WO2022214353A1 - Verfahren und vorrichtung zum vorbereiten einer betankung - Google Patents

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WO2022214353A1
WO2022214353A1 PCT/EP2022/058229 EP2022058229W WO2022214353A1 WO 2022214353 A1 WO2022214353 A1 WO 2022214353A1 EP 2022058229 W EP2022058229 W EP 2022058229W WO 2022214353 A1 WO2022214353 A1 WO 2022214353A1
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Dennis Grewe
Andreas Kneer
Henning Bien
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Stephan Ludwig
Fabien Chmielowiec
Alkis Hodzic
Thomas Keller
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for preparing a refueling.
  • the present invention also relates to a corresponding device, a corresponding computer program and a corresponding storage medium.
  • US2013139897A1 provides a system and method for safely filling hydrogen using real-time hydrogen tank expansion data.
  • the system includes an expansion measurement unit, an on-vehicle control unit, a service station-side control unit, and a wireless communication unit.
  • the expansion measuring unit is arranged on a hydrogen tank of the vehicle and measures the degree of expansion of the hydrogen tank and generates an output signal accordingly.
  • the on-board control unit converts the output signal into a wireless output signal.
  • the forecourt control unit stops hydrogen refilling by a hydrogen filling device when the wireless output signal indicates an unsafe level of tank expansion.
  • the wireless communication unit is provided to carry out wireless data communication between the vehicle-side control unit and the gas station-side control unit.
  • US2020276909A1, US10800281B2 and US2020346554A1 describe further communication systems and methods for hydrogen refueling and charging of electric vehicles.
  • the method proposed in US20130091042A1 and the security system based on it provides security based on geographic location with different levels of access and allows the user to select entities to be protected, geographic locations, geographic boundaries, permissions and access levels for specific geographic locations and geographic boundaries, and security alerts to configure. They make decisions to grant, deny, or assign a specific level of access based on the user's current geographic location and their own configuration for that geographic location or boundary, and send out security alerts.
  • US2018213376A1 discloses a method for configuring so-called V2X communication.
  • US5345599A describes the simultaneous use of an antenna array consisting of several individual antennas at the input and output of a transmission channel for wireless communication.
  • Such transmission systems are known in systems theory as multivariable systems (multiple input multiple output, MIMO).
  • EP1952481B1 discusses a beamforming network (BFN) for a multi-beam array antenna having a plurality of antenna elements.
  • BFN beamforming network
  • the invention provides a method for preparing a refueling, a corresponding device, a corresponding computer program and a corresponding machine-readable storage medium according to the independent claims.
  • the approach according to the invention is based on the knowledge that the accelerated refueling of hydrogen gas, for example, should take into account the thermodynamics of the refueling process and should therefore regulate the process in a closed manner. For reasons of (functional and general) Safety the values for maximum temperature and maximum pressure specified for the tank container are not exceeded at any time.
  • a conventional unidirectional infrared connection from the vehicle to the fuel pump is severely impaired by scratches on the transmitting or receiving optics and by ice formation around the fuel nozzle or nozzle and is therefore affected by failures in practice, which makes accelerated refueling impossible.
  • such a unidirectional connection does not provide for a return channel from the fuel pump to the vehicle, so that the supported fueling processes cannot be called up and therefore no agreement can be reached on a process that is optimal for the present combination of vehicle and fuel pump.
  • the proposed method also takes into account the fact that metallic contacts, which are essential for wired communication, should be avoided when refueling with hydrogen, especially in the vicinity of the tank coupling, because any sparks here could ignite the hydrogen gas explosively.
  • Wireless (radio-based) communication is therefore preferable to wired communication to protect the filling station from explosions.
  • radio due to the unimpeded propagation of the radio waves, the use of radio involves special challenges that are overcome according to the invention.
  • a triggering event is required to activate the overall process.
  • the radio link must transmit data so reliably that the functional and general safety of the refueling can be guaranteed.
  • third parties who are within radio range of the vehicle or fuel pump should not be able to interfere with or manipulate the process, for example through jamming or overload attacks (denial of service, DoS).
  • DoS denial of service
  • the radio connection must be information and operationally secure before refueling.
  • the method described below achieves this goal regardless of the radio technology, filling station infrastructure and hardware used. It is also independent of the technology used for location determination and can be used for refueling any fuel (gaseous or liquid) as well as charging electric vehicles.
  • a basic idea of the proposed solution is that several antennas on the vehicle or fuel pump generate different radio signals or modulate a carrier signal and send it out in a targeted manner, so that data can be transmitted digitally between the vehicle and fuel pump or the vehicle and associated fuel pump can be mutually located.
  • communication can take place in both directions, with the respective radio transmitter having one or more (transmitting) antennas and the receiver tuned to it having several (receiving) antennas, with which it can locate the transmitter.
