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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prognose einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs und einen Reichweitenmanager.
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Ein Kraftfahrzeug weist üblicherweise mindestens einen sogenannten materiellen Energiespeicher auf, wobei Energie, die in diesem mindestens einen materiellen Energiespeicher gespeichert ist, zum Antreiben des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Dabei kann der mindestens eine materielle Energiespeicher als Kraftstofftank ausgebildet sein, wobei in darin befindlichem Kraftstoff chemische Energie mittelbar gespeichert ist, die durch Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzt werden kann. Alternativ oder ergänzend kann der mindestens eine materielle Energiespeicher als elektrischer Energiespeicher, bspw. als Akkumulator oder Batterie, in dem oder in der elektrische Energie gespeichert ist, ausgebildet sein. Eine Reichweite des Kraftfahrzeugs hängt von der Menge an Energie ab, die in dem mindestens einen materiellen Energiespeicher gespeichert ist.
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Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug eine Reichweite gegenüber einer Reichweite für ein Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor sowie einen Kraftstofftank aufweist, reduziert ist. Eine daraus resultierende Reduzierung der Reichweite, eine geringe Verfügbarkeit von Ladestationen zum Aufladen von elektrischen Energiespeichern und längere Ladezeiten gegenüber Tankzeiten erfordern eine genauere Planung der Fahrten durch den Fahrer. Diese Planung kann durch verlässliche und präzise Reichweitenprognosen, die von einer Kontrolleinrichtung des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden, unterstützt werden.
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Die üblichen Ansätze für Reichweitenprognosen basieren auf der Gleichung: sRW = ESP/VS (1)
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Dabei ist sRW die prognostizierte Reichweite in km, ESP die verfügbare elektrische Energie aus einem, bspw. als Batterie ausgebildeten, Speicher in kWh und VS der Streckenverbrauch in kWh/km als Quotient aus einem kumulierten Energieverbrauch und einer zurückgelegten Strecke.
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Dieser Ansatz liefert gute Ergebnisse, wenn die genannten Größen hinreichend genau ermittelt werden können. Insbesondere über den Streckenverbrauch VS sind in der Vergangenheit einige Ansätze zur Verbesserung erdacht worden.
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Ein Verfahren zum Steuern eines Hybridfahrzeugs, das mit einem Verbrennungsmotor und einem regenerativen System zur Umwandlung von Energie sowie zur Speicherung und zur Abgabe der umgewandelten kinetischen Energie ausgerüstet ist, ist aus der Druckschrift
DE 100 05 581 B4 bekannt. Hierbei wird unter Verwendung gespeicherter Kartendaten auf der Grundlage der gegenwärtigen Position, die durch einen Positionsermittler erfasst wird, ein erreichbarer Bereich von geographischen Punkten prognostiziert, die das Kraftfahrzeug in einer vorgegebenen Zeitspanne erreichen kann. Außerdem wird die Wahrscheinlichkeit berechnet, mit der das Kraftfahrzeug jeden dieser Punkte zu einem Zeitpunkt erreicht. Aus dem erreichbaren Bereich und der Wahrscheinlichkeit wird eine Verteilung geographischer Höhen berechnet, an denen sich das Kraftfahrzeug aufhalten kann.
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Die Druckschrift
DE 103 02 504 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln der Reichweite eines Elektrofahrzeugs, bei dem fahrzeug-, fahrstrecken- und/oder umweltbezogene Informationen über das Kraftfahrzeug und eine geplante oder eine aktuell zu befahrende Fahrstrecke von einem Fahrzeugcomputer mittels geeigneter Informationserfassungsgeräte erfasst und verarbeitet werden. Dazu werden diese Informationen vor Beginn und/oder beim Befahren einer Fahrstrecke miteinander verknüpft und hinsichtlich einer vorgegebenen oder sich variabel ändernden Fahrzeugbetriebsweise bewertet. Anschließend wird aus diesen Informationen und/oder dem Bewertungsergebnis die verbleibende Reichweite des Elektrofahrzeugs errechnet und in einer Anzeigevorrichtung zur Anzeige gebracht.
