DE102013014886B4

DE102013014886B4 - Verfahren zur Anzeige eines Füllstandswertes in einem Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102013014886B4
Application number: DE102013014886.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Klimesch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2033-09-07
Also published as: DE102013014886A1

Abstract

Verfahren zur Anzeige eines einen aktuellen Füllstand eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs (16) angebenden Füllstandswertes, wobei zur Ermittlung des Füllstandswertes wenigstens eine Eigenschaft des Energiespeichers zur Ermittlung eines vorläufigen Inhaltswertes vermessen und der Inhaltswert zur Ermittlung des Füllstandswertes einer Messfehler ausgleichenden Filterung unterzogen wird, wobei neben dem Inhaltswert ein den aktuellen Verbrauch seit der letzten Bestimmung eines Füllstandswertes beschreibender Verbrauchswert ermittelt wird, wobei zur Filterung gewichtet der Inhaltswert und der zuletzt bestimmte Füllstandswert abzüglich des Verbrauchswerts kombiniert werden, und wobei die Gewichtung durch einen zwischen Null und Eins liegenden Gewichtungskoeffizienten beschrieben wird, wobei der Inhaltswert mit dem Gewichtungskoeffizienten gewichtet und der zuletzt bestimmte Füllstandswert abzüglich des Verbrauchswerts mit Eins minus dem Gewichtungskoeffizienten gewichtet in eine Summe eingehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anzeige eines einen aktuellen Füllstand eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs angebenden Füllstandswertes, wobei zur Ermittlung des Füllstandswertes wenigstens eine Eigenschaft des Energiespeichers zur Ermittlung eines vorläufigen Inhaltswertes vermessen und der Inhaltswert zur Ermittlung des Füllstandswertes einer Messfehler ausgleichenden Filterung unterzogen wird. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
Kraftfahrzeuge benötigen Energie, um betrieben zu werden. Mithin weisen Kraftfahrzeuge einen Energiespeicher unterschiedlicher Art auf, je nachdem, wie das Kraftfahrzeug betrieben werden soll. Bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, bei denen meist fossile Brennstoffe eingesetzt werden, ist ein Energiespeicher in Form eines Tanks vorhanden, in dem der Treibstoff vorgehalten wird, ehe er zur Energieerzeugung in dem Verbrennungsmotor verbraucht wird. Elektrokraftfahrzeuge mit Elektromotoren verwenden elektrische Energie, die beispielsweise in einer Batterie als Energiespeicher enthalten sein kann.
Unabhängig davon, ob es sich bei dem Energiespeicher um einen Tank für Treibstoff oder eine Batterie für elektrische Energie handelt, ist es für den Fahrer eine wichtige Information, wie viel Energie noch in dem Energiespeicher enthalten ist, allgemein ausgedrückt also, wie der aktuelle Füllstand des Energiespeichers ist. Daher sind bereits Verfahren bekannt, die wenigstens eine Eigenschaft des Energiespeichers vermessen und die hieraus einen Inhaltswert des Energiespeichers ermitteln, der gegebenenfalls bereits als Füllstandswert, der den Füllstand des Energiespeichers beschreibt, verwendet werden kann. So sind beispielsweise bei flüssige Treibstoffe verwendenden Kraftfahrzeugen in den Tanks als Energiespeicher angeordnete Schwimmer bekannt, deren Daten zur Ermittlung eines Füllstandswerts ausgewertet werden können. Auch für Batterien als Energiespeicher sind Verfahren bekannt, um den Ladezustand der Batterie als Füllstandswert zu bestimmen. Jedoch kann nicht immer sichergestellt werden, dass nicht Messfehler den angezeigten Füllstandswert verfälschen und zu falschen Annahmen des Fahrers, beispielsweise bezüglich seiner Restreichweite, führen.