  • a main advantage of this use of a multi-antenna system is that due to its possible directional effect, the radio signals can be bundled exclusively to the receiver if required and can only be detected by the receiver from a narrowly defined preferred direction, which increases the security against interference and eavesdropping.
  • the method according to the invention can advantageously be combined with a location-dependent authorization of the other party.
  • IT security and functional security can be increased at low cost, since the necessary components are available on the market in great variety and some are already provided in gas stations or vehicles, so that they can be reused within the process without any significant additional design effort .
  • the vehicle and the fuel pump mutually authenticate and authorize each other for the fueling process. This in turn enables automated refueling processes and billing. In this way, it can also be ensured that the vehicle and fuel pump are compatible with each other because they meet the functional safety requirements set by both parties and verified by communication.
  • the vehicle and fuel pump secure their radio communication - for example by exchanging a cryptographic key - with regard to possible tapping or manipulation attempts and other attacks by third parties, despite a jamming or denial-of-service attack still rudimentary communicate with each other and maintain makeshift system operation or transmit a signal to meet functional safety requirements, e.g. B. a dead man or so-called keepalive signal.
  • FIG. 1 shows the preparation and initialization phase of a refueling according to a first embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of a control device according to a second embodiment.
  • a refueling scenario at a gas station where a fuel cell vehicle is to be refueled with gaseous hydrogen, for example, is considered as an example.
  • the method is applicable to all types of fuels (gaseous, liquid, cryogenic, etc.) and to charging electric vehicles.
  • a conventional, partially automated or autonomous refueling vehicle drives to the vehicle to be refueled and refuels it.
  • the method can be combined with any other IT security or functional safety method.
  • characteristics of security features for example the values for pressure and temperature in the tank container, are transmitted via radio technology before, during or after the refueling process. It is conceivable that at least part of this data transmission will have to meet increased requirements for IT security and functional safety.
  • FIG. 1 shows the method (10) according to the invention for preparing such a refueling.
  • the start of communication is triggered on both sides--at the gas station and at the vehicle--by coincident or different events (11, 12).
  • the removal (11) of the fuel nozzle from its holder, the vehicle driving over a contact or the triggering of a light barrier, on the part of the vehicle, for example, a command input or the opening (12) of the fuel filler cap come into consideration.
  • the fuel pump and vehicle--the latter preferably after activating an immobilizer (13)--independently of one another carry out a leak test (14) of their own system. If the test (14) is passed, the method (10) is continued by releasing (15) a tank valve for refueling. Then both couple (16). systems with each other in order to establish an information-secure (17) and operationally secure (18) connection.
  • This information can include querying a database, which is managed locally by one of the partners or by a remote server via an Internet connection via mobile communications, Ethernet or similar.
  • the fuel pump and vehicle negotiate a relevant data transmission protocol for the user data of the refueling process (20) and determine which - possibly standardized - thermodynamic refueling protocol and method are to be used.
  • the refueling parameters (21) are then exchanged, in the course of which, for example, the tank container types are checked for compatibility with regard to their material, shape, etc.
  • a plan for refueling is drawn up, about which the participants inform each other using the established connection (22).
  • Steps (11-22) of method (10) are preferably checked for successful execution by self-tests and plausibility checks. If the check is successful, the method (10) is continued with the next step in each case; Otherwise, those involved - the driver, for example, through a display in the vehicle or at the fuel pump, the gas station staff through a monitor display in the gas station monitoring system - are informed about the error so that they can rectify it.
  • the localization can e.g. B. be done in that the transmitter emits special radio signals (training sequences).
  • the receiver detects the transit time from the transmitter to the receiver, or the difference in transit times between multiple matching pairs, and uses multilateration or angulation to locate the transmitter relative to the receiver. Alternatively, according to the above method to determine the angle of incidence of the radio wave in the receiver.
  • the distance between transmitter and receiver can also be determined by the latter by measuring the channel impulse response or a mathematical transformation such as the transfer function. Likewise, the distance can be derived from the received signal strength indicator (RSSI) or other channel quality indicators.
  • RSSI received signal strength indicator
  • any combination of the measures mentioned can be considered in order to increase the overall accuracy of the position determination by merging different measured variables.
  • the transmission and reception directions are focused using complex, multiplicative factors in the various transmission and reception branches to and from each antenna by way of MIMO precoding and detection. This multiplication can take place digitally or analogously at different points on the signal path.
  • a phase rotation for beam shaping or pivoting (beam steering) should also be considered, for example using a phased array antenna.
  • Test or measurement signals that are used anyway for data transmission can also be used for these purposes in order to minimize the additional load on the transmission channel due to the measures mentioned.
  • Both the fuel pump or filling station and the vehicle can act as transmitters or receivers. It is particularly expedient to set up a bidirectional connection, which requires that the vehicle and fuel pump or station each have a transmitting and receiving device. On the part of the gas station z.
