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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln
der Gesamtmasse eines Kraftfahrzeugs.
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Kraftfahrzeuge
werden regelmäßig mit
Sicherheitsfunktionen und fahrdynamischen Regelfunktionen, wie beispielsweise
einem Antriebsschlupfregler (ASR), einem Fahrdynamikregler (z. B: ESP),
einem Tempomat, einem Abstandsregler, einem Lenkregler oder anderen
Regelfunktionen ausgestattet. Da insbesondere Kraftfahrzeuge mit
hoher Beladungsvarianz, wie z. B. Nutzfahrzeuge, im beladenen Zustand
ein stark unterschiedliches Fahrverhalten zum unbeladenen Zustand
aufweisen können, spielt
bei vielen Regelfunktionen die Fahrzeuggesamtmasse als Eingangsgröße eine
wichtige Rolle.
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Es
ist bekannt zur Bestimmung der Fahrzeuggesamtmasse m die Formel F = m·azu
verwenden und die Fahrzeuggesamtmasse m aus der Kraft F und der
Beschleunigung a zu bestimmen. Die Kraft F repräsentiert dabei die Antriebskraft,
die vom Motor des Kraftfahrzeugs erzeugt wird. Die Beschleunigung
a wird mit Hilfe der Rad-Drehzahlsensoren ermittelt.
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Diese
Vorgehensweise kann in bestimmten Fahrzuständen zu einem ungenauen Ergebnis
führen.
Insbesondere an einer Steigung wird bei gleich bleibender Antriebskraft
eine gegenüber
einer Ebene geringere Beschleunigung erzielt, so dass die Fahrzeuggesamtmasse
zu groß eingeschätzt wird.
Ferner kann so ein Beitrag eines Rollwiderstandes des Kraftfahrzeugs
nicht berücksichtigt
werden.
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Es
ist weiter bekannt, diese Probleme zu beheben, indem dem oben genannten
Term ein Störterm
zugefügt
wird: F = m·a
+ Foff
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An
einer Steigung ist der Störterm
Foff im Wesentlichen repräsentativ
für die
Hangabtriebskraft, die mittels der Antriebskraft zusätzlich überwunden werden
muss. Die Fahrzeuggesamtmasse kann nun ermittelt werden, indem zwei
unterschiedliche Werte für
die Antriebskraft und jeweils zugehörige Beschleunigungswerte ermittelt
werden. Die Fahrzeuggesamtmasse wird dann durch Division der Differenz der
beiden Antriebskraftwerte durch die Differenz der beiden Beschleunigungswerte
ermittelt. Die Genauigkeit kann noch weiter erhöht werden, wenn die Antriebskraftwerte
und die zugehörigen
Beschleunigungswerte mehr als zweimal, insbesondere zeitkontinuierlich,
ermittelt werden und die Fahrzeuggesamtmasse und der Störterm über rekursive
Identifikationsalgorithmen, beispielsweise mittels Kalman-Filters
oder mit der Methode der kleinsten Quadrate (RLS) ermittelt werden.
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Alternativ
dazu ist es bekannt, die Beschleunigung mittels eines Beschleunigungssensors
zu messen, der die Beschleunigung z. B. kapazitiv direkt misst.
Der Beschleunigungssensor erfasst neben der tatsächlichen Beschleunigung des
Kraftfahrzeugs auch die Hangabtriebskraft, die auf das Kraftfahrzeug
wirkt, und ermöglicht
somit das Bestimmen der Fahrzeuggesamtmasse durch einmaliges Ermitteln eines
Wertes der Antriebskraft und eines zugehörigen Beschleunigungswertes.
Ein solcher Beschleunigungssensor erfasst jedoch auch ein Einnicken
des Kraftfahrzeugs, beispielsweise aufgrund einer Beladung als Steigung,
welche dann fälschlich
der Hangabtriebskraft zugeordnet wird und zu einem ungenauen Ergebnis
führt.
