DE102010054526A1

DE102010054526A1 - Verfahren zur Steuerung einer Fahrzeuggeschwindigkeit und von Wärmeströmen für ein Fahrzeug sowie entsprechendes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010054526A1
Application number: DE102010054526A
Authority: DE
Inventors: Patrick Bartsch; Christian Appelt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-07-05

Abstract

Eine Fahrzeuggeschwindigkeit und Wärmeströme für ein Fahrzeug (10) mit einem Motor (2) zum Antrieb des Fahrzeugs (10) werden gesteuert. Dabei führen die Wärmeströme Wärme von dem Motor (2) ab oder Wärme dem Motor (2) zu. Eine Fahrstrecke, welche von dem Fahrzeug (10) zu fahren ist, wird vorgegeben. Die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Wärmeströme werden abhängig von der Fahrstrecke derart gesteuert, dass ein Energieverbrauch des Fahrzeugs (10) zur Bewältigung der Fahrstrecke, eine Fahrzeit zur Bewältigung der Fahrstrecke durch das Fahrzeug (10) und ein Komfort für Insassen des Fahrzeugs (10) während einer Fahrt entlang der Fahrstrecke nach vorgegebenen Kriterien optimiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, um eine Fahrzeuggeschwindigkeit und Wärmeströme von und zu einem Motor des Fahrzeugs zu steuern, sowie ein entsprechend ausgestaltetes Fahrzeug.
Die DE 41 04 093 A1 beschreibt eine Kühlanlage für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, welche mehrere Kreisläufe mit jeweils zugeordneten Wärmetauschern aufweist.
Die DE 101 63 943 A1 offenbart eine Ansteuerung von elektrisch betätigbaren Komponenten eines Kühlsystems für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
Nach dem Stand der Technik ermittelt ein Thermomanagement auch mit Hilfe eines Navigationssystems ein zukünftiges Lastprofil für einen Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs. Abhängig von diesem Lastprofil ermittelt eine Steuereinheit eine Kühlmitteltemperatur, welche für die erwartete Leistungsanforderung des Motors optimal ist. Dabei erhöht eine höhere Kühlmitteltemperatur unter normalen Betriebsbedingungen des Motors den Wirkungsgrad des Motors, während eine niedrigere Kühlmitteltemperatur ein sicher erreichbares Drehmoment im Volllastbetrieb erhöht.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, dieses Thermomanagement zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung einer Fahrzeuggeschwindigkeit und von Wärmeströmen für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 7 gelöst.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung einer Fahrzeuggeschwindigkeit und von Wärmeströmen für ein Fahrzeug mit einem Motor zum Antrieb des Fahrzeugs bereitgestellt. Dabei führen die Wärmeströme Wärme von dem Motor ab oder führen dem Motor Wärme zu. Eine Fahrstrecke, welche von dem Fahrzeug zu fahren ist, wird vorgegeben. Die Vorgabe kann erfolgen über eine direkte Ortsangabe bzw. Ortsangaben. Als Vorgabe ist aber auch zu verstehen, dass erkannt wird, ob sich die Fahrstrecke über Land, in der Stadt, auf der Autobahn, im Gebirge, also wie die augenblickliche und zukünftige Strecke aussehen wird bzw. aussehen könnte. Dies kann ermittelt werden über die augenblickliche Ortsangabe bzw. Ortsangaben und/oder über das Fahrverhalten und/oder über einen Neigungs- und/oder Beschleunigungssensor und/oder durch Vorgabe durch den Fahrer über eine Auswahlmöglichkeit z. B. Kurz-, Mittel-, Langstrecke, Überland-, Stadt-, Gebirge- oder Autobahnfahrt. Sollten keine genauen Ortsangaben zur Verfügung stehen, dann wäre das System auch anwendbar, wenn über Fahrverhalten und/oder Sensorik erkannt wird, um welche Fahrstrecke es sich handelt bzw. höchstwahrscheinlich handeln wird. Abhängig von dieser Fahrstrecke werden die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Wärmeströme derart gesteuert, dass ein Energieverbrauch, welchen das Fahrzeug zur Fahrt entlang der Fahrstrecke verbraucht, eine Fahrzeit, welche das Fahrzeug zum Fahren der Fahrstrecke benötigt, und ein Komfort für Insassen innerhalb des Fahrzeugs während einer Fahrt entlang der Fahrstrecke nach vorgegebenen Kriterien optimiert.