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Ein Verfahren zum Ermitteln eines Momentanverbrauchs eines Kraftfahrzeugs, das mindestens einen Antriebsmotor und mindestens einen Energiespeicher aufweist, in dem Energie zum Betreiben des Antriebsmotors speicherbar ist, ist aus der Druckschrift
DE 10 2009 019 810 A1 bekannt. Hierbei ist vorgesehen, eine Änderung der in dem mindestens einen Energiespeicher gespeicherten Energie sowie eine Änderung der kinetischen Energie und/oder eine Änderung der potentiellen Energie des Kraftfahrzeugs miteinander zu einem Momentanverbrauch zu verknüpfen.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und ein Reichweitenmanager mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Bei dem Verfahren wird eine Reichweite sRW eines elektrisch oder eines zeitweise elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs unter Berücksichtigung von Ladezuständen mehrerer Energiespeicher für Energien ESP, wobei mindestens ein materieller Energiespeicher einbezogen wird, und eines entsprechenden Streckenverbrauchs VS bestimmt: sRW = (ΣESP)/VS (2)
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Bei einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug kann beim Bremsen Energie zurückgewonnen werden. Wird eine derartige Fahrsituation in der grundlegenden Gleichung (2) berücksichtigt, ergibt sich, dass bei Bremsungen die Energie zunimmt und der Verbrauch negativ wird. Mit einer üblichen Fensterbetrachtung eines Streckenverbrauchs VS der z.B. letzten 50 km erzeugt diese Fahrsituation eine steigende Reichweite sRW. Bei andauerndem Wechsel zwischen Beschleunigung und Bremsung, z. B. bei einer Fahrt durch eine Stadt, steigt und fällt die berechnete Reichweite sRW mit jedem entsprechenden Fahrmanöver. Da dies verwirrend und störend ist, wird eine derartige Prognose oft nur gefiltert, anstatt eine Ursache hierfür zu optimieren. Durch die Filterung ergibt sich, dass eine Änderung des Fahrverhaltens entsprechend auch gefiltert wird und die Reichweitenprognose nur träge reagiert.
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Als erster virtueller Energiespeicher wird ein Energiespeicher für kinetische Energie Ekin des Kraftfahrzeugs verwendet.
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Dabei wird, wie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die kinetische Energie Ekin = ½ mv2 des gesamten Kraftfahrzeugs als eigener Energiespeicher berücksichtigt und zu einer materiellen Energie ESP eines materiellen Energiespeichers, in dem die Energie ESP gespeichert ist, dazu addiert, kann dieses Problem durch nachfolgende Betrachtung bzw. Berechnung gelöst werden: sRW = (ESP + Ekin)/VS (3)
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Beim Beschleunigen wird viel Energie verbraucht. Gleichzeitig nimmt die Geschwindigkeit v zu und damit auch die kinetische Energie Ekin. Damit fällt die Reichweite sRW im realistischen und physikalisch korrekten Bereich ohne Filterung. Bei einer Bremsung wird die Geschwindigkeit v reduziert und damit die kinetische Energie Ekin wieder abgebaut. Wird die Energie durch Rekuperation, d. h. durch Rückspeisung von kinetischer Energie Ekin als elektrische Energie durch einen Generator des Kraftfahrzeug zurückgewonnen, kann ein Großteil der bspw. durch eine Bremsung zurückgewonnenen kinetischen Energie Ekin, in einen materiellen, elektrischen Energiespeicher ESP (SP = Speicher-Batterie) überführt werden. Da sich somit die gesamte Energie nur geringfügig ändert, ändert sich auch die Reichweite sRW entsprechend gering. Wird nicht rekuperiert, geht kinetische Energie Ekin verloren, ohne dass dem materiellen Energiespeicher Energie zugeführt wird. Somit reduziert sich die Reichweite sRW.
