIM controller exchanges the two random numbers, encrypts them with the secret key and sends the result to the
  • Charging station controller 13 decrypts the obtained block and compares the previously sent to the SIM controller 23 random number with the received. If this agrees with the one previously sent, the SIM controller 23 is also authenticated with respect to the charging station controller 13. This completes the mutual authentication.
  • data packets D_SIM or D_LS can be exchanged between the charging station controller 13 and the SIM controller 23 in a secure manner, which are respectively encrypted with the secret key, as is the case with the control signals 37, 38 and 39 in FIG. 7
  • the key may continue to be changed after each transmission of a control signal according to a particular scheme. For example, the key may be incremented by one each time a control signal is transmitted, as shown in FIG.
  • SIM identifiers are transmitted to the charging station controller 13.
  • a SIM identifier for example, a specific number can be agreed.
  • the nature of the SIM identifier is arbitrary, since each identifier encrypted with the key represents a system-wide unique identifier and is therefore suitable as a SIM identifier.
  • the SIM identifier can therefore also be made variable. For example, it may be a specific count that is incremented by 1 after each transfer. Decisive for the SIM-ID is only that the charging station controller 13 recognizes the received and decrypted with the key identifier as a SIM identifier and then exchanged between the power network and the consumer via the power connection or new
  • the amount of energy to be exchanged is added to an energy counter assigned to the SIM identifier.
  • Connection setup under the MUTUAL AUTHENTICATE command then takes a few seconds (e.g., 4 seconds) depending on the installed computing power in the charging station controller 13 and in the SIM controller 23.
  • unauthenticated consumers can also be connected to the charging station controller 13 during this delay time and can obtain minimal amounts of energy until the charging station controller 13 has recognized the lacking authority and blocks the energy supply via a corresponding switch. This minimal loss is usually tolerated by the system.
  • predetermined measurement resolution of the energy quantity counter is.
  • Electric vehicle is based on a two-door small vehicle with a capacity of 30 kW.
  • Battery capacity is 16 kWh.
  • On the part of the charging station controller is for charging a standard
  • Household power outlet with 220V / 16A provided. For a complete full charge of the vehicle battery 8 hours are needed when using this household socket. If one simplifies assuming that the energy exchange is equally distributed over time, then the
  • Vehicle battery charged with a constant power of 2 kW. For charging the vehicle battery per hour so an amount of energy E hour of 2 kWh or 2000 Wh is replaced.
  • the required resolution of the energy quantity meter AE max is now 0.5 Wh. If one has a price for the
  • the charging station controller 13 continuously determines the amount of energy E S d e e, then it is optionally also possible to continuously adapt and optimize At max . This optimization is also possible for other consumers who are connected in addition to an existing consumer. Assuming here, for example, that at the distributor plug 1 shown in Fig. 2 now next to the
  • Electric car is connected to a notebook, then it is of course possible to control the charging of the notebook battery in parallel with another value of At max .
  • the capacity of the notebook battery is 80 Wh. One full charge will take one hour. Though here the exchange of energy over time is equally distributed again, then done charging with a constant power of 80 W. For charging the battery an amount of energy E hour of 80 Wh is thus exchanged per hour. At a required resolution of the
  • Energy quantity counter is determined. For example, you can demand 1 cent as a price resolution. If one accepts a price for the kilowatt-hour of 25 cents, then the required resolution of the
  • Energy quantity meter AE max amount to at least 40 Wh.
  • the time intervals At max calculated above again increase considerably.
  • an energy amount E st unde of 2 kWh or 2,000 Wh is also generated here per hour
  • an exchanged or exchanged amount of energy is added to an energy meter associated with the SIM identifier. If adding up is the amount of energy delivered before the receipt of the current SIM-ID since the last SIM-ID, this is called after-payment. Is it against it
  • pre-payment Adding up by the amount of energy that is expected to be delivered to the next SIM-ID after receiving the SIM-ID. If the time intervals At are chosen such that the price resolution is well below 1 cent, then there are hardly any differences between the subsequent payment and the advance payment. If, however, the time intervals At are chosen such that the price
  • a digital signature is a cryptographic method in which a number is calculated for a message or for specific data. With the digital signature, it is possible that the authorship and the affiliation of the data can be safely checked, even if the data itself are transmitted unencrypted.
  • the storage and use of the secret signature key is done by the user usually with a smart card.
  • a smart card for this chip card, also referred to as a signature card, in connection with the digital signature, the
  • a digital signature it is generally customary for a digital signature to be transmitted in accordance with the X.509 ITU-T standard.
  • Fig. 8 shows a possible data protocol with an advance payment according to the basic principle of the digital signature.
  • the illustrated components again extend to a charging device for a rechargeable battery in the same way as in the embodiments of FIGS. 1-4. The same components are therefore the same again
  • Certification authority is referred to in Fig. 8 as trust center 14a.
  • steps 1 to 4 described below are carried out with the aim of validating the so-called certificates of the charging station controller 13 and of the SIM controller 23.
  • the valid certificates confirm that the other communication partner is a real one
  • Steps 1 - 4 are not further illustrated in FIG. 8 and are described in detail as follows:
  • the request of the SIM controller 23 contains, for example, the following information:
  • the charging station controller 13 supplements the
  • the session request requests further information about its catchment area (such as the number of SIM controllers already connected and the amount of energy currently delivered to these SIM controllers) and then forwards the session request to the desired one
  • Authentication Center 14 continues. In response, the charging station controller 13 receives the confirmation from the authentication center 14 for the general
  • Permissibility to set up a data protocol or, in exceptional cases, refusal, for example, a
  • the charging station controller 13 sends its certificate to the SIM controller 23.
  • the SIM controller 23
  • the SIM controller 23 sends its certificate to the charging station controller 13.
  • the charging station controller 13 validates the certificate of the SIM controller 23 with a test order, which is sent via the line 7a to the trust center 14a.
  • the test result is transmitted from the trust center 14a back to the charging station controller 13.
  • the now beginning controlled energy exchange with advance payment expires cyclically and begins with a request 41 from the SIM controller 23 to the charging station controller 13.
  • the request contains the desired
  • Amount of energy within the time interval At. The request 41 is from the charging station controller 13 via the line 7 to the authentication center 14th
  • the charging station controller 13 sends a corresponding offer 42 to the SIM controller 23.
  • the request 41 can only be confirmed to a limited extent by the authentication center 14, then the offer 42 sent to the SIM controller 23 is rejected by the charging station controller. Controller 13 modified accordingly.
  • the offer will be associated with a unique offer number to make the entire ordering process unique across the system
  • the offer number can be generated, for example, according to the so-called GUID standard (globally unique identifier).
  • steps 41 and 42 are repeated several times until the SIM controller finally receives an acceptable offer 42.
  • the SIM controller 23 then creates a digital signature 43 on the received offer 42 and thereby generates an acceptance with payment.
  • the digital signature 43 received at the charging station controller 13 has the function of the SIM identifier according to the invention.
  • charging station controller 13 forwards the digital signature 43 via line 7 to the
  • Authentication Center 14 continues. In the authentication center 14, the digital signature 43 is first
  • the amount of energy to be exchanged is added to an energy counter 15, which is assigned to the digital signature 43, ie the SIM identifier according to the invention.
  • the authentication center 14 confirms via the line 7 to the charging station controller 13 the booked
  • step 45 a check takes place in step 45, namely in parallel with time
  • the charging station controller 13 requests from the SIM controller 23, the current count of the SIM measuring unit 29 and compares this count with the count of the own charging station measuring unit 19. If the detected difference exceeds a predetermined amount, a complete or partial
  • the charging station controller 13 has the possibility of switching off by activating the circuit breaker 18 described with reference to FIGS. 2 and 4. Possible causes for a
  • the counts of the charging station measuring unit 19 and the SIM measuring unit 29 are too different from each other.
  • the SIM controller 23 does not answer the offer 42 of the charging station controller 13.
  • the digital signature 43 of the SIM controller 23 is invalid. As soon as the SIM controller 23 finally indicates in a request 41 or also in a digitally signed rejection of a bid 42 that the delivery of the desired amount of energy has been completed, the charging station controller 13 initiates a proper dismantling of the data protocol.
  • FIG. 9 shows a possible data protocol with a subsequent payment according to the basic principle of the digital signature.
  • the illustrated components again extend to a charging device for a rechargeable battery in the same way as in the embodiments of FIGS. 1-4. The same components are therefore the same again
  • the data protocol according to FIG. 9 against the data protocol according to FIG. 8 is the sequence of the illustrated steps 51 - 56 for carrying out a subsequent payment. Again, the steps run cyclically and start with a request 51 from the SIM controller 23 to the charging station controller 13. The request contains the desired
  • Amount of energy within the time interval At. The request 51 is from the charging station controller 13 via the line 7 to the authentication center 14th
  • the charging station controller 13 sends a corresponding offer 52 to the SIM controller 23.
  • the request 51 can only be confirmed to a limited extent by the authentication center 14, then the offer 52 sent to the SIM controller 23 is rejected by the charging station controller. Controller 13 modified accordingly.
  • the offer will be associated with a unique offer number to make the entire ordering process unique across the system
  • the offer number can be generated, for example, according to the so-called GUID standard (globally unique identifier).
  • steps 51 and 52 are repeated several times until the SIM controller finally receives an acceptable offer 52.
  • the SIM controller 23 then sends the acceptance 53 to the charging station controller 13 to confirm the offer 52, whereupon the charging station controller 13 carries out the delivery 54 of the agreed amount of energy in the agreed time At and sends a bill to the SIM controller 23 ,
  • the SIM controller 23 then creates a digital signature 55 on the received bill, thereby generating the SIM identifier for payment.
  • the digital signature 55 received at the charging station controller 13 thus has the function of the SIM identifier according to the invention.
  • Charging station controller 13 then passes according to the invention the digital signature 55 via the line 7 to the
  • Authentication Center 14 continues.
  • the digital signature 55 is verified in the authentication center 14 and then the amount of energy supplied in accordance with the offer 52 is added to an energy counter 15, which is assigned to the digital signature 55 - ie the SIM identifier according to the invention.
  • step 56 a check takes place in step 56, namely in parallel with time
  • the charging station controller 13 requests from the SIM controller 23 the current counter reading of the SIM measuring unit 29 and compares this counter reading with the count of the own charging station measuring unit 19.
  • the steps 51 - 56 start all over again with a new request 51 of the SIM controller 23.
  • the charging station controller 13 is already in this way again A confirmation for the next delivery before, so that the Next delivery can start seamlessly as soon as the
  • Data protocol is performed so that within the time intervals At directly with the offer 42 and the offer 52 is started.
  • the steps of offer 52 and assumption 53 are skipped. It is also conceivable that a delivery and an invoice 54 is started directly, as a result of which the payment 55 is made.
  • the advantages of the basic principle of the digital signature according to FIG. 8 and FIG. 9 compared to the authentication protocol according to FIG. 7 initially consist in the fact that the information transmitted on the signal transmission path does not have to be encrypted, since this information (ie amount of energy, delivery time, etc.). ) are usually not confidential. It is only decisive that the authenticity of the information on the part of the charging station controller 13 or on the part of the SIM controller 23 can be reliably checked, which is based on the basic principle of the digital signature is more effective against key authentication. As a result, computing capacities can be saved.
  • the sequence of payment and delivery according to the basic principle of the digital signature also makes it possible to further increase the time intervals ⁇ t and thus also the measurement resolution of the energy quantity counter compared with the key authentication, since it is possible to more effectively reverse the excess payment if discrepancies are found is.
  • the predetermined measurement resolution and thus the time intervals At can then be increased in principle as far as this increases the effort required
  • Distance At first can relate to a certain amount of energy before the lack of authority by the charging station 10 detected and the shutdown via the circuit breaker 18 can take place.
  • the sequence of payment and delivery according to the basic principle of the digital signature also has the advantage that all functions of a smart grid can be realized in a simple manner, as for example in US Pat
  • 2008/0281663 AI is described.
  • delivery delays can be negotiated by the operator of the power grid at the beginning of the data protocol.
  • Information on the nature and extent of the user-tolerated delivery delay can be negotiated by the operator of the power grid at the beginning of the data protocol.
  • the SIM Controller 23 may be included, so that the actual delivery can then be carried out under optimal avoidance of load peaks in the power grid.
  • the user can be compensated for the resulting delays by the operator of the power grid by particularly favorable tariffs, so that such a delivery according to the principle of the smart grid also has a minimization of the final price result, the user has to pay for the delivery.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kontrollierten Energieaustausch zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher. Um einen flexiblen und gleichzeitig sicheren Ladevorgang von wiederauf ladbaren Batterien zu ermöglichen, ist eine Vorrichtung zum kontrollierten Energieaustausch zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher vorgesehen, mit einer stationären Ladestation zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und einem Versorgungspunkt, wobei die Ladestation einen LS-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über eine Signalübertragungsstrecke umfasst, mit einer verbraucherseitig installierten SIM- Station zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Verbraucher und dem besagten Versorgungspunkt, wobei die SIM-Station einen SIM-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über die Signalübertragungsstrecke umfasst, wobei der SIM-Controller in zeitlichen Abständen über die Signalübertragungsstrecke eine der SIM-Station zugeordnete SIM-Kennung an den LS-Controller sendet, wobei der LS-Controller bei Empfang einer SIM-Kennung eine zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge auf einen der SIM-Kennung zugeordneten Energiemengenzähler aufaddiert, und wobei die zeitlichen Abstände derart bemessen sind, dass die in einem zeitlichen Abstand zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen Messauflösung des Energiemengenzählers liegt.

Description

Internationale Patentanmeldung
IFS Informationstechnik GmbH
Vorrichtung und Verfahren zum kontrollierten
Energieaustausch zwischen einem Stromnetz und einem
Verbraucher Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum kontrollierten Energieaustausch zwischen einem
Stromnetz und einem Verbraucher.