Derartige Probleme treten insbesondere bei mit komprimierten Naturgasen arbeitenden Kraftfahrzeugen auf. Derartige komprimierte Naturgase werden häufig als CNG (von Englisch „Compressed Natural Gas“) abgekürzt. In diesem Fall weist das Kraftfahrzeug einen Gastank als Energiespeicher auf, in dem das komprimierte Naturgas unter Druck aufbewahrt wird. Um den Füllstand eines derartigen Gastanks bestimmen zu können, ist es bekannt, den Druck im Gastank zu vermessen, um hieraus eine im Gastank befindliche Masse anhand der Zustandsgleichungen zu bestimmen. Nachdem auch die Temperatur hierbei keine unwesentliche Rolle spielt, ist häufig zudem ein Temperatursensor vorgesehen, der einen Temperaturwert misst, der zumindest in Zusammenhang mit der Temperatur im Gastank steht, da eine Messung der Temperatur des komprimierten Naturgases selbst eher kompliziert ist und aus Sicherheitsgründen meist vermieden werden soll. Der Temperaturwert kann zur Kompensation bei der Massenbestimmung eingesetzt werden. Ein aus dem Druck im Gastank und gegebenenfalls zusätzlich einem Temperaturwert ermittelter Inhaltswert wird dabei nicht immer unmittelbar einem Fahrer zur Anzeige gebracht, sondern es wird eine Filterung vorgenommen, um aus dem Inhaltswert einen Füllstandswert, der angezeigt werden soll, zu erhalten, nachdem eine Beseitigung von Störgrößen gewünscht ist, die zu Schwankungen in der Masse führen und die aufgrund der Messverfahren von Druck und Temperatur nicht vermeidbar sind. Weitere Anforderungen an die Filterung sind, dass der Füllstandswert möglichst genau den verbleibenden Vorrat an komprimiertem Naturgas wiedergibt und eine hohe Robustheit im Sinne einer Verlässlichkeit, insbesondere ein Schutz vor einem Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs aufgrund von Gasmangel, gegeben ist.
Bei komprimiertem Naturgas können Ursachen dieser Störgrößen beispielsweise Temperaturschwankungen sein, die in der Massenbestimmung nicht vollständig kompensiert werden können. Druckschwankungen können aufgrund von Laständerungen der Verbrennungskraftmaschine entstehen. Hieraus folgt, dass die Anzeige für den Füllstand ohne jegliche Filterung in positiver und negativer Richtung schwanken kann. Dasselbe gilt für eine Anzeige einer Restreichweite, die aus dem Füllstandswert und weiteren Daten abgeleitet werden kann.
Ein weiteres Problem liegt darin, dass bei der Betankung mit komprimiertem Naturgas durch die Komprimierung des Naturgases ein zusätzlicher Wärmeeintrag entsteht, der unbekannt ist und nicht unmittelbar vermessen werden kann, nachdem, wie bereits dargelegt wurde, eine Temperaturmessung innerhalb des Gastanks meist nicht durchgeführt wird. Der Temperatureintrag der Tankstelle bewirkt einen höheren Druck, so dass eine höhere Masse von komprimiertem Naturgas als Inhaltswert berechnet wird. Mit anderen Worten wird der Wärmeeintrag in den Gastank als zusätzlich im Gastank befindliche Masse interpretiert. Erst wenn die Temperatur des Mediums, also des komprimierten Naturgases, wieder auf die Umgebungstemperatur absinkt, fällt damit auch die als Inhaltswert berechnete Masse ab. Mithin ergibt sich der Nachteil, dass nach der Betankung keine robuste Massenberechnung stattfinden kann und nach Abkühlung des Mediums die Vorratsanzeige und die Restreichweite abfallen können. Hieraus folgt nicht nur eine Gefahr eines Liegenbleibens, da zunächst von mehr Vorräten ausgegangen wird, sondern auch der mögliche Eindruck beim Fahrer, dass das Kraftfahrzeug ein Gasleck aufweisen könnte.
Wie bereits erwähnt wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, eine Filterung des Inhaltswertes vorzunehmen, um einen Füllstandswert zu berechnen, mithin die störgrößenbehaftete Naturgasmasse möglichst weitgehend im Hinblick Störgrößen zu korrigieren. Dabei findet letztlich eine Zeitfilterung statt, das bedeutet, Werte der Vergangenheit tragen zum Füllstandswert zusätzlich zum aktuellen Inhaltswert bei. Dabei existieren jedoch Probleme, wie durch die 1 und 2 näher dargestellt werden soll. Beide Figuren zeigen die Masse (m) des Naturgases aufgetragen gegen die Zeit (t). Dabei zeigt die Kurve 1 den tatsächlichen zeitlichen Verlauf der Masse im Gastank, mithin den nicht messbaren idealen Wert. Die Kurve 2 zeigt den Inhaltswert, mithin die aus dem Druck und dem Temperaturwert abgeleitete Masse, die ersichtlich mit Störgrößen behaftet ist. Diese beiden Kurven sind für 1 und 2 gleich.