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Bei obiger Betrachtung ist allerdings zu beachten, dass die kinetische Energie bei einer Aufaddierung mit der materiellen Energie mit einem eine in der Regel stets vorhandene Dissipation berücksichtigenden Faktor zu versehen ist, da im Realfall die kinetische Energie nie vollends wieder rekuperiert werden kann. Dieser dissipative Faktor ηkin berücksichtigt sowohl eine entsprechende Fahrsituation wie auch ein entsprechendes Fahrverhalten des das Kraftfahrzeug fahrenden Fahrers. Eine Fahrsituation kann bspw. eine Straßenführung, eine Straßenbeschaffenheit, eine Geschwindigkeit sowie andere durch die Umgebung bedingte Faktoren und Einflüsse umfassen. Ein Fahrverhalten wird bspw. dadurch bestimmt, ob ein Fahrer viele Kurzstrecken oder viele Langstrecken, d. h. bspw. viel Stadtverkehr oder Überlandfahrten macht, ob der Fahrer ruckartig anfährt und abbremst oder eher vorausschauend fährt. Auch das Fahrverhalten kann Einfluss haben auf eine gewisse Dissipation von Energie beim Fahren des Kraftfahrzeugs. Insoweit ist dieser Dissipationsfaktor ηkin zu berücksichtigen, wenn die kinetische Energie zu der materiellen Energie hinzuaddiert wird, um darüber eine Reichweite prognostizieren zu können: sRW = (ESP + ηkinEkin)/VS (3')
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Als zweiter virtueller Energiespeicher wird ein Energiespeicher für potentielle Energie Epot verwendet.
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Führt eine Fahrtroute mehrere Kilometer bergab oder bergauf, ändert sich der Streckenverbrauch VS sehr stark und damit eine Vorhersage für eine verbleibende Reichweite des Kraftfahrzeugs. Physikalisch wird bei einer Fahrt bergauf potentielle Energie Epot im gesamten Kraftfahrzeug gespeichert. Diese potentielle Energie Epot kann z. B. durch das Rollen bergab über einen Generator wieder in elektrische Energie umgewandelt bzw. rückgespeist werden, wodurch die Reichweite sRW vergrößert werden kann. Wird dieser physikalische Effekt nicht berücksichtigt, entstehen deutliche Abweichungen in einer Prognose für die Reichweite sRW.
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Unter der Prämisse, dass eine nächste Ladestation als Zielort mit ihrer Höhe hZ über NHN (Normalhöhennull) bekannt ist, kann die Reichweite auf diese Höhe hZ unter Berücksichtigung einer Höhe ha einer aktuellen Position des Kraftfahrzeugs berechnet werden, wobei ein potentieller Energiespeicher permanent in der Reichweite sRW berücksichtigt wird. sRW = (ESP + Epot)/VS (4)
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Dabei ist die potentielle Energie Epot von einer Differenz der aktuellen Höhe ha zur Höhe hz der Ladestation als Zielort abhängig. Ist die aktuelle Höhe ha geringer, ist ein Höhenunterschied mit entsprechend hohem Verbrauch zu bewältigen, so dass die resultierende potentielle Energie Epot = mg(ha – hz) negativ ist, da zur Bewältigung des Höhenunterschieds Energie aufzuwenden ist. Falls jedoch die potentielle Energie Epot = mg(ha – hz) positiv ist, kann deren Menge im potentiellen Energiespeicher für die potentielle Energie zur Verlängerung der Reichweite sRW verwendet werden. Ist die nächste Ladestation nicht bekannt, so kann ersatzweise die Höhe hz eines Fahrziels als Zielort berücksichtigt werden.