Im Zusammenhang mit der fortschreitenden Entwicklung der Elektromobilität entsteht ein wachsender Bedarf an
geeigneten Vorrichtungen, die einen kontrollierten
Energieaustausch zwischen einem Energieerzeuger und einem Energieverbraucher ermöglichen. Dies gilt insbesondere für Vorrichtungen zum Laden von wiederaufladbaren Batterien.
Aus WO 2000/019580 ist ein Schutzsystem für ein Solarmodul zum Schutz des Solarmoduls gegen Diebstahl oder gegen eine unbefugte Nutzung bekannt. Das Solarmodul kann als
Ladevorrichtung für eine wiederaufladbare Batterie
verwendet werden. Das Schutzsystem des Solarmoduls umfasst eine solarmod-ulseitige Unterbrechungseinrichtung und eine verbraucherseitige Freigabeeinrichtung. Zum Schutz gegen eine unbefugte Benutzung des Solarmoduls sendet die
solarmodulseitige Unterbrechungseinrichtung der
verbraucherseitigen Freigabeeinrichtung über die
Energieleitung ein erstes Signal und unterbricht die
Energieübertragung der mittels des Solarmoduls erzeugten Energie zu dem Verbraucher über die Energieleitung, wenn die solarmodulseitige Unterbrechungseinrichtung innerhalb einer ersten vorbestimmten Zeit kein zweites Signal von der verbraucherseitigen Freigabeeinrichtung über die
Energieleitung empfängt. Die verbraucherseitige
Freigabeeinrichtung kann einen Chipkartenleser umfassen. Auf diese Weise kann ein der aufgenommenen Energiemenge entsprechender Geldbetrag von der Chipkarte eines Benutzers sofort abbucht werden.
Eine wichtige Anwendung im Bereich der Elektromobilität sind Batterieladevorrichtungen für Elektrofahrzeuge .
Beim Ladevorgang von Elektrofahrzeugen müssen von der
Ladestation verschiedene Parameter eingestellt werden, um die Fahrzeugbatterie mit einer bestimmten Energiemenge in einer bestimmten Zeit aufladen zu können. Zu diesen
Parametern zählen insbesondere die Ladespannung und der Ladestrom. Es ist grundsätzlich bekannt, diese Parameter über eine fahrzeugseitige Steuereinheit zu steuern. Aus US 5 049 802 ist hierfür eine fahrzeugseitige Funkeinheit bekannt, die Informationen über den momentanen Ladezustand der Fahrzeugbatterie an die Ladestation sendet.
Die Verrechnung der gelieferten Energiemenge wird beim Ladevorgang von Elektrofahrzeugen von einem
Verbrauchszähler erfasst. Bei einem Verbrauchszähler handelt es sich um ein integrierendes Messgerät mit
Zählwerk zur Messung der elektrischen Arbeit oder der elektrischen Energiemenge. Gleichwertige Begriffe hierfür sind Elektrizitätszähler, Stromzähler, Energiemengenzähler oder Gebührenzähler.
Aus DE 20 2005 012 949 Ul ist es bekannt, einen
Verbrauchszähler mit einem GSM-Modul auszurüsten, um den Zählerstand des Verbrauchszählers an eine Zentrale
übermitteln zu können. Aus EP 2017582 AI ist es bekannt, Steckdosen mit
bargeldlosen Vorab-Bezahlsystemen auszustatten. Unter anderem wird vorgeschlagen, Parkuhren mit derartigen
Steckdosen auszurüsten, damit die Batterie eines
Elektrofahrzeugs während der Parkzeit über die in der
Parkuhr installierte Steckdose geladen werden kann.
In US 2008/0281663 AI wird ein System zur Verteilung von Energiemengen zwischen einzelnen Verbrauchern beschrieben. Die Verteilung der Energiemengen erfolgt mit dem Ziel, extreme Lastspitzen im Stromnetz zu vermeiden. Auch
Elektrofahrzeuge können in das System einbezogen werden, wobei der Nutzer des Elektrofahrzeugs mit einem mobilen Gerät die Möglichkeit hat, den Energieaustausch
hinsichtlich bestimmter Parameter zu beeinflussen.
Beim Ladevorgang von Elektrofahrzeugen besteht ein
besonderes Problem allerdings darin, dass ein einmal gestarteter Ladevorgang vor Missbrauch nicht geschützt ist. Sobald das Elektrofahrzeug unbeaufsichtigt ist, kann das
Ladekabel von einer nicht befugten Person entfernt und für ein anderes Elektrofahrzeug verwendet werden.
Aus GB 2438979 A ist eine Ladesäule für Elektrofahrzeuge bekannt, bei der der Ladevorgang mit einer Nutzer-Kennung gestartet wird und bei der während des Ladevorgangs das Ladekabel in der Ladesäule mechanisch verriegelt wird. Eine derartige Ladesäule ist damit mechanisch vor Missbrauch geschützt. Der Nachteil einer derartigen Ladesäule besteht wiederum darin, dass verhältnismäßig hohe Kosten für den Aufbau eines flächendeckenden Netzes von entsprechend ausgestalteten Ladesäulen aufgewendet werden müssen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen flexiblen und gleichzeitig sicheren Ladevorgang von wiederaufladbaren Batterien zu ermöglichen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung zum
kontrollierten Energieaustausch zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher vorgesehen, mit einer stationären Ladestation zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und einem Versorgungspunkt, wobei die
Ladestation einen Ladestations-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über eine
Signalübertragungsstrecke umfasst, und mit einer
verbraucherseitig installierten SIM-Station zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Verbraucher und dem besagten Versorgungspunkt, wobei die SIM-Station einen SIM- Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über die Signalübertragungsstrecke umfasst.
Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass der SIM-Controller in zeitlichen Abständen über die
Signalübertragungsstrecke eine der SIM-Station zugeordnete SIM-Kennung an den Ladestations-Controller sendet, dass der Ladestations-Controller bei Empfang einer SIM-Kennung eine zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die
Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende
Energiemenge auf einen der SIM-Kennung zugeordneten
Energiemengenzähler aufaddiert, und dass die zeitlichen Abstände derart bemessen sind, dass die in einem zeitlichen Abstand zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende
Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen Messauflösung des Energiemengenzählers liegt.
Eine wesentliche Erkenntnis der Erfindung besteht darin, dass während des Energieaustauschvorgangs seitens des Verbrauchers laufend eine SIM-Kennung an die stationäre Ladestation übertragen wird. SIM ist eine aus dem
Mobilfunkbereich bekannte Abkürzung und steht für
Subscriber Identification Module. In diesem Zusammenhang steht SIM für jedes denkbare Modul, das in der Lage ist, eine systemweit eindeutige SIM-Kennung zu generieren.
Andere Begriffe für SIM-Kennung sind Identifikationssignal oder Subscriber Identity Number, abgekürzt SIN. Ein Modul, das die besagten Anforderungen erfüllen kann, ist zum
Beispiel eine Chipkarte. Das Modul kann aber beispielsweise auch aus einem Fingerabdruck-Lesegerät bestehen.
Die stationäre Ladestation ist in diesem Zusammenhang jede Art von Übergabestelle, bei der elektrische Energie von einem Stromnetz an einen Verbraucher übertragen wird oder bei der umgekehrt elektrische Energie von einem Verbraucher in das Stromnetz eingespeist wird. Die stationäre
Ladestation kann stromnet zseitig beispielsweise mit dem üblichen Hausanschluss verschaltet sein, der von einem Energieversorgungsunternehmen gegenüber einem Hausbesitzer bereitgestellt wird.
Der Verbraucher ist in diesem Zusammenhang jede Art von Betriebsmittel, das elektrische Energie benötigt oder das elektrische Energie abgibt, um eine vom Menschen gestellte Aufgabe zu erfüllen.
Der Versorgungspunkt ist in diesem Zusammenhang jede standardisierte Schnittstelle zwischen der Ladestation und dem Verbraucher.
Die SIM-Kennung ist in diesem Zusammenhang jede systemweit eindeutige Kennung, die den Verbraucher bzw. die
entsprechende SIM-Station gegenüber anderen Komponenten im System identifiziert. Die SIM-Kennung kann dabei wie in einem GSM-Netz zeitlich unveränderlich sein. Es ist aber auch möglich, dass die SIM-Kennung sich über die Zeit ändert. Entscheidend für die SIM-Kennung ist lediglich, dass andere Komponenten aufgrund der SIM-Kennung den betreffenden Verbraucher bzw. die betreffende SIM-Station identifizieren dann einen entsprechenden
Energiemengenzähler zuordnen können.
Im Allgemeinen kann die Erfindung für die zeitlich
begrenzte Energieversorgung mehrerer Verbraucher über einen dafür vorgesehenen öffentlichen Versorgungspunkt verwendet werden .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise als Ladevorrichtung für wiederaufladbare Batterien an dafür vorgesehenen Versorgungspunkten verwendet werden. Bei den Batterien kann es sich beispielsweise um Batterien von Elektrofahrzeugen oder um Batterien von tragbaren
elektronischen Geräten handeln. Der Versorgungspunkt ist dann beispielsweise eine herkömmliche 220V-Steckdose, an die verbraucherseitig ein Ladekabel zum Herstellen der Energieverbindung zur Batterie anschließbar ist.
Bei der Verwendung eines Ladekabels kann außerdem die
Signalübertragungsstrecke im Bereich der Steckdose mit dem Ladekabel gekoppelt sein. Die Kopplung kann auf der
Technologie des sogenannten Powerline Communication Bus (PLC-BUS) basieren. Der PLC-BUS nutzt dabei die
Wechselspannung des Stromnetzes als Trägersignal für die zu übertragenden Steuerdaten. Damit kann das Ladekabel sowohl für die bidirektionale Energieübertragung als auch für die bidirektionale Übertragung von Steuersignalen verwendet werden. Der Vorteil der Kopplung besteht unter anderem darin, dass ein Abziehen des Ladekabels von der Steckdose bereits durch eine Überwachung der Signalübertragungsstrecke erkannt werden kann. Mit der Überwachung der Signalübertragungsstrecke kann damit auch die Funktion der Energieverbindung im Bereich der Steckdose überwacht werden.
Die Erfindung ermöglicht für Elektrofahrzeuge einen
besonders flexiblen und sicheren Ladevorgang von
wiederaufladbaren Batterien. Die mit dem Ladestrom
zugeführte Energiemenge wird auf einem Energiemengenzähler verbucht, der in Abhängigkeit von der SIM-Kennung des
Elektrofahrzeugs ausgewählt wird. Sobald das Ladekabel von dem Elektrofahrzeug getrennt wird, wird auch der
betreffende Energiemengenzähler angehalten. Beim Verbinden des Ladekabels mit einem anderen Elektrofahrzeug wird in Abhängigkeit von der SIM-Kennung ein anderer
Energiemengenzähler ausgewählt und gestartet. Ein
Missbrauch während eines unbeaufsichtigten Ladevorgangs ist damit ausgeschlossen. Mit der Erfindung können herkömmliche 220V-Systeme
kostengünstig aufgerüstet werden. Es ist zum Beispiel denkbar, dass in privaten oder öffentlichen Parkgaragen entsprechende Steckdosen für Elektroautos bereitgestellt werden. Die Nutzung erfolgt durch einfaches Anschließen des Ladekabels an die Steckdose. In diesem Moment wird aufgrund der SIM-Kennung der Energiemengenzähler des betreffenden Elektrofahrzeugs gestartet und gemäß der verbrauchten
Energiemenge belastet. Der gesamte Vorgang der
Identifikation und Gebührenzählung kann in der gleichen Weise wie in GSM-Netzen mit der gleichen Sicherheit
erfolgen.
Die Erfindung ermöglicht auch eine Umkehrung des
Ladevorgangs. Hierbei nutzt der Betreiber des Stromnetzes die Ladekapazität der Fahrzeugbatterie. Dies ist möglich, da jede angeschlossene Fahrzeugbatterie im Netz angemeldet und somit ansteuerbar ist. Die Summe alle angemeldeten Fahrzeugbatterien im Netz kann als großer Energiespeicher vom Netzbetreiber genutzt werden, um Lastspitzen
kostengünstig auszugleichen. Sobald dabei Energie aus der Fahrzeugbatterie entnommen wird, führt dies aus der Sicht des Konsumenten zu positiven Geldbeträgen, beispielsweise in Form von Rückerstattungen oder Rabatten. Wird dagegen Energie zugeführt, dann führt dies aus der Sicht des
Konsumenten zu negativen Geldbeträgen, beispielsweise in Form von Kontoabbuchungen.
Zum Herstellen der Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und dem Versorgungspunkt umfasst die stationäre Ladestation entsprechende Gleichrichter bzw. Wechselrichter, deren
Einsatz dem Fachmann geläufig ist. In entsprechender Weise können auch in der batterieseitig installierten SIM-Station zum Herstellen der Energieverbindung zwischen der Batterie und dem Versorgungspunkt entsprechende Gleichrichter bzw. Wechselrichter vorgesehen sein. Falls Energie dem Stromnetz entnommen wird, dann ist ein Netzteil mit Gleichrichter erforderlich, um diese Energie der Batterie zuzuführen. Falls dagegen aus der Batterie Energie entnommen wird, dann ist ein Wechselrichter mit Netzteil erforderlich, um diese Energie in das Stromnetz einzuspeisen.
Die Aufgabe der Erfindung wird in entsprechender Weise durch ein Verfahren zum Energieaustausch zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher gelöst, bei dem über eine stationäre Ladestation eine Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und einem Versorgungspunkt hergestellt wird, wobei die Ladestation einen Ladestations-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über eine
Signalübertragungsstrecke umfasst, und bei dem über eine verbraucherseitig installierte SIM-Station eine Energieverbindung zwischen dem Verbraucher und dem besagten Versorgungspunkt hergestellt wird, wobei die SIM-Station einen SIM-Controller zum Senden und Empfangen von
Steuersignalen über die Signalübertragungsstrecke umfasst.
Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass der SIM-Controller in zeitlichen Abständen über die Signalübertragungsstrecke eine der SIM-Station zugeordnete SIM-Kennung an den Ladestations-Controller sendet, dass der Ladestations-Controller bei Empfang einer SIM-Kennung eine zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die
Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende
Energiemenge auf einen der SIM-Kennung zugeordneten
Energiemengenzähler aufaddiert, und dass die zeitlichen Abstände derart bemessen sind, dass die in einem zeitlichen Abstand zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende
Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen Messauflösung des Energiemengenzählers liegt.
Die beiden erfindungswesentlichen Komponenten der Erfindung sind die SIM-Station und die stationäre Ladestation.
Bei der SIM-Station handelt es sich um eine Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum kontrollierten
Energieaustausch zwischen einem Stromnetz und einem
Verbraucher, wobei die SIM-Station zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Verbraucher und einem stromnet zseitigen Versorgungspunkt geeignet ist und einen SIM-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über eine Signalübertragungsstrecke umfasst.
Die erfindungsgemäße Lösung bei der SIM-Station ist dadurch gekennzeichnet, dass der SIM-Controller in zeitlichen
Abständen über die Signalübertragungsstrecke eine der SIM- Station zugeordnete SIM-Kennung zum Ansteuern eines der SIM-Kennung zugeordneten Energiemengenzählers sendet, und dass die zeitlichen Abstände derart bemessen sind, dass die in einem zeitlichen Abstand zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen Messauflösung des Energiemengenzählers liegt.
Bei der stationären Ladestation handelt es sich um eine Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
kontrollierten Energieaustausch zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher, wobei die stationäre Ladestation zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und einem verbraucherseitigen Versorgungspunkt geeignet ist und einen Ladestations-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über eine Signalübertragungsstrecke umfasst .
Die erfindungsgemäße Lösung bei der stationären Ladestation ist dadurch gekennzeichnet, dass die über die
Signalübertragungsstrecke empfangenen Steuersignale eine SIM-Kennung umfassen, die dem Verbraucher zugeordnet ist und die in zeitlichen Abständen in den Steuersignalen enthalten ist, dass der Ladestations-Controller bei Empfang einer SIM-Kennung eine zwischen dem Stromnetz und dem
Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge auf einen der SIM-Kennung zugeordneten Energiemengenzähler aufaddiert, und dass die zeitlichen Abstände derart bemessen sind, dass die in einem zeitlichen Abstand zwischen dem Stromnetz und dem
Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen Messauflösung des Energiemengenzählers liegt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Ladestation eine Ladestations-Messeinheit zum Messen der Energiemenge umfasst, die über die durch die
Ladestation führende Energieverbindung ausgetauscht wird. Die Ladestations-Messeinheit ist ein integrierendes
Messgerät mit Zählwerk zur Messung der elektrischen Arbeit oder der Energiemenge. Die in dem Zeitintervall zwischen dem Empfang zweier SIM-Kennungen gemessene Energiemenge kann von dem Ladestations-Controller dazu verwendet werden, um erfindungsgemäß die in dem Zeitinvervall gelieferte Energiemenge auf denjenigen Energiemengenzähler
aufzuaddieren, der der SIM-Kennung zugeordnet ist.
In entsprechender Weise ist es auch möglich, dass die benötigen Energiemengen-Messwerte von der SIM-Station geliefert werden. In diesem Fall umfasst die SIM-Station eine SIM-Messeinheit zum Messen der Energiemenge, die über die durch die SIM-Station führende Energieverbindung ausgetauscht wird. Auch die SIM-Messeinheit ist ein
integrierendes Messgerät mit Zählwerk zur Messung der elektrischen Arbeit oder der Energiemenge. Die in dem
Zeitintervall zwischen dem Senden zweier SIM-Kennungen gemessene Energiemenge kann als Messwert von der SIM- Station an die Ladestation gesendet werden. Die Versendung erfolgt im Rahmen der von der SIM-Station an die
Ladestation versandten Steuersignale.
Auch eine Kombination beider Ausführungsformen ist möglich. In diesem Fall befindet sich in der Ladestation eine
Ladestations-Messeinheit und in der SIM-Station eine SIM- Messeinheit. Wenn beispielsweise im Fall eines
Batterieladevorgangs Energie vom Stromnetz zur Batterie übertragen wird, dann verfügt der Ladestations-Controller damit zum einen über einen Messwert seitens der
Ladestations-Messeinheit, der der insgesamt abgegebenen Energiemenge entspricht, und zum anderen über einen
Messwert seitens der SIM-Messeinheit , der der tatsächlich verbrauchten Energiemenge entspricht. Hiermit ist die Realisierung einer Zusatzsicherung möglich.
Zur Realisierung dieser Zusatzsicherung ist nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Ladestation einen ansteuerbaren Hauptschalter umfasst, der zwischen Stromnetz und Versorgungspunkt geschaltet ist.
Als Beispiel soll wieder ein Batterieladevorgang betrachtet werden. Wenn während dieses Ladevorgangs die von der
Ladestations-Messeinheit erfassten Messwerte im Vergleich zu den von der SIM-Messeinheit erfassten und seitens des SIM-Controllers gesendeten Messwerten eine vorgegebene Abweichung überschreiten, dann trennt der Ladestations- Controller die Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und dem Versorgungspunkt durch Ansteuerung des Hauptschalters. Umgekehrt ermöglicht es die Zusatzsicherung, dass mehrere berechtigte Verbraucher, denen jeweils eine SIM-Kennung zugeordnet ist, gleichzeitig an einer Ladestation
angeschlossen werden können.
Wenn es sich bei dem Versorgungspunkt beispielsweise um eine einzelne Steckdose handelt, dann können an diese
Steckdose mit einem herkömmlichen Steckdosenverteiler mehrere Verbraucher . angeschlossen werden. Wenn ein
unberechtigter Konsument einen Verbraucher ohne
Zwischenschaltung einer SIM-Station an den
Steckdosenverteiler anschließt, kann der Ladestations- Controller von diesem Verbraucher keine gültigen
Energiemengen-Messwerte erhalten. Als Folge davon stellt die Ladestation eine Abweichung in der Energiemengenbilanz fest und unterbricht durch Betätigen des Hauptschalters die Stromversorgung für alle angeschlossenen Verbraucher. Daraufhin wird vom Ladestations-Controller wiederholt kontrolliert (beispielsweise mit energiearmen Testströmen) , ob die Energiebilanz weiterhin verletzt ist. Erst wenn die Energiemengenbilanz wieder ausgeglichen ist, wird der
Hauptschalter zur Übertragung größerer Energiemengen vom Ladestations-Controller wieder geschlossen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren erläutert. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 4 ein Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 den prinzipiellen Signalfluss zwischen SIM-
Controller und Ladestations-Controller bei der sequenziellen Energieversorgung mehrerer
Verbraucher,
Fig. 6 den prinzipiellen Signalfluss zwischen SIM-
Controller und Ladestations-Controller bei der parallelen Energieversorgung mehrerer
Verbraucher,
Fig. 7 ein mögliches Authentisierungsprotokoll zwischen
Ladestations-Controller und SIM-Controller mit anschließendem Datenaustausch, Fig. 8 ein mögliches Datenprotokoll mit einer Vorab- Bezahlung nach dem Grundprinzip der digitalen Signatur, und
Fig. 9 ein mögliches Datenprotokoll mit einer Danach- Bezahlung nach dem Grundprinzip der digitalen Signatur .
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten
Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform erstreckt sich auf eine Ladevorrichtung für eine
wiederaufladbare Batterie. Der Energiefluss ist wie bereits beschrieben in beide Richtungen möglich. Die Wirkungspfeile an dem Stromnetz 11 und an der Batterie 21 zeigen daher in beide Richtungen.
Da die Steckdose 1 eine Schnittstelle definiert,
orientieren sich die dargestellten Komponenten der
Batterieladevorrichtung an der durch die Steckdose 1 gezeichneten Schnittstellenlinie 2.
Links der Schnittstellenlinie 2 befinden sich die
Komponenten der Ladestation 10 mit dem Ladestations- Modulator 12, dem Ladestations-Controller 13 und dem
Authent ifikations-Center (AC) 14. Da das Authentifikations- Center 14 in der Regel für mehrere Ladestationen zuständig ist, ist zusätzlich die Schnittstelle 3 eingezeichnet. Die Ladestation 10 ist über das Kabel 4a mit dem Stromnetz 11 verbunden .
Rechts der Schnittstellenlinie 2 befinden sich die
Komponenten der SIM-Station 20 mit dem SIM-Modulator 22 und dem SIM-Controller 23. Die SIM-Station 20 ist über das Kabel 4d mit der Batterie 21 verbunden. Das Ladekabel 4b, 4c verbindet die Ladestation 10 mit der SIM-Station 20. Der Energiefluss zwischen dem Stromnetz 11 und der Batterie 21 läuft damit über die Kabelkomponenten 4a, 4b, 4c, 4d, von denen die Komponenten 4b und 4c das eigentliche Ladekabel auf beiden Seiten der Steckdose 1 darstellen .
Die Energieverbindung kann im einfachsten Fall dadurch hergestellt werden, indem das Ladekabel 4c in die Steckdose 1 eingesteckt wird. Zusätzlich ist es aber auch möglich, dass der Ladestations-Modulator und/oder der SIM-Modulator Leistungsschalter enthalten, die von dem Ladestations- Controller und/oder dem SIM-Controller angesteuert werden.
Mit dem SIM-Modulator 22 ist über die Steuerleitung 5 der SIM-Controller 23 verbunden. Der SIM-Controller 23 enthält wie das Mobiltelefon in einem GSM-Netz eine SIM-Karte (Subscriber Identity Module) , auf der die SIM-Kennung verschlüsselt gespeichert ist.
Auf der anderen Seite ist mit dem Ladestations-Modulator 12 über die Steuerleitung 6 der Ladestations-Controller 13 verbunden. Der Ladestations-Controller 13 übernimmt in entsprechender Weise die gleichen Funktionen, die eine
Basisstation zusammen mit einem Authentifikations-Center in einem GSM-Netz ausführt, um einen sich anmeldenden Benutzer im Netz zu identifizieren. Über die Schnittstelle 3 ist der Ladestations-Controller 13 daher in entsprechender Weise mit dem Authentifikations-Center 14 verbunden. Das
Authentifikations-Center 14 ist ein
hochsicherheitsrelevanter Bereich mit wichtigen Daten aller Ladestations-Controller und SIM-Controller des Netzes und enthält unter anderem die SIM-Kennungen, die jede SIM-Karte eindeutig im Netz identifizieren. Da das Authentifikations- Center 14 sich in der Regel in einer von der Ladestation 10 entfernten Zentrale befindet, ist die Schnittstelle 3 eine für die Fernübertragung geeignete Schnittstelle. Die
Leitung 7 kann damit beispielsweise eine ISDN-Leitung, eine GSM-Leitung oder eine DSL-Leitung sein.
Die Signalübertragungsstrecke wird insgesamt durch die Steuerleitung 5, das Ladekabel 4b, 4c und die Steuerleitung 6 gebildet. Auf den Abschnitten 4b, 4c des Ladekabels ist die Signalübertragungsstrecke mit der Energieverbindung, also hier mit dem Ladekabel, gekoppelt.
Sobald die Signalübertragungsstrecke zwischen dem
Ladestations-Modulator 12 und dem SIM-Modulator 22 über das Ladekabel 4b, 4c hergestellt ist, sendet der SIM-Controller 23 die SIM-Kennung aus. Der SIM-Modulator 22 moduliert die SIM-Kennung auf das Ladekabel 4b, 4c. In entsprechender Weise demoduliert der Ladestations-Modulator die SIM- Kennung und leitet die SIM-Kennung an den Ladestations- Controller 13 weiter. Die Übertragung der SIM-Kennung vom SIM-Controller 23 zum Ladestations-Controller 13 läuft dabei stets verschlüsselt ab. Hierdurch wird verhindert, dass die SIM-Kennung auf der Signalübertragungsstrecke, insbesondere auf der Strecke 4b, 4c des Ladekabels, von einer unbefugten Person abgegriffen und danach für
unbefugte Zwecke verwendet werden kann.
Der Ladestations-Controller 13 verifiziert in einem ersten Schritt die SIM-Kennung über das Authentifikations-Center 14. Handelt es sich um einen im System registrierten
Benutzer, dann schaltet der Ladestations-Controller 13 über Leistungsschalter die Energieverbindung zwischen dem
Stromnetz 11 und der Batterie 21 frei und steuert außerdem einen Energiemengenzähler an, der der SIM-Kennung
zugeordnet ist. Die zu dem Energiemengenzähler zugehörige Messeinheit kann sich an einer beliebigen Stelle auf der Leitung 4a, 4b, 4c, 4d zwischen dem Stromnetz 11 und der Batterie 21 befinden, beispielsweise im Ladestations- Modulator 12 oder in der Steckdose 1. Das Zählwerk des Energiemengenzählers, aufgrund dessen dann die
Stromgebühren für die verbrauchte Energiemenge berechnet werden, befindet sich dagegen vorzugsweise im
Authentifikations-Center 14 und wird dort zentral
verwaltet. Falls Energie vom Stromnetz 11 der Batterie 21 zugeführt wird, dann wird der Zählerstand in dem
Energiemengenzähler erhöht. Falls dagegen Energie aus der Batterie 21 entnommen und umgekehrt dem Stromnetz 11 zugeführt wird, dann wird der Zählerstand in dem
Energiemengenzähler erniedrigt.
