Zugriffsmodul

Die Erfindung betrifft ein Zugriffsmodul zum manipulationssi cheren Zugriff auf einen Ladedatensatz, welcher bei einem elektrischen Ladevorgang an einer Ladestation generiert wird.

Elektrofahrzeuge bzw. zumindest teilweise mit elektrischer Energie angetriebene Fahrzeuge weisen mindestens einen Akku mulator auf, welcher in einem laufenden Betrieb des Elektro fahrzeugs regelmäßig zu laden ist. Ein Laden des Elektrofahr zeugs erfolgt an einer Ladestation - in der Fachwelt auch als Electric Vehicle Supply Equipment oder abkürzend EVSE be kannt - welche über ein Ladekabel oder auch mit einer draht losen, induktiven Kopplung mit dem Elektrofahrzeug verbunden wird. Eine oder mehrere in der Ladestation installierte Mess einheiten dienen einer Erfassung der von der Ladestation an das Elektrofahrzeug übergebenen elektrischen Energie.

Mit einem zunehmenden Ausbau einer Ladeinfrastruktur aus un terschiedlichen Ladestationen wird ein erhöhtes Augenmerk auf eine Gewährleistung einer manipulationssicheren, nachvoll ziehbaren und überprüfbaren Inrechnungstellung der übergebe nen elektrischen Energie gelegt.

Wenngleich derzeitige Ladestationen über genaue Messeinheiten zur Erfassung der übergebenen elektrischen Energie verfügen, fehlen derzeit noch Mittel für eine revisionssichere Zuord nung von Messwerten - und damit letztendlich eine in Rechnung zu stellende elektrische Energie - zu einer Messeinheit, zur manipulationssicheren Aufbereitung der erfassten Messdaten sowie zur sicheren Übertragung an eine Abrechnungsstelle. Im Stand der Technik fehlen insbesondere auch Mittel zur Nach rüstung von Ladestationen im obigen Sinn.

Ein weiteres derzeitiges Problem betrifft eine Prüfung mehre rer in einer Ladestation verbauter Messeinheiten, welche z.B. einer jeweiligen von mehreren Stromentnahmestellen der La destation zugeordnet sind. Wenngleich derzeitige Ladestatio nen über eichrechtlich für sich nicht zu beanstandende Mess einheiten zur Erfassung der übergebenen elektrischen Energie verfügen, gestaltet sich eine individuelle eichrechtliche Prüfung einer Mehrzahl von Messeinheiten innerhalb einer La destation derzeit als schwierig, da ein eichrechtlicher Zu griff auf einzelne Messeinheiten derzeit nur mit einem auf wändigen Öffnen eines Chassis der Ladestation möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, Mittel zur revisionssicheren Erhebung und manipulationssicheren Übertragung eines Ladeda tensatzes auf Basis von Messwerten aus einer Mehrzahl von in einer Ladestation verbauten Messeinheiten anzugeben, durch welche die oben genannten Probleme vermieden werden .

Die Aufgabe wird durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Zugriffsmodul gewährleistet einen mani pulationssicheren Zugriff auf einen im Zusammenhang mit einem elektrischen Ladevorgang an einer Ladestation generierten La dedatensatz und umfasst eine interne Schnittstelle zur Anbin dung einer Mehrzahl von Messeinheiten. Das Zugriffsmodul ist eingerichtet zum Austausch von Authentifizierungsdaten mit jeder der Messeinheiten, sowie zum Empfang von Messdaten von den Messeinheiten nach erfolgreicher Authentifizierung .