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Da in Epot der Höhenunterschied berücksichtig ist, dar der Streckenverbrauch VS nur bereinigt um den Höhendifferenzverbrauch berücksichtigt werden mit VS-norm. Ebenso wie bereits im Zusammenhang mit der kinetischen Energie erläutert, ist im Realfall die potentielle Energie unter Berücksichtigung eines dissipativen Faktors ηpot mit der materiellen Energie aufzuaddieren, um darüber eine entsprechende Reichweite bestimmen zu können. Der dissipative Faktor ηpot ist abhängig davon, ob die Fahrt insgesamt bergab oder bergauf führt und daher sind die Fälle zu unterscheiden. Zudem ist der dissipative Faktor ηpot von der Fahrweise abhägig und kann zusätzlich in einem separaten Regelkreis adaptier werden. Insofern muss auch dieser dissipative Faktor ηpot unter Gleichung (4) berücksichtigt werden, was in der folgenden Gleichung (4') dargelegt ist: sRW = (ESP + ηpotEpot)/VS-norm (4')
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Für eine Prognose der Reichweite wird eine Kombination von beiden Ansätzen unter Berücksichtigung virtueller Energiespeicher für die kinetische und die potentielle Energie Ekin, Epot verwendet. Dabei sind zu den Energien mindestens eines materiellen Energiespeichers des Kraftfahrzeugs virtuelle Energiespeicher für kinetische und potentielle Energien Ekin, Epot zu addieren. Damit ergibt sich die Reichweite als: sRW = (ESP + Ekin + Epot)/VS-norm (5)
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Dabei wird in Gleichung (5) eine Summe eines Ladeszustands mindestens eines materiellen Energiespeichers, ein Ladeszustand mindestens eines kinetischen Energiespeichers und ein Ladezustand mindestens eines potentiellen Energiespeichers gebildet und zur Prognose der Rechweite berücksichtigt. Dabei ist vorgesehen, dass die Energiespeicher untereinander Energie austauschen und somit wechselwirken. Das bedeutet, dass das betreffende Kraftfahrzeug als materiellen Energiespeicher mindestens einen elektrischen Energiespeicher aufweisen muss, in welchem gegebenenfalls kinetische Energie oder potentielle Energie als elektrische Energie rückgespeist werden kann, um dann wieder zu einem Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet werden zu können. Neben dem mindestens einen elektrischen Energiespeicher kann das Kraftfahrzeug noch einen Kraftstofftank aufweisen, wie dies beispielsweise bei einem Hybridfahrzeug der Fall ist.
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Unter weiterer Berücksichtigung oben genannter dissipativer Faktoren ergibt sich dann folgende Gleichung: sRW = (Emat + ηkinEkin + ηpotEpot)/VS (5')
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Das Verfahren kann für ein Kraftfahrzeug mit Hybrid- oder Elektromotor verwendet und somit dessen Reichweite prognostiziert werden. Mit dem erfindungsgemäßen Reichweitenmanager werden bei einer Berechnung des Verbrauchs auch die kinetische Energie Ekin sowie die potentielle Energie Epot zur Verwendung für virtuelle Energiespeicher betrachtet. Neben dem mindestens einen materiellen Energiespeicher, wie z. B. einem elektrischen Energiespeicher im Falle eines Elektromotors oder einem Tank für Kraftstoff zum Speichern von chemischer Energie, die durch Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzt wird und einem elektrischen Energiespeicher im Falle eines Hybridfahrzeugs, können nun zusätzliche virtuelle Energiespeicher berücksichtigt werden und damit in die Berechnung der Reichweite sRW einfließen. Die potentielle Energie ergibt sich dann beispielsweise aus der aktuellen Position bzw. einem aktuellen Standort der Ladestation als Zielort.
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Die kinetische Energie Ekin kann beispielsweise bei der Bremsung über die Rekuperation für ein Wiederaufladen der Batterie oder eines Akkumulators als materiellem Energiespeicher für elektrische Energie des Kraftfahrzeugs sorgen. Für den Reichweitenmanager wird daher vorgeschlagen, die verschiedenen Energiespeicher zu überwachen und den tatsächlichen Verlust und somit Verbrauch zu bestimmen, um so die Güte einer Berechnung der Reichweite deutlich zu erhöhen. Mit dem Reichweitenmanager können sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchgeführt werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
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1 zeigt ein Diagramm, das eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs umfasst, zu einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Kraftfahrzeug 2 mit der Masse m, das eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reichweitenmanagers 4 sowie als materielle Energiespeicher einen elektrischen Energiespeicher 6 sowie einen Kraftstofftank 8 umfasst.
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Das Kraftfahrzeug 2 befindet sich bei einer aktuellen Position 10 mit einer Höhe h = ha. Es ist vorgesehen, dass das Kraftfahrzeug 2 zu einem Zielort 12 fährt, dessen Höhe hz ist, und an dem sich eine Ladestation 14 für mindestens einen der materiellen Energiespeicher befindet. An der Ladestation 14 befinden sich hier ein Ladegerät für den elektrischen Energiespeicher sowie eine Tankstelle für den Kraftstofftank 8.