Der SIM-Controller 23 sendet während des Ladevorgangs laufend die SIM-Kennung in kurzen zeitlichen Abständen. Sobald der Ladestations-Controller 13 die SIM-Kennung nicht mehr empfängt, wird die Ansteuerung des entsprechenden Energiemengenzählers gestoppt. Dies kann im einfachsten Fall dadurch geschehen, indem das Ladekabel 4c aus der Steckdose 1 gezogen wird. Es ist aber auch möglich, dass der Benutzer mit dem SIM-Controller 23 über weitere
Telekommunikationsmittel verbunden ist und damit die
Aussendung der SIM-Kennung beeinflussen kann. In der gleichen Weise ist es möglich, dass der Benutzer über den SIM-Controller 23 einen Leistungsschalter ansteuert, der sich im SIM-Modulator 22 befindet, um die Stromzufuhr zu unterbrechen. Schließlich ist es auch möglich, dass der Benutzer vom SIM-Controller 23 zum Ladestations-Controller 13 Steuersignale sendet, die im Ladestations-Controller eine Schaltaktion auslösen, sodass über im Ladestations- Modulator 12 befindliche Leistungsschalter die Stromzufuhr unterbrochen wird. Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Auch diese Ausführungsform erstreckt sich auf eine Ladevorrichtung für eine
wiederaufladbare Batterie. Die zweite Ausführungsform ist dabei prinzipiell mit der ersten Ausführungsform identisch, sodass gleiche Komponenten auch mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Mit den zusätzlich eingezeichneten
Komponenten kann die Ladevorrichtung der zweiten
Ausführungsform von mehreren Konsumenten gleichzeitig benutzt werden. Eine derartige Ladevorrichtung kann demnach als öffentliche Steckdose für die verschiedensten
Ladevorgänge eingesetzt werden.
Es besteht bereits jetzt ein Bedarf an öffentlichen
Steckdosen, um wiederaufladbare Batterien aufzuladen. Das Problem bei öffentlichen Steckdosen ist die Abrechnung der zur Verfügung gestellten Energiemenge. In Bibliotheken werden öffentliche Steckdosen zum Betreiben von tragbaren Computern in der Regel kostenlos zur Verfügung gestellt. Die hiermit verbundenen Stromkosten müssen dann vom
Bibliothektsbetreiber getragen werden. Die Bereitstellung von öffentlichen Steckdosen in Parkgaragen für Elektroautos scheitert bisher daran, dass die verbrauchte Energiemenge nicht abrechenbar ist. Bei den hier verbrauchten
Energiemengen ist es für einen Parkgaragenbetreiber im Gegensatz zu einem Bibliotheksbetreiber nicht mehr
akzeptabel, dass die öffentlichen Steckdosen wie in einer Bibliothek kostenlos zur Verfügung gestellt werden. Die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 2 stellt eine Lösung dieses Problems dar.
Bei der Steckdose 1 soll es sich demnach um eine
öffentliche Steckdose handeln, die von einem
Parkgaragenbetreiber für das Laden der Batterien von Elektroautos zur Verfügung gestellt wird. Die Steckdose 1 ist dabei als Dreifachstecker mit den einzelnen Steckdosen la, lb und lc ausgeführt. An der Steckdose 1 können demnach drei Elektroautos gleichzeitig angeschlossen werden. In Fig. 2 ist nur ein angeschlossenes Elektroauto dargestellt, wobei die Komponenten rechts von der Schnittstellenlinie 2 in dem Elektroauto verbaut sind, also die SIM-Station 20, die Batterie 21 und der Chipkarten-Leser 24 mit einer
Chipkarte 25.
Die Komponenten zwischen der Schnittstellenlinie 2 und der Schnittstellenlinie 3 sind im Technikraum der Parkgarage verbaut. Standardmäßig verfügt der Technikraum über einen Hausanschluss zum Stromnetz 11, wobei der Stromverbrauch über einen Elektrizitätszähler 16 in der üblichen Weise abgerechnet wird. Die 220V-Stromversorgung der Parkgarage erfolgt über den Strang 9.
Ausgehend von dieser Infrastruktur ist es leicht möglich, die Komponenten für die erfindungsgemäße Ladevorrichtung nachzurüsten . Hierzu werden hinter dem Haushaltszähler 16 ein Abzweig 17, ein ansteuerbarer Leistungsschalter 18 und die Ladestation 10 vorgesehen. Die Ladestation 10 kann sich dabei in einem Gehäuse befinden, das eine vergleichbare Größe wie das Gehäuse des handelsüblichen
Elektrizitätszählers 16 aufweist. Die Ladestation 10 ist auf der Stromnetzseite über das Kabel 4a mit dem
Leistungsschalter 18 und auf der Steckdosenseite mit der Steckdose 1 über das Kabel 4b verbunden.
Der Leistungsschalter 18 wird über die Steuerleitung 8 vom Ladestations-Controller 13 angesteuert. Der
Leistungsschalter 18 kann dabei auch im Gehäuse der
Ladestation 10 integriert sein. Zum Betreiben der Ladestation 10 muss die Ladestation 10 danach lediglich noch an die Telekommunikationsleitung 7 angeschlossen werden, wobei die Telekommunikationsleitung 7 die Ladestation 10 mit dem entfernt gelegenen
Authentifikations-Center 14 verbindet.
Bei der Beschreibung der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 wurde es offen gelassen, auf welche Weise die
Energiemenge bestimmt wird, die laufend auf den der SIM- Kennung zugeordneten Energiemengenzähler aufaddiert wird. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind für diesen Zweck eine Ladestations-Messeinheit 19 in der
Ladestation 10 und eine SIM-Messeinheit 29 in der SIM- Station 20 vorgesehen.
Bei der Ladestations-Messeinheit 19 und der SIM-Messeinheit 29 handelt es sich jeweils um ein integrierendes Messgerät mit Zählwerk zur Messung der elektrischen Arbeit oder der Energiemenge. Für derartige Messgeräte sind entsprechende integrierte Schaltkreise verfügbar. Von außen werden diese Schaltkreise mit Spannungsteiler-Shunts und Stromwandlern beschaltet. Stromwandler sind Bausteine, die einen Strom in eine dazu proportionale Spannung wandeln, wie z.B. Hall- Sensoren bei Wechsel- und/oder Gleichströmen oder Miniatur- Trafos bei reinen Wechselströmen. Die anliegenden Werte für den gelieferten Strom und die gelieferte Spannung werden in dem Schaltkreis über Analog-Digital-Wandler einer
Recheneinheit zur Berechnung der momentan verbrauchten Leistung zugeführt. Das integrierende Zählwerk addiert alle berechneten Leistungswerte über die Zeit auf und liefert damit einen digitalen Wert für die abgegebene Energiemenge.
Die in dem Authentifikations-Center 14 befindlichen
Energiemengenzähler, auf die in Abhängigkeit von der SIM- Kennung die Energiemengen laufend aufaddiert werden, sind als Positionen 15 und 15' dargestellt. Da von dem
Ladestations-Controller 13 die digitalen Werte der
jeweiligen Energiemenge bereits bereitgestellt werden, handelt es sich bei den Energiemengenzählern 15 und 15' um reine Zählwerke ohne weitere Messfunktion. Die Zählwerke können beispielsweise als digitale Konten auf einer
Datenverarbeitungsanlage vom Authentifikations-Center 14 verwaltet werden, wobei eine monatliche Abrechnung
gegenüber dem jeweiligen Konsumenten ähnlich wie bei
Mobiltelefonen im GSM-Netz erfolgt.
Fahrzeugseitig ist die SIM-Station über die Leitung 17 mit einem Chipkarten-Leser 24 verbunden, dem eine SIM-Karte 25 zugeführt werden kann. Hauptaufgabe der SIM-Karte 25 ist die Authentifikation der SIM-Station 20 gegenüber dem Authentifikations-Center 14. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass sich der Nutzer selbst gegenüber der SIM-Karte 25 mit seiner Personal Identification Number (PIN)
identifiziert. Neben der Authentifikation kann die SIM- Karte 25 auch noch für verschiedene andere Dienste genutzt werden, insbesondere für die Protokollierung der einzelnen Ladevorgänge.
Für die Ausführung des Chipkarten-Lesers 24 sind
verschiedene Varianten denkbar. Eine Variante besteht darin, dass der Chipkartenleser 24 im Gehäuse der SIM- Station 20 integriert ist, wobei das Gehäuse der SIM- Station nicht größer sein muss als das Gehäuse eines einfachen Dreifach-220V-Verteilers .
Eine andere Variante besteht darin, dass das Mobiltelefon des betreffenden Konsumenten einschließlich der in dem Mobiltelefon bereits vorhandenen SIM-Karte für die SIM- Station 20 verwendet wird. Die Verbindung 17 kann dabei leitungsgebunden (z.B. USB) oder alternativ drahtlos (z.B. GSM bzw. W-LAN für längere Distanzen oder Blue-Tooth für kürzere Distanzen) ausgeführt sein. Die SIM-Kennung wird dabei über die Verbindung 17 vom Mobiltelefon an den SIM- Controller 23 verschlüsselt übertragen. Bei dieser Variante ist es möglich, dass das bereits verfügbare
Authentifikations-Center des GSM-Betreibers zusätzlich auch vom Stromnetzbetreiber genutzt wird, indem der GSM- Betreiber die Energiemengenzähler 15 und 15' im Auftrag des Stromnetzbetreibers verwaltet. Der Konsument erhält dann mit seiner monatlichen Mobilfunkrechnung die darin
integrierte Rechnung für die verbrauchten Energiemengen an öffentlichen Steckdosen.
Der Ladestations-Modulator 12 und der SIM-Modulator 22 basieren vorzugsweise auf der bereits etablierten
Technologie des sogenannten Powerline Communication Bus (PLC-BUS) . Der PLC-BUS nutzt dabei die Wechselspannung des Stromnetzes als Trägersignal für die zu übertragenden
Steuerdaten. Damit kann das Ladekabel 4b, 4c sowohl für die bidirektionale Energieübertragung als auch für die
bidirektionale Übertragung von Steuersignalen verwendet werden .
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird der Energiefluss im Folgenden nur in eine Richtung, also von dem Stromnetz
11 zur Batterie 21, beschrieben. Alle Beschreibungen gelten in entsprechender Weise aber auch für die bereits erwähnte umgekehrte Richtung des Energieflusses, also von der
Batterie 21 zum Stromnetz 11.
Die Wirkungspfeile von dem Stromnetz 11 zur Batterie 21 sind demnach einseitig eingezeichnet, weil ein Energiefluss hier nur in einer Richtung vom Stromnetz 11 zur Batterie 21 angenommen wird. Unabhängig davon werden über das Ladekabel 4b, 4c, also zwischen der Ladestation 10 und der SIM- Station 20, allerdings immer auch bidirektionale
Steuersignale übertragen. Die Wirkungspfeile zeigen daher auf dieser Teilstrecke in beide Richtungen.
Sobald durch Einstecken des Ladekabels 4c in die Steckdose la die Signalübertragungsstrecke zwischen der SIM-Station
20 und der Ladestation 10 hergestellt ist, findet zunächst die Authentifizierung der SIM-Station 20 in der gleichen Weise statt, wie dies bereits bei der ersten
Ausführungsform beschrieben wurde. Danach wird von der Ladestation 10 der Leistungsschalter 18 zum Herstellen der Energieverbindung geschlossen.
Gleichzeitig ist es allerdings nunmehr möglich, dass die Batterien von zwei weiteren Elektroautos an die Steckdosen lb und lc angeschlossen werden. Um dabei einen Missbrauch auszuschließen, findet in dem Ladestations-Controller 13 ein Abgleich der gemessenen Energiemengen statt.
Die von dem Stromnetz 11 über die Leitung 4a gelieferte Energiemenge wird zunächst von der Ladestations-Messeinheit 19 gemessen und über die Leitung 6a an den Ladestations- Controller weitergeleitet.
Die von jedem Elektroauto zum Laden der jeweiligen Batterie
21 verbrauchte Energiemenge wird darüber hinaus von jeder SIM-Messeinheit 29 gemessen und über die Leitung 5a an den SIM-Controller 23 weitergeleitet. Mit jeder Übertragung einer SIM-Kennung überträgt der SIM-Controller 23 auch den Wert der seit der letzten Übertragung gemessenen
Energiemenge an den Ladestations-Controller 13. Im
Ladestations-Controller 13 kann damit quasi laufend ein Abgleich der gemessenen Energiemengen stattfinden. Sobald eine vorgegebene Abweichung überschritten wird, steuert der Ladestations-Controller 13 über die Steuerleitung 8 den Leistungsschalter 18 an und unterbricht die Stromversorgung für alle an der öffentlichen Steckdose 1 angeschlossenen Verbraucher. Der Ladestations-Controller 13 und der
Ladestations-Modulator 12 verfügen dabei über eine vom Leistungsschalter 18 unabhängige Stromversorgung. Daraufhin wird vom Ladestations-Controller 13 wiederholt kontrolliert (beispielsweise mit energiearmen Testströmen) , ob die
Energiebilanz weiterhin verletzt ist. Erst wenn die
Energiemengenbilanz wieder ausgeglichen ist, wird der
Hauptschalter 18 zur Übertragung größerer Energiemengen vom Ladestations-Controller 13 wieder geschlossen.
Die Ursache für die Überschreitung der Abweichung kann insbesondere darin liegen, dass ein Verbraucher an eine der Steckdosen la, lb und lc angeschlossen wurde, der sich nicht authentifizieren konnte. In diesem Fall wird an die SIM-Controller der übrigen Verbraucher, die vom System bereits authentifiziert waren, eine Nachricht gesendet. Diese Nachricht kann in geeigneter Weise an die
betreffenden Konsumenten weitergeleitet werden,
beispielsweise durch eine SMS-Nachricht auf das
Mobiltelefon des betreffenden Konsumenten. Zusätzlich ist es auch denkbar, dass vor Ort an der öffentlichen Steckdose ein Alarm ausgelöst wird, um unbefugte Konsumenten davon abzuhalten, die öffentliche Steckdose ohne
Zwischenschaltung einer SIM-Station zu nutzen oder die bestimmungsgemäße Nutzung der öffentlichen Steckdose zu stören . Falls der Ladestations-Controller 13 dagegen Abweichungen feststellt, die unterhalb der vorgegebenen Abweichung liegen, dann werden die Verbrauchswerte der einzelnen
Verbraucher proportional so verteilt, dass die an die
Energiemengenzähler ' 15, 15' gesendeten Messwerte in der Summe mit der von der Ladestations-Messeinheit 19
gemessenen Energiemenge übereinstimmen.
