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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, wobei in Abhängigkeit eines vorausliegenden Streckenprofils eine Betriebsstrategie für das Fahrzeug ermittelt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung eines solchen Verfahrens zur Steuerung eines Hybridantriebsstrangs eines Fahrzeugs sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Aus der
DE 10 2008 019 174 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines ersten Fahrzeugs, bei welchem eine gegenwärtige Fahrzeugposition, Informationen über eine vorliegende Strecke und/oder eine Fahrzeuggeschwindigkeit ermittelt wird, bekannt. Anhand der ermittelten Informationen wird eine Fahrzeuggeschwindigkeit gesteuert und geregelt. Weiterhin werden eine vorgegebene Fahrzeuggeschwindigkeit, eine momentane Fahrstufe und ein momentanes Antriebs- und Bremsmoment in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter der bevorstehenden Strecke und in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter eines vorausfahrenden zweiten Fahrzeuges geregelt und gesteuert.
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Auch die
DE 10 2009 030 784 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs eines Fahrzeugs mit einer Fahrzeug- und Motor- und Getriebesteuerung. Dabei werden mehrere Umgebungsparameter, Fahrzeugparameter, Fahrzeugbetriebsparameter und Streckenparameter erfasst. Für einen vorausliegenden Streckenabschnitt beginnend bei einer gegenwärtigen Fahrzeugposition werden die Fahrzeugbetriebszustände und die zugehörigen Steuerparameter mittels einer Fahrzeugbetriebskostenfunktion ermittelt und in einem Puffer als optimierte Fahrzeugsteuerparameter abgelegt. Die Fahrzeugbetriebskostenfunktion wird anhand eines iterativen numerischen Verfahrens unter Berücksichtigung vom Fahrer vorgebbarer Beschränkungen und Nebenbedingungen für die Fahrzeugbetriebs- und die Fahrzeugsteuerparameter ermittelt.
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Aus der
DE 10 2009 040 682 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Geschwindigkeitsregelanlage eines Fahrzeugs bekannt, wobei in Abhängigkeit von einer aus Streckenparametern und Fahrzeugparametern ermittelten charakteristischen Fahrzeugsituation anhand mehrerer alternativer Steuervarianten durch eine Steuerung und Regelung eines Antriebsstrangs und einer Bremseinrichtung des Fahrzeugs eine Fahrzeuggeschwindigkeit automatisch eingestellt wird. Die Streckenparameter, welche zumindest Steigungsdaten umfassen, werden aktuell für zumindest einen während einer Fahrt des Fahrzeugs vorausliegenden Streckenabschnitt aus dreidimensionalen Kartendaten einer digitalen Straßenkarte ermittelt, wobei in Abhängigkeit von den Streckenparametern, aktuellen Fahrzeugparametern und prognostizierten Fahrzeugparametern aus einer Mehrzahl der alternativen Steuervarianten eine oder mehrere geeignete Steuervarianten ausgewählt werden. In Anwendungsfällen werden anhand einer Simulation eines Verlaufs der Fahrzeuggeschwindigkeit ein Einfluss der ausgewählten Steuervarianten und deren Eignung zur bedarfsgerechten Steuerung der Geschwindigkeitsregelanlage überprüft und es wird eine geeignete Steuervariante oder werden mehrere geeignete Steuervarianten aktiviert und eine ungeeignete Steuervariante oder mehrere ungeeignete Steuervarianten werden verworfen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs, eine Verwendung eines solchen Verfahrens und eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens anzugeben.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale, hinsichtlich der Verwendung durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In dem Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs wird in Abhängigkeit eines vorausliegenden Streckenprofils eine Betriebsstrategie für das Fahrzeug ermittelt.
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Erfindungsgemäß werden Betriebszustände des Fahrzeugs für das vorausliegende Streckenprofil für mehrere Vorausschauhorizonte prognostiziert, wobei eine Genauigkeit und/oder Anzahl von Streckeninformationen, Fahrzeuginformationen und/oder Parametern der Betriebszustände mit wachsender Länge der Vorausschauhorizonte verringert wird.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in besonders vorteilhafter Weise die Ermittlung einer hinsichtlich einer Fahrzeit, Fahrstrecke, eines Komforts und/oder eines Energieverbrauchs des Fahrzeugs optimierten Betriebsstrategie möglich, wobei gleichzeitig aufgrund der Verwendung von Vorausschauhorizonten mit unterschiedlicher Länge und der Anpassung der Genauigkeit und/oder Anzahl der Streckeninformationen, Fahrzeuginformationen und/oder Parametern der Betriebszustände an die Länge der Vorausschauhorizonte ein Rechen- und Speicheraufwand minimiert wird.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Grobprognose der Betriebszustände des Fahrzeugs für lange Vorausschauhorizonte mittels einfacher Längsmodelle durchgeführt, wobei in Abhängigkeit von Anstiegen und Gefällen innerhalb des Streckenprofils als Betriebszustände Lastphasen und Schubphasen einer Antriebseinheit des Fahrzeugs ermittelt werden. Dabei erfolgt die Grobprognose anhand verschiedener Informationen, deren Genauigkeit und Anzahl vorzugsweise mit wachsender Länge der Vorausschauhorizonte sinken. Somit kann eine ”grobe” Vorausplanung des vor dem Fahrzeug liegenden Streckenprofils erfolgen.