1 zeigt den Fall einer eher schwachen Nachfilterung, Kurve 3, die ersichtlich keine zuverlässige Beseitigung der Störgrößen ermöglicht, jedoch vorteilhafterweise zu keiner größeren Verzögerung der durch den tatsächlichen Naturgasverbrauch bedingten Massenabnahme führt. Durch die Schwankungen ist jedoch die Anzeigequalität äußerst gering. 2 dagegen zeigt den Fall einer starken Nachfilterung, bei der Inhaltswerte der Vergangenheit einen großen Einfluss haben, vgl. Kurve 3'. Ersichtlich ist nun eine zuverlässige Beseitigung der Störgrößen möglich, wobei die starke Nachfilterung jedoch auch die durch den tatsächlichen CNG-Verbrauch bedingte Massenabnahme verzögert. Bei der Anzeige des Füllstandswertes, wie er sich aus der Kurve 3' ergibt, entsteht mithin der Eindruck, dass noch hinreichend viel Naturgas vorhanden ist, obwohl der Gastank schon fast oder gänzlich leer ist, so dass die Gefahr eines Liegenbleibens des Kraftfahrzeugs besteht, wenn der Fahrer von falschen Annahmen ausgeht.
Mithin wurde ein Kompromiss vorgeschlagen, bei dem der Inhaltswert gerade so stark gefiltert wird, dass selbst beim größten anzunehmenden Verbrauchs an komprimiertem Naturgas durch die Filter-Verzögerung kein Risiko eines Liegenbleibens wegen Energiemangels besteht. Das hat jedoch die Konsequenz, dass eine geringe Anzeigequalität besteht, mithin Schwankungen durch die Störgrößen verbleiben.
Diese Probleme treten nicht nur bei der Betrachtung von komprimiertem Naturgas auf, sondern auch bei anderen Treibstoffen bzw. bei elektrischer Energie, da es auch dort zu Störgrößen und entsprechenden Einflüssen kommen kann.
DE 33 26 719 C2 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der in einem Tank enthaltenen Flüssigkeitsmenge. Nachdem Schwimmervorrichtungen als nicht zufriedenstellend angesehen werden, soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem eine genaue und stabile Füllstandsinformation gewonnen werden kann. Verwendet werden konkret ein Füllstandsmesser und ein Durchflussmesser, wobei die Anzahl der im Tank enthaltenen Flüssigkeitsliter sich aus der durch den Füllstandsmesser gegebenen Information bestimmen lässt, wenn man Abmessungen und Form des Tankes kennt, bzw. auf der Grundlage der vom Durchflussmesser gelieferten Information bestimmen lässt, wenn man die Anzahl der Liter kennt, die zu Anfang im Tank vorhanden waren
FR 2547413 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auswertung des Treibstoffvolumens in einem Tank eines Kraftfahrzeugs. Dort wurde erkannt, dass ein Schwimmer nur zwischen Werten V₁ und V₂ eine sinnvolle Füllstandsinformation liefert, daneben jedoch nicht. Wird festgestellt, dass der Füllstandsmesser einen Wert oberhalb von V₂ messen würde, wird stattdessen ein aus der Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeuggeschwindigkeitsbereichen zugeordneten Durchschnittsverbrauchswerten berechneter Verbrauchswert unmittelbar von dem maximal möglichen Volumen Vmax ermittelt, wobei es auch möglich ist, den Verbrauch vom Mittelwert zwischen Vmax und V₂ abzuziehen. Wird erkannt, dass der Wert V₂ unterschritten wird, wird gänzlich auf den Schwimmer umgestellt, für den Füllstände aus einer Look-Up-Tabelle abgerufen werden können. Wird jedoch festgestellt, dass das untere Ende des signifikanten Bereichs, also V₁ erreicht wurde, wird wiederum auf die ausschließliche Berechnung des Füllstands anhand des Verbrauchs umgeschaltet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Ermittlung eines Füllstandswertes im Rahmen einer Filterung anzugeben, die eine hohe Anzeigequalität und gleichzeitig eine hohe Robustheit erlaubt.