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Während einer vorzunehmenden Fahrt bewegt sich das Kraftfahrzeug 2 mit einer Geschwindigkeit v, die zeit- und/oder ortsabhängig, bspw. straßen- und verkehrsabhängig veränderlich ist. In Abhängigkeit dieser Geschwindigkeit v sowie der Masse m wird eine kinetische Energie Ekin = ½mv2 berechnet, aus der sich ein Ladezustand eines ersten virtuellen Energiespeichers 16 für die kinetische Energie Ekin = ½mv2 ergibt. Ein Ladezustand eines zweiten virtuellen Energiespeichers 18 für eine potentielle Energie Epot = mgh hängt hier von der absoluten Höhe h des Kraftfahrzeugs 2 im Schwerefeld der Erde, das die Erdbeschleunigung g bewirkt, sowie von dessen Masse m ab.
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Bei der Ausführungsform des Verfahrens zur Prognose einer Reichweite des Kraftfahrzeugs 2 mit dem Reichweitenmanager 4 wird neben einem Wert für einen Füllstand des Kraftstofftanks 8 des einen materiellen Energiespeichers und für einen Ladezustand des materiellen, elektrischen Energiespeichers 6 ein Wert für einen Ladezustand des virtuellen kinetischen Energiespeichers 16 sowie ein Wert für einen Ladezustand des virtuellen potentiellen Energiespeichers 18 berücksichtigt.
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Dabei wird die Reichweite zwischen der aktuellen Position ha des Kraftfahrzeugs 2 und dem Zielort 12 des Kraftfahrzeugs 2 prognostiziert, wobei zum Bestimmen des Werts des Ladezustands des virtuellen potentiellen Energiespeichers 18 ein Höhenunterschied Δh = ha – hz zwischen der aktuellen Position 10 und dem zu erreichenden Zielort 12 des Kraftfahrzeugs 2 berücksichtigt wird. Dabei kann auch ein Profil und/oder Verlauf einer zwischen der aktuellen Position 10 und dem Zielort 12 zurückzulegenden Strecke berücksichtigt werden, wobei dieser Verlauf bspw. höhenabhängig zu berücksichtigen ist.
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Zum Bestimmen des Werts des Ladezustands des virtuellen kinetischen Energiespeichers 16 wird ein zu erwartender Verlauf einer Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs 2 zwischen der aktuellen Position 10 und dem zu erreichenden Zielort 12 berücksichtigt. Weiterhin kann auch ein zu erwartender Verlauf einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 2 zwischen der aktuellen Position 10 und dem Zielort 12 des Kraftfahrzeugs 2 berücksichtigt werden. Dabei verursacht bspw. eine Bremsung eine negative Beschleunigung.
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Zum Bestimmen des Werts des Ladezustands des virtuellen kinetischen Energiespeichers 16 kann ein Profil einer zwischen der aktuellen Position 10 und dem Zielort 12 des Kraftfahrzeugs 2 zurückzulegenden Strecke berücksichtigt werden.
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Die für die Prognose zu berücksichtigenden Verläufe der zurückzulegenden Strecke, der Geschwindigkeit sowie der Beschleunigung sind üblicherweise ebenfalls zu prognostizieren. Dabei kann der Verlauf der Strecke unter Berücksichtigung einer Routenplanung, die von einem Navigationssystem bereitgestellt werden kann, prognostiziert werden. Dabei ist zu berücksichtigen, welche Arten von Straßen mit welcher zu erwartenden Geschwindigkeit, bspw. einer vorgeschriebenen Höchstgeschwindigkeit, zu befahren sind und welche Änderungen der Geschwindigkeit, die bspw. durch auf rot geschaltete Ampeln oder Abbiegemanöver bedingt sein können, zu erwarten sind. Weiterhin kann ein auf Erfahrungswerte basierendes tageszeitabhängiges Verkehrsaufkommen auf der zu zurückzulegenden Strecke berücksichtigt werden.
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Alternativ oder ergänzend kann hierbei auch ein aktueller Verkehrsbericht berücksichtigt werden. Auf dem zu erwartenden Verlauf der zurückzulegenden Strecke basierend können auch zu erwartende Verläufe für die Geschwindigkeit und die Beschleunigung abgeleitet werden. Die genannten Verläufe können auch bei jeder Fahrt positionsabhängig gespeichert und für zukünftige Prognosen für die Reichweite verwendet werden, so dass zur Prognose Erfahrungswerte berücksichtigt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10005581 B4 [0007]
- DE 10302504 A1 [0008]
- DE 102009019810 A1 [0009]