Durch die Bereitstellung der öffentlichen Steckdose 1 entstehen für den Parkhausbetreiber zunächst höhere
Stromkosten, die über den Elektrizitätszähler 16
abgerechnet werden. Zur Rückerstattung dieser Kosten verwaltet das Authentifikations-Center 14 daher innerhalb der Energiemengenzähler 15, 15' auch einen
Energiemengenzähler für die Ladestation 10, sodass der
Stromnetzbetreiber eine monatliche Abrechnung gegenüber dem Parkhausbetreiber vornehmen kann. Um für den
Parkhausbetreiber einen Anreiz zur Installation der öffentlichen Steckdose zu schaffen, wird der
Rückerstattungsbetrag dabei über dem tatsächlich
verbrauchten Betrag liegen. Auch entsprechende
RabattSysteme ähnlich wie bei der Installation von
Solarmodulen sind denkbar. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer dritten
Ausführungsform der ' Erfindung . Wie die erste und die zweite Ausführungsform erstreckt sich auch die dritte
Ausführungsform auf eine Ladevorrichtung für eine
wiederaufladbare Batterie. Die dritte Aus ührungsform stellt allerdings eine Variante der ersten und zweiten Ausführungsform dar, bei der die Übertragung der
Steuersignale abseits vom Ladekabel 4b, 4c erfolgt.
Für die Übertragung der Steuersignale zwischen dem
Ladestations-Controller 13 und dem SIM-Controller 23 ist eine von dem Ladekabel 4b, 4c getrennte
Signalübertragungsstrecke 5 vorgesehen. Die
Signalübertragungsstrecke 5 kann dabei leitungsgebunden (z.B. USB) oder alternativ drahtlos (z.B. W-LAN für längere Distanzen oder Blue-Tooth für kürzere Distanzen) ausgeführt sein .
In der Steckdose 1 sind die Messeinheit des
Energiemengenzählers und ein Leistungsschalter integriert. Die in Fig. 2 beschriebenen Signale über die Leitungen 6a und 8 werden jetzt über die zwischen der Steckdose 1 und dem Ladestations-Controller 13 verlegte Leitung 6b
übertragen .
Alle übrigen Funktionsabläufe der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform lassen sich auf die dritte Ausführungsform übertragen. Alternativ ist es bei der dritten Ausführungsform allerdings auch denkbar, dass die Energie zwischen dem Stromnetz 11 und der Batterie 21 drahtlos übertragen wird. Weitere Einzelheiten zur
drahtlosen Energieübertragung werden im Zusammenhang mit der vierten Ausführungsform beschrieben. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer vierten
Ausführungsform der Erfindung. Auch die vierte
Ausführungsform erstreckt sich auf eine Ladevorrichtung für eine wiederaufladbare Batterie. Entsprechend zur zweiten Ausführungsform ist in der Ladestation 10 eine
Ladestations-Messeinheit und in der SIM-Station 20 eine SIM-Messeinheit vorgesehen. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform
allerdings wiederum dadurch, dass die Steuersignale abseits von dem Ladekabel 4b, 4c übertragen werden. Die
Steuersignale werden demnach nicht mehr wie in Fig. 2 dargestellt über die Leitungen 5, 4c, 4b und 6, sondern direkt über die getrennte Signalübertragungsstrecke 5 übertragen. Auch hier kann die Signalübertragungsstrecke 5 leitungsgebunden (z.B. USB) oder alternativ drahtlos (z.B. W-LAN für längere Distanzen oder Blue-Tooth für kürzere Distanzen) ausgeführt sein.
Alle übrigen Funktionsabläufe der zweiten Ausführungsform lassen sich auf die vierte Ausführungsform übertragen.
Alternativ ist es bei der vierten Ausführungsform
allerdings auch denkbar, dass die Energie zwischen dem Stromnetz 11 und der Batterie 21 drahtlos übertragen wird. Für die drahtlose Energieübertragung kommen insbesondere induktive Prinzipien in Betracht. Beispielsweise kann sich in einer Parkgarage in der Mitte eines Stellplatzes ein Versorgungspunkt 1 befinden, der aus einer Primärspule besteht, die im Boden eingelassen ist. Am Unterbau des darüber stehenden Elektrofahrzeugs befindet sich eine Sekundärspule, die die aufgenommene Energie über die SIM- Messeinheit 29 an die Batterie 21 abgibt. Die
Energieverbindung 4c ist damit drahtlos ausgeführt. Der Versorgungspunkt 1 kann sich auch über mehrere Stellplätze erstrecken, sodass über die Wirkungspfeile la, lb und lc gleichzeitig Energie an mehrere Elektrofahrzeuge abgegeben werden kann. Die Erfassung des Energiemengenverbrauchs erfolgt dabei wie in der zweiten Ausführungsform bereits beschrieben über die in den SIM-Stationen befindlichen SIM- Messeinheiten 29. Mit jeder Übertragung einer SIM-Kennung wird auch die von der SIM-Messeinheit 29 gemessene
Energiemenge an den Ladestations-Controller 13 gesendet. Bei Empfang einer SIM-Kennung addiert der Ladestations- Controller 13 die über die SIM-Station 23 gelieferte
Energiemenge auf einen der SIM-Kennung zugeordneten
Energiemengenzähler auf. Eine missbräuchliche
Energieabnahme wird wie in der zweiten Ausführungsform bereits beschrieben über einen in dem Ladestations- Controller 13 stattfindenden Energiemengenabgleich
verhindert, indem bei einer Verletzung der
Energiemengenbilanz der Hauptschalter 18 geöffnet und die Energieübertragung über den Versorgungspunkt 1 unterbrochen wird .
Auch im Rahmen der drahtlosen Energieübertragung ist es denkbar, dass die Signalübertragungsstrecke im Bereich des Versorgungspunkts 1 mit der Energieverbindung gekoppelt ist. Die Steuersignale werden dann unter Einsatz
entsprechender Modulatoren zwischen dem SIM-Controller 23 und dem Versorgungspunkt 1 drahtlos und zwischen dem
Versorgungspunkt 1 und dem Ladestations-Controller 13 über das Ladekabel 4b übertragen. Ähnlich wie bei der bereits beschriebenen Kopplung zwischen Signalübertragungsstrecke und Ladekabel besteht der Vorteil der Kopplung darin, dass ein Wegfahren des Elektrofahrzeugs vom Versorgungspunkt bereits durch eine Überwachung der
Signalübertragungsst ecke erkannt werden kann. Mit der Überwachung der Signalübertragungsstrecke kann somit die Position des Elektrofahrzeugs und damit auch die Funktion der Energieverbindung im Bereich des Versorgungspunkts 1 überwacht werden.
Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Signalfluss zwischen SIM- Controller und Ladestations-Controller bei der
sequenziellen Energieversorgung mehrerer Verbraucher. Bei den Verbrauchern kann es sich beispielsweise um
wiederaufladbare Batterien handeln. Zunächst wird der
Verbraucher 1 zum Zeitpunkt ti an eine öffentliche
Steckdose angeschlossen und zum Zeitpunkt t2 wieder von der öffentlichen Steckdose getrennt. Vom Stromnetz 11 wird in dem Zeitraum t2-ti die Energiemenge bereitgestellt, die der Fläche unter dem trapezförmigen Verlauf in dem Leistungs- Zeit-Diagramm zwischen den Zeitpunkten ti und t2
entspricht . Unmittelbar nach dem Zeitpunkt ti erfolgt zunächst die Authentisierung des Verbrauchers 1. Danach sendet der SIM- Controller 23 des Verbrauchers 1 in zeitlichen Abständen At über die Signalübertragungsstrecke 5 an den Ladestationscontroller 13 die der SIM-Station zugeordnete SIM-Kennung. Bei Empfang einer SIM-Kennung addiert der Ladestations- Controller 13 die in dem zeitlichen Abstand At an den
Verbraucher 1 gelieferte Energiemenge auf den
Energiemengenzähler 15 auf, wobei der Energiemengenzähler 15 der SIM-Kennung des Verbrauchers 1 zugeordnet ist. Die Addition kann auch erst in dem Ladestations-Controller 13 zwischengespeichert werden. Diese Zwischenspeicherung hat die gleiche Wirkung wie das direkte Aufaddieren auf einen der SIM-Kennung zugeordneten Energiemengenzähler. Nach Beendigung der Energieübertragung wird dann zum Zeitpunkt t2 die zunächst zwischengespeicherte und jetzt bereits insgesamt aufaddierte Energiemenge auf den
Energiemengenzähler 15 des Verbrauchers 1 aufaddiert.
Der zeitliche Abstand At bestimmt die Messauflösung des Energiemengenzählers 15. Unter der Messauflösung wird dabei die kleinste anzeigbare Änderung bei der Anzeige der
Energiemenge auf einem Energiemengenzähler verstanden. Wenn es sich bei den Energiemengenzählern 15, 15' um geeichte Messgeräte handelt, ist die Messauflösung in der Regel aufgrund gesetzlicher Vorgaben vorgegeben, wobei die einzuhaltende Messauflösung wiederum eine Funktion des Zählerstands sein kann.
Die zeitlichen Abstände At werden von der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung derart bemessen, dass die in einem
zeitlichen Abstand At über die SIM-Station gelieferte
Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen Messauflösung des Energiemengenzählers liegt. Die vorgegebene Messauflösung entspricht dabei vorzugsweise der Messauflösung aufgrund gesetzlicher Vorgaben. Auf der anderen Seite ist es nicht erforderlich, die zeitlichen Abstände At deutlich unterhalb der gesetzlichen Vorgaben zu bemessen, da dann die
Rechenkapazitäten der SIM-Controller 23, 23' und des
Ladestations-Controllers 13 unnötig belastet werden bzw. durch zusätzlich erforderliche Rechenkapazitäten unnötige Kosten entstehen. Man kann davon ausgehen, dass mit den üblicherweise verfügbaren Rechenkapazitäten zeitliche Abstände At in einem Bereich von einigen Zehntel-Sekunden zu noch vertretbaren Kosten realisiert werden können. Zur Optimierung ist es auch denkbar, dass die zeitlichen
Abstände At nicht regelmäßig, sondern von SIM-Kennung zu SIM-Kennung variabel ausgelegt und adaptiv berechnet werden. Es ist auch denkbar, dass die in den zeitlichen Abständen At gemessenen Energiemengen durch geeignete
Algorithmen über die Zeit interpoliert und/oder gefiltert werden. Insgesamt entsprechen dabei die Zusammenhänge zwischen dem tatsächlichen Energiemengenverbrauch der jeweiligen Verbraucher und dem vom Ladestations-Controller 13 erfassten Energiemengenverbrauch den Gesetzmäßigkeiten zwischen einem analogen Messsignal und den durch einen Analog-Digital- andler einem Prozessor zugeführten
digitalen Messwerten. Die zeitlichen Abstände At
entsprechen dabei dann der Abtastrate des Analog-Digital- Wandlers. Alle aus der Messtechnik bekannten
Gesetzmäßigkeiten zur Behandlung von analog zu digital gewandelten Messwerten sind daher auf die von dem
Ladestations-Controller verwalteten Energiemengen-Messwerte entsprechend anwendbar, wie beispielsweise die Anti- Aliasing-Filterung, die Bemessung der Abtastrate oder die Prädiktion zukünftiger Messwerte.
Zum Zeitpunkt t3 wird der Verbraucher 2 an die öffentliche Steckdose angeschlossen und wird zum Zeitpunkt t4 von der öffentlichen Steckdose wieder getrennt. Vom Stromnetz 11 wird in dem Zeitraum t4-t3 dabei die Energiemenge
bereitgestellt, die der Fläche unter dem trapezförmigen Verlauf in dem Leistungs-Zeit-Diagramm zwischen den
Zeitpunkten t3 und t4 entspricht. Die Übertragung der SIM- Kennungen von Verbraucher 2 erfolgt über die
Signalübertragungsstrecke 5'. Die gemessenen Energiemengen werden vom Ladestations-Controller 13 auf den
Energiemengenzähler 15' aufaddiert. Ansonsten ist der
Funktionsablauf zu dem bereits mit Bezug zum Verbraucher 1 beschriebenen Funktionsablauf identisch.
Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Signalfluss zwischen SIM- Controller und Ladestations-Controller bei der parallelen Energieversorgung mehrerer Verbraucher. Bei den
Verbrauchern kann es sich beispielsweise um
wiederaufladbare Batterien handeln. Der Unterschied zu dem in Fig. 5 dargestellten Signalfluss besteht darin, dass der Verbraucher 1 und der Verbraucher 2 zum Zeitpunkt ti über einen Verteilerstecker gleichzeitig an die öffentliche Steckdose angeschlossen werden. Beide Verbraucher werden zum Zeitpunkt t4 auch gleichzeitig wieder von der
öffentlichen Steckdose getrennt. Vom Stromnetz 11 wird in dem Zeitraum t4-ti dabei die Energiemenge bereitgestellt, die der Fläche unter dem trapezförmigen Verlauf in dem Leistungs-Zeit-Diagramm zwischen den Zeitpunkten ti und t4 entspricht. Seitens des Stromnetzes 11 kann dabei nicht unterschieden werden, ob die Energiemenge an den
Verbraucher 1 oder an den Verbraucher 2 geliefert wird. Die Unterscheidung erfolgt dadurch, dass in den SIM-Controllern 23 und 23' jeweils SIM-Messeinheiten integriert sind, so wie dies gemäß der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 2 beschrieben ist. Die von den SIM-Messeinheiten erfassten Messwerte werden zusammen mit den SIM-Kennungen über die Signalübertragungsstrecken 5 und 5' an den Ladestations- Controller 13 übertragen und dann vom Ladestations- Controller 13 auf die Energiemengenzähler 15 und 15' entsprechend aufaddiert. Ansonsten ist der Funktionsablauf zu dem bereits mit Bezug zu Fig. 4 beschriebenen
Funktionsablauf identisch.
Die erfindungsgemäße Ladevorrichtung ermöglicht die
Realisierung weiterer Sicherungsmaßnahmen bei der Ladung von wiederaufladbaren Batterien an öffentlichen Steckdosen. Eine wichtige Sicherungsmaßnahme betrifft die Sicherung gegen das unerlaubte Abziehen des Ladekabels während des Ladevorgangs. Diese Sicherung kann vom Benutzer nach dem Starten des Ladevorgangs zusätzlich aktiviert werden.