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit ein streckenbezogenes optimiertes Erreichen eines erwünschten Kompromisses zwischen Kraftstoffverbrauch, Zeitbedarf und Komfort. Durch die kombinierte Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Wärmeströme erfolgt erfindungsgemäß eine Optimalsteuerung nach den Kriterien Kraftstoffverbrauch, Zeitbedarf und Komfort über die gesamte Fahrstrecke. Zur Steuerung der Wärmeströme können beispielsweise Aktoren eines Motorkühlkreislaufes des Fahrzeugs einschließlich eventueller Wärmespeicherkomponenten eingesetzt werden. Der Komfort der Insassen kann unter anderem durch die Differenz zwischen Soll- und Isttemperatur in der Fahrgastkabine definiert werden.
Nach dem Stand der Technik berücksichtigen bekannte Steuerungsverfahren zur Ansteuerung ihrer Aktoren nicht die gesamte Fahrstrecke ganzheitlich, sondern optimieren die Ansteuerung der verfügbaren Aktoren für den aktuellen Zustand des Systems bzw. einen kurzen Zeithorizont. Demgegenüber optimiert die vorliegende Erfindung die Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit und die Steuerung der Wärmeströme derart, dass ein ganzheitliches Optimum über die gesamte Fahrt entlang der Fahrstrecke erzielt wird. Anders ausgedrückt optimiert die vorliegende Erfindung den Durchschnittsenergieverbrauch, die Fahrzeit und den Durchschnittskomfort für die Fahrt über die gesamte Fahrstrecke und nicht beispielsweise den Energieverbrauch und den Komfort für einen bestimmten Abschnitt der Fahrstrecke.
Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden zu Beginn der Fahrstrecke die Wärmeströme derart gesteuert, dass im Wesentlichen die gesamte verfügbare Abwärme des Motors in die Fahrgastkabine des Fahrzeugs geleitet wird, bis dort eine vorgegebene Solltemperatur erreicht worden ist.
Während im Wesentlichen die gesamte Abwärme des Motors in die Fahrgastkabine geleitet wird, wird die Fahrzeuggeschwindigkeit vorteilhafterweise derart gesteuert, dass die Fahrzeit möglichst kurz ist, wodurch der Motor vergleichsweise viel Wärme erzeugt und sich dadurch die Fahrgastkabine vergleichsweise schnell aufwärmt.
Dazu kann beispielsweise eine elektronische Steuereinheit die fahrbare Fahrzeuggeschwindigkeit für den aktuellen Streckenabschnitt der Fahrstrecke prognostizieren. Ein Assistenzsystem, welches die Fahrzeuggeschwindigkeit regelt, passt den Verlauf der Fahrzeuggeschwindigkeit über die Fahrstrecke vorteilhafterweise derart an, dass zu Beginn der Fahrstrecke von dem Motor eine erhöhte Abwärme zur schnellen Aufheizung der Fahrgastkabine zur Verfügung gestellt werden kann. Dies kann beispielsweise über eine bezüglich der Fahrzeit optimierte Wahl der Fahrzeuggeschwindigkeit (wie es oben beschrieben ist) realisiert werden. Im weiteren Verlauf der Fahrstrecke kann dann eine hinsichtlich des Energieverbrauchs optimierte Wahl der Fahrzeuggeschwindigkeit realisiert werden, wodurch zwar mehr Fahrzeit für die entsprechende Teilstrecke benötigt wird, der Energieverbrauch des Fahrzeugs aber entsprechend abgesenkt werden kann.