Außerdem
erkennt auch der Beschleunigungssensor den Beitrag des Rollwiderstands
des Kraftfahrzeugs nicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Fahrzeuggesamtmasse eines
Kraftfahrzeugs zu schaffen, mit der bzw. dem sich die Fahrzeuggesamtmasse
besonders genau bestimmen lässt.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, mindestens zwei
unterschiedliche Werte, die eine Längskraft des Kraftfahrzeugs
repräsentieren
(im Folgenden Längskraftwerte),
und wenigstens zwei zugehörige
Beschleunigungswerte zu ermitteln. Die Beschleunigungswerte werden
dabei mittels eines Beschleunigungssensors direkt gemessen (keine
Ableitung aus den Raddrehzahlen). Die Fahrzeuggesamtmasse wird schließlich durch
Differenzenbildung und/oder mittels eines Identifikationsalgorithmus
abhängig
von den Längskraftwerten
und den zugehörigen
Beschleunigungswerten ermittelt. Dies ermöglicht es, die Fahrzeuggesamtmasse
besonders präzise
zu ermitteln. Je mehr Werte der Längskraft mit entsprechenden
Beschleunigungswerten ermittelt werden, desto präziser kann die Fahrzeuggesamtmasse
geschätzt
werden.
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Als
Fahrzeuggesamtmasse soll hier insbesondere die Summe aus Fahrzeugmasse
inklusive Beladung und eines oder mehrerer Insassen verstanden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren
kann aber auch dazu verwendet werden, die Gesamtmasse des Fahrzeugs
einschließlich
Anhänger
zu bestimmen.
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Längskraftwerte
sind grundsätzlich
alle in Längsrichtung
des Fahrzeugs wirkende Kräfte,
Momente oder entsprechende Werte, wie z. B: eine Antriebskraft oder
ein Antriebsmoment, aber auch eine Bremskraft oder ein Bremsmoment.
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Die
Längskraftwerte
sowie die zugehörigen Beschleunigungswerte
werden vorzugsweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des
Fahrbetriebs ermittelt.
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In
einer speziellen Ausführungsform
wird zusätzlich
ein Störterm
ermittelt, der zumindest den Einfluss eines Sensor-Offsets und/oder
eines Rollwiderstands des Kraftfahrzeugs repräsentiert. Der Sensor-Offset
kann beispielsweise durch ein Einnicken des Kraftfahrzeugs beispielsweise
aufgrund eines Beladungszustandes des Kraftfahrzeugs hervorgerufen
werden. Durch Berücksichtigung
eines solchen Störterms
kann die Fahrzeuggesamtmasse genauer bestimmt werden.
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Zur
Bestimmung der Masse wird vorzugsweise ein rekursiver Identifikationsalgorithmus
verwendet. Dadurch kann die Fahrzeuggesamtmasse noch genauer bestimmt
werden.
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In
diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Fahrzeuggesamtmasse
mittels eines Kalman-Filters oder mit der Methode der kleinsten
Quadrate (RLS) bestimmt wird. Ein solcher Algorithmus ermittelt
grundsätzlich
abhängig
von den Eingangsgrößen (z.
B. Längskraft,
Beschleunigung) eine optimale Parametrisierung einer Funktion. Die optimale
Parametrisierung ist beispielsweise durch ein minimales Fehlerquadrat
gekennzeichnet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Fahrzeuggesamtmasse
nur ermittelt, wenn zumindest eine, insbesondere die Fahrsituation
betreffende, Bedingung erfüllt
ist. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Fahrzeugmasse
nur in einer kontrollierten Fahrsituation ermittelt wird, in der das
Fahrzeug nicht über-
oder untersteuert. Dadurch kann vermieden werden, dass die Fahrzeuggesamtmasse
aufgrund unrepräsentativer
Messgrößen unpräzise ermittelt
wird.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann auch vorgesehen sein, dass die Fahrzeugmasse nur in Fahrsituationen
berechnet wird, in denen die Fahrzeuggeschwindigkeit kleiner als
ein vorgegebener Grenzwert ist. Ein solcher Geschwindigkeitsgrenzwert
ist beispielsweise 100 km/h.