Soweit es sich um das Laden der Batterie eines Elektroautos handelt, kann die Aktivierung mit dem Abschließen des
Elektroautos und die Deaktivierung mit dem Aufschließen des Elektroautos gekoppelt werden. Falls das Ladekabel bei verschlossenem Elektroauto abgezogen wird, dann kann ein Alarm wie bei einer handelsüblichen Kfz-Diebstahlsicherung ausgelöst werden. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine entsprechende SMS-Nachricht auf das Mobiltelefon des betreffenden Konsumenten gesendet werden. Außerdem ist es denkbar, dass der SIM-Controller gesperrt wird und nur durch Eingabe der PIN des betreffenden Konsumenten wieder aktiviert werden kann.
Wenn die SIM-Kennungen über das Ladekabel übertragen werden, dann kann das Abziehen des Ladekabels sofort und zuverlässig seitens des Ladestations-Controllers erkannt werden, da das Protokoll zur Übertragung der SIM-Kennungen auf unzulässige Weise unterbrochen wird. Wenn die SIM- Kennungen abseits vom Ladekabel übertragen werden, dann muss auf der Strecke des Ladekabels eine zusätzliche
Einheit vorgesehen werden, die das Abziehen des Ladekabels erkennt. Zur Optimierung des Ladevorgangs ist es außerdem
zweckmäßig, dass zwischen dem SIM-Controller 23 und dem Ladestations-Controller 13 Steuersignale ausgetauscht werden, die den Ladevorgang selber betreffen, wie dies beispielsweise in der US 5 049 802 beschrieben ist. Die Steuerung des Ladezustands kann auch in Abhängigkeit von der Zeit erfolgen, um zum Beispiel günstige Nachttarife ausnutzen zu können. Außerdem kann der Ladezustand der Batterie zweckmäßigerweise auf das Mobiltelefon des
betreffenden Konsumenten übertragen werden.
Fig. 7 zeigt ein mögliches Authentisierungsprotokoll zwischen dem Ladestations-Controller und dem SIM-Controller mit anschließendem Datenaustausch. Die dargestellten
Komponenten erstrecken sich in gleicher Weise wie in den Ausführungsformen der Figuren 1 - 4 wieder auf eine
Ladevorrichtung für eine wiederaufladbare Batterie. Gleiche Komponenten sind daher wieder mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Als Authentifikations-Mittel ist in dem SIM-Controller 23 eine Chipkarte vorgesehen. Zweck der Authentisierung ist es, dass sowohl der Ladestations-Controller 13 und der SIM- Controller 23 feststellen, ob der jeweils andere
Kommunikationspartner ein echter Kommunikationspartner ist. Hierzu müssen beide Kommunikationspartner einen gemeinsamen Schlüssel besitzen, der mithilfe des
Authentisierungsverfahrens generiert und überprüft wird. Dieser Schlüssel wird im Folgenden hier als Key bezeichnet.
Eine Key-Authentisierung ist wesentlich sicherer als eine einfache PIN-Überprüfung . Bei einer PIN-Überprüfung wird die sogenannte PIN lediglich im Klartext zur Chipkarte gesendet, sodass ein Angreifer durch Abhören sehr einfach die PIN erfahren kann. Bei der Key-Authentisierung ist es hingegen nicht möglich, durch Abhören der
Signalübertragungsstrecke den gemeinsamen Key
herauszufinden.
Die Key-Authentisierung von Geräten ist grundsätzlich bekannt und ist beispielsweise in der Normenreihe ISO/IEC 9798 beschrieben. Hinsichtlich der Art der Authentisierung wird vor allem zwischen dem jeweils verwendeten Algorithmus (z.B. symmetrisch, asymmetrisch) und der
Übertragungsrichtung (einseitig, gegenseitig)
unterschieden .
Das in der Fig. 7 dargestellte Protokoll basiert auf der gegenseitigen symmetrischen Authentisierung mit dem
sogenannten Challenge-Response-Verfahren, wie diese durch den Befehl MUTUAL AUTHENTICATE nach ISO/IEC 7816-8
realisiert werden kann. Dabei stellt der eine
Kommunikationspartner dem Gegenüber eine zufällig erzeugte Frage (Challenge) . Der Gegenüber berechnet mit einem
Algorithmus eine Antwort und sendet sie an den Fragesteller zurück (Response) . In dem Protokoll gemäß Fig. 7 wird die Challenge zuerst von dem Ladestations-Controller 13
erzeugt. Der Key der gesamten Signalübertragung berechnet sich dabei aus der Kartennummer der Chipkarte und dem
Hauptschlüssel, der dem Ladestations-Controller 13 bekannt ist .
Die beschriebene Funktionalität der Authentisierung wird im Folgenden aus der Sicht der Ladestation 10 nur mit Bezug auf den Ladestations-Controller 13 beschrieben. Wie aber bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erwähnt, kann sich die Funktionalität in entsprechender Weise auch auf den Ladestations-Controller 13 und ein weiter entfernt gelegenes Authentifikations- Center 14 verteilen.
Zuerst wird von dem Ladestations-Controller 13 mit dem Steuersignal 31 die Kartennummer des SIM-Controllers 23 angefordert (Befehl GET CHIP NUMBER) .
Nachdem der Ladestations-Controller 13 mit dem Steuersignal 32 die Kartennummer erhalten hat, berechnet der
Ladestations-Controller 13 anhand des im Ladestations- Controller 13 vorhandenen Hauptschlüssels den individuellen Authentisierungsschlüssel der Chipkarte, der dann als Key für die gesamte Signalübertragung verwendet wird. Mit dem Steuersignal 33 fordert der Ladestations-Controller 13 außerdem von dem SIM-Controller 23 eine Zufallszahl an (Befehl ASK RANDOM) .
Diese Zufallszahl Z_SIM wird von dem SIM-Controller 23 mit dem Steuersignal 34 an den Ladestations-Controller 13 gesendet. Nach Erhalt der Zufallszahl Z_SIM erzeugt der Ladestations-Controller 13 zusätzlich die Zufallszahl Z_LS .
Im nächsten Schritt setzt der Ladestations-Controller 13 die Zufallszahlen Z_LS und Z_SIM hintereinander,
verschlüsselt sie mit dem Key und sendet diesen Block mit dem Steuersignal 35 zum SIM-Controller 23. Der SIM- Controller 23 kann den erhaltenen Block entschlüsseln und prüfen, ob die zuvor an den Ladestations-Controller 13 gesendete Zufallszahl mit der zurückerhaltenen
übereinstimmt. Ist dies der Fall, weiß der SIM-Controller 23, dass der Ladestations-Controller 13 den geheimen Key besitzt. Damit ist der Ladestations-Controller 13 gegenüber dem SIM-Controller 23 authentisiert . Im letzten Schritt der Authentisierung vertauscht der SIM- Controller die beiden Zufallszahlen, verschlüsselt sie mit dem geheimen Key und schickt das Ergebnis mit dem
Steuersignal 36 zum Ladestations-Controller 13. Der
Ladestations-Controller 13 entschlüsselt den erhaltenen Block und vergleicht die zuvor an den SIM-Controller 23 gesendete Zufallszahl mit der erhaltenen. Stimmt diese mit der vormals gesendeten überein, so ist auch der SIM- Controller 23 gegenüber dem Ladestations-Controller 13 authentisiert . Damit ist die gegenseitige Authentisierung abgeschlossen .
Nach der Authentisierung können zwischen dem Ladestations- Controller 13 und dem SIM-Controller 23 auf sichere Weise Datenpakete D_SIM bzw. D_LS ausgetauscht werden, die jeweils mit dem geheimen Key verschlüsselt werden, so wie dies mit den Steuersignalen 37, 38 und 39 in Fig. 7
dargestellt ist. Um die Sicherheit weiter zu erhöhen, ist es auch möglich, dass der Key nach jeder Übertragung eines Steuersignals nach einem bestimmten Schema weiter verändert wird. Beispielsweise kann der Key nach jeder Übertragung eines Steuersignals jeweils um 1 inkrementiert werden, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist.
Seitens des SIM-Controllers 23 werden an den Ladestations- Controller 13 erfindungsgemäß vor allem die SIM-Kennungen übertragen. Als SIM-Kennung kann beispielsweise eine bestimmte Nummer vereinbart werden. Im Allgemeinen ist die Art der SIM-Kennung aber beliebig, da jede mit dem Key verschlüsselte Kennung eine systemweit eindeutige Kennung darstellt und damit als SIM-Kennung geeignet ist. Die SIM- Kennung kann demnach auch veränderlich ausgestaltet sein. Beispielsweise kann es sich um einen bestimmten Zählerstand handeln, der nach jeder Übertragung um 1 inkrementiert wird. Entscheidend für die SIM-Kennung ist lediglich, dass der Ladestations-Controller 13 die empfangene und mit dem Key entschlüsselte Kennung als SIM-Kennung erkennt und daraufhin die zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder neu
auszutauschende Energiemenge auf einen der SIM-Kennung zugeordneten Energiemengenzähler aufaddiert.
Im Folgenden wird die zeitliche Dimensionierung des in Fig. 7 dargestellten Datenprotokolls anhand von exemplarischen Zahlenwerten weiter erläutert.
Wenn man davon ausgeht, dass die Datenübertragung über ein angeschlossenes Ladekabel mit der bereits erwähnten PLC- Technik erfolgt, dann lassen sich mit dieser Technologie Taktraten im Bereich von einigen MHz realisieren. Der
Verbindungsaufbau im Rahmen des Befehls MUTUAL AUTHENTICATE dauert dann je nach der installierten Rechenleistung im Ladestations-Controller 13 und im SIM-Controller 23 einige Sekunden (z.B. 4 Sekunden). Während dieser Verzögerungszeit können grundsätzlich auch nicht authentisierte Verbraucher an den Ladestations-Controller 13 angeschlossen sein und minimale Mengen von Energie beziehen, bis der Ladestations- Controller 13 die mangelnde Befugnis erkannt hat und über einen entsprechenden Schalter die Energieversorgung sperrt. Dieser minimale Verlust wird vom System üblicherweise toleriert. Es ist aber denkbar, dass bei einem wiederholten unbefugten Gebrauch der Ladestations-Controller die
Energieversorgung dauerhaft sperrt und die unbefugte
Benutzung dann an das Authentifikations-Center 14 meldet.
Nach der erfolgten Authentisierung müssen im Rahmen der übertragenen Datenpakete in einem weiteren Schritt die zeitlichen Abstände At zwischen den SIM-Kennungen
erfindungsgemäß derart bemessen sein, dass die in einem zeitlichen Abstand At zwischen der Ladestation 10 und der SIM-Station 20 über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge unterhalb einer
vorgegebenen Messauflösung des Energiemengenzählers liegt.
Im Folgenden wird die Dimensionierung der zeitlichen
Abstände At anhand eines Ladevorgangs eines
Elektrofahrzeugs exemplarisch erläutert. Als
Elektrofahrzeug wird ein zweitüriges Kleinfahrzeug mit einer Leistung von 30 kW zugrunde gelegt. Die
Batteriekapazität betrage 16 kWh. Seitens des Ladestations- Controllers wird für den Ladevorgang eine übliche
Haushaltssteckdose mit 220V/16A zur Verfügung gestellt. Für eine komplette Voll-Ladung der Fahrzeugbatterie werden bei Verwendung dieser Haushaltssteckdose 8 Stunden benötigt. Wenn man vereinfachend annimmt, dass der Energieaustausch über die Zeit gleich verteilt ist, dann wird die
Fahrzeugbatterie mit einer gleichbleibenden Leistung von 2 kW geladen. Für das Laden der Fahrzeugbatterie pro Stunde wird also eine Energiemenge Estunde von 2 kWh bzw. 2000 Wh ausgetauscht .
Die geforderte Auflösung des Energiemengenzählers AEmax betrage nunmehr 0,5 Wh. Wenn man einen Preis für die
Kilowatt-Stunde von beispielsweise 25 Cent annimmt, dann entspricht dies einer preislichen Auflösung von 0,0125 Cent. Damit gilt für den maximalen zeitlichen Abstand At,
Atmax = — -3600 Sekunden = 0,9 s
^Stunde
Wenn der Ladestations-Controller 13 die Energiemenge EStunde laufend bestimmt, dann ist es optional auch möglich, Atmax laufend anzupassen und zu optimieren. Diese Optimierung ist auch für weitere Verbraucher möglich, die zusätzlich zu einem bereits bestehenden Verbraucher angeschlossen werden. Wenn man hier beispielsweise annimmt, dass an den in Fig. 2 dargestellten Verteilerstecker 1 jetzt neben dem
Elektroauto ein Notebook angeschlossen wird, dann ist es selbstverständlich möglich, den Ladevorgang des Notebook- Akkus parallel mit einem anderen Wert von Atmax zu steuern.
Die Kapazität des Notebook-Akkus betrage 80 Wh. Für eine komplette Voll-Ladung wird eine Stunde benötigt. Wenn auch hier wieder der Energieaustausch über die Zeit gleich verteilt ist, dann erfolgt der Ladevorgang mit einer gleichbleibenden Leistung von 80 W. Für das Laden des Akkus wird also pro Stunde eine Energiemenge Estunde von 80 Wh ausgetauscht. Bei einer geforderten Auflösung des
Energiemengenzählers AEmax von erneut 0,5 Wh gilt damit für den maximalen zeitlichen Abstand Atraax:
ΔΕ
Atmax = — -3600 Sekunden = 22,5 s
^Stunde
Würde man dagegen beim Laden des Notebook-Akkus den für das Elektrofahrzeug berechneten Wert von At=0,9 s verwenden, dann müssten hierfür unnötige Rechenkapazitäten
bereitgestellt werden.