  • a single MIMO system with 30 or more antennas in the microwave range can be used, which - preferably simultaneously and in the same frequency band - serves all fuel stations individually with transmitted data, receives them individually and localizes the respective vehicle transmitters at the fuel stations.
  • only one system is required for the entire filling station to ensure the safety of the process.
  • the vehicle and fuel pump exchange a mutual identification number (ID) via the radio signals, by means of which they can connect to each other (16) and radio signals can clearly identify the respective counterpart.
  • ID mutual identification number
  • ID is universally unique, then - e.g. B. by a database query - more information about capabilities and other characteristics of the vehicle or fuel pump can be retrieved.
  • a cryptographic feature is transmitted during radio transmission, e.g. B. a public key of an asymmetric encryption method, the parties can then authenticate each other by radio and authorize specific actions.
  • a session key can be agreed for a symmetrical cryptosystem for setting up an information-secure radio connection (17).
  • an initial key or a scalar initialization value (seed) or a corresponding vector can be transmitted, from which a key for a symmetric cryptosystem can be derived using another secret known to both sides.
  • the partners can e.g. B. mutually prove by querying another trustworthy central database that they have certain knowledge necessary for the refueling process, without revealing the latter themselves.
  • the other party can provide evidence that it or its system meets standardized functional safety requirements.
  • a conventional challenge-response procedure can be initiated, e.g. B. the request (challenge) directed and the response (response) is transmitted undirected or vice versa.
  • a keepalive mechanism can be implemented in which at least one side periodically transmits radio signals with the same or varying period duration and the other side checks these signals and switches to a safe state if they fail to appear or deviate from a given reference signal.
  • any non-directional radio communication e.g. B. be affected by intentional or unintentional jamming or overload attacks
  • the other person can be informed about the situation via the directed radio signals and an alternative radio channel can be coordinated.
  • the identification or other status information about the process can be shown on a display in the vehicle or on a display on the fuel pump
  • the aforementioned methods may be combined with other sensor data, e.g. B. a video image recorded to capture the vehicle environment. If a corresponding system recognizes a fuel pump, it can establish contact via a radio beam aimed at it.
  • sensor data e.g. B. a video image recorded to capture the vehicle environment. If a corresponding system recognizes a fuel pump, it can establish contact via a radio beam aimed at it.
  • Additional measures can be implemented in the context of the basic procedure described (10).
  • vehicles of different types or manufacturers individual vehicles or antennas can be differentiated on the basis of certain high-frequency characteristics--particularly by using the spatial diversity of the antennas. These characteristics can be saved and used to identify vehicles at a to recognize another refueling process and thus to accelerate the coupling (16).
  • PAF physically unclonable function
  • This method (10) can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit (30), as the schematic illustration in FIG. 2 illustrates.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Loading And Unloading Of Fuel Tanks Or Ships (AREA)

Abstract

Verfahren (10) zur Vorbereitung einer Betankung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - ein erster Teilnehmer und ein zweiter Teilnehmer der Betankung übertragen mittels Gruppenantennen ein Funksignal und - das Signal wird zumindest vom zweiten Teilnehmer zur Vorbereitung der Betankung herangezogen.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Vorbereiten einer Betankung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorbereitung einer Betankung. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
Stand der Technik
US2013139897A1 stellt ein System und ein Verfahren zum sicheren Befüllen von Wasserstoff unter Verwendung von Echtzeit-Wasserstofftank-Ausdehnungsdaten bereit. Das System umfasst eine Ausdehnungs-Messeinheit, eine fahrzeugseitige Steuereinheit, eine tankstellenseitige Steuereinheit und eine drahtlose Kommunikationseinheit. Die Ausdehnungs-Messeinheit ist auf einem Wasserstofftank des Fahrzeugs angeordnet und misst den Grad der Ausdehnung des Wasserstofftanks und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal. Die fahrzeugseitige Steuereinheit wandelt das Ausgangssignal in ein drahtloses Ausgangssignal um. Die tankstellenseitige Steuereinheit stoppt das Wasserstoffnachfüllen durch eine Wasserstoff- Füllvorrichtung, wenn das drahtlose Ausgangssignal einen unsicheren Grad der Tankausdehnung anzeigt. Die drahtlose Kommunikationseinheit ist vorgesehen, um eine drahtlose Datenkommunikation zwischen der fahrzeugseitigen Steuereinheit und der tankstellenseitigen Steuereinheit durchzuführen.
US2020276909A1, US10800281B2 und US2020346554A1 beschreiben weitere Kommunikationssysteme und Verfahren zur Wasserstoffbetankung und Aufladung von Elektrofahrzeugen. Die in US20130091042A1 vorgeschlagene Methode und das darauf beruhende Sicherheitssystem bieten eine auf dem geografischen Standort basierende Sicherheit mit unterschiedlichen Zugriffsebenen und ermöglichen es dem Benutzer, zu schützende Einheiten auszuwählen, geografische Standorte, geografische Grenzen, Berechtigungen und Zugriffsebenen für bestimmte geografische Standorte und geografische Grenzen sowie Sicherheitswarnungen zu konfigurieren. Sie treffen anhand des aktuellen geografischen Standortes des Benutzers und dessen eigener Konfiguration für diesen geografischen Standort oder dessen Grenze die Entscheidung, Berechtigungen zu erteilen, zu verweigern oder eine bestimmte Zugriffsebene zuzuweisen, und senden Sicherheitswarnungen aus.