Die gewählte Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Wärmeströme kann beispielsweise durch ein Optimierungsverfahren realisiert werden, welches sowohl ein entsprechendes Modell für den Energieverbrauch auf der Fahrstrecke als auch eine thermische Simulation der Gegebenheiten innerhalb des Fahrzeugs berücksichtigt. Dabei können unterschiedliche Steuerungstrajektorien simuliert und deren Ergebnisse miteinander verglichen werden, wobei schließlich die nach den vorgegebenen Kriterien beste simulierte Trajektorie im Fahrzeug umgesetzt wird.
Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird für bestimmte oder alle Abschnitte der Fahrstrecke jeweils die Temperatur des Motors für den Fall prognostiziert, dass eine Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß den vorgegebenen Kriterien erfindungsgemäß erfolgt. Für den Fall, dass für einen Abschnitt der Fahrstrecke die Temperatur des Motors oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts prognostiziert wird, wird die Fahrzeuggeschwindigkeit während eines Durchfahren dieses Abschnitts im Vergleich zu der Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß den vorgegebenen Kriterien derart abgesenkt, dass die Temperatur des Motors während der Fahrt über diesen Abschnitt der Fahrstrecke unterhalb des Grenzwerts verbleibt.
Dabei kann auch für den Fall, dass für einen kritischen Abschnitt der Fahrstrecke die Temperatur des Motors oberhalb des Grenzwerts prognostiziert wird (falls keine Gegenmaßnahmen getroffen werden), die Fahrzeuggeschwindigkeit bereits vor dem Durchfahren dieses kritischen Abschnitts im Vergleich zu der Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß den vorgegebenen Kriterien derart abgesenkt werden, dass die Temperatur des Motors bereits zu Beginn der Durchfahrt des kritischen Abschnitts unterhalb eines weiteren Grenzwerts liegt, welcher unter dem oben beschriebenen Grenzwert angeordnet ist.
Eine Auslegung des Fahrzeugs auf eine thermische Betriebssicherheit auch für extreme Fahrsituationen führt in der Regel zu einem überdimensionierten Kühlsystem für die Mehrheit der Anwendungsfälle. Dies gilt gerade für den Bereich der Elektrofahrzeuge, da hier aufgrund geringer Erfahrungswerte heutzutage noch unklar ist, welches Anforderungsprofil abzudecken ist. Die vorliegende Erfindung vermeidet Überhitzungsprobleme des Motors durch eine geeignete Wahl der Fahrzeuggeschwindigkeit gegebenenfalls unterstützt durch eine frühzeitige Ansteuerung des Kühlsystems. Indem die vorliegende Erfindung die Optimalsteuerung um die Wahl oder Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit erweitert, ermöglicht die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise eine Bewältigung von thermisch anspruchsvollen Situationen auch mithilfe eines im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik unterdimensionierten (und damit preiswerteren) Kühlsystems. Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die Fahrzeuggeschwindigkeit über der Fahrstrecke derart gewählt, dass zum einen die Abwärme in kritischen Phasen minimiert wird. Zum anderen kann eine maximale Abkühlung der Komponenten vor einem als kritisch prognostizierten Fahrabschnitt durchgeführt werden, so dass der Zeitpunkt einer bevorstehenden Überhitzung aufgrund der thermischen Trägheit des Systems weiter hinausgezögert werden kann.
Zur Einstellung der Fahrzeuggeschwindigkeit für die einzelnen Abschnitte der Fahrstrecke werden mittels eines Optimierungsverfahrens mögliche Zustandstrajektorien im Voraus simuliert und miteinander verglichen. Dabei erfolgt dieser Vergleich abhängig von einem Modell der Motorthermik. Schließlich wird die erfolgreichste Steuerungstrajektorie ausgewählt und zur Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet.
Gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden mittels eines Modells Beanspruchungen von Fahrzeugkomponenten abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit bei dem Durchfahren der Fahrstrecke prognostiziert oder vorherberechnet. Abhängig von einer vorgegebenen maximalen Fahrtdauer für die Fahrstrecke wird die Fahrzeuggeschwindigkeit derart gesteuert, dass die Fahrzeit entlang der Fahrstrecke nicht länger als die maximale Fahrtdauer ist und dass eine Summe von Beanspruchungen der Fahrzeugkomponenten bei dem Durchfahren der Fahrstrecke minimiert wird.
Mit anderen Worten wird beispielsweise mittels einer elektronischen Steuereinheit die Fahrzeuggeschwindigkeit vorherberechnet und ein Geschwindigkeitsverlauf über der Fahrstrecke derart eingestellt, dass Beanspruchungen von Bauteilen des Fahrzeugs minimiert werden, die vorgegebene maximale Fahrtdauer jedoch nicht überschritten wird. Dadurch ergeben sich vorteilhafterweise, beispielsweise aufgrund eines geringeren Bremsenverschleißes, geringere Wartungskosten für das Fahrzeug.
Die Einstellung der Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgt wiederum durch ein geeignetes Optimierungsverfahren und dem oben genannten Modell zur Vorhersage der entsprechenden Bauteilbeanspruchungen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die dritte erfindungsgemäße Ausführungsform auch ohne eine Steuerung der Wärmeströme ausgeführt werden kann. Mit anderen Worten kann gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform nur die Fahrzeuggeschwindigkeit derart gesteuert werden, dass ein Energieverbrauch des Fahrzeugs zur Bewältigung der Fahrstrecke, eine Fahrzeit zur Bewältigung der Fahrstrecke durch das Fahrzeug und ein Komfort für Insassen des Fahrzeugs während einer Fahrt entlang der Fahrstrecke nach vorgegebenen Kriterien optimiert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine Steuerung, einen Motor und ein Wärmeleitsystem oder Kühlsystem umfasst. Dabei ist das Wärmeleitsystem derart ausgestaltet, dass es Wärme von dem Motor abführt oder Wärme dem Motor zuführt. Der Steuerung ist eine Fahrstrecke, welche von dem Fahrzeug zu befahren ist, vorgebbar. Die Steuerung ist derart ausgestaltet, dass sie den Energieverbrauch des Fahrzeugs und den Komfort für Insassen des Fahrzeugs erfasst. Die Steuerung steuert die Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs und das Wärmeleitsystem abhängig von der Fahrstrecke derart, dass der Energieverbrauch zur Bewältigung der Fahrstrecke, eine Fahrzeit zur Bewältigung der Fahrstrecke durch das Fahrzeug und ein Komfort für Insassen des Fahrzeugs während einer Fahrt entlang der Fahrstrecke nach vorgegebenen Kriterien optimiert werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Fahrzeugs entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche vorab im Detail ausgeführt worden sind, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird.
Die vorliegende Erfindung kann bei mit einem Verbrennungsmotor oder mit einem Elektromotor angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung beispielsweise auch bei Schiffen, Flugzeugen und spurgeführten oder gleisgebundenen Fahrzeugen einsetzbar ist.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer Ausführungsform mit Bezug zu der einzigen Figur im Detail beschrieben.
Die einzige Figur stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug dar.