Das Zugriffsmodul verfügt weiterhin über eine kryptographisch gesicherte externe Schnittstelle zum Austausch von externen Authentifizierungsdaten für einen Zugriff auf das Zugriffsmo dul und zur Übertragung mindestens eines Ladedatensatzes im Fall eines authentifizierten externen Zugriffs auf das Zu griffsmodul. Weiterhin ist eine Verarbeitungseinheit vorgese hen, welche sowohl die Authentifizierung der Messeinheiten aufgrund der ausgetauschten internen Authentifizierungsdaten durchführt, als auch die Authentifizierung des externen Zu griffs auf das Zugriffsmodul aufgrund der externen Authenti- fizierungsdaten . Das Zugriffsmodel führt außerdem eine Anrei cherung und/oder Aufbereitung der Messdaten für die Übertra gung des Ladedatensatzes durch.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung löst die gestellte Auf gabe einer revisionssicheren Erhebung von Messdaten durch ei ne Authentifizierung einer Mehrzahl von Messeinheiten auf grund ausgetauschter interner Authentifizierungsdaten mit den Messeinheiten. Damit ist auch mit älteren oder einfacher kon struierten Messeinheiten, welche selbst nicht über eine durchgängig kryptographische Übertragung verfügen und welche ein Vertrauen in die Richtigkeit der Messwerte nicht selbst mit kryptografischen Verfahren implementiert haben, ein ein deutiger und revisionssicherer Bezug der Messwerte zur Mess einheit möglich. Dieser eindeutige Bezug bleibt in Verbindung mit einem ohnehin bestehenden physischen Zugangsschutz der Messeinheiten durch das Chassis der Ladestation manipulati onssicher .

Eine auch extern beibehaltene Vertrauenskette wird erfin dungsgemäß gewährleistet durch die kryptographisch gesicherte externe Schnittstelle zur Übertragung von Ladedatensätze an eine authentifizierte ladestations-externe Stelle.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht da rin, dass eine Prüfung mehrerer in einer Ladestation verbau ter Messeinheiten einer individuellen eichrechtlichen Prüfung unterzogen werden können, da ein individueller eichrechtli cher Zugriff auf einzelne Messeinheiten durch die eindeutige Zuordnung des Zugriffsmoduls gewährleistet wird. Eine eich rechtliche Prüfung wird in vorteilhafter Weise dadurch unter stützt, dass die kryptographisch gesicherte externe Schnitt stelle mit den Mitteln der Erfindung - bei einer erweiterten Authentifizierung durch einen eichrechtliche Prüfer - auch für einen Datenaustausch mit einer Kommunikationssteuerungs einheit der Ladestation einzurichten ist und somit Prüfdaten direkt über das mit der Kommunikationssteuerungseinheit der Ladestation verbundenen Ladekabel abgreifbar sind. Dieser er- findungsgemäß ermöglichte Zugang ermöglicht also das Beziehen einer Energiemenge mit kalibrierter Messung in einem Eich fahrzeug, verbunden mit einem direkten Vergleich der kalib rierten Messergebnisse mit den von der Messeinheit gemessenen Energiemenge .

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der ab hängigen Patentansprüche.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die externe Schnittstelle für einen Datenaustausch mit einer Kommunikationssteuerungseinheit der Ladestation eingerichtet ist. Dieser erfindungsgemäß ermöglichte Zugang ermöglicht ei ne Übertragung eines oder mehrerer Ladedatensätze über das Datenkabel, wo diese beispielsweise direkt in einem Fahrzeug zur Verarbeitung und/oder Anzeige gebracht werden können. Ei ne Verarbeitung kann beispielsweise in einem oben erläuterten Eichfahrzeug erfolgen, aber auch in einem zu ladenden Fahr zeug zur Anzeige von Verrechnungsdaten.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die externe Schnittstelle für einen Datenaustausch mit einem Weitverkehrsnetz eingerichtet und ermöglicht somit eine kryp- tographisch gesicherte Übergabe der Ladedatensätze an eine Abrechnungsstelle oder auch an eine Eichbehörde zur Durchfüh rung von Routineüberprüfungen.