US2018213376A1 offenbart ein Verfahren zur Konfiguration sogenannter V2X-Kommunikation.
US5345599A beschreibt die gleichzeitige Nutzung einer Gruppenantenne {antenna array) aus mehreren Einzelantennen an Ein- und Ausgang eines Übertragungskanals zur drahtlosen Kommunikation. Derlei Übertragungssysteme sind in der Systemtheorie als Mehrgrößensysteme ( multiple input multiple output, MIMO) bekannt.
EP1952481B1 erörtert ein Strahlformungsnetz ( beamforming network, BFN) für eine Mehrstrahl-Gruppenantenne mit einer Mehrzahl von Antennenelementen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Vorbereitung einer Betankung, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes maschinenlesbares Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Der erfindungsgemäße Ansatz fußt auf der Erkenntnis, dass das beschleunigte Tanken zum Beispiel von Wasserstoffgas die Thermodynamik des Betankungsvorgangs berücksichtigen und damit den Vorgang geschlossen regeln sollte. Dabei dürfen aus Gründen der (funktionalen und allgemeinen) Sicherheit die für den Tankbehälter festgelegten Werte für Maximaltemperatur und Maximaldruck zu keiner Zeit überschritten werden.
Bekannte Verfahren zur Übertragung von Daten vom Fahrzeug zur Tanksäule weisen in dieser Hinsicht verschiedene Nachteile auf. So wird eine herkömmliche unidirektionale Infrarotverbindung des Fahrzeuges zur Tanksäule durch Kratzer auf der Sende- oder Empfangs-Optik sowie durch Eisbildung um den Tankrüssel oder -stutzen stark beeinträchtigt und ist deshalb in der Praxis von Ausfällen betroffen, was ein beschleunigtes Betanken vereitelt. Eine solche unidirektionale Verbindung sieht zudem keinen Rückkanal von der Tanksäule zum Fahrzeug vor, sodass kein Abruf der unterstützten Tankverfahren und somit keine Einigung auf ein für die vorliegende Kombination von Fahrzeug und Tanksäule optimales Verfahren stattfinden kann.
Die vorgeschlagene Methode trägt ferner dem Umstand Rechnung, dass metallische Kontakte, wie sie für eine drahtgebundene Kommunikation unerlässlich sind, im Rahmen einer Wasserstoffbetankung insbesondere in der Nähe der Tankkupplung zu vermeiden sind, weil hier ein etwaiger Funkenschlag das Wasserstoffgas explosiv entzünden könnte. Zum Schutz der Tankstelle vor Explosionen ist die drahtlose (funkbasierte) Kommunikation somit der drahtgebundenen vorzuziehen.
Die Anwendung von Funk birgt aufgrund der ungehinderten Ausbreitung der Funkwellen jedoch besondere Herausforderungen, die erfindungsgemäß bewältigt werden. So bedarf es eines auslösenden Ereignisses zur Aktivierung des Gesamtvorgangs. Ferner muss die Funkverbindung so zuverlässig Daten übertragen, dass die funktionale und allgemeine Sicherheit der Betankung garantiert werden kann. Insbesondere sollten Dritte, die sich in Funkreichweite von Fahrzeug oder Tanksäule befinden, den Ablauf weder - etwa durch Störsendung ( jamming ) oder Überlastungsangriffe (denial of Service, DoS) - beeinträchtigen noch manipulieren können. Schließlich ist zu bedenken, dass sämtliche Fahrzeuge und Tanksäulen innerhalb der Funkreichweite, die in der Regel eine gesamte Tankstelle erfasst, gegenseitige Funksignale empfangen.
Die im Rahmen einer einzelnen Betankung interagierenden Teilnehmer, also Fahrzeug und Tanksäule, müssen einander deshalb selbstständig finden und identifizieren.
Zusammenfassend muss die Funkverbindung folglich vor der Betankung informations- und betriebssicher sein. Das nachfolgend beschriebene Verfahren erreicht dieses Ziel unabhängig von der verwendeten Funktechnologie, Tankstellen-Infrastruktur und Hardware. Es ist ebenso unabhängig von der zur Standortbestimmung eingesetzten Technologie und kann für die Betankung beliebiger (gasförmiger oder flüssiger) Kraftstoffe sowie das Laden von Elektrofahrzeugen verwendet werden.