In der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 dargestellt, welches einen Motor 2, eine Steuerung 1 und ein Wärmeleitsystem (Kühlsystem) 3 umfasst. Die Steuerung 1 steuert die Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs 10 und mit Hilfe des Wärmeleitsystems 3 die Wärmeströme von und zu dem Motor 2 abhängig von der zu bewältigenden Fahrstrecke derart, dass ein Energieverbrauch des Fahrzeugs, eine Fahrzeit und ein Komfort für Insassen des Fahrzeugs nach vorgegebenen Kriterien optimiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4104093 A1 [0002]
DE 10163943 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Fahrzeuggeschwindigkeit und von Wärmeströmen für ein Fahrzeug (10) mit einem Motor (2) zum Antrieb des Fahrzeugs (10), wobei die Wärmeströme Wärme von dem Motor (2) abführen oder Wärme dem Motor (2) zuführen, wobei eine Fahrstrecke, welche von dem Fahrzeug (10) zu fahren ist, vorgegeben wird, und wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Wärmeströme abhängig von der Fahrstrecke derart gesteuert werden, dass ein Energieverbrauch des Fahrzeugs (10) zur Bewältigung der Fahrstrecke, eine Fahrzeit zur Bewältigung der Fahrstrecke durch das Fahrzeug (10) und ein Komfort für Insassen des Fahrzeugs (10) während einer Fahrt entlang der Fahrstrecke nach vorgegebenen Kriterien optimiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Anfang der Fahrstrecke die Wärmeströme derart gesteuert werden, dass im Wesentlichen eine gesamte Abwärme des Motors (2) in eine Fahrgastkabine des Fahrzeugs (10) geleitet wird, bis eine vorgegebene Temperatur in der Fahrgastkabine erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, während im Wesentlichen die gesamte Abwärme des Motors (2) in die Fahrgastkabine geleitet wird, die Fahrzeuggeschwindigkeit derart gesteuert wird, dass die Fahrzeit möglichst kurz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Abschnitt der Fahrstrecke eine Temperatur des Motors (2) bei einer Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß den vorgegebenen Kriterien berechnet wird, und dass für den Fall, dass für einen Abschnitt der Fahrstrecke die Temperatur des Motors (2) oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt, die Fahrzeuggeschwindigkeit während eines Durchfahrens dieses Abschnitts im Vergleich zu der Steuerung gemäß den vorgegebenen Kriterien derart abgesenkt wird, dass die Temperatur des Motors (2) unterhalb des Grenzwerts verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass für einen Abschnitt der Fahrstrecke die Temperatur des Motors (2) oberhalb des Grenzwerts liegt, bereits vor dem Durchfahren dieses Abschnitts die Fahrzeuggeschwindigkeit im Vergleich zu der Steuerung gemäß den vorgegebenen Kriterien derart abgesenkt wird, dass die Temperatur des Motors (2) zu Beginn der Durchfahrt des Abschnitts unterhalb eines weiteren Grenzwerts liegt, welcher unter dem Grenzwert liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Modells Beanspruchungen von Komponenten des Fahrzeugs (10) abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit bei dem Durchfahren der Fahrstrecke bestimmt werden, dass eine maximale Fahrdauer für die Fahrstrecke vorgegeben wird, und dass die Fahrzeuggeschwindigkeit derart gesteuert wird, dass die Fahrzeit nicht länger als die maximale Fahrdauer ist und dass eine Summe der Beanspruchungen der Komponenten bei dem Durchfahren der Fahrstrecke minimal ist.
Fahrzeug, welches eine Steuerung (1), einen Motor (2) und ein Wärmeleitsystem (3) umfasst, wobei mittels des Wärmeleitsystems (3) Wärme von dem Motor (2) abführbar oder Wärme zu dem Motor (2) zuführbar ist, wobei der Steuerung (1) eine Fahrstrecke, welche von dem Fahrzeug (10) zu fahren ist, vorgebbar ist, wobei die Steuerung (1) zum Erfassen eines Energieverbrauchs des Fahrzeugs (10) und zum Erfassen eines Komforts für Insassen des Fahrzeugs (10) ausgestaltet ist, wobei die Steuerung (1) eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs (1) und das Wärmeleitsystem (3) abhängig von der Fahrstrecke derart steuert, dass der Energieverbrauch zur Bewältigung der Fahrstrecke, eine Fahrtzeit zur Bewältigung der Fahrstrecke durch das Fahrzeug (10) und ein Komfort für Insassen des Fahrzeugs (10) während einer Fahrt entlang der Fahrstrecke nach vorgegebenen Kriterien optimiert wird.
Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–6 ausgestaltet ist.