In vorteilhafter Weise ist die externe Schnittstelle sowohl mit der Kommunikationssteuerungseinheit der Ladestation als auch mit einem Weitverkehrsnetz verbunden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die externe Schnittstelle alternativ oder zusätzlich für ei nen Datenaustausch mit einem lokalen Drahtlosnetz eingerich tet ist. Dieser erfindungsgemäß ermöglichte Zugang ermöglicht eine Übertragung eines oder mehrerer Ladedatensätze über eine drahtlose Luftschnittstelle an ein mobiles Endgerät eines La destationsnutzers oder das Fahrzeug bzw. eine dem Fahrzeug zugeordnete Zusatzeinrichtung, wo diese beispielsweise direkt zur Verarbeitung und/oder Anzeige gebracht werden können. Ei ne Verarbeitung kann beispielsweise in einer Anzeige oder Speicherung von Verrechnungsdaten durch das mobile Endgerät, Fahrzeug oder die Zusatzeinrichtung erfolgen.

Die drahtlose externe Schnittstelle ist beispielweise unter Verwendung üblicher Nahfeldkommunikationsprotokolle ausge staltet. Diese umfassen beispielsweise:

WLAN (Wireless Local Area Network) bzw. WiFi (Wireless Fi delity) , beispielsweise gemäß einem Kommunikationsstand der Standard-Familie IEEE 802.11;

Bluetooth gemäß einem Kommunikationsstand IEEE 802.15.1, Bluetooth Low Energy oder BLE gemäß einer Erweiterung der Bluetooth-Spezifikationen, beispielsweise gemäß Bluetooth Low Energy Spezifikation 4.2; und/oder;

Übertragungsverfahren zum kontaktlosen Austausch von Daten per elektromagnetischer Induktion mittels lose gekoppelter Spulen, auf welche auch als Near Field Communication Bezug genommen wird.

Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein schematisches Blockschaltbild von Komponenten einer Ladeinfrastruktur in Zusammenarbeit mit ei nem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zugriffsmoduls.

Die FIG zeigt eine Ladeinfrastruktur mit einem Elektrofahr zeug EC, welche über ein Ladekabel CC mit einer von mehreren Entnahmestellen CP einer Ladestation EVSE verbunden ist.

Die Ladestation EVSE enthält - nicht dargestellte - Vorrich tungen zur fachüblichen Bereitstellung, Aufbereitung und Steuerung eines elektrischen Ladestromstroms, auf die hier nicht näher eingegangen wird. Die Ladestation EVSE umfasst vier Messeinheiten M, von denen drei Messeinheiten M einer der drei Entnahmestellen CP ein deutig zur Messung einer dort entnommenen Ladeenergie zuge ordnet sind. Die Entnahmestelle CP ist der Ort, an der elektrischen Energie zum Betrieb bzw. zum Laden einer Ener giesenke - hier das Elektrofahrzeug EV - entnommen wird. Die Entnahmestellen CP entspricht in der Zeichnung dem Anschluss des Ladekabels CC an der Ladestation EVSE, an der auch die jeweilige Messung durch die dieser Entnahmestelle CP zugeord nete Messvorrichtung M vorgenommen wird. Ein übliches Ladeka bel CC umfasst eine Kabelgarnitur bestehend aus mehreren Lei tungen zur jeweiligen Ladestromführung - beispielsweise Au ßenleiter bzw. Phasenleiter, Neutralleiter, Schutzleiter etc. - sowie mindestens eine Signalleitung.

Die Messeinheiten M erfassen eine entnommene elektrische Leistung in fachüblicher Weise durch eine Messung der an der Entnahmestelle CP anliegenden elektrischen Spannung und des Ladestroms .

Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jeder der drei Entnahmestellen CP eine jeweilige fachübliche zur Steuerung des Ladevorgangs dienende Kommunikationssteuerungseinheit CR zugeordnet. Eine Datenübertragung zwischen dem Fahrzeug EV und der Kommunikationssteuerungseinheit CR erfolgt beispiels weise mittels Powerline Communication, auch PLC genannt, über das Ladekabel CC oder alternativ über eine separate, parallel zum Ladekabel CC verlaufende - nicht dargestellte - Datenlei tung. Für den - nicht dargestellten - Fall einer induktiven Ladung des Fahrzeugs EC erfolgt der Datenaustausch zwischen dem Fahrzeug EC und der Kommunikationssteuerungseinheit CR in drahtloser Weise.