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Der
Schätzwert
der Fahrzeuggesamtmasse wird vorzugsweise einem Regel-Algorithmus des Kraftfahrzeugs
als Eingangsgröße zur Verfügung gestellt.
Dies kann z. B. ein Tempomat, Abstandregler oder ein Lenkregler
sein. Der Regler kann somit an unterschiedliche Beladungen angepasst
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum Ermitteln einer Fahrzeuggesamtmasse,
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2 ein
Ablauf-Diagramm eines Programms zum Ermitteln der Fahrzeuggesamtmasse, und
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3 ein
Diagramm.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine Vorrichtung 2 zum Ermitteln der Fahrzeuggesamtmasse, wie z.
B. ein Steuergerät.
Als Eingangsgrößen erhält die Vorrichtung
2 zwei unterschiedliche Werte F1, F2, die repräsentativ sind für eine Antriebskraft
des Kraftfahrzeugs. Diese Antriebskraftwerte werden z. B. vom Motor-Steuergerät zur Verfügung gestellt.
Weitere Eingangsgrößen sind zu
den Werten F1, F2 zugehörige
Beschleunigungswerte A1, A2. Ein Wertepaar F1, A1 bzw. F2, A2 beschreibt
jeweils die Antriebskraft und die zugehörige Beschleunigung zu einem
Zeitpunkt (oder kurz aufeinander folgenden Zeitpunkten).
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Als
Ausgangsgrößen liefert
die Vorrichtung 2 die Fahrzeuggesamtmasse m und vorzugsweise einen
Störwert
Foff. Die Fahrzeuggesamtmasse m ist repräsentativ
für die
Masse des Kraftfahrzeugs einschließlich Beladung, inklusive einer
oder mehrerer Insassen. Der Störwert
Foff repräsentiert einen Anteil der Erdanziehungskraft,
der gegebenenfalls aufgrund eines Einnickens des Kraftfahrzeugs
von dem Beschleunigungssensor registriert wird, beispielsweise wegen
einer ungleichmäßigen Beladung
des Kraftfahrzeugs. Das Einnicken des Kraftfahrzeugs ruft in dem
Beschleunigungssensor qualitativ das gleiche Signal hervor, wie
eine Fahrt mit dem Kraftfahrzeug auf einer Steigung. In diesem Zusammenhang
kann der Störterm
auch als Sensor-Offset des Beschleunigungssensors bezeichnet werden.
Zusätzlich
ist der Störwert
Foff repräsentativ für eine Rollwiderstandskraft,
die durch die Antriebskraft des Kraftfahrzeugs überwunden werden muss. Da sich der
Beladungszustand grundsätzlich
nicht während eines
Fahrzyklus ändert
und sich der Rollwiderstand unterhalb eines Geschwindigkeitsgrenzwertes
nur unwesentlich ändert,
kann der Störwert
Foff unterhalb des Geschwindigkeitsgrenzwerts
auch näherungsweise
als zeitinvariante Störgröße bezeichnet
werden.
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2 zeigt
ein Verfahren zum Ermitteln der Fahrzeuggesamtmasse m anhand eines
Flussdiagramms. Das Programm wird in einem Schritt S1 gestartet,
beispielsweise nach dem Start des Kfz-Motors, wobei in Schritt S1
gegebenenfalls Variablen initialisiert werden.
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In
einem Schritt S2 kann überprüft werden, ob
eine vorgegebene, den Fahrzustand betreffende Bedingung CON erfüllt ist.