Ein Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung besteht hierbei darin, dass mehrere Antennen an Fahrzeug oder Tanksäule verschiedene Funksignale erzeugen bzw. ein Trägersignal modulieren und gezielt aussenden, sodass Daten zwischen Fahrzeug und Tanksäule digital übertragen bzw. Fahrzeug und zugehörige Tanksäule wechselseitig geortet werden können. Die Kommunikation kann prinzipiell in beide Richtungen erfolgen, wobei der jeweilige Funksender eine oder mehrere (Sende-)Antennen und der darauf abgestimmte Empfänger mehrere (Empfangs-)Antennen besitzt, mit welchen er den Sender orten kann. Ein Hauptvorteil dieser Verwendung eines Mehrantennensystems liegt darin, dass durch dessen mögliche Richtwirkung die Funksignale bei Bedarf ausschließlich auf den Empfänger gebündelt und vom Empfänger nur aus einer eng umrissenen Vorzugsrichtung detektiert werden können, was die Stör- und Abhörsicherheit erhöht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit einer ortsabhängigen Autorisierung des Gegenübers kombiniert werden. Auf diese Weise lassen sich die IT-Sicherheit und die funktionale Sicherheit kostengünstig erhöhen, da die erforderlichen Komponenten in großer Vielfalt am Markt verfügbar und in Tankstellen bzw. Fahrzeugen teilweise bereits vorgesehen sind, sodass sie im Rahmen des Verfahrens ohne nennenswerten konstruktiven Mehraufwand wiederverwendet werden können.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann vorgesehen sein, dass ein Fahrzeug die es versorgende Tankstelle oder Ladesäule finden und eindeutig sowie betriebs- und informationssicher identifizieren kann und umgekehrt. Die sich aus einer Mehrzahl anwesender Fahrzeuge und Tanksäulen ergebende Mehrdeutigkeit kann auf diesem Wege aufgelöst und erhöhte Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllt werden.
Gemäß weiteren Aspekten kann vorgesehen sein, dass Fahrzeug und Tanksäule sich gegenseitig authentifizieren und für den Betankungsvorgang autorisieren. Dies wiederum ermöglicht automatisierte Betankungsvorgänge und Abrechnungen. Auf diese Weise kann ferner sichergestellt werden, dass Fahrzeug und Tanksäule zueinander kompatibel sind, weil sie beiderseits gestellte und durch die Kommunikation nachgewiesene Anforderungen an die funktionale Sicherheit erfüllen.
Schließlich kann vorgesehen sein, dass Fahrzeug und Tanksäule ihre Funkkommunikation - zum Beispiel durch den Austausch eines kryptografischen Schlüssels - im Hinblick auf mögliche Abhör- oder Manipulationsversuche und anderweitige Angriffe durch Dritte absichern, trotz eines Jamming- oder Denial- of-Service-Angriffs weiterhin rudimentär miteinander kommunizieren und einen behelfsmäßigen Systembetrieb aufrechterhalten oder ein Signal übertragen können, um funktionale Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, z. B. ein Totmann oder sogenanntes Keepalive-Signal.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 die Vorbereitung und Initialisierungsphase einer Betankung gemäß einer ersten Ausführungsform.
Figur 2 schematisch ein Steuergerät gemäß einer zweiten Ausführungsform. Ausführungsformen der Erfindung
Exemplarisch wird ein Betankungsszenario an einer Tankstelle betrachtet, an der beispielsweise ein Brennstoffzellenfahrzeug mit gasförmigem Wasserstoff betankt werden soll. Das Verfahren ist jedoch auf alle Arten von Kraftstoffen (gasförmig, flüssig, kryogen etc.) sowie auf das Laden von Elektrofahrzeugen anwendbar. Außerdem ist es unerheblich, ob die Betankung manuell oder automatisch erfolgt bzw. abgerechnet wird oder ein konventionelles, (teil- )automatisiertes oder autonomes Fahrzeug betrifft. In Betracht kommt ferner, dass ein herkömmliches, teilautomatisiertes oder autonomes Betankungsfahrzeug zum zu betankenden Fahrzeug fährt und dieses betankt. Schließlich kann das Verfahren mit beliebigen anderen Verfahren der IT- Sicherheit oder der funktionalen Sicherheit kombiniert werden.
Erfindungsgemäß werden vor, während oder nach dem Betankungsvorgang über eine Funktechnologie Ausprägungen von Sicherheitsmerkmalen übertragen, beispielsweise die Werte für Druck und Temperatur im Tankbehälter. Denkbar ist, dass zumindest ein Teil dieser Datenübertragung erhöhte Anforderungen an IT-Sicherheit und funktionale Sicherheit erfüllen muss.