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Um diese ”grobe” Vorausplanung des vor dem Fahrzeug liegenden Streckenprofils vollständig bis zum Erreichen eines Fahrziels zu realisieren, werden in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Grobprognose die Betriebszustände bei Fahrtantritt für einen ersten Vorausschauhorizont, welcher eine gesamte Fahrstrecke umfasst, prognostiziert.
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Insbesondere werden in der Grobprognose prognostizierte Betriebszustände mittels in einer Feinprognose ermittelten Betriebszuständen aktualisiert. Durch diese Feinprognose ist es möglich, dass die grob vorgeplanten Betriebszustände kurz vor dem Erreichen eines jeweiligen Teilabschnitts des Streckenprofils aktualisiert werden und somit eine sehr genaue Ermittlung der Betriebsstrategie für das Fahrzeug in diesem Teilabschnitt möglich ist.
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Insbesondere werden in der Grobprognose weiterhin für die Teilabschnitte des vorausliegenden Streckenprofils anhand der prognostizierten Betriebszustände ermittelte Betriebsstrategien des Fahrzeugs in Abhängigkeit von den in der Feinprognose ermittelten Betriebszuständen geändert. Das heißt, auch die Grobprognose wird in Abhängigkeit der Feinprognose geändert und angepasst, so dass eine optimierte Ermittlung der Betriebsstrategie für das gesamte Streckenprofil möglich ist.
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Gemäß einer Weiterbildung wird die Fein-Prognose der Betriebszustände des Fahrzeugs für kurze Vorausschauhorizonte in Abhängigkeit der Lastphasen und Schubphasen und aktueller Betriebszustände des Fahrzeugs durchgeführt. Somit kann anhand der aktuellen Betriebszustände in einfacher Weise eine Erhöhung der Genauigkeit der mit großem Zeithorizont vorausgeplanten Grobplanung erfolgen.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen die Prognosen der Betriebszustände für die Vorausschauhorizonte in Abhängigkeit der Länge der Vorausschauhorizonte anhand verschiedener Modelle und/oder mit verschiedenen Taktraten gleichzeitig, so dass stets ein an den jeweiligen Vorausschauhorizont angepasstes Modell und angepasste Taktraten verwendet werden können. Dadurch wird die Genauigkeit bei der Ermittlung der Betriebsstrategie weiter verbessert.
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Insbesondere erfolgt die Prognose der Vorausschauhorizonte weiterhin rollierend. Das heißt, Ergebnisse eines vorangegangen Vorausschauhorizonts werden als Startbedingungen für einen jeweils darauffolgenden Vorausschauhorizont verwendet. Somit ist eine iterative Durchführung des Verfahrens während der Fahrt des Fahrzeugs realisierbar, so dass in vorgegebenen Intervallen die noch vorausliegende Fahrstrecke bestimmt und eine an diese angepasste optimierte Betriebsstrategie bestimmt wird. Somit können Änderungen der sich im Verlauf der Fahrstrecke ändernden Streckeninformationen, Fahrzeuginformationen und/oder Parameter der Betriebszustände berücksichtigt werden, um einen insbesondere hinsichtlich der Effizienz und des Wirkungsgrades optimierten Betriebszustand des Fahrzeugs einzustellen.
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Bevorzugt werden bzw. wird in Abhängigkeit der ermittelten Betriebsstrategie zumindest ein Antriebsstrang und/oder zumindest eine Energiespeichereinheit gesteuert. Dadurch werden ein geringer Kraftstoffverbrauch sowie ein daraus folgender geringer Schadstoffausstoß des Fahrzeugs erreicht.
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Weiterer Bestandteil der Erfindung ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren oder von dessen Ausgestaltungen zur Steuerung eines Hybridantriebsstrangs eines Fahrzeugs.
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Für eine vorausschauende Steuerung eines solchen Hybridantriebsstrangs ist zumindest teilweise ein langer Vorausschauhorizont erforderlich. Je nach Verhältnis einer Kapazität der Energiespeichereinheit zur Leistung einer als Elektromotor ausgebildeten Antriebseinheit können Längen des Vorausschauhorizonts von mehr als 30 km erforderlich sein. Aufgrund einer begrenzten Rechenleistung ist es in einer zur Umsetzung einer prädiktiven Betriebsstrategie eines Fahrzeugs mit einer Steuerung des Hybridantriebsstrangs notwendigen Voraussimulation nur mit sehr großem Aufwand oder nicht möglich, ein detailliertes Modell des Fahrzeugs, insbesondere mit einer realen Schaltstrategie, zu berücksichtigen.
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Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch ein vereinfachtes Längsdynamikmodell verwendet, welches ermöglicht, eine grobe Geschwindigkeits- und Leistungsprognose über einen langen Vorausschauhorizont zu ermitteln. Anhand dieser groben Geschwindigkeits- und Leistungsprognose ist eine Planung eines Verlaufs eines Ladezustands der Energiespeichereinheit (im Englischen: state of charge – SOC) und von Hybridbetriebszuständen möglich.
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Eine zur Berechnung konkreter Stellgrößen einer prädiktiven Fahr- und Hybridstrategie notwendige präzisere und rechenintensivere Voraussimulation für einen kurzen Vorausschauhorizont mit einer geringeren Zykluszeit ist aufgrund der Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens in besonders vorteilhafter Weise möglich, ohne dass ein großer Rechenaufwand erforderlich ist. Um jedoch im kürzeren Vorausschauhorizont die im langen Vorausschauhorizont erzeugten Informationen über den vorteilhaften Ladezustand der Energiespeichereinheit und einer bestmöglichen Abfolge von Hybridbetriebszuständen nutzen zu können, werden die Informationen des langen Vorausschauhorizonts im kurzen Vorausschauhorizont mitverarbeitet.
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Durch die Aufteilung in einen langen groben Vorausschauhorizont für die Energiespeichereinheit und einen kürzeren detaillierten Vorausschauhorizont für einen kinematischen Speicher, d. h. die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, wird eine optimale Integration einer prädiktiven Hybridbetriebstrategie zur Momentenaufteilung zwischen einer als Elektromotor ausgebildeten Antriebseinheit und einer als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Antriebseinheit des Hybridfahrzeugs in eine prädiktive Fahrstrategie zur Beeinflussung eines Geschwindigkeitstempomaten mit der Schaltstrategie möglich.
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Zur effizienten und zuverlässigen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
- – eine Ermittlungseinheit zur Ermittlung der Vorausschauhorizonte,
- – eine mit der Ermittlungseinheit gekoppelte oder in die Ermittlungseinheit integrierte Positionserfassungseinheit zur Erfassung einer Position des Fahrzeugs,
- – eine mit der Ermittlungseinheit gekoppelte oder in die Ermittlungseinheit integrierte Speichereinheit zur Speicherung digitaler Kartendaten,
- – ein mit der Ermittlungseinheit gekoppeltes oder in die Ermittlungseinheit integriertes Berechnungsmodul zur Berechnung der Vorausschauhorizonte anhand der Position des Fahrzeugs und dem zumindest aus den digitalen Kartendaten ermittelten Streckenprofil,
- – ein Betriebsstrategiemodul zur Ermittlung und Zurverfügungstellung der Betriebsstrategie,
- – eine erste Steuereinheit zur Steuerung des Antriebstrangs des Fahrzeugs mit einer Geschwindigkeitsregelfunktion, einer Gangermittlungsfunktion zur automatischen Gangvorgabe und einem Momentenaufteilungs- und -verwaltungsmodul zur Vorgabe von Antriebsmomenten und/oder Bremsmomenten an zumindest eine Antriebseinheit des Fahrzeugs und an Dauer- und Betriebsbremsen und/oder
- – eine zweite Steuereinheit zur Steuerung zumindest einer Energiespeichereinheit des Fahrzeugs.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Prognose von Betriebszuständen eines Fahrzeugs für unterschiedliche Vorausschauhorizonte,
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2 schematisch ein Blockschaltbild eines Gesamtsystem aus einem Fahrzeug und einer Vorrichtung zum Betrieb eines als Hybridfahrzeug ausgebildeten Fahrzeugs,
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3 schematisch ein in einem langen Vorausschauhorizont geplantes Streckenprofil sowie Positionen mit definierten Betriebszuständen des Fahrzeugs,
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4 schematisch Verläufe einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs, eines Drehmoments einer Antriebseinheit des Fahrzeugs, einer Drehzahl der Antriebseinheit und einer Steigung in Abhängigkeit einer Position des Fahrzeugs auf dem Streckenprofil, und
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5 schematisch einen Ablauf eines prädiktiven Verfahrens zur Vermeidung von Rückschaltvorgängen an Anstiegen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Prognose von Betriebszuständen eines Fahrzeugs 1 für unterschiedliche Vorausschauhorizonte V1, V2 dargestellt. Bei dem Fahrzeug 1 handelt es sich insbesondere um ein Hybridfahrzeug mit einem in 2 näher dargestellten Hybridantriebsstrang 2, welcher eine als Verbrennungskraftmaschine ausgebildete erste Antriebseinheit 2.1 und eine als Elektromotor ausgebildete zweite Antriebseinheit 2.2 aufweist.
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Für eine vorausschauende Steuerung eines solchen Hybridantriebsstrangs 2 ist ein langer Vorausschauhorizont V1 erforderlich. Je nach Verhältnis einer Kapazität einer Energiespeichereinheit 2.3 zur Leistung der zweiten Antriebseinheit 2.2 können Längen des Vorausschauhorizonts V1 von mehr als 30 km erforderlich sein. Da jedoch nur eine begrenzte Rechenleistung zur Umsetzung einer prädiktiven Betriebsstrategie des Fahrzeugs 1 mit einer Steuerung des Hybridantriebsstrangs 2 notwendigen Voraussimulation zur Verfügung steht, ist es nur mit sehr großem Aufwand oder nicht möglich, ein detailliertes Modell des Fahrzeugs 1 mit einer realen Schaltstrategie zu berücksichtigen.
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Aus diesem Grund wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des Fahrzeugs 1 in Abhängigkeit eines dem Fahrzeug vorausliegenden Streckenprofils SP eine Betriebsstrategie für das Fahrzeug ermittelt, wobei Betriebszustände des Fahrzeugs 1 für das vorausliegende Streckenprofil SP für mehrere Vorausschauhorizonte V1, V2 prognostiziert werden. Dabei wird eine Genauigkeit und Anzahl von Streckeninformationen, Fahrzeuginformationen und Parametern der Betriebszustände mit wachsender Länge der Vorausschauhorizonte V1, V2 verringert.
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Das heißt, dass für den langen Vorausschauhorizont V1, welcher beispielsweise eine gesamte Fahrstrecke umfasst, in einer Grobprognose nur grobe Werte und Betriebszustände des Fahrzeugs 1 prognostiziert werden, wobei eine Genauigkeit der Informationen mit wachsender Länge der Vorausschauhorizonts V1, V2 sinkt.
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Um das Fahrzeug 1 mit einer optimalen Betriebsstrategie steuern und betreiben zu können, werden zusätzlich die jeweiligen Betriebszustände des Fahrzeugs 1 in naher Zukunft, d. h. in einem kurzen Vorausschauhorizont, mit höherer Genauigkeit bestimmt werden. Dies erfolgt in einer Feinprognose, wobei mittels der in der Feinprognose ermittelten Betriebszustände in der Grobprognose prognostizierte Betriebszustände aktualisiert werden.
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In der gezeigten 1 ist beispielhaft eine Ausführung des Verfahrens mit zwei Vorausschauhorizonten V1, V2 beschrieben, wobei ein langer erster Vorausschauhorizont V1 zur Planung der elektrischen Lade- und Entladezyklen der Energiespeichereinheit 2.3 sowie der erzeugten elektrischen Ströme vorgesehen ist. Der erste Vorausschauhorizont V1 weist dabei beispielsweise eine Länge von 20 km oder 30 km auf. Dabei werden ein Zielverlauf für einen Ladezustand SOC der Energiespeichereinheit 2.3 sowie allgemeiner Anwendungsfälle A1 verschiedener Betriebsstrategien für den Betrieb des Hybridantriebsstrangs 2 grob vorgegeben.
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Ein kurzer zweiter Vorausschauhorizont V2 ist zur Planung einer konkreten Fahrtrajektorie des Fahrzeugs 1 mit einer definierten Sollgeschwindigkeit, Gangwahl und einer detaillierter Momentenaufteilung zwischen der ersten Antriebseinheit 2.1 und der zweiten Antriebseinheit 2.2 vorgesehen. Durch die Kombination von Gang- und Geschwindigkeitswahl mit der Momentenaufteilung erfolgt im kürzeren zweiten Vorausschauhorizont V2 die Erkennung spezieller Anwendungsfälle A2, deren Erkennung im langen ersten Vorausschauhorizont V1 aufgrund einer Verwendung von ungenaueren Modellen nicht möglich ist.
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Umgekehrt wird im langen Vorausschauhorizont V1 eine optimale Be- und Entladestrategie der Energiespeichereinheit 2.3 unter Berücksichtigung von Leistungsgrenzen der Energiespeichereinheit 2.3 berechnet, für welche eine Reichweite des kurzen zweiten Vorausschauhorizonts V2 nicht ausreicht. Diese langfristige Strategie wird in Form von Belastungsgrenzen der Energiespeichereinheit 2.3 bezogen auf die elektrische Leistung, den elektrischen Strom und/oder die elektrische Spannung sowie in Form von konkreten Betriebszuständen des Hybridantriebsstrangs 2 an den kurzen Vorausschauhorizont V2 übermittelt. Zur Berechnung der Be- und Entladestrategie der Energiespeichereinheit 2.3 im langen Vorausschauhorizont V1 werden vereinfachte Modelle, beispielsweise einfache Längsmodelle, verwendet. Bei diesen werden in Abhängigkeit von Anstiegen und Gefällen innerhalb des Streckenprofils SP als Betriebszustände Lastphasen und Schubphasen des Hybridantriebsstranges 2 des Fahrzeugs 1 ermittelt. Dabei werden im langen Vorausschauhorizont V1 nicht nur die so genannten Beladungsgrenzen, d. h. Grenzen des Ladezustand SOC der Energiespeichereinheit 2.3, sondern auch eine Belastung der Energiespeichereinheit 2.3, beispielsweise in Form eines Temperaturwertes oder eines so genannten I2T-Wertes, in der Vorausschau mitgerechnet und bei der Planung der allgemeinen Anwendungsfälle A1 berücksichtigt. Hierbei kommen Optimierungsverfahren und in Kombination mit einer entsprechenden Heuristik zum Einsatz.
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Die Informationen über das vorausliegende Streckenprofil SP werden anhand allgemein bekannter Vorrichtungen und Verfahren, wie beispielsweise anhand von Daten einer Navigationsvorrichtung, Positionsdaten einer sattelitengestützten Navigationsvorrichtung, anhand allgemeiner Streckeninformationen, anhand von Informationen auf Hinweis- und Verkehrsschildern, anhand von Kameradaten, einer Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation, einer Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation und/oder weiteren Vorrichtungen und Verfahren ermittelt.
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Vom kurzen zweiten Vorausschauhorizont V2 werden dagegen Anpassungen der Anwendungsfälle in Form der speziellen Anwendungsfälle A2, sofern diese von den Vorgaben des langen ersten Vorausschauhorizonts V1 abweichen, an diesen übermittelt. Hierzu werden zunächst vom langen Vorausschauhorizont V1 Energiegrenzen zur Umsetzung des geplanten Verlaufs des Ladezustands SOC und die im langen Vorausschauhorizont V1 ermittelte Abfolge von allgemeinen Anwendungsfällen A1 an den kurzen Vorausschauhorizont V2 übermittelt, in welchem eine detaillierte Berechnung der vom langen Vorausschauhorizont V1 vorgeplanten Anwendungsfälle A1 und deren Integration in eine Schalt- und Geschwindigkeitsregelstrategie des Fahrzeugs 1 zur Nutzung des kinetischen Energiespeichers vorgenommen wird. Auch werden im kurzen Vorausschauhorizont V2 weitere spezielle Anwendungsfälle A2 eingefügt, die im langen Vorausschauhorizont V1 nicht ermittelt werden konnten. Diese speziellen Anwendungsfälle A2 stehen beispielsweise im Zusammenhang mit der Sollgangvorgabe, dass eine Rückschaltung eines in 2 näher dargestellten Getriebes 2.4 des Fahrzeugs 1 durch das Aufbringen von zusätzlichem Drehmoment der zweiten Antriebseinheit 2.2 vermieden wird. Bei der Rückführung der speziellen Anwendungsfälle A2 in den langen Vorausschauhorizont V1 werden diese vorzugsweise innerhalb definierter Teilabschnitte des Streckenprofils SP mit einer spezifischen Kostenfunktion zu einer optimalen Abfolge verbunden, so dass eine optimale Betriebsstrategie für das Fahrzeug 1 gebildet wird.
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Anschließend werden im nächsten Rechenzyklus die veränderten Zustandsdaten bei der nächsten Voraussimulation im langen ersten Vorausschauhorizont V1 berücksichtigt. Das heißt, dass die Prognose der Betriebszustände für die Vorausschauhorizonte V1, V2 rollierend erfolgt, wobei beispielsweise der im kurzen Vorausschauhorizont V2 ermittelte, tatsächlich umgesetzte elektrische Energiebedarf an den langen Vorausschauhorizont V1 übermittelt wird und innerhalb des langen Vorausschauhorizonts V1 ausgehend von diesen neuen Anfangsbedingungen eine neue Prognose erfolgt. Somit ist eine iterative Durchführung des Verfahrens während der Fahrt des Fahrzeugs realisierbar, so dass in vorgegebenen Intervallen die noch vorausliegende Fahrstrecke bestimmt und eine an diese angepasste optimierte Betriebsstrategie bestimmt wird. Somit ist eine iterative Durchführung des Verfahrens während der Fahrt des Fahrzeugs realisierbar, so dass in vorgegebenen Intervallen die noch vorausliegende Fahrstrecke bestimmt und eine an diese angepasste optimierte Betriebsstrategie bestimmt wird. Somit können Änderungen der sich im Verlauf der Fahrstrecke ändernden Streckeninformationen, Fahrzeuginformationen und/oder Parameter der Betriebszustände berücksichtigt werden, um einen insbesondere hinsichtlich der Effizienz und des Wirkungsgrades optimierten Betriebszustand des Fahrzeugs einzustellen.
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Dabei wird der lange Vorausschauhorizont V1 vorzugsweise mit einer anderen, insbesondere einer größeren Taktrate und mit einer größeren Auflösung gerechnet als der kurze Vorausschauhorizont V2.
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Die Zweiteilung in einen langen und einen kurzen Vorausschauhorizont V1, V2 kann alternativ auch in einem einzigen Vorausschauhorizont mit unterschiedlicher Auflösung und inhaltlicher Ausplanung dargestellt werden. Insbesondere für die Umsetzung einer Betriebsstrategie für den Hybridantriebsstrang 2, welche einen langen ersten Vorausschauhorizont V1 von mehr als 5 km erfordert, jedoch auch eine Integration der Steuerung und Regelung des Hybridantriebsstrangs 2 in eine Schalt- und Momentenstrategie durchführen muss, um ein optimales Ergebnis hinsichtlich eines Energieverbrauchs der Fahrzeugs 1 zu erreichen, ist eine solche Aufteilung des Vorausschauhorizontes besonders vorteilhaft. Es ist beispielsweise nicht zielführend, einen Schaltvorgang in einer Entfernung von 10 km zu planen und hierfür Rechenzeit zu verwenden. Es ist jedoch erforderlich, einen Be- und Entladezyklus der Energiespeichereinheit 2.3 in einem Vorausschauhorizont von 10 km zu planen, da beispielsweise das Ende einer Gefällstrecke bekannt sein muss, um den Verlauf des Ladezustands SOC optimal auslegen zu können.
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Ein typischer allgemeiner Anwendungsfall A1 des langen ersten Vorausschauhorizonts V1 ist beispielsweise die optimale Vorkonditionierung der Energiespeichereinheit 2.3 vor einem Gefälle. Dabei sollte der Ladezustand der Energiespeichereinheit 2.3 derart ausgebildet sein, dass die Energiespeichereinheit 2.3 zu Beginn einer Rekuperationsphase so leer wie notwendig und so ausgeruht wie möglich ist. Die Rekuperation selbst und das zugehörige Bremsmoment der zweiten Antriebseinheit 2.2 korrelieren mit einem erforderlichen Ladestrom und werden in Abhängigkeit einer Länge des Gefälles optimal abgestimmt, um den kleinstmöglichen Ladestrom oder kleinstmögliche Bremsmomente ohne Rekuperationsverluste bei gleichzeitiger Schonung der Energiespeichereinheit 2.3 einzustellen. Dies ist in 3 näher dargestellt. Hierzu werden im langen ersten Vorausschauhorizont V1 Längen möglicher allgemeiner Anwendungsfälle A1 bei aktivierter zweiter Antriebseinheit 2.2 ermittelt und daraus die kleinstmöglichen Entladeströme zur Schonung der Energiespeichereinheit 2.3 gewählt.
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Ein typischer spezieller Anwendungsfall A2 für den kurzen zweiten Vorausschauhorizont V2 ist beispielsweise das so genannte Overboosten, bei welchem Leistung der zweiten Antriebseinheit 2.2 zur Unterstützung der ersten Antriebseinheit 2.1 einer maximalen Momentenkurve der ersten Antriebseinheit 2.1 dazu verwendet wird, einen Rückschaltvorgang des Getriebes 2.4 an einer Steigung, insbesondere kurz vor einer Kuppe, zu vermeiden. Hierfür ist eine genauere Planung der der Schaltvorgänge und Geschwindigkeitsverläufe im kürzeren, unmittelbar bevorstehenden zweiten Vorausschauhorizont erforderlich. Dies ist in 4 näher dargestellt.
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Für das Overboosten ist es beispielsweise ausreichend zu wissen, dass im Streckenprofil SP eine Steigung auftritt, an welcher elektrische Energie zum Overboosten benötigt wird, und ob nach der Steigung ein Gefälle zur Rekuperation im Streckenprofil SP vorhanden ist. Weiterhin ist es vorteilhaft zu wissen, ob eine größere Steigung im Streckenprofil SP vorhanden ist, an welcher die elektrische Energie besser genutzt werden kann. Dieses Wissen wird für den langen Vorausschauhorizont V1 ermittelt. Jedoch ist es – wie bereits beschrieben – nicht erforderlich, für den langen Vorausschauhorizont V1 eine genaue Gangwahl des Getriebes 2.4 des Fahrzeugs 1 oder eine Drehmomentanforderung zu bestimmen. Diese Bestimmung erfolgt in Abhängigkeit vom dann aktuellen Ladezustand SOC der Energiespeichereinheit 2.3, einem noch zu erwartenden Energieeintrag und der Größe der Steigung mit einem entsprechenden Lastmoment erst im kurzen Vorausschauhorizont V2, insbesondere kurz bevor das Fahrzeug 1 den entsprechenden Teilabschnitt des Streckenprofils SP erreicht. Dabei wird der genaue Betriebszustand des Fahrzeugs 1 bestimmt und die Momentenverteilung, die Gangwahl und ein Eingriff in die Geschwindigkeitsregelung werden ermittelt. Dabei ist ein Abfall innerhalb und auch teilweise knapp unter eine so genannte Hysterese-Einstellung möglich.
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In 2 ist ein Blockschaltbild eines Gesamtsystems GS aus dem als Hybridfahrzeug ausgebildeten Fahrzeug 1 und einer Vorrichtung 3 zum Betrieb des Fahrzeugs 1.
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Zur effizienten und zuverlässigen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Vorrichtung eine Ermittlungseinheit 3.1 zur Ermittlung der Vorausschauhorizonte V1, V2, wobei die Ermittlungseinheit 3.1 in nicht näher dargestellter Weise eine Positionserfassungseinheit zur Erfassung einer Position des Fahrzeugs 1, beispielsweise anhand von GPS-Daten, und Speichereinheit zur Speicherung digitaler Kartendaten umfasst. Weiterhin ist in ebenfalls nicht näher dargestellter Weise ein Berechnungsmodul zur Berechnung der Vorausschauhorizonte V1, V2 anhand der Position des Fahrzeugs 1 und dem zumindest aus den digitalen Kartendaten ermittelten Streckenprofil SP vorgesehen. Die Vorausschauhorizonte V1, V2 umfassen dabei ein Steigungs- oder Krümmungsprofil über die gewählte Horizontlänge.
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Anhand eines Betriebsstrategiemoduls 3.2 wird die jeweilige Betriebsstrategie für das Fahrzeug 1 ermittelt und zur Verfügung gestellt.
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Die Betriebsstrategie wird vom Betriebsstrategiemodul 3.2 an eine erste Steuereinheit 3.3, welche auch als zentrales Antriebsstrangsteuermodul bezeichnet wird, übertragen, welche zur Steuerung des Hybridantriebsstrangs 2 vorgesehen ist und hierzu ein Geschwindigkeitsregelmodul 3.3.1 zur Ausführung einer Geschwindigkeitsregelfunktion, ein Schaltstrategiemodul 3.3.2 zur Ausführung einer Gangermittlungsfunktion zur automatischen Gangvorgabe und ein Momentenaufteilungs- und -verwaltungsmodul 3.3.3 umfasst.
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Mittels des Geschwindigkeitsregelmoduls 3.3.1 wird eine vom Fahrer vorgegebene Sollgeschwindigkeit geregelt, über einen veränderbaren Unschärfebereich über die vorausschauende Fahrstrategie beeinflusst und ein gesamtes erforderliches Antriebs- und/oder Bremsmoment ermittelt.
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Mittels des Schaltstrategiemoduls 3.3.2 wird ein optimaler Gang des Getriebes 2.4 eingestellt, wobei das Schaltstrategiemodul 3.3.2 dabei gegebenenfalls von der vorausschauenden Betriebsstrategie beeinflusst wird. Der vom Schaltstrategiemodul 3.3.2 ermittelte Gang wird an eine Getriebeelektronik 3.4 übermittelt.
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Mittels des Momentenaufteilungs- und -verwaltungsmoduls 3.3.3 werden aus den Vorgaben sämtlicher Regelfunktionen die Soll-Momente für die erste Antriebseinheit 2.1, die zweite Antriebseinheit 2.2, von Dauer- und Betriebsbremsen 2.5, 2.6 ermittelt, wobei eine Momentenverteilung zwischen der ersten und zweiten Antriebseinheit 2.1, 2.2 von der prädiktiven Hybridbetriebsstrategie der ersten Steuereinheit 3.3 beeinflusst wird.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 3 eine zweite Steuereinheit 3.5 zur Steuerung der Energiespeichereinheit 2.3, wobei die zweite Steuereinheit 3.5 in nicht näher dargestellter Weise ein Überwachungsmodul umfasst, welches den Beladungs- und Belastungszustand der Energiespeichereinheit 2.3 erfasst und diesen an die erste Steuereinheit 3.3 meldet.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 3 eine Motorelektronik 3.6 der ersten Antriebseinheit 2.1, eine Steuerungselektronik 3.7 für die zweite Antriebseinheit 2.2, die Getriebeelektronik 3.4, eine Dauerbremselektronik 3.8 zur Steuerung der Dauerbremsen 2.5, beispielsweise eines Retarders, und eine Betriebsbremselektronik 3.9 zur Steuerung der Betriebsbremsen 2.6 des Fahrzeugs 1. Diese Komponenten sind mit der ersten Steuereinheit 3.3 gekoppelt und werden in Abhängigkeit der für die Vorausschauhorizonte V1, V2 ermittelten Betriebsstrategie des Fahrzeugs 1 betrieben und gesteuert.
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3 zeigt ein in einem langen Vorausschauhorizont V1 geplantes Streckenprofil SP sowie Positionen POS1 bis POS3 mit definierten Betriebszuständen des Fahrzeugs 1.
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Zur optimalen Vorbereitung der Energiespeichereinheit 2.3 auf eine Rekuperation sowie zur optimalen Verwendung der gespeicherten elektrischen Energie zum Antrieb des Fahrzeugs 1 werden die Rekuperation selbst und das zugehörige Bremsmoment der zweiten Antriebseinheit 2.2, welche mit dem erforderlichen Ladestrom der Energiespeichereinheit 2.3 korrelieren, in Abhängigkeit einer Länge des Gefälles optimal abgestimmt, um den kleinstmöglichen Ladestrom oder kleinstmögliche Bremsmomente ohne Rekuperationsverluste bei gleichzeitiger Schonung der Energiespeichereinheit 2.3 einzustellen. Hierzu wird für eine erste Position POS1 überprüft, ob eine in einem vorausliegenden Gefälle rekuperierte Energie von der Energiespeichereinheit 2.3 aufgenommen werden kann. Weiterhin wird überprüft, ob der Ladezustand SOC und die Belastung der Energiespeichereinheit 2.3, beispielsweise in Form des Temperaturwertes oder des so genannten I2T-Wertes, vorher abgesenkt werden müssen.
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Weiterhin wird ausgehend von der ersten Position POS1 ermittelt, an welchen Positionen POS2, POS3 die Energiespeichereinheit 2.3 bei hohen Ladeströmen und bei geringen Ladeströmen vollständig geladen ist. Bei hohen Ladeströmen ist dies an der zweiten Position POS2 der Fall, bei geringeren Ladeströmen an der Position POS3.
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In 4 sind Verläufe der Geschwindigkeit v des Fahrzeugs 1, Momente von Antriebseinheiten 2.1, 2.2 des Fahrzeugs 1, eine Drehzahl n der Antriebseinheiten 2.1, 2.2 sowie eine Steigung m des Streckenprofils SP in Abhängigkeit der jeweiligen Position POS des Fahrzeugs 1 dargestellt. Dabei zeigen die durchgezogen dargestellten Verläufe die Werte für ein konventionell betriebenes Fahrzeug 1 und die unterbrochen dargestellten Verläufe die Werte für ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens betriebenes Fahrzeug 1.
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Hierbei ist der spezielle Anwendungsfall A2 des so genannten Overboostens dargestellt, welcher im kurzen zweiten Vorausschauhorizont V2 ermittelt wird. Mittels der Vorrichtung 3 wurde dabei erkannt, dass an der Position POS2 ein Rückschaltvorgang des Getriebes 2.4 verhindert werden kann, indem die erste Antriebseinheit 2.1 durch die zweite Antriebseinheit 2.2 an der Position POS für den dargestellten Zeitraum unterstützt wird.
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5 zeigt einen Ablauf eines prädiktiven Verfahrens zur Vermeidung von Rückschaltvorgängen an Anstiegen für einen weiteren speziellen Anwendungsfall A2 im kurzen Vorausschauhorizont V2.
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Befindet sich das Fahrzeug 1 in einer Bergauffahrt und reicht die vorhandene Antriebsleistung des der als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten ersten Antriebseinheit 2.1 nicht mehr aus, wird üblicherweise eine niedrigere Getriebeübersetzung gewählt, so dass die notwendige Antriebsleistung wieder zur Verfügung steht und ein Geschwindigkeitsabfall gebremst werden kann. Diese führt jedoch zu einer Zugkraftunterbrechung, zu einem Geschwindigkeits- und Fahrzeitverlust und zusätzlich zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch durch eine höhere Drehzahl der ersten Antriebseinheit 2.1. Daher wird die als Elektromotor ausgebildete zweite Antriebseinheit 2.2 dazu genutzt, über eine maximale Momentenkennlinie der ersten Antriebseinheit 2.1 hinaus ein zusätzliches Antriebsmoment zu erzeugen, um die Rückschaltung zu verhindern und den restlichen Anstieg im eingelegten höheren Gang zu bewältigen. Problem hierbei ist, dass sich Steuerung energetisch nur dann lohnt, wenn die Rückschaltung komplett vermieden und nicht nur hinausgezögert wird und dafür nicht zu hohe elektrische Antriebsmomente benutzt werden müssen. Dies resultiert daraus, dass zu große elektrische Antriebsmomente energetisch oftmals nicht wirtschaftlich sind, da der Wirkungsgrad der elektrischer Maschinen und Energiespeichereinheiten 2.3, beispielsweise von Hochvolt-Batterien, die Energiebilanz der Rückschaltverhinderung verschlechtern und der Einsatz der elektrischen Energie unter Umständen an anderer Stelle einen größeren Kraftstoffeinspareffekt erzielen könnte. Um dies zu vermeiden, wird die Rückschaltverhinderung mit der Ermittlung der Betriebsstrategie im kurzen Vorausschauhorizont V2 kombiniert. Hierbei wird ermittelt, ob bei der Rückschaltverhinderung die vorhandene in der Energiespeichereinheit 2.3 gespeicherte elektrische Energie ausreichend groß ist, ob der Energiespeichereinheit 2.3 nicht an seine Belastungsgrenze stößt, ob eine Rentabilitätsgrenze bezüglich der einzusetzenden Energiemenge oder der Momente und elektrischen Ströme nicht überschritten wird.
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Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt S1 – wie bereits beschrieben – im kurzen Vorausschauhorizont V2, aber unter Verwendung der Daten des langen Vorausschauhorizonts V1 eine zukünftige Geschwindigkeitstrajektorie und Leistungstrajektorie des Hybridantriebsstrangs 2 des Fahrzeugs 1 in Abhängigkeit des Streckenprofils SP berechnet.
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Wird in einem zweiten Verfahrenschritt S2 ermittelt, dass eine Rückschaltung erforderlich wird, sofern keine zusätzliche Antriebsleistung zu der von der ersten Antriebseinheit 2.1 vorhanden hinzugenommen wird, erfolgt ein weiterer Berechnungsschritt. Dabei wird anhand der prädizierten Daten ermittelt, wie viel elektrisches Antriebsmoment oder wie viel elektrische Leistung erforderlich ist, um die vorhergesagte Rückschaltung zu vermeiden.
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Danach erfolgt in einem dritten Verfahrensschritt S3 die Entscheidung, ob das erforderliche Antriebsmoment oder die erforderliche elektrische Leistung die vordefinierten Grenzen bezüglich einer Dauer und Intensität einhalten oder nicht. Werden diese Grenzen eingehalten, wird in einem vierten Verfahrensschritt S4 das zusätzliche elektrische Antriebsmoment gemäß 4 an der Position POS1 rechtzeitig vor der prädizierten Rückschaltung oberhalb des maximalen Motormoments der ersten Antriebseinheit 2.1 eingesetzt, so dass die Rückschaltung verhindert wird. Eine zur Entscheidung verwendete Rentabilitätsgrenze kann entweder fest vorgegeben sein oder wird durch die Einbettung der vorgeschlagenen Rückschaltverhinderung in einer gesamten prädiktive Hybridbetriebsstrategie variabel gestaltet. Sind beispielsweise im Vorausschauhorizont V2 mehrere rentable Anwendungsfälle A2 für elektrische Energie erkannt worden, wird die Rentabilitätsgrenze wesentlich höher liegen. Muss dagegen Energie vor einer Rekuperationsphase noch ausgegeben werden, wird diese Grenze deutlich abgesenkt.
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Die vorgeschlagene Rückschaltverhinderungsfunktion wird in besonders vorteilhafter Weise bei aktiviertem Geschwindigkeitsregeltempomat umgesetzt, da hier eine Vorhersagegenauigkeit am größten ist. Eine Umsetzung der Funktion ist jedoch auch bei manueller Fahrt möglich.
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Die anhand der zuvor in den 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispiele des Verfahrens ermittelten Vorausschauhorizonte V1, V2 sind alternativ oder zusätzlich zur Steuerung des Hybridantriebsstrangs 2 auch zur Steuerung einer Ölkühlung zumindest einer Antriebseinheit 2.1, 2.2 eines Fahrzeugs 1 und zur vorausschauenden Steuerung einer Rekuperationsbremsung in einer Geschwindigkeitstempomathysterese verwendbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Hybridantriebsstrang
- 2.1
- erste Antriebseinheit
- 2.2
- zweite Antriebseinheit
- 2.3
- Energiespeichereinheit
- 2.4
- Getriebe
- 2.5
- Dauerbremse
- 2.6
- Betriebsbremse
- 3
- Vorrichtung
- 3.1
- Ermittlungseinheit
- 3.2
- Betriebsstrategiemodul
- 3.3
- erste Steuereinheit
- 3.3.1
- Geschwindigkeitsregelmodul
- 3.3.2
- Schaltstrategiemodul
- 3.3.3
- Momentenaufteilungs- und verwaltungsmodul
- 3.4
- Getriebeelektronik
- 3.5
- zweite Steuereinheit
- 3.6
- Motorelektronik
- 3.7
- Steuerungselektronik
- 3.8
- Dauerbremselektronik
- 3.9
- Betriebsbremselektronik
- A1
- allgemeiner Anwendungsfall
- A2
- spezieller Anwednungsfall
- GS
- Gesamtsystem
- m
- Steigung
- M
- Moment
- n
- Drehzahl
- POS
- Position
- POS1 bis POS3
- Position
- S1 bis S4
- Verfahrensschritt
- SOC
- Ladezustand
- SP
- Streckenprofil
- v
- Geschwindigkeit
- V1, V2
- Vorausschauhorizont
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008019174 A1 [0003]
- DE 102009030784 A1 [0004]
- DE 102009040682 A1 [0005]