Diese Bedingung CON ist z. B. erfüllt, wenn sich das Fahrzeug
in einer für
die Ermittlung zulässigen
Fahrsituation befindet, also insbesondere nicht über- oder untersteuert. Die
Bedingung CON kann auch umfassen, dass die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit
kleiner als ein vorgegebener Schwellenwert, z. B. kleiner als 100
km/h ist. Dadurch kann der Einfluss des Rollwiderstands auf den Störwert Foff begrenzt werden.
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Falls
die Bedingung von Schritt S2 erfüllt
ist, wird in Schritt S3 ein erster Antriebskraftwert F1 abhängig von
einer Lastgröße L1 ermittelt.
Die Lastgröße ist beispielsweise
ein Luftmassenstrom in einen Zylinder der Brennkraftmaschine oder
ein Saugrohrdruck in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine. Alternativ
könnte
auch ein Drehmoment-Sensor vorgesehen sein, aus dessen Signal der
erste Antriebskraftwert F1 ermittelt wird. Falls das Kraftfahrzeug keine
Brennkraftmaschine oder zusätzlich
zu der Brennkraftmaschine ein anderes Antriebsaggregat umfasst,
so können
entsprechende andere Messgrößen zum
Ermitteln der Antriebskraftwerte F1, F2 herangezogen werden.
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In
Schritt S4 wird der zugehörige
erste Beschleunigungswert A1 mittels eines Beschleunigungssensors
gemessen. Der Beschleunigungssensor ist vorzugsweise so in dem Kraftfahrzeug
angeordnet, dass er im Wesentlichen eine Beschleunigung entlang
der Längsachse
des Kraftfahrzeugs erfasst.
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Die
Schritte S5 und S6 werden nach den Schritten S3 und S4 in entsprechender
Weise abgearbeitet. Daraus ergeben sich ein zweiter Antriebskraftwert
F2 und ein zugehöriger
zweiter Beschleunigungswert A2.
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In
Schritt S7 wird schließlich
die Fahrzeuggesamtmasse m bestimmt. Dies erfolgt vorzugsweise auf
Grundlage der Formel: F = m·a + Foff mit a = aτ + g·sinαwobei aτ die
tatsächliche
Beschleunigung des Fahrzeugs (in einem externen Koordinatensystem)
als zeitliche Veränderung
der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit
und g·sinα den Anteil
der Erdbeschleunigung repräsentieren.
Mit wenigstens zwei Wertepaaren F1, A1 und F2, A2 kann daraus sowohl
die Fahrzeuggesamtmasse m als auch der Störwert Foff ermittelt werden.
Beispielsweise können
zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten (m, Foff)
aufgestellt und z. B. durch Differenzenbildung gelöst werden.
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Vorzugsweise
werden jedoch weit mehr Wertepaare ermittelt. Das sich dadurch ergebene
algebraische System ist dann überbestimmt,
was ein sehr präzises
Ermitteln der Fahrzeuggesamtmasse und des Störwerts Foff ermöglicht.
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Vorzugsweise
werden Identifikationsalgorithmen, insbesondere rekursive Identifikationsalgorithmen
zum Ermitteln der Fahrzeuggesamtmasse m und des Störwerts Foff herangezogen. Insbesondere ein Kalman-Filter
oder die Methode der kleinsten Quadrate ermöglichen dann in relativ kurzer
Zeit eine besonders präzise
Berechnung der gesuchten Größen.
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3 zeigt
ein Zeit-Masse-Diagramm, in dem die Ermittlung der Fahrzeuggesamtmasse
m mittels des Kalman-Filters in Abhängigkeit der Zeit t dargestellt
wird. Dieser ermittelt rekursiv innerhalb weniger Sekunden die Fahrzeuggesamtmasse
m sehr präzise.
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Vorzugsweise
werden die ermittelte Fahrzeuggesamtmasse m und/oder der Störterm Foff weiteren Fahrzeugfunktionen zur Verfügung gestellt.
Insbesondere kann die Fahrzeuggesamtmasse m dazu beitragen, diverse
Regel-Algorithmen des Kraftfahrzeugs an die aktuelle Beladung anzupassen.