Figur 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren (10) zur Vorbereitung einer solchen Betankung. In dieser Phase wird beiderseits - an der Tankstelle und am Fahrzeug - durch übereinstimmende oder unterschiedliche Ereignisse (11, 12) der Kommunikationsbeginn ausgelöst. Seitens der Tanksäule kommen beispielsweise die Entnahme (11) der Zapfpistole aus ihrer Halterung, das Überfahren eines Kontakts durch das Fahrzeug oder die Auslösung einer Lichtschranke, seitens des Fahrzeuges indes etwa eine Befehlseingabe oder das Öffnen (12) des Tankdeckels in Betracht.
Auf dieses auslösende Ereignis (11, 12) hin führen Tanksäule und Fahrzeug - letzteres vorzugsweise nach Aktivierung einer Wegfahrsperre (13) - unabhängig voneinander eine Leckage- Prüfung (14) des eigenen Systems durch. Bei bestandener Prüfung (14) wird das Verfahren (10) durch Freigabe (15) eines Tankventiles für die Betankung fortgesetzt. Anschließend koppeln (16) sich beide Systeme miteinander, um eine informationssichere (17) und betriebssichere (18) Verbindung aufzubauen.
Über die solchermaßen eingerichtete Verbindung tauschen sich die Teilnehmer über die jeweils angebotenen Dienste (19) aus und treffen eine geeignete Auswahl. Diese Auskunft kann die Abfrage einer Datenbank umfassen, welche lokal durch einen der Partner oder über eine Internetverbindung per Mobilfunk, Ethernet o. ä. durch einen entfernten Server verwaltet wird.
Nunmehr in Kenntnis des zu erbringenden Betankungsdienstes handeln Tanksäule und Fahrzeug ein einschlägiges Datenübertragungsprotokoll für die Nutzdaten des Betankungsvorganges aus (20) und legen fest, welches - ggf. standardisierte - thermodynamische Betankungsprotokoll und -verfahren Anwendung finden. Es folgt ein Austausch der Betankungsparameter (21), in dessen Rahmen zum Beispiel die Tankbehältertypen hinsichtlich ihres Werkstoffes, ihrer Form usw. auf Kompatibilität geprüft werden. Schließlich wird gemäß den Betankungsparametern ein Plan für die Betankung gefasst, über welchen die Teilnehmer einander mittels der eingerichteten Verbindung informieren (22).
Die Schritte (11-22) des Verfahrens (10) werden vorzugsweise durch Selbsttests und Plausibilitätsprüfungen auf erfolgreiche Ausführung überprüft. Verläuft die Überprüfung erfolgreich, so wird das Verfahren (10) mit dem jeweils nächsten Schritt fortgesetzt; andernfalls werden die Beteiligten - der Fahrer zum Beispiel durch eine Anzeige im Fahrzeug bzw. an der Tanksäule, das Tankstellenpersonal durch eine Monitoranzeige in der Tankstellenüberwachung - über den Fehler informiert, um diesen beheben zu können.
Im Zuge dieses Verfahrens (10) können die vorgeschlagenen Maßnahmen in verschiedenen Schritten verwendet werden, beispielsweise durch:
• Lokalisierung des Senders und Abgleich mit zulässigen Positionen.
Daten eines Senders außerhalb definierter, erlaubter Positionen werden verworfen. • Fokussierung der Empfangsrichtung (z. B. des Fahrzeugs oder der Tanksäule) des Empfangs-Antennen-Arrays auf zulässige Raumpositionen, sodass nur Signale, die von diesen Positionen gesendet werden, überhaupt vom Empfänger detektiert werden.
• Fokussierung der Senderichtung des Sende-Antennen-Arrays (z. B. des Fahrzeugs oder der Tanksäule) auf definierte Positionen, sodass Empfänger abseits der Hauptrichtung die Signale nicht empfangen.
Diese Maßnahmen werden durch die Nutzung von Gruppenantennen - vorzugsweise im Rahmen von MIMO-Systemen - erreicht. Die Lokalisierung kann z. B. dadurch erfolgen, dass der Sender spezielle Funksignale (Trainingsfolgen) aussendet. Der Empfänger detektiert die Laufzeit vom Sender zum Empfänger oder die Differenz der Laufzeiten zwischen mehreren entsprechenden Paaren und verwendet Multilateration oder -angulation zur Ortung des Senders relativ zum Empfänger. Alternativ können nach den o. g. Verfahren die Einfallswinkel der Funkwelle in den Empfänger bestimmt werden.
In Kenntnis der Sendereichweite sowie des Umstandes, dass sich in bestimmter Entfernung unter einem erkannten Winkel der Tankstellenboden oder ein anderweitiger massiver Körper befindet, der als Sender ausscheidet, ist eine solche Lokalisierung praktikabel.
Die Entfernung zwischen Sender und Empfänger kann von letzterem auch durch Messung der Kanalimpulsantwort oder einer mathematischen Transformation wie der Übertragungsfunktion bestimmt werden. Ebenso kann die Entfernung aus der Empfangsfeldstärke {received Signal strength indicator, RSSI) oder anderweitigen Indikatoren für die Kanalqualität abgeleitet werden.