Die Ladestation EVSE umfasst ein erfindungsgemäßes Zugriffs modul AM mit einer internen Schnittstelle IIF zur Anbindung der Mehrzahl von Messeinheiten M, eine kryptographisch gesi cherte externe Schnittstelle EIF zum Austausch von externen Authentifizierungsdaten für einen Zugriff auf das Zugriffsmo- dul AM sowie eine Verarbeitungseinheit CTR zur Authentifizie- rung der Mehrzahl von Messeinheiten M, zur Authentifizierung des externen Zugriffs auf das Zugriffsmodul AM aufgrund der externen Authentifizierungsdaten und zur Aufbereitung der Messdaten für die Übertragung des Ladedatensatzes.

Über die interne Schnittstelle IIF werden von der Verarbei tungseinheit CTR internen Authentifizierungsdaten mit der Mehrzahl von Messeinheiten M ausgetauscht. Im einfachsten Fall prüft die Verarbeitungseinheit CTR eine Authentizität einer Messeinheit durch Anforderung einer Signatur, welche beispielsweis auf Basis einer aktuellen Uhrzeit zu bilden ist. Alternativ wird ein Shared-Secret-Verfahren eingesetzt. Diese Authentifizierung wird für eine Mehrzahl von Messein heiten M wiederholt.

Nachdem eine Messeinheit M durch einen Austausch interner Au thentifizierungsdaten authentifiziert ist, werden von dieser über die interne Schnittstelle IIF Messdaten an die Verarbei tungseinheit CTR gesendet. Die Messdaten werden an der Verar beitungseinheit CTR empfangen und verarbeitet. Die Verarbei tungseinheit CTR verarbeitet die Messdaten zur Erzeugung ei nes Ladedatensatzes. Dieser kann neben Daten, welche für eine Abrechnung der entnommenen elektrischen Energie notwendig sind auch Daten enthalten, welche für eine eichrechtliche Prüfung der Messeinheiten erforderlich bzw. hilfreich sind. Der Ladedatensatz enthält z.B. unter anderem:

- einen Wert einer entnommenen Energiemenge;

- Zeitinformationen, beispielsweise eine Startzeit und eine -

- Endzeit für den Ladevorgang;

- Datumsinformationen;

- eine Identifikation der messenden Messeinheit M;

- einen Status der messenden Messeinheit M;

- eine Herstellerkennung der Messeinheit M;

- ein Eichdatum der Messeinheit M;

- eine Eichgültigkeit der Messeinheit M;

- eine Genauigkeitsklasse der Messeinheit M; und/oder;

- einer Bauartzulassungskennung der Messeinheit. Die Verarbeitungseinheit CTR kann einen Ladedatensatz vor ei ner Übertragung auch dahingehend aufbereiten, dass ein Zeit stempel, welche mit einer inkorrekten lokalen Zeitbasis der Messeinheit erzeugt wurde, in der Verarbeitungseinheit CTR korrigiert wird, also auf die Zeitbasis der Verarbeitungsein heit CTR eingestellt wird.

Die Verarbeitungseinheit CTR kann einen Ladedatensatz vor ei ner Übertragung auch dahingehend aufbereiten, dass zur Erhö hung des Datenschutzniveaus eine Filterfunktion angewandt wird, welche die von der Messeinheit M übergebenen Daten auf grund von Filterregeln nur zum Teil im Ladedatensatz über nimmt. Die Filterregeln werden dazu noch auf die Menge der zurückgegebenen Daten überprüft, bzw. die Datenmenge be grenzt .