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist es, Störgrößen ausreichend stark auszufiltern, ohne die Gefahr eines Liegenbleibens durch die verzögernde Wirkung der Filterung zu erzeugen. Hierzu wird vorgeschlagen, dass eine weitere Größe Eingang in die Filterung findet, nämlich der aktuelle Verbrauch seit der letzten Bestimmung eines Füllstandswertes, der Verbrauchswert. Es wird darauf hingewiesen, dass ein aktueller Verbrauch selbstverständlich auch pro Zeiteinheit bestimmt werden kann, wobei dann eine Multiplikation mit der Zykluszeit erforderlich ist, also der Zeit, nach der die Berechnung des Füllstandswertes wiederholt wird. Erfindungsgemäß wird also aus einem gemessenen Füllstand (dem Inhaltswert) und dem aktuellen Verbrauch mittels einer mathematischen Gewichtung ein Anzeige-Füllstand, der Füllstandswert, ermittelt. Damit werden zwei unterschiedliche Informationsquellen gewichtet zusammengeführt. Der mit Störgrößen behaftete Inhaltswert stellt eine absolute Informationsquelle dar, die langfristig sehr genau ist, kurzfristig jedoch ungenau. Der aktuelle Verbrauch, beschrieben durch den Verbrauchswert, ist eine relative Informationsquelle, die kurzfristig sehr genau ist, langfristig jedoch ungenau. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Nachteile beider Informationsquellen eliminiert, nachdem der mit Störgrößen behaftete Inhaltswert als langfristige Führungsgröße dient, die im Rahmen der Gewichtung Fehler ausgleichen kann.
Insgesamt entsteht so ein Verfahren, das sowohl eine hochqualitative, von Störgrößen weitgehend oder gänzlich befreite Anzeige eines Füllstandes (und abgeleiteter Größen, beispielsweise einer Restreichweite) erlaubt, gleichzeitig jedoch eine Drift weg von dem tatsächlichen Füllstandswert weitgehend oder gänzlich vermeidet.
Der Verbrauchswert kann dabei aus Betriebsdaten einer Steuerung des Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Motorsteuerung, rechnerisch ermittelt und/oder über eine Messeinrichtung vermessen werden. Wird zum Betrieb des Kraftfahrzeugs ein Treibstoff verwendet, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Messeinrichtung ein Durchflusssensor ist. Jedoch ist es auch im Rahmen einer Motorsteuerung (Motormanagement) möglich und grundsätzlich bekannt, einen aktuellen Verbrauch, insbesondere pro Zeiteinheit, zu ermitteln, so dass der Verbrauchswert ermittelt werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass die Gewichtung durch einen zwischen 0 und 1 liegenden Gewichtungskoeffizienten beschrieben wird, wobei der Inhaltswert mit dem Gewichtskoeffizienten gewichtet und der zuletzt bestimmte Füllstandswert abzüglich des Verbrauchswerts mit Eins minus dem Gewichtungskoeffizienten gewichtet in eine Summe eingehen. Das bedeutet, durch einen Gewichtungskoeffizienten wird bestimmt, zu welchem Anteil der mit Störgrößen behaftete Inhaltswert und zu welchem Anteil in jedem Rechenschritt der aktuelle Verbrauchswert ungefiltert subtrahiert wird. In einer Formel ausgedrückt bedeutet dies, dass sich in einem Zyklus n der Füllstandswert F zu $F_{n} = (F (n - 1) - V) * (1 - k) + I * k$
ergibt, wobei V den aktuellen Verbrauchswert wiedergibt, k den Gewichtskoeffizienten und I den aus den Messungen bestimmten Inhaltswert. Der erste Term subtrahiert mithin in jedem Zyklus den aktuellen Verbrauch, so dass ein Liegenbleiben vermieden werden kann. Der zweite Term addiert gewichtet den mit Störgrößen behafteten Füllstand, so dass der Inhaltswert als langfristige Führungsgröