DE102013014743A1

DE102013014743A1 - Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102013014743A1
Application number: DE102013014743.3A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kutter Steffen; Sebastian Langhammer; Conny Tempelhahn
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, bei welchem für eine Fahrstrecke (10) eine Obergrenze (16) einer Fahrgeschwindigkeit und eine Untergrenze (18) der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt werden. Eine Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) für ein Zurücklegen der Fahrstrecke (10) mit dem Fahrzeug wird vorgegeben, welche im Hinblick auf einen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimiert ist. Zum Ermitteln der Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) wird ein Kennfeld herangezogen, welches ein Wirkungsgradverhältnis eines elektrischen Antriebs und eines verbrennungsmotorischen Antriebs des Fahrzeugs berücksichtigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, bei welchem für eine Fahrstrecke eine Obergrenze einer Fahrgeschwindigkeit und eine Untergrenze der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt werden. Für ein Zurücklegen der Fahrstrecke mit dem Fahrzeug wird eine Soll-Fahrgeschwindigkeit vorgegeben, welche im Hinblick auf einen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimiert ist.
Die DE 10 2009 021 019 A1 beschreibt ein Verfahren zum Generieren einer Fahrstrategie, bei welchem ein zulässiges Geschwindigkeitsband aus einer zulässigen Maximalgeschwindigkeit und einer zulässigen Minimalgeschwindigkeit entlang einer Fahrstrecke erzeugt wird. In dem Geschwindigkeitsband werden Verzögerungsfixpunkte und Beschleunigungsfixpunkte entlang der Fahrstrecke ermittelt. Unter Berücksichtigung der Verzögerungsfixpunkte werden verbrauchsoptimierte Verzögerungsphasen und unter Berücksichtigung der Beschleunigungsfixpunkte verbrauchsoptimierte Beschleunigungsphasen ermittelt. Zwischen Verzögerungsphasen und Beschleunigungsphasen werden verbrauchsoptimierte Konstantfahrtphasen ermittelt. Aus diesen einzelnen Verzögerungsphasen, Beschleunigungsphasen und Konstantfahrtphasen wird die verbrauchsoptimierte Fahrstrategie zusammengesetzt.
Bei der DE 10 2009 021 019 A1 erfolgt also eine Aneinanderreihung lokaler Optima. Diese stellen jedoch nicht zwingend eine optimale Lösung des Optimierungsproblems dar, die Fahrstrecke mit geringstmöglichem Kraftstoffverbrauch zurückzulegen. Zudem müssen für die Unterteilung der Fahrstrecke in die unterschiedlichen Phasen entsprechende Algorithmen entwickelt werden. Dies ist vergleichsweise aufwändig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine besonders einfache Ermittlung der Soll-Fahrgeschwindigkeit ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Ermitteln der Soll-Fahrgeschwindigkeit ein Kennfeld herangezogen, welches eine minimale äquivalente Gesamtleistung eines verbrennungsmotorischen und eines elektromotorischen Antriebs des Fahrzeugs in allen Betriebspunkten beschreibt. Dadurch, dass das Kennfeld zur Verfügung steht, lässt sich der Rechenaufwand zur Optimierung der Fahrgeschwindigkeit, also zum Bestimmen der in jedem Wegpunkt der Fahrstrecke im Hinblick auf den Verbrauch optimierten Soll-Fahrgeschwindigkeit, besonders gering halten. Für die Vorabberechnung des Kennfelds kommt bevorzugt eine sogenannte ECMS-Betriebsstrategie (ECMS = Equivalent Consumption Minimization Strategy, äquivalenzbasierte Strategie zur Minimierung des Verbrauchs) zum Einsatz, deren Ziel es ist, die gewichtete Gesamtleistung von elektromotorischen und verbrennungsmotorischen Antrieb zu minimieren. Hierbei wird insbesondere ein Äquivalenzfaktor in Betracht gezogen, welcher das mittlere Wirkungsgradverhältnis des wenigstens einen elektrischen Antriebs und des wenigstens einen verbrennungsmotorischen Antriebs des Fahrzeugs bei einem gegebenen Fahrprofil widerspiegelt. Durch Optimierung des Äquivalenzfaktors kann das Ladeverhalten einer Batterie im Fahrzeug beeinflusst werden. Dies ist mit besonders geringem Aufwand möglich, da der Äquivalenzfaktor, welcher auch als Lambda bezeichnet werden kann, der einzige Optimierungsparameter der ECMS ist.
Auf Basis des Kennfeldes wird zur Bestimmung der optimalen Fahrgeschwindigkeit
Es wird also die Optimierung des Verhaltens des Antriebsstrangs mit einer Optimierung der Fahrgeschwindigkeit überlagert. Die Zielfunktion der Optimierung beinhaltet zumindest den Kraftstoffverbrauch. Zudem liegt die Soll-Fahrgeschwindigkeit zwischen der Obergrenze der Fahrgeschwindigkeit und der Untergrenze der Fahrgeschwindigkeit für die zurückzulegende Fahrstrecke. Dadurch, dass die Bereitstellung oder Vorabberechnung des Kennfelds asynchron, nämlich vor dem eigentlichen Zurücklegen der Fahrstrecke erfolgt, kann zur Bestimmung der Soll-Fahrgeschwindigkeit einfach und ohne großen rechnerischen Aufwand auf das Kennfeld zurückgegriffen werden. Der Berechnungsaufwand des optimaltheoretischen Verfahrens ist somit besonders stark minimiert. Dies macht das Verfahren insbesondere bei einem als Hybridfahrzeug ausgebildeten Fahrzeug einsetzbar, bei dem eine Optimierung in konventioneller Verfahrensweise der Optimierungstheorie zu höherdimensionalen und somit besonders rechenintensiven Problemen führt.
Das verbrauchsoptimale Fahrprofil, also die Soll-Fahrgeschwindigkeit für jeden Wegpunkt der Fahrstrecke beim Zurücklegen der Fahrstrecke, darf innerhalb der gegebenen Geschwindigkeitsgrenze variieren, und die Soll-Fahrgeschwindigkeit spiegelt die verbrauchsoptimale Ansteuerung des Hybridantriebstrangs wider.
Zur Berechnung der verbrauchsoptimalen Ansteuerung des Hybridantriebstrangs wird ein weiteres Kennfeld erzeugt. Dieses widerspiegelt im weitesten Sinne die kumulierten Gesamtkosten. Das Kennfeld wird auch als Kostenmatrix bezeichnet. In einer solchen Kostenmatrix ist bevorzugt eine Achse, nämlich die Fortschrittsgröße, die Position des Fahrzeugs und eine andere Achse, auf welcher die Optimierungsvariable aufgetragen ist, die Zeit. Ein weiteres Kennfeld, mit gleichen Achsen, beinhaltet jeweils die Zeitpunkte des vorangegangenen Wegpunktes, die in Relation mit dem aktuell betrachteten Weg-Zeit-Punkt zu minimalen Gesamtkosten führen. Dieses weitere Kennfeld kann als Übergangsmatrix bezeichnet werden.
Bevorzugt werden diese beiden Kennfelder durch dynamisches Programmieren bereitgestellt. Durch eine approximative Vereinfachung müssen hier nicht zwingend alle, zu jedem Wegpunkt gehörende, zulässigen Zeitpunkte berechnet werden. Da so zu jedem betrachteten Wegpunkt der zurückzulegenden Fahrstrecke nur wenige Betriebspunkte berechnet zu werden brauchen, lassen sich in vertretbaren Berechnungszeiten, welche im Bereich von 1 bis 2 Minuten liegen können, die Kennfelder bereitstellen. Dies gilt insbesondere, wenn der Teil der dynamischen Programmierung, welcher die optimale Ansteuerung des Antriebsstrangs vornimmt, vorab, also vor dem Zurücklegen der Fahrstrecke, auf der Basis der ECMS vollumfänglich gelöst wird. Damit fallen nämlich in der dynamischen Programmierung zum Bereitstellen des Kennfeldes Dimensionen heraus, und die Berechnung vereinfacht sich erheblich.
Die Soll-Fahrgeschwindigkeit kann anhand der Kostenmatrix und Übergangsmatrix durch Rückwärtsrechnung vom letzten Wegpunkt aus erfolgen. Dabei kann je nach Anwendungswunsch z. B. eine Geschwindigkeitstrajektorie abgeleitet werden, die zu minimalen Gesamtkosten bei einer vermutlich vergleichsweise langen Fahrtdauer führt. Alternativ könnte aber auch eine beliebige andere, gewünschte Fahrtdauer am letzten Wegpunkt festgelegt und die dieser zugehörige Geschwindigkeitstrajektorie aus der Kostenmatrix ausgelesen werden. Eine solche optimal-theoretische Bestimmung der Soll-Fahrgeschwindigkeit erlaubt auf einfache Weise die Bestimmung eines globalen Optimums des Kennfelds oder Kostenfunktionals.
Die Optimierung der Fahrgeschwindigkeit, also das Ermitteln der Soll-Fahrgeschwindigkeit, erfolgt entsprechend in vorteilhafter Weise nach optimaltheoretischem Ansatz für ein gegebenes, zulässiges Geschwindigkeitsband, also für den Bereich zwischen der Obergrenze der Fahrgeschwindigkeit und der Untergrenze der Fahrgeschwindigkeit der durchzuführenden Fahraufgabe – beziehungsweise für das Zurücklegen der Fahrstrecke – an einem Stück. Dadurch entfällt ein aufwändiges Partitionieren der Fahrstrecke.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn vom verbrennungsmotorischen Antrieb aufbringbare und im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimierte Drehmomente für eine Vielzahl von Geschwindigkeiten und/oder Drehmomenten wenigstens eines Rads des Fahrzeugs vor dem Zurücklegen der Fahrstrecke ermittelt werden. Anhand dieser ermittelten Drehmomente kann dann nämlich beim Zurücklegen der Fahrstrecke mit der Soll-Fahrgeschwindigkeit ein in einem jeweiligen Abschnitt der Fahrstrecke einzustellendes Soll-Drehmoment des verbrennungsmotorischen Antriebs vorgegeben werden. Es wird so auch die Momentenverteilung des Antriebsstrangs im Hinblick zumindest auf den Kraftstoffverbrauch optimiert.
Des Weiteren können einlegbare und im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimierte Gänge für eine Vielzahl von Geschwindigkeiten und/oder Drehmomenten wenigstens eines Rads des Fahrzeugs vor dem Zurücklegen der Fahrstrecke ermittelt werden. Anhand dieser ermittelten Gänge wird dann beim Zurücklegen der Fahrstrecke mit der Soll-Fahrgeschwindigkeit ein in einem jeweiligen Abschnitt der Fahrstrecke einzulegender Gang vorgegeben. Somit erfolgt auch die Gangwahl aufgrund vorab berechneter Zusammenhänge im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimiert.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn aufbringbare und im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimierte Batterieleistungen für eine Vielzahl von Geschwindigkeiten und/oder Drehmomenten wenigstens eines Rads des Fahrzeugs vor dem Zurücklegen der Fahrstrecke ermittelt werden. Anhand dieser ermittelten Batterieleistungen wird dann eine beim Zurücklegen der Fahrstrecke mit der Soll-Fahrgeschwindigkeit in einem jeweiligen Abschnitt der Fahrstrecke aufzubringende Batterieleistung vorgegeben. Aus der jeweils optimalen Kombination des vom elektromotorischen Antrieb und vom verbrennungsmotorischen Antrieb aufzubringenden Drehmoments ergibt sich nämlich für alle Kombinationen von Fahrgeschwindigkeiten und Radmomenten eine innere Batterieleistung. Hierbei entsprechen positive Werte einem Entladen der Batterie oder einem derartigen Energiespeicher des Fahrzeugs und negative Werte einem Laden der Batterie – diese Zuordnung kann selbstverständlich auch anders erfolgen. Die im Hinblick auf einen minimalen Kraftstoffverbrauch beim Zurücklegen der Fahrstrecke optimale Batterieleistung kann also auch anhand vorab berechneter Zusammenhänge eingestellt werden.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Soll-Fahrgeschwindigkeit für das Zurücklegen der Fahrstrecke nicht nur im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch, sondern zusätzlich oder alternativ im Hinblick auf eine Fahrzeit und/oder auf Fahrtkosten und/oder auf eine Lebensdauer und/oder eine Temperatur wenigstens einer Komponente des Fahrzeugs optimiert ist. Diese weiteren Größen können insbesondere gewichtet in die Optimierung mit einbezogen werden. So können weitere Aspekte beim Zurücklegen der Fahrstrecke mit berücksichtigt werden, was den Nutzen bei der Heranziehung des Kennfelds erhöht.
Es kann auch beispielsweise von einem Fahrer des Fahrzeugs oder einen weiteren System im Fahrzeug eine gewünschte Fahrzeit für die zurückzulegende Fahrstrecke vorgegeben werden, und unter Berücksichtigung dieser vorgegebenen Fahrzeit wird dann die Soll-Fahrgeschwindigkeit im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs und/oder andere der oben genannten Größen hin optimiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden beim Vorgeben der Soll-Fahrgeschwindigkeit für das Zurücklegen der Fahrstrecke Steigungsabschnitte und/oder Gefälleabschnitte und/oder Abschnitte, in denen ein elektrischer Fahrbetrieb des Fahrzeugs erforderlich ist, und/oder ein Energiebedarf von wenigstens einem sich von dem elektrischen Antrieb unterscheidenden elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs berücksichtigt. Es können also wegbasiert weitere Größen hinterlegt werden, welche einen Einfluss auf das Zurücklegen der Fahrstrecke und insbesondere auf das Verhalten des Antriebsstrangs haben. Des Weiteren kann so insbesondere eine topologieabhängige beziehungsweise topographieabhängige Bereitstellung des optimalen Geschwindigkeitsprofils, also der Soll-Fahrgeschwindigkeit für die zurückzulegende Fahrstrecke, erreicht werden.
Informationen über Steigungen und/oder Gefälleabschnitte oder Zonen, in welchen eine rein elektrische Fahrt des Fahrzeugs erforderlich ist, können anhand von Kartendaten und/oder Fahrzeugumfelddaten ermittelt werden. Hierfür bieten sich insbesondere Vorausschaudaten eines Navigationssystems des Fahrzeugs an. Des Weiteren können Geschwindigkeitsprofile, also beispielsweise Geschwindigkeitsbeschränkungen und/oder Mindestfahrgeschwindigkeiten berücksichtigt werden.
Eine besonders aufwandsarme und rasche Ermittlung der Soll-Fahrgeschwindigkeit ist ermöglicht, wenn das Kennfeld unter Verwendung von Stützpunkten bereitgestellt wird, welche zur Bildung wenigstens einer Näherungsfunktion herangezogen werden. Als Näherungsfunktionen kommen hierbei insbesondere Polynomfunktionen, und zwar bevorzugt Polynomfunktionen eines niedrigen Grades in Betracht. Damit lässt sich eine besonders starke Reduktion der für die Rechenoperationen vorzusehenden Zeit erreichen, welche selbst auf einem handelsüblichen Computer im unteren einstelligen Sekundenbereich angesiedelt sein können.
Einem Fahrer des Fahrzeugs können Abweichungen von der Soll-Fahrgeschwindigkeit kommuniziert werden. So kann der Fahrer die Längsführung des Fahrzeugs an das optimale Geschwindigkeitsprofil anpassen und so insbesondere einen niedrigen Kraftstoffverbrauch beim Zurücklegen der Fahrstrecke erreichen.
Zusätzlich oder alternativ kann die Soll-Fahrgeschwindigkeit beim Zurücklegen der Fahrstrecke zumindest abschnittsweise vollautomatisch umgesetzt werden. Hierfür kann eine Steuerungseinrichtung des Fahrzeugs den elektrischen Antrieb und den verbrennungsmotorischen Antrieb derart ansteuern, dass das Fahrzeug die Fahrstrecke mit der in jedem Wegpunkt der Fahrstrecke zumindest im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimalen Soll-Fahrgeschwindigkeit zurücklegt. Eine solche vollautomatische Längsführung des Fahrzeugs ist für den Fahrer desselben besonders komfortabel.
Es kann jedoch dem Fahrer das optimale Geschwindigkeitsprofil auch in einer Art und Weise zur Verfügung gestellt werden, dass eine teilautomatische Längsführung realisiert ist, bei welcher beispielsweise haptische Rückkopplungen am Gaspedal auf zu hohe Fahrgeschwindigkeiten aufmerksam machen.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 einen Graphen, in welchem für eine zurückzulegende Fahrstrecke eine Obergrenze der Fahrgeschwindigkeit und eine Untergrenze der Fahrgeschwindigkeit sowie eine Soll-Fahrgeschwindigkeit gezeigt sind, welche sich zwischen der Obergrenze und der Untergrenze befindet und welche für ein besonders Kraftstoff sparendes Zurücklegen der Fahrstrecke mit einem Hybridfahrzeug sorgt, wobei in einem zweiten Graphen die zum Zurücklegen der Fahrstrecke vorzusehende Fahrzeit angegeben ist;
2 ein Kennfeld (oder auch Kostenmatrix), anhand dessen, und im Weiteren anhand der Übergangsmatrix, sich die Soll-Fahrgeschwindigkeit gemäß 1 ermitteln lässt;
3 Drehmomente eines verbrennungsmotorischen Antriebs des Fahrzeugs für unterschiedliche Kombinationen von Raddrehzahlen und Radmomenten des Fahrzeugs, wobei die Drehmomente des Verbrennungsmotors im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimiert sind;
4 ein Gangkennfeld für verschiedene Kombinationen von Raddrehzahlen und Radmomenten des Fahrzeugs, wobei der jeweils einzulegende Gang im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimiert ist; und
5 ein Kennfeld einer inneren Batterieleistung des Fahrzeugs für die Kombinationen von Raddrehzahlen und Radmomenten des Fahrzeugs, wobei die Batterieleistung im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimiert ist.
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Hybridfahrzeugs gilt es herauszufinden, welches die im Hinblick zumindest auf den Kraftstoffverbrauch optimale Fahrgeschwindigkeit zum Zurücklegen einer Fahrstrecke 10 ist. Die Fahrstrecke 10 ist auf einer Abszisse eines Graphen 12 in 1 veranschaulicht. Auf einer Ordinate 14 des Graphen 12 ist die Geschwindigkeit aufgetragen. In dem Graphen 12 veranschaulicht eine Kurve 16 eine Obergrenze der Fahrgeschwindigkeit beim Zurücklegen der Fahrstrecke 10. Eine weitere Kurve 18 veranschaulicht eine Untergrenze der Fahrgeschwindigkeit für das Zurücklegen der Fahrstrecke 10. Eine Soll-Fahrgeschwindigkeit 20 ist in dem Graphen 12 durch eine weitere Kurve angegeben, welche sich in dem durch die Kurve 16 und die Kurve 18 begrenzten Geschwindigkeitsband befindet. Weist das Hybridfahrzeug in jedem Wegpunkt der Fahrstrecke 10 die Soll-Fahrgeschwindigkeit 20 auf, so legt es Fahrstrecke 10 mit einem geringstmöglichen Kraftstoffverbrauch zurück.
In einem weiteren Graphen 22 in 1 veranschaulicht eine Kurve 24 die Fahrzeit zum Zurücklegen der Fahrstrecke 10. Entsprechend ist auf einer Ordinate 26 des Graphen 22 die Zeit aufgetragen. Die durch die Kurve 24 veranschaulichte Fahrzeit beim Zurücklegen der Fahrstrecke 10 befindet sich in einem Fahrzeitenband, welches nach oben durch eine Kurve 28 und nach unten durch eine Kurve 30 begrenzt ist. Die Kurve 28 im Graphen 22 korrespondiert hierbei mit der Kurve 16 im Graphen 12, und die Kurve 30 korrespondiert mit der Kurve 18 im Graphen 12.
Zum Ermitteln der Soll-Fahrgeschwindigkeit 20 des Hybridfahrzeugs wird vorliegend ein Kennfeld 32 herangezogen, welches in 2 veranschaulicht ist. Dieses Kennfeld 32 kann auch als Kostenmatrix bezeichnet werden, da auf einer Ordinate 34 eines dreidimensionalen Koordinatensystems, in welchem sich das Kennfeld 32 befindet, Kosten aufgetragen sind, welche eine, über die Fahrstrecke kumulierte, äquivalente Gesamtleistung beim Betreiben des Hybridfahrzeugs angeben. Die äquivalente Gesamtleistung ergibt sich hierbei als Summe einer Kraftstoffleistung und einer Batterieleistung, wobei die Batterieleistung mit einem Äquivalenzfaktor gewichtet ist, welcher das Wirkungsgradverhältnis des elektrischen Antriebs und des verbrennungsmotorischen Antriebs des Hybridfahrzeugs widerspiegelt. Daher geht dieses Wirkungsgradverhältnis in das Kennfeld 32 ein.
Das Kennfeld 32 ergibt sich, wenn eine Kostenfunktion einer dynamischen Programmierung mit vorab gelöster ECMS dargestellt wird (ECMS = Equivalent Consumption Minimization Strategy). Auf einer X-Achse 36 des Koordinatensystems, in welchem sich das Kennfeld 32 befindet, ist die Wegstrecke in Metern aufgetragen, also die Position des Hybridfahrzeugs auf der Fahrstrecke 10. Die Position des Hybridfahrzeugs auf der Fahrstrecke 10 ist somit die Fortschrittsgröße der Kostenmatrix bei der dynamischen Programmierung.
Demgegenüber ist auf einer Y-Achse 38 des Koordinatensystems, in welchem sich das Kennfeld 32 befindet, die Fahrzeit in Sekunden aufgetragen. Die Optimierungsvariable auf der X-Achse der Kostenmatrix der dynamischen Programmierung ist somit die Zeit. Aus dem Kennfeld 32 ist ersichtlich, dass die sich ergebenden Kosten entlang der Fahrstrecke 10 immer höher werden, je kürzer die für die Fahrstrecke 10 benötigte Zeit ist, je schneller der Fahrer des Hybridfahrzeugs also fährt.
Da die ECMS vorab gelöst ist, lässt sich die Geschwindigkeitsoptimierung mittels dynamischer Programmierung anhand des Kennfelds 32 besonders einfach realisieren. Es braucht lediglich in dem Kennfeld 32 das Minimum für den letzten Wegpunkt und anschließend mit Hilfe der Übergangsmatrix (ohne Darstellung, weil diese keine anschauliche Form besitzt) vom letzten Wegpunkt mit dem gewünschten Endzeitpunkt aus zurück gegangen werden bis zum Startpunkt.
Durch die Vereinfachung der dynamischen Programmierung zur Berechnung dieses Kennfeldes 32 lassen sich so Rechenzeiten im Bereich von weniger als einer Minute erreichen, um die Soll-Fahrgeschwindigkeit 20 zu ermitteln.
Wird zu einem Abschnitt oder Wegschritt der Fahrstrecke 10 eine mögliche Fahrzeit bestimmt, so geht diese mit jeweiligen Kosten einher. Für einen nachfolgenden Abschnitt der Fahrstrecke werden dann die Kosten herangezogen, welche sich aus dem vorangegangenen Wegschritt ergeben, und zusätzlich die Kosten für den derzeitigen Wegschritt. Jedoch liegt als Anfangsparameter am Beginn eines nachfolgenden Wegschritts bereits eine gewisse Geschwindigkeit vor, welche bei der dynamischen Programmierung berücksichtigt wird. Die Gesamtkosten zum Zurücklegen der Fahrstrecke 10 ergeben sich also als Summe der Kosten der einzelnen Wegschritte, und es wird diejenige Fahrzeit ausgewählt, welche mit den geringsten Kosten einhergeht.
3 zeigt ein weiteres dreidimensionales Kennfeld 40. Hierbei ist auf einer X-Achse die Geschwindigkeit 42 in km/h aufgetragen und auf einer Y-Achse ein Radmoment 44 in Nm. Die Geschwindigkeit 42 entspricht einer jeweiligen Raddrehzahl des Hybridfahrzeugs, und das Radmoment 44 beschreibt das auf ein angetriebenes Rad des Hybridfahrzeugs aufgebrachte Drehmoment. Das Kennfeld 40 beschreibt nun für alle möglichen Kombinationen von Raddrehzahlen und Radmomenten diejenigen Drehmomente des Verbrennungsmotors, welche im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimiert sind. Ein Hauptergebnis der ECMS ist also das Soll-Drehmoment für den Verbrennungsmotor. Die Drehmomente sind hierbei in 3 auf einer Ordinate 46 aufgetragen.
Entsprechend dem in 3 gezeigten Kennfeld 40 gibt es Bereiche, in denen ein Drehmoment von Null vorliegt und entsprechend das Hybridfahrzeug elektrisch fährt. Bereiche mit negativem Drehmoment sind Fälle des Schubbetriebs, in denen das Schleppmoment des Verbrennungsmotors genutzt werden kann. Die zu den jeweiligen Geschwindigkeiten gehörigen, optimalen Drehmomente stehen vorab, also vor dem Zurücklegen der Fahrstrecke 10, zur Verfügung. So kann für jede Geschwindigkeit, welche sich aufgrund der zu einer zurückzulegenden Wegstrecke gehörigen Fahrzeit gemäß 2 bestimmen lässt, das optimale, vom Verbrennungsmotor aufzubringende Drehmoment bestimmt werden. Das optimale Drehmoment des Verbrennungsmotors, welches durch das Kennfeld 40 in 3 veranschaulicht ist, ergibt sich aus dem Minimum der äquivalenten Gesamtleistung, in welche die Kraftstoffleistung, die Batterieleistung und der Äquivalenzfaktor eingehen.
Ein Ergebnis der ECMS ist neben der Momentenverteilung zwischen dem Elektromotor und dem Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeugs auch der optimal zu wählende Gang.
Entsprechend ist daher in 4 ein Gangkennfeld 48 gezeigt, welches in einem dreidimensionalen Koordinatensystem mit der Geschwindigkeit 42 auf der X-Achse und dem Radmoment 44 auf der Y-Achse dargestellt ist. Das Gangkennfeld 48 beschreibt eine vorab ermittelte Lösung der ECMS für alle möglichen Kombinationen von Raddrehzahlen und Radmomenten in Bezug auf den optimal zu wählenden Gang. Die Nummer des Gangs ist hierbei auf einer Ordinate 50 aufgetragen. Somit braucht der Gang nicht als gesonderte Optimierungsgröße bei der Ermittlung der Soll-Fahrgeschwindigkeit 20 der dynamischen Programmierung berücksichtigt zu werden. Dies verringert die Anzahl der Dimensionen der dynamischen Programmierung.
Schließlich zeigt 5 ein Kennfeld 52 der inneren Batterieleistung, also der Leistung eines elektrischen Energiespeichers des Hybridfahrzeugs. Auch dieses Kennfeld 52 ergibt sich durch eine Vorablösung der ECMS für alle möglichen Kombinationen von Raddrehzahlen und Radmomenten. Entsprechend sind in dem dreidimensionalen Koordinatensystem, in welchem das Kennfeld 52 dargestellt ist, wiederum die Geschwindigkeit 42 auf der X-Achse und das Radmoment 44 auf der Y-Achse aufgetragen. Auf einer Ordinate 54 ist die interne Batterieleistung in Watt angegeben, wobei positive Werte einem Entladen und negative Werte einem Laden der Batterie entsprechen. Dadurch, dass auch der Batterieladezustand vorab, also offline, auf Basis der ECSM bereitgestellt wird, fällt eine weitere Dimension in der dynamischen Programmierung heraus.
Es kann vorgesehen sein, dass am Ende der zurückzulegenden Fahrstrecke 10 ein Wunschladezustand der Batterie, bei welcher es sich insbesondere um eine Batterie des Hybridantriebes handelt, vorliegen soll. Um diesen Wunschladezustand zu erhalten, kann der in die vorab gelöste ECMS einfließende Äquivalenzfaktor, welcher mit Lambda bezeichnet werden kann, im Rahmen einer die Geschwindigkeitsoptimierung überlagernden Schleife mehrfach iteriert werden. Hierbei können Iterationen von weniger als zwanzig Durchlaufen vorgesehen sein, um den Wunschladezustand der HV-Batterie bei der Angabe eines Werts für Lambda zu berücksichtigen.
Um dies zu erreichen, kann nach dem Abschluss der Geschwindigkeitsoptimierung überprüft werden, welcher Ladezustand der Batterie sich am Ende der Fahrstrecke 10 einstellt. Daran anschließend wird Lambda innerhalb gegebener Grenzen neu bestimmt, beispielsweise mittels eines Bisektionsverfahrens. Anschließend wir die Vorablösung der ECMS für alle möglichen Kombinationen von Radmomenten 44 und Raddrehzahlen, also Geschwindigkeiten 42 neu bestimmt. Dann wird die Geschwindigkeitsoptimierung erneut durchgeführt. Dies kann so lange wiederholt werden, bis am Ende der Wunschladezustand der Batterie erreicht wird.
Um besonders schnell die Soll-Fahrgeschwindigkeit 20 zu ermitteln, kann die dreidimensionale Kostenmatrix auf noch einfachere Weise als mittels dynamischer Programmierung bereitgestellt werden. Hierfür können an Stützpunkten auf der Fahrstrecke 10 Näherungsfunktionen, insbesondere Polynome niedrigen Grades verwendet werden. Damit lässt sich nochmals eine deutliche Reduktion der Rechenoperationen und somit der Rechenzeiten erreichen. Diese können in einem unteren einstelligen Sekundenbereich liegen. Es wird also das Kennfeld 32 nicht mehr vollständig mittels einer dynamischen Programmierung berechnet, sondern für die Stützstellen als Polynome niedrigen Grades abgebildet.
Bezugszeichenliste

10: Fahrstrecke
12: Graph
14: Ordinate
16: Kurve
18: Kurve
20: Soll-Fahrgeschwindigkeit
22: Graph
24: Fahrzeit
26: Ordinate
28: Kurve
30: Kurve
32: Kennfeld
34: Ordinate
36: X-Achse
38: Y-Achse
40: Kennfeld
42: Geschwindigkeit
44: Radmoment
46: Ordinate
48: Gangkennfeld
50: Ordinate
52: Kennfeld
54: Ordinate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009021019 A1 [0002, 0003]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs, bei welchem für eine Fahrstrecke (10) eine Obergrenze (16) einer Fahrgeschwindigkeit und eine Untergrenze (18) der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmt werden, und bei welchem eine Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) für ein Zurücklegen der Fahrstrecke (10) mit dem Fahrzeug vorgegeben wird, welche im Hinblick auf einen Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln der Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) ein Kennfeld (32) herangezogen wird, welches eine minimale äquivalente Gesamtleistung eines verbrennungsmotorischen und eines elektromotorischen Antriebs des Fahrzeugs in allen Betriebspunkten beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (32) durch dynamisches Programmieren bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) anhand des Kennfelds (32) durch, insbesondere dynamisches Programmieren nutzendes, Optimieren bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vom verbrennungsmotorischen Antrieb aufbringbare und im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimierte Drehmomente für eine Vielzahl von Geschwindigkeiten (42) und/oder Drehmomenten (44) wenigstens eines Rads des Fahrzeugs vor dem Zurücklegen der Fahrstrecke (10) ermittelt und anhand der ermittelten Drehmomente ein beim Zurücklegen der Fahrstrecke (10) mit der Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) in einem jeweiligen Abschnitt der Fahrstrecke (10) einzustellendes Soll-Drehmoment des verbrennungsmotorischen Antriebs vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einlegbare und im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimierte Gänge für eine Vielzahl von Geschwindigkeiten (42) und/oder Drehmomenten (44) wenigstens eines Rads des Fahrzeugs vor dem Zurücklegen der Fahrstrecke (10) ermittelt werden und anhand der ermittelten Gänge ein beim Zurücklegen der Fahrstrecke (10) mit der Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) in einem jeweiligen Abschnitt der Fahrstrecke (10) einzulegender Gang vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aufbringbare und im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs optimierte Batterieleistungen für eine Vielzahl von Geschwindigkeiten (42) und/oder Drehmomenten (44) wenigstens eines Rads des Fahrzeugs vor dem Zurücklegen der Fahrstrecke (10) ermittelt werden und anhand der ermittelten Batterieleistungen eine beim Zurücklegen der Fahrstrecke (10) mit der Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) in einem jeweiligen Abschnitt der Fahrstrecke (10) aufzubringende Batterieleistung vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) für das Zurücklegen der Fahrstrecke (10) im Hinblick auf eine Fahrzeit und/oder Fahrtkosten und/oder eine Lebensdauer und/oder eine Temperatur wenigstens einer Komponente des Fahrzeugs optimiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorgeben der Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) für das Zurücklegen der Fahrstrecke (10) Steigungsabschnitte und/oder Gefälleabschnitte und/oder Abschnitte, in denen ein elektrischer Fahrbetrieb des Fahrzeugs erforderlich ist, und/oder ein Energiebedarf von wenigstens einem sich von dem elektrischen Antrieb unterscheidenden elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (32) unter Verwendung von Stützpunkten bereitgestellt wird, welche zur Bildung wenigstens einer Näherungsfunktion, insbesondere zur Bildung einer Polynomfunktion, herangezogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass einem Fahrer des Fahrzeugs Abweichungen von der Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) kommuniziert werden und/oder eine Steuerungseinrichtung des Fahrzeugs den elektrischen Antrieb und den verbrennungsmotorischen Antrieb derart ansteuert, dass das Fahrzeug die Fahrstrecke (10) mit der Soll-Fahrgeschwindigkeit (20) zurücklegt.