Die Verarbeitungseinheit CTR kann einen Ladedatensatz vor ei ner Übertragung auch dahingehend aufbereiten, dass zur Erhö hung des Datenschutzniveaus eine Filterfunktion angewandt wird, welche die von der Messeinheit M übergebenen Daten auf grund von Filterregeln nur zum Teil im Ladedatensatz über nimmt. Die Filterregeln werden dazu noch auf die Menge der zurückgegebenen Daten überprüft, bzw. die Datenmenge be grenzt .

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kombi nierte die Verarbeitungseinheit CTR Datensätze, welche von einer Mehrzahl von Messeinheiten M bezogen werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn dem Ladekabel CC die an das Elektrofahrzeug EC zu übergebende elektrische Energie über mehrere unabhängige Zweige, insbesondere unabhängige leistungselektronische Komponenten zugeleitet wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ver knüpft die Verarbeitungseinheit CTR Messwerte physikalischer Größen zu anderen physikalischen Größen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Verarbeitungseinheit CTR auch Zustände der Ladestation, wel che keinen Messwert darstellen, erfassen. Derartige Zustände umfassen beispielsweise einen Zustand von Schützen und ande ren Schaltkomponenten .

Anschließend erfolgt seitens der Verarbeitungseinheit CTR ei ne Aufbereitung des Ladedatensatzes für die kryptographisch gesicherte externe Übertragung über die externe Schnittstelle EIF .

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein wie oben zusammengestellter Ladedatensatz beispielsweise kryptogra phisch signiert. Durch eine digitale Signatur des Ladedaten satzes wird sichergestellt, dass dieser im Sinne eines Mani pulationsschutzes nicht mehr bearbeitet oder verändert werden kann. Beispielsweise kann eine Signatur mittels eines Schlüs selpaares erfolgen. In Anwendung eines von der Verarbeitungs einheit CTR verwalteten privaten Schlüssels wird eine Signa tur des Ladedatensatzes errechnet. Ein öffentlicher Schlüssel des zugehörigen Schlüsselpaars liegt dem Empfänger des Lade datensatzes vor und wird zur Prüfung des privaten Schlüssels bzw. zur Prüfung der mit dem privaten Schlüssel erstellten Signatur angewandt.

Alternativ oder zusätzlich wird der Ladedatensatz verschlüs selt. Eine Verschlüsselung kann beispielsweise mit einem Schlüssel eines Schlüsselpaares erfolgen.

Ein externer Zugriff bzw. Datenaustausch erfolgt beispiels weise mittels einer - als horizontale Linie symbolisierte - Datenverbindung über ein Weitverkehrsnetz NW mit einem

- nicht dargestellten - beliebigen Endpunkt oder Server, bei spielsweise in einem Abrechnungszentrum oder auch ein Server in einer eichrechtlichen Prüfbehörde.

Alternativ oder zusätzlich erfolgt ein externer Zugriff bzw. Datenaustausch mittels einer Übertragung der Ladedatensätze über eine Luftschnittstelle an ein mobiles Endgerät eines La destationsnutzers, wo diese beispielsweise direkt zur Verar beitung und/oder Anzeige gebracht werden können.

Alternativ oder zusätzlich erfolgt ein externer Zugriff bzw. Datenaustausch mittels einer oder mehrerer - als drei verti kale Linie symbolisierte - Datenverbindungen über eine einer Entnahmestelle CP zugeordnete Kommunikationssteuerungseinheit CR sowie über einem an dieser Entnahmestelle CP angeschlosse nen Ladekabel CC zu einem über das Ladekabel CC angeschlosse nen Fahrzeug EC.

Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung gestattet in vorteilhafter Weise eine individuelle eichrechtliche Prüfung der Mehrzahl an Messeinheiten M. Die kryptographisch gesi cherte externe Schnittstelle verfügt hierzu beispielsweise über einen besonderen Zugang mit einer erweiterten Authenti- fizierung durch einen Prüfer einer Eichbehörde, welcher einen - gegebenenfalls um Eichdaten erweiterten - Ladedatensatz di rekt über das mit der Kommunikationssteuerungseinheit CR der Ladestation EVSE verbundene Ladekabel CC abgreifen kann. Die ser erfindungsgemäß ermöglichte Zugang ermöglicht also das Beziehen einer zu prüfenden Energiemenge EC über ein Fahrzeug des Prüfers, bei der die bezogene Energiemenge mit einem ka librierten Messinstrument im Fahrzeug EC gemessen wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Ladedatensatz im Rahmen eines Ladevorgangs an das Fahrzeug EC zu übertragen. Die Verarbeitungseinheit CTR bzw. die externe Schnittstelle EIF bietet hierzu in vorteil hafter Weise einen Mehrwertdienst bzw. »Value Addend Service« gemäß der Standardisierungsvorschläge IS015118 der Internati onalen Standardisierungs-Organisation (ISO) an. Das Fahrzeug EC kann dabei insbesondere auch mit einer anderen, benachbar ten Entnahmestelle CP verbunden sein, sodass das Auslesen mehrerer Messeinheiten M über nur eine Verbindung ermöglicht wird . Anschließend können kalibrierte Messergebnisse mit der bezo genen Energie - also der den von der Messeinheit M gemessenen Energie - gemäß dem Ladedatensatz verglichen werden.

Erfindungsgemäß wird durch das Zusammenwirken des erfindungs gemäßen Zugriffsmoduls AM mit den Messeinheiten M eine

- strichpunktiert symbolisierte - Vertrauenszone TZ unter Einbeziehung der ansonsten für eine kryptografische Übertra gung unfähigen Messgeräten M geschaffen, welche durch krypto- graphisch gesicherte externe Schnittstellen auch außerhalb der Ladestation EVSE fortgesetzt wird.

In Anwendung des erfindungsgemäßen Zugriffsmoduls AM können in vorteilhafter Weise einfache und kostengünstige Messein heiten M verwendet werden. Auf diese Weise können sowohl die Kosten für den Regelbetrieb, als auch Kosten für das im Nor malfall nicht erforderliche Auslesen älterer Datensätze nied rig gehalten werden. Insbesondere können mit Anwendung des erfindungsgemäßen Zugriffsmoduls AM bereits am Markt verfüg bare Messeinheiten M eingesetzt werden, auch solche, welche nicht primär für einen Einsatzzweck in der Elektromobilität gefertigt sind.

In vorteilhafter Weise können von den Messeinheiten M verwen dete Zeitstempel durch das Zugriffsmodul AM korrigiert werden können und so die Zuordnung von Messvorgängen sowie protokol lierten Ereignissen vereinfacht werden kann.

Zusammenfassend stellt die vorliegende Erfindung ein Zu griffsmodul für einen manipulationssicheren Zugriff auf einen im Zusammenhang mit einem elektrischen Ladevorgang an einer Ladestation generierten Ladedatensatz bereit und umfasst eine interne Schnittstelle zur Anbindung einer Mehrzahl von Mess einheiten. Das Zugriffsmodul ist eingerichtet zum Austausch von Authentifizierungsdaten mit jeder der Messeinheiten, so wie zum Empfang von Messdaten von den Messeinheiten nach er folgreicher Authentifizierung . Das Zugriffsmodul verfügt wei terhin über eine kryptographisch gesicherte externe Schnitt- stelle zum Austausch von externen Authentifizierungsdaten für einen Zugriff auf das Zugriffsmodul und zur Übertragung min destens eines Ladedatensatzes im Fall eines authentifizierten externen Zugriffs auf das Zugriffsmodul. Weiterhin ist eine Verarbeitungseinheit vorgesehen, welche sowohl die Authenti- fizierung der Messeinheiten aufgrund der ausgetauschten in ternen Authentifizierungsdaten durchführt, als auch die Au thentifizierung des externen Zugriffs auf das Zugriffsmodul aufgrund der externen Authentifizierungsdaten . Das Zugriffs- model führt außerdem eine Anreicherung und/oder Aufbereitung der Messdaten für die Übertragung des Ladedatensatzes durch.