Welche Messauflösung mit Bezug auf den Energiemengenzähler vorgegeben wird, kann von gesetzlichen Vorgaben genauso abhängen wie vom konkreten Anwendungsfall. Es ist auch denkbar, dass zunächst die preisliche Auflösung vorgegeben wird und dass daraus dann die Messauflösung des
Energiemengenzählers ermittelt wird. Beispielsweise kann man 1 Cent als preisliche Auflösung fordern. Wenn man auch hier einen Preis für die Kilowatt-Stunde von 25 Cent annimmt, dann müsste die geforderte Auflösung des
Energiemengenzählers AEmax mindestens 40 Wh betragen. Die oben berechneten zeitlichen Abstände Atmax erhöhen sich damit noch einmal beträchtlich.
Für das Laden der Fahrzeugbatterie wird pro Stunde auch hier eine Energiemenge Estunde von 2 kWh bzw. 2000 Wh
ausgetauscht. Damit gilt jetzt für den maximalen zeitlichen Abstand Atmax beim Laden der Fahrzeugbatterie:
Atmax = =^-3600 Sekunden = 72 s
'-'Stunde
Beim Notebook-Akku erfolgt der Ladevorgang dagegen mit einer Energiemenge EStunde von 80 Wh. Damit gilt nunmehr Laden des Notebook-Akkus für den maximalen zeitlichen
Abstand Atmax:
Atmax = =^-3600 Sekunden = 1800 s = 30 min
^Stunde
Zwischen dem Empfang zweier SIM-Kennungen kann der
zeitliche Abstand At beim Laden des Notebook-Akkus also bis zu 30 min betragen, um noch eine preisliche Auflösung von 1 Cent zu erreichen.
Beim Empfang einer SIM-Kennung wird eine ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge auf einen der SIM-Kennung zugeordneten Energiemengenzähler aufaddiert. Handelt es sich beim Aufaddieren dabei um die Energiemenge, die vor dem Empfang der aktuellen SIM-Kennung seit der letzten SIM- Kennung geliefert wurde, dann wird dies als Danach- Bezahlung bezeichnet. Handelt es sich dagegen beim
Aufaddieren um die Energiemenge, die nach dem Empfang der SIM-Kennung voraussichtlich bis zur nächsten SIM-Kennung geliefert werden wird, dann wird dies als Vorab-Bezahlung bezeichnet . Wenn die zeitlichen Abstände At derart gewählt sind, dass die preisliche Auflösung deutlich unter 1 Cent liegt, dann sind zwischen der Danach-Bezahlung und der Vorab-Bezahlung kaum Unterschiede feststellbar. Wenn dagegen die zeitlichen Abstände At derart gewählt sind, dass die preisliche
Auflösung 1 Cent übersteigt, dann ist der Betreiber des Stromnetzes zunehmend an einer Vorab-Bezahlung
interessiert, während der Benutzer zunehmend die Danach- Bezahlung bevorzugen wird.
Beide Varianten können allerdings unabhängig von der Wahl der zeitlichen Abstände At sowohl für den Betreiber als auch für den Benutzer akzeptabel und vorteilhaft
ausgestaltet werden, wenn der Datenaustausch auf der
Signalübertragungsstrecke nach dem Grundprinzip der
digitalen Signatur durchgeführt wird.
Eine digitale Signatur ist ein kryptografisches Verfahren, beim dem zu einer Nachricht bzw. zu bestimmten Daten eine Zahl berechnet wird. Mit der digitalen Signatur ist es dabei möglich, dass die Urheberschaft und die Zugehörigkeit der Daten sicher überprüft werden kann, auch wenn die Daten selber unverschlüsselt übertragen werden. Die Speicherung und die Benutzung des geheimen Signaturschlüssels erfolgt seitens des Benutzers in der Regel mit einer Chipkarte. Für diese auch als Signaturkarte bezeichnete Chipkarte gelten im Zusammenhang mit der digitalen Signatur die
internationalen Normen ISO/IEC 7816-4 und ISO/IEC 7816-8. Für das Authentisierungsverfahren zwischen der
Signaturkarte und der äußeren Umgebung gilt außerdem die Norm ISO/IEC 14888. Darüber hinaus ist es im Allgemeinen üblich, dass eine digitale Signatur gemäß dem X.509 ITU-T- Standard übertragen wird. Fig. 8 zeigt ein mögliches Datenprotokoll mit einer Vorab- Bezahlung nach dem Grundprinzip der digitalen Signatur. Die dargestellten Komponenten erstrecken sich in gleicher Weise wie in den Ausführungsformen der Figuren 1 - 4 wieder auf eine Ladevorrichtung für eine wiederaufladbare Batterie. Gleiche Komponenten sind daher wieder mit gleichen
Bezugsziffern bezeichnet.
Das Verfahren der digitalen Signatur unterliegt
gesetzlichen Rahmenbedingungen. Viele Signaturgesetze (z.B. das deutsche Signaturgesetz) fordern dabei den Betrieb einer unabhängigen Zertifizierungsstelle, die von der zuständigen Behörde genehmigt werden muss. Diese
Zertifizierungsstelle wird in Fig. 8 als Trust-Center 14a bezeichnet .
Zum Aufbau des Datenprotokolls muss zunächst die
Signalübertragungsstrecke zwischen dem Ladestations- Controller 13 und dem SIM-Controller 23 physikalisch hergestellt sein. Dies erfolgt in der Weise, wie dies anhand der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 - 4
beschrieben wurde, bei einer Übertragung über das Ladekabel also zum Beispiel durch Einstecken des Ladekabels.
Sodann werden zum weiteren Aufbau des Datenprotokolls die im Folgenden beschriebenen Schritte 1 - 4 mit dem Ziel durchgeführt, die sogenannten Zertifikate des Ladestations- Controllers 13 und des SIM-Controllers 23 zu validieren. Die gültigen Zertifikate bestätigen, dass der jeweils andere Kommunikationspartner ein echter
Kommunikationspartner ist. Außerdem werden die validierten Zertifikate benötigt, um die später ausgetauschten
digitalen Signaturen zu überprüfen. Die Schritte 1 - 4 sind in Fig. 8 nicht weiter dargestellt und laufen im Einzelnen wie folgt ab:
1. Sitzungsanfrage des SIM-Controllers 23 beim
Ladestations-Controller 13.
In diesem Schritt wird die generelle Zulässigkeit' zum Aufbau eines Datenprotokolls überprüft. Die Anfrage des SIM-Controllers 23 enthält dabei zum Beispiel die folgenden Informationen:
Kennung des gewünschten Authentifikations-Centers 14, d.h. der gewünschte Betreiber eines
Stromnetzes .
Energiemenge, die insgesamt voraussichtlich benötigt wird.
Zeitraum, in dem die Energiemenge geliefert werden soll.
2. Weiterleitung der Sitzungsanfrage vom Ladestations- Controller 13 zum Authentifikations-Center 14.
Der Ladestations-Controller 13 ergänzt die
Sitzungsanfrage zunächst um weitere Informationen seines Einzugsbereichs (wie etwa die Anzahl der bereits angeschlossenen SIM-Controller und die aktuell an diese SIM-Controller gelieferte Energiemenge) und leitet die Sitzungsanfrage dann an das gewünschte
Authentifikations-Center 14 weiter. Als Antwort erhält der Ladestations-Controller 13 vom Authentifikations- Center 14 die Bestätigung für die generelle
Zulässigkeit zum Aufbau eines Datenprotokolls (oder in Ausnahmefällen die Ablehnung, z.B. bei einer
Überlastung des Stromnetzes) . 3. Validierung des Zertifikats des Ladestationscontrollers 13.
Der Ladestations-Controller 13 sendet sein Zertifikat an den SIM-Controller 23. Der SIM-Controller 23
validiert das Zertifikat des Ladestations-Controllers 13 mit einem Prüfauftrag, der über die
Signalübertragungsstrecke zum Ladestations-Controller 13 und weiter über die Leitung 7a zum Trust-Center 14a gesendet wird. Das Prüfergebnis wird vom Trust-Center 14a zurück zum SIM-Controller 23 übermittelt.
4. Validierung des Zertifikats des SIM-Controllers 23.
Der SIM-Controller 23 sendet sein Zertifikat an den Ladestations-Controller 13. Der Ladestations-Controller 13 validiert das Zertifikat des SIM-Controllers 23 mit einem Prüfauftrag, der über die Leitung 7a zum Trust- Center 14a gesendet wird. Das Prüfergebnis wird vom Trust-Center 14a zurück zum Ladestations-Controller 13 übermittelt.
Erweisen sich beide Zertifikate als gültig, dann ist das Datenprotokoll zwischen dem Ladestations-Controller 13 und dem SIM-Controller 23 aufgebaut.
Der nunmehr beginnende kontrollierte Energieaustausch mit Vorab-Bezahlung läuft zyklisch ab und beginnt mit einer Anfrage 41 vom SIM-Controller 23 an den Ladestations- Controller 13. Die Anfrage enthält die gewünschte
Energiemenge innerhalb des zeitlichen Abstands At . Die Anfrage 41 wird vom Ladestations-Controller 13 über die Leitung 7 an das Authentifikations-Center 14
weitergeleitet . Wenn die Anfrage 41 vom Authentifikations-Center 14
bestätigt wurde, sendet der Ladestations-Controller 13 ein entsprechendes Angebot 42 an den SIM-Controller 23. Kann die Anfrage 41 vom Authentifikations-Center 14 dagegen nur eingeschränkt bestätigt werden, dann wird das an den SIM- Controller 23 gesendete Angebot 42 vom Ladestations- Controller 13 entsprechend modifiziert. In jedem Fall wird das Angebot mit einer eindeutigen Angebotsnummer verbunden, um den gesamten Bestellvorgang systemweit eindeutig
identifizieren zu können. Die Angebotsnummer kann dabei zum Beispiel nach dem sogenannten GUID-Standard (globally unique identifier) erzeugt werden.
Es ist denkbar, dass die Schritte 41 und 42 mehrfach wiederholt werden, bis der SIM-Controller schließlich ein akzeptables Angebot 42 erhält.
Der SIM-Controller 23 erstellt sodann auf dem empfangenen Angebot 42 eine digitale Signatur 43 und erzeugt dadurch eine Annahme mit Bezahlung. Die beim Ladestations- Controller 13 empfangene digitale Signatur 43 hat dabei die Funktion der erfindungsgemäßen SIM-Kennung. Der
Ladestations-Controller 13 leitet demnach erfindungsgemäß die digitale Signatur 43 über die Leitung 7 an das
Authentifikations-Center 14 weiter. Im Authentifikations- Center 14 wird die digitale Signatur 43 zunächst
verifiziert. Sodann wird die gemäß dem Angebot 42
auszutauschende Energiemenge auf einen Energiemengenzähler 15 aufaddiert, der der digitalen Signatur 43 - also der erfindungsgemäßen SIM-Kennung - zugeordnet ist.
Das Authentifikations-Center 14 bestätigt über die Leitung 7 an den Ladestations-Controller 13 die verbuchte
Energiemenge, woraufhin der Ladestations-Controller 13 die Lieferung 44 der vereinbarten Energiemenge in der
vereinbarten Zeit At durchführt.
Soweit auch der SI -Controller 23 über einen
Energiemengenzähler verfügt, wie dies anhand von Fig. 2 bzw. Fig. 4 beschrieben wurde, findet im Schritt 45 eine Kontrolle statt, und zwar zeitlich parallel zu der
Lieferung 44. Hierzu fordert der Ladestations-Controller 13 von dem SIM-Controller 23 den aktuellen Zählerstand der SIM-Messeinheit 29 an und vergleicht diesen Zählerstand mit dem Zählerstand der eigenen Ladestations-Messeinheit 19. Falls die festgestellte Differenz einen vorgegebenen Betrag überschreitet, kann eine komplette oder teilweise
Rückabwicklung der überschüssigen Bezahlung auf der
Grundlage der systemweit eindeutigen Angebotsnummer
erfolgen. Überschüssige Lieferungen werden dagegen
grundsätzlich zu Lasten des Betreibers des Stromnetzes verbucht und können zu einer Abschaltung durch Ansteuerung des Leistungsschalters 18 führen.
Nach der erfolgten Kontrolle 45 oder auch bereits zeitlich parallel dazu beginnen die Schritte 41 - 45 wieder von vorn mit einer neuen Anfrage 41 des SIM-Controllers 23. Bevor die aktuelle Lieferung 44 abgeschlossen ist, liegt auf diese Weise beim Ladestations-Controller 13 bereits wieder eine Bestätigung für die nächste Lieferung vor, sodass die nächste Lieferung nahtlos beginnen kann, sobald die
aktuelle Lieferung 44 abgeschlossen ist. Bei Störungen im gesamten Ablauf verfügt der Ladestations- Controller 13 über die anhand von Fig. 2 und Fig. 4 beschriebene Abschaltungsmöglichkeit durch Ansteuerung des Leistungsschalters 18. Mögliche Ursachen für eine
Abschaltung können sein: Der SIM-Controller 23 beantwortet die Anfrage des
Ladestations-Controllers 13 nach Ablesen des
Zählerstands nicht, z.B. aufgrund einer Trennung der Signalübertragungsstrecke .
Die Zählerstande der Ladestations-Messeinheit 19 und der SIM-Messeinheit 29 weichen zu stark voneinander ab.
Der SIM-Controller 23 beantwortet das Angebot 42 des Ladestations-Controllers 13 nicht.
Die digitale Signatur 43 des SIM-Controllers 23 ist ungültig . Sobald der SIM-Controller 23 schließlich in einer Anfrage 41 oder auch in einer digital signierten Ablehnung eines Angebots 42 anzeigt, dass die Lieferung der gewünschten Energiemenge abgeschlossen ist, leitet der Ladestations- Controller 13 einen ordentlichen Abbau des Datenprotokolls ein.