Ferner ist es möglich, Algorithmen aus dem Bereich des maschinellen Lernens ( machine learning) einzusetzen, um von den vorgenannten Größen oder ähnlichen Ausbreitungscharakteristiken auf die Entfernung zu schließen. Schließlich kommt eine beliebige Kombination der besagten Maßnahmen in Betracht, um die Gesamtgenauigkeit der Positionsbestimmung durch eine Fusion verschiedener Messgrößen zu erhöhen. Die Fokussierung der Sender- bzw. Empfangsrichtung erfolgt über komplexwertige, multiplikative Faktoren in den verschiedenen Sende- und Empfangszweigen zu bzw. von jeder Antenne im Wege der MIMO-Vorkodierung ( precoding ) bzw. -Detektion. Diese Multiplikation kann an unterschiedlicher Stelle auf dem Signalpfad digital oder analog erfolgen. Zu denken ist auch an eine Phasendrehung zur Strahlformung oder -Schwenkung ( beam steering), etwa durch eine phasengesteuerte Gruppenantenne {phased array).
Für diese Zwecke können auch ohnehin zur Datenübertragung genutzte Test oder Messsignale verwendet werden, um die zusätzliche Belastung des Übertragungskanales durch die besagten Maßnahmen zu minimieren.
Sowohl Tanksäule bzw. Tankstelle als auch Fahrzeug können als Sender oder Empfänger fungieren. Besonders zweckmäßig ist es, eine bidirektionale Verbindung aufzubauen, was voraussetzt, dass Fahrzeug und Tanksäule oder - stelle jeweils eine Sende- wie auch eine Empfangseinrichtung besitzen. Seitens der Tankstelle kann z. B. ein einziges MIMO-System mit 30 oder mehr Antennen im Mikrowellenbereich zum Einsatz kommen, welches - vorzugsweise gleichzeitig und im selben Frequenzband - alle Tankplätze individuell mit gesendeten Daten bedient, individuell davon empfängt und die jeweiligen Fahrzeugsender an den Tankplätzen lokalisiert. Dadurch ist für die gesamte Tankstelle nur ein einziges System notwendig, um die Sicherheit des Verfahrens zu gewährleisten.
Durch die Auswertung der Lokalisierungsinformation bzw. die Fokussierung des gleichzeitig zur Datenübertragung dienenden Funkstrahls wird eine höhere Sicherheit als bei der Verwendung von Rundstrahlern erreicht. Dabei genügt es oft, das Verfahren lediglich zur Vorbereitung gemäß Figur 1 oder regelmäßig während des Betankungsvorgangs zu verwenden. Außerhalb dieser Phasen kann bei Bedarf z. B. zur Reduktion des Energiebedarfs ungerichtet oder mit lediglich einer Antenne als Einantennensystem ( single input single output, SISO) kommuniziert werden. Insbesondere kommen folgende Anwendungsfälle oder deren Kombination in Betracht: 1) Die Tanksäule kann, solange sie frei ist, periodisch ein Signal senden, dessen Empfang durch das Fahrzeug als auslösendes Ereignis (11, 12) dient. Das Verfahren lässt sich auch mit vertauschten Rollen durchführen.
2) Fahrzeug und Tanksäule tauschen über die Funksignale eine gegenseitige Identifikationsnummer (ID) aus, mittels derer sie sich miteinander koppeln (16) und Funksignale an das jeweilige Gegenüber eindeutig identifizieren können.
3) Ist die ID universell eindeutig, so können - z. B. durch eine Datenbankabfrage - weitere Informationen über Fähigkeiten und andere Merkmale von Fahrzeug bzw. Tanksäule abgerufen werden.
4) Wenn bei der Funk-Übertragung ein kryptographisches Merkmal übermittelt wird, z. B. ein öffentlicher Schlüssel eines asymmetrischen Verschlüsselungsverfahrens, so können die Parteien sich anschließend per Funk gegenseitig authentifizieren und zu bestimmten Aktionen autorisieren.
5) Insbesondere kann für den Aufbau einer informationssicheren Funkverbindung (17) ein Sitzungsschlüssel ( session key) für ein symmetrisches Kryptosystem vereinbart werden.
6) Zum selben Zweck kann ein Anfangsschlüssel oder ein skalarer Initialisierungswert {seed) oder entsprechender Vektor übertragen werden, aus welchem unter Heranziehung eines weiteren, beiden Seiten bekannten Geheimnisses ein Schlüssel für ein symmetrisches Kryptosystem abgeleitet werden kann.
7) Unter Verwendung eines sogenannten Zero- Knowledge- Protokolls können die Partner sich z. B. durch Abfrage einer weiteren vertrauenswürdigen zentralen Datenbank gegenseitig beweisen, dass sie bestimmte für den Betankungsvorgang notwendige Kenntnisse besitzen, ohne letztere selbst preiszugeben. 8) Unter Verwendung von Zertifikaten, mithilfe derer Information erzeugt und auf dem Funkkanal übertragen wird, kann das Gegenüber den Nachweis erbringen, dass es bzw. sein System standardisierte Anforderungen an die Funktionssicherheit erfüllt.