Fig. 9 zeigt ein mögliches Datenprotokoll mit einer Danach- Bezahlung nach dem Grundprinzip der digitalen Signatur. Die dargestellten Komponenten erstrecken sich in gleicher Weise wie in den Ausführungsformen der Figuren 1 - 4 wieder auf eine Ladevorrichtung für eine wiederaufladbare Batterie. Gleiche Komponenten sind daher wieder mit gleichen
Bezugsziffern bezeichnet. Die anhand von Fig. 8 beschriebenen Schritte zum Aufbau und zum Abbau des Datenprotokolls gelten in der gleichen Weise auch bei Fig. 9. Der einzige Unterschied beim
Datenprotokoll gemäß Fig. 9 gegenüber dem Datenprotokoll gemäß Fig. 8 ist der Ablauf der dargestellten Schritte 51 - 56 zur Durchführung einer Danach-Bezahlung . Auch hier laufen die Schritte zyklisch ab und beginnen mit einer Anfrage 51 vom SIM-Controller 23 an den Ladestations- Controller 13. Die Anfrage enthält die gewünschte
Energiemenge innerhalb des zeitlichen Abstands At . Die Anfrage 51 wird vom Ladestations-Controller 13 über die Leitung 7 an das Authentifikations-Center 14
weitergeleitet. Wenn die Anfrage 51 vom Authentifikations-Center 14
bestätigt wurde, sendet der Ladestations-Controller 13 ein entsprechendes Angebot 52 an den SIM-Controller 23. Kann die Anfrage 51 vom Authentifikations-Center 14 dagegen nur eingeschränkt bestätigt werden, dann wird das an den SIM- Controller 23 gesendete Angebot 52 vom Ladestations- Controller 13 entsprechend modifiziert. In jedem Fall wird das Angebot mit einer eindeutigen Angebotsnummer verbunden, um den gesamten Bestellvorgang systemweit eindeutig
identifizieren zu können. Die Angebotsnummer kann dabei zum Beispiel nach dem sogenannten GUID-Standard (globally unique identifier) erzeugt werden.
Es ist denkbar, dass die Schritte 51 und 52 mehrfach wiederholt werden, bis der SIM-Controller schließlich ein akzeptables Angebot 52 erhält.
Der SIM-Controller 23 sendet sodann zur Bestätigung des Angebots 52 die Annahme 53 an den Ladestations-Controller 13, woraufhin der Ladestations-Controller 13 die Lieferung 54 der vereinbarten Energiemenge in der vereinbarten Zeit At durchführt und eine Rechnung an den SIM-Controller 23 sendet .
Der SIM-Controller 23 erstellt sodann auf der empfangenen Rechnung eine digitale Signatur 55 und erzeugt dadurch die SIM-Kennung für die Bezahlung. Die beim Ladestations- Controller 13 empfangene digitale Signatur 55 hat somit die Funktion der erfindungsgemäßen SIM-Kennung. Der
Ladestations-Controller 13 leitet daraufhin erfindungsgemäß die digitale Signatur 55 über die Leitung 7 an das
Authentifikations-Center 14 weiter. Im Authentifikations- Center 14 wird die digitale Signatur 55 verifiziert und dann die gemäß dem Angebot 52 gelieferte Energiemenge auf einen Energiemengenzähler 15 aufaddiert, der der digitalen Signatur 55 - also der erfindungsgemäßen SIM-Kennung - zugeordnet ist.
Soweit auch der SIM-Controller 23 über einen
Energiemengenzähler verfügt, wie dies anhand von Fig. 2 bzw. Fig. 4 beschrieben wurde, findet im Schritt 56 eine Kontrolle statt, und zwar zeitlich parallel zu der
Lieferung 54. Hierzu fordert der Ladestations-Controller 13 von dem SIM-Controller 23 den aktuellen Zählerstand der SIM-Messeinheit 29 an und vergleicht diesen Zählerstand mit dem Zählerstand der eigenen Ladestations-Messeinheit 19.
Falls die festgestellte Differenz einen vorgegebenen Betrag überschreitet, kann eine komplette oder teilweise
Rückabwicklung der überschüssigen Bezahlung auf der
Grundlage der systemweit eindeutigen Angebotsnummer
erfolgen. Überschüssige Lieferungen werden dagegen
grundsätzlich zu Lasten des Betreibers des Stromnetzes verbucht und können zu einer Abschaltung durch Ansteuerung des Leistungsschalters 18 führen. Nach der erfolgten Kontrolle 56 oder auch bereits zeitlich parallel dazu beginnen die Schritte 51 - 56 wieder von vorn mit einer neuen Anfrage 51 des SIM-Controllers 23. Bevor die aktuelle Lieferung 54 abgeschlossen ist, liegt auf diese Weise beim Ladestations-Controller 13 bereits wieder eine Bestätigung für die nächste Lieferung vor, sodass die nächste Lieferung nahtlos beginnen kann, sobald die
aktuelle Lieferung 54 abgeschlossen ist.
Für die anhand von Fig. 8 und Fig. 9 beschriebenen Schritte der Vorab-Bezahlung und der Danach-Bezahlung sind
selbstverständlich verschiedene Varianten denkbar.
Beispielsweise ist es möglich, dass die Anfrage 41 bzw. die Anfrage 51 nur einmalig zu Beginn des gesamten
Datenprotokolls durchgeführt wird, sodass innerhalb der zeitlichen Abstände At direkt mit dem Angebot 42 bzw. dem Angebot 52 begonnen wird.
Bei der Vorab-Bezahlung gemäß Fig. 8 könnte innerhalb der zeitlichen Abstände At sogar auch ganz auf die Anfrage 41 und das Angebot 42 verzichtet werden. Statt dessen wird sofort mit einem Auftrag und mit einer Bezahlung 43
begonnen, infolgedessen dann die Lieferung 44 erfolgt.
Bei der Danach-Bezahlung gemäß Fig. 9 könnten
beispielsweise die Schritte von Angebot 52 und Annahme 53 übersprungen werden. Es ist auch denkbar, dass direkt mit einer Lieferung und einer Rechnung 54 begonnen wird, infolgedessen dann die Bezahlung 55 erfolgt. Die Vorteile des Grundprinzips der digitalen Signatur gemäß Fig. 8 und Fig. 9 gegenüber dem Authentisierungsprotokoll gemäß Fig. 7 bestehen zunächst einmal darin, dass die auf der Signalübertragungsstrecke übertragenen Informationen nicht verschlüsselt werden müssen, da diese Informationen (also Energiemenge, Lieferzeit, etc.) in der Regel nicht vertraulich sind. Entscheidend ist nur, dass die Echtheit der Informationen seitens des Ladestations-Controllers 13 bzw. seitens des SIM-Controllers 23 sicher überprüft werden kann, was nach dem Grundprinzip der digitalen Signatur gegenüber der Key-Authentisierung effektiver möglich ist. Hierdurch können Rechenkapazitäten eingespart werden.
Die Abfolge von Bezahlen und Liefern nach dem Grundprinzip der digitalen Signatur ermöglicht es außerdem, dass die zeitlichen Abstände At und damit auch die vorzugebende Messauflösung des Energiemengenzählers gegenüber der Key- Authentisierung weiter vergrößert werden können, da bei festgestellten Abweichungen eine effektivere Rückabwicklung der überschüssigen Bezahlung möglich ist. Die vorgegebene Messauflösung und damit auch die zeitlichen Abstände At können dann im Prinzip soweit vergrößert werden, wie dies der damit steigende Aufwand der erforderlichen
Rückabwicklungen infolge von festgestellten Abweichungen zwischen der Ladestations-Messeinheit 19 und der SIM- Messeinheit 29 noch zulässt. Neben der erforderlichen
Rückabwicklung müssen dabei auch die Verluste beim
Betreiber des Stromnetzes einkalkuliert werden, die dann entstehen, wenn unbefugte Verbraucher an eine Ladestation 10 angeschlossen werden und innerhalb des zeitlichen
Abstands At zunächst einmal eine bestimmte Energiemenge beziehen können, bevor die mangelnde Befugnis durch die Ladestation 10 festgestellt und die Abschaltung über den Leistungsschalter 18 erfolgen kann.
Die Abfolge von Bezahlen und Liefern nach dem Grundprinzip der digitalen Signatur hat außerdem den Vorteil, dass sämtliche Funktionen eines Smart Grid auf einfache Weise realisiert werden können, wie dies zum Beispiel in US
2008/0281663 AI beschrieben ist. Insbesondere ist es möglich, dass Lieferverzögerungen seitens des Betreibers des Stromnetzes zu Beginn des Datenprotokolls ausgehandelt werden können. Informationen über Art und Umfang der vom Benutzer tolerierten Lieferverzögerung können
beispielsweise in der ersten Sitzungsanfrage des SIM- Controllers 23 enthalten sein, sodass die tatsächliche Lieferung dann unter optimaler Vermeidung von Lastspitzen im Stromnetz erfolgen kann. Der Benutzer kann für die resultierenden Verzögerungen vom Betreiber des Stromnetzes durch besonders günstige Tarife entschädigt werden, sodass eine derartige Lieferung nach dem Prinzip des Smart Grid auch eine Minimierung des Endpreises zur Folge hat, den der Benutzer für die Lieferung zahlen muss.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum kontrollierten Energieaustausch
zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher, mit einer stationären Ladestation zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und einem Versorgungspunkt, wobei die Ladestation einen
Ladestations-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über eine Signalübertragungsstrecke umfasst, und mit einer verbraucherseitig installierten SIM-Station zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Verbraucher und dem besagten Versorgungspunkt, wobei die SIM-Station einen SIM-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über die
Signalübertragungs strecke umfasst , dadurch gekennzeichnet, dass der SIM-Controller in zeitlichen Abständen über die Signalübertragungsstrecke eine der SIM-Station zugeordnete SIM-Kennung an den Ladestations-Controller sendet , dass der Ladestations-Controller bei Empfang einer SIM-Kennung eine zwischen dem Stromnetz und dem
Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge auf einen der SIM- Kennung zugeordneten Energiemengenzähler aufaddiert, und dass die zeitlichen Abstände derart bemessen sind, dass die in einem zeitlichen Abstand zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die
Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen
Messauflösung des Energiemengenzählers liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation eine Ladestations-Messeinheit zum Messen der Energiemenge umfasst, die über die durch die Ladestation führende Energieverbindung
ausgetauscht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, dass die SIM-Station eine SIM- Messeinheit zum Messen der Energiemenge umfasst, die über die durch die SIM-Station führende
Energieverbindung ausgetauscht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der SIM-Station an die Ladestation gesandten Steuersignale die von der SIM-Messeinheit erfassten Messwerte umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestation einen ansteuerbaren Hauptschalter umfasst, der zwischen Stromnetz und Versorgungspunkt geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladestations-Controller die Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und dem Versorgungspunkt durch Ansteuerung des Hauptschalters trennt, wenn die von der Ladestations-Messeinheit erfassten Messwerte im Vergleich zu den von der SIM-Messeinheit erfassten und seitens des SIM-Controllers gesendeten Messwerten eine vorgegebene Abweichung überschreiten.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher eine
wiederaufladbare Batterie ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungspunkt eine Steckdose ist, an die verbraucherseitig ein Ladekabel zum Herstellen der Energieverbindung zur Batterie anschließbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragungsstrecke im Bereich der Steckdose mit dem Ladekabel gekoppelt ist.
10. Verfahren zum Energieaustausch zwischen einem
Stromnetz und einem Verbraucher, bei dem über eine stationäre Ladestation eine
Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und einem Versorgungspunkt hergestellt wird, wobei die
Ladestation einen Ladestations-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über eine
Signalübertragungsstrecke umfasst, und bei dem über eine verbraucherseitig installierte SIM- Station eine Energieverbindung zwischen dem
Verbraucher und dem besagten Versorgungspunkt
hergestellt wird, wobei die SIM-Station einen SIM- Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über die Signalübertragungsstrecke umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der SIM-Controller in zeitlichen Abständen über die Signalübertragungsstrecke eine der SIM-Station zugeordnete SIM-Kennung an den Ladestations-Controller sendet, dass der Ladestations-Controller bei Empfang einer SIM-Kennung eine zwischen dem Stromnetz und dem
Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge auf einen der SIM- Kennung zugeordneten Energiemengenzähler aufaddiert, und dass die zeitlichen Abstände derart bemessen sind, dass die in einem zeitlichen Abstand zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die
Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen
Messauflösung des Energiemengenzählers liegt.
SIM-Station für eine Vorrichtung zum kontrollierten Energieaustausch zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher, wobei die SIM-Station zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Verbraucher und einem stromnet zseitigen Versorgungspunkt geeignet ist und einen SIM-Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über eine Signalübertragungsstrecke umfasst , dadurch gekennzeichnet, dass der SIM-Controller in zeitlichen Abständen über die Signalübertragungsstrecke eine der SIM-Station zugeordnete SIM-Kennung zum Ansteuern eines der SIM- Kennung zugeordneten Energiemengenzählers sendet, und dass die zeitlichen Abstände derart bemessen sind, dass die in einem zeitlichen Abstand zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die
Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen
Messauflösung des Energiemengenzählers liegt.
Stationäre Ladestation für eine Vorrichtung zum kontrollierten Energieaustausch zwischen einem
Stromnetz und einem Verbraucher, wobei die stationäre Ladestation zum Herstellen einer Energieverbindung zwischen dem Stromnetz und einem verbraucherseitigen Versorgungspunkt geeignet ist und einen Ladestations- Controller zum Senden und Empfangen von Steuersignalen über eine Signalübertragungsstrecke umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Signalübertragungsstrecke
empfangenen Steuersignale eine SIM-Kennung umfassen, die dem Verbraucher zugeordnet ist und die in
zeitlichen Abständen in den Steuersignalen enthalten ist, dass der Ladestations-Controller bei Empfang einer SIM-Kennung eine zwischen dem Stromnetz und dem
Verbraucher über die Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge auf einen der SIM- Kennung zugeordneten Energiemengenzähler aufaddiert, und dass die zeitlichen Abstände derart bemessen sind, dass die in einem zeitlichen Abstand zwischen dem Stromnetz und dem Verbraucher über die
Energieverbindung ausgetauschte oder auszutauschende Energiemenge unterhalb einer vorgegebenen
Messauflösung des Energiemengenzählers liegt.
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