9) Es kann ein herkömmliches Challenge- Response- Verfahren eingeleitet werden, wobei z. B. die Aufforderung ( challenge ) gerichtet und die Antwort ( response ) ungerichtet übertragen wird oder umgekehrt.
10) Es kann ein Keepalive-Mechanismus realisiert werden, indem mindestens eine Seite periodisch Funksignale mit gleicher oder variierender Periodendauer aussendet und die Gegenseite diese Signale jeweils überprüft und bei ihrem Ausbleiben oder Abweichung von einem gegebenen Referenzsignal in einen sicheren Zustand übergeht.
11) Sollte eine etwaige ungerichtete Funkkommunikation z. B. durch vorsätzliche oder unbeabsichtigte Störsendungen oder Überlastungsangriffe beeinträchtigt sein, so kann über die gerichteten Funksignale das Gegenüber über die Situation informiert und ein Ausweich- Funkkanal abgestimmt werden.
12) Die Identifikation oder weitere Statusinformation über den Ablauf können auf einem Display im Fahrzeug oder auf einer Anzeige an der Tanksäule angezeigt werden
13) Die vorgenannten Verfahren mögen mit weiteren Sensordaten kombiniert werden, z. B. einem zur Erfassung des Fahrzeugumfeldes aufgenommenen Videobild. Erkennt ein entsprechendes System eine Tanksäule, so kann es über einen auf diese ausgerichteten Funkstrahl in Verbindung treten.
Im Umfeld des beschriebenen Grundverfahrens (10) können weitere Maßnahmen umgesetzt werden. So lassen sich - insbesondere unter Nutzung der Raumdiversität {spatial diversity) der Antennen - Fahrzeuge unterschiedlicher Typen oder Hersteller, einzelne Fahrzeuge oder Antennen anhand bestimmter Hochfrequenz-Charakteristika unterscheiden. Diese Merkmale können gespeichert und verwendet werden, um Fahrzeuge bei einem erneuten Betankungsvorgang wiederzuerkennen und so die Kopplung (16) zu beschleunigen. Als sogenannte physikalisch unklonbare Funktion {physical unclonable function, PUF) ihres Trägers können sie zudem zur Kennzeichnung der Kommunikationspartner oder Ableitung kryptografischer Schlüssel dienen. Dieses Verfahren (10) kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät (30) implementiert sein, wie die schematische Darstellung der Figur 2 verdeutlicht.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (10) zur Vorbereitung einer Betankung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- ein erster Teilnehmer und ein zweiter Teilnehmer der Betankung übertragen mittels Gruppenantennen ein Funksignal und
- das Signal wird zumindest vom zweiten Teilnehmer zur Vorbereitung der Betankung herangezogen.
2. Verfahren (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- der zweite Teilnehmer nimmt anhand des Funksignales eine Ortung des ersten Teilnehmers vor und
- nach der Ortung wird die Vorbereitung eingeleitet.
3. Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale:
- die Gruppenantennen sind phasengesteuert,
- das Signal wird unter Strahlformung übertragen oder
- das Signal wird unter Strahllenkung übertragen.
4. Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- der zweite Teilnehmer erwidert das Funksignal mit einem weiteren Funksignal und
- die Teilnehmer koppeln (16) sich mittels der Funksignale miteinander.
5. Verfahren (10) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- auf ein die Vorbereitung auslösendes Ereignis (11, 12) hin, insbesondere wenn eine Zapfpistole entnommen (11) oder eine Tankklappe geöffnet (12) wird, werden die Teilnehmer, vorzugsweise nach Aktivieren einer Wegfahrsperre (13), einer Leckage- Prüfung (14) unterzogen und
- bestehen die Teilnehmer die Prüfung (14), so wird das Verfahren (10) fortgesetzt, vorzugsweise indem ein Tankventil für die Betankung freigegeben wird (15).
6. Verfahren (10) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- nach dem Koppeln (16) bauen die Teilnehmer mittels der Funksignale eine informationssichere (17) und betriebssichere (18) Funkverbindung auf und
- die Teilnehmer handeln, vorzugsweise mittels einer Datenbank, über die Funkverbindung einen zu erbringenden Betankungsdienst (19), ein zu befolgendes Betankungsprotokoll (20) und zu berücksichtigende Betankungsparameter (21) aus.
7. Verfahren (10) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- gemäß den Betankungsparametern wird ein Plan (22) für die Betankung gefasst und
- mittels der Funkverbindung informieren die Teilnehmer einander über den Plan (22).
8. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
9. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
10. Vorrichtung (30), die eingerichtet ist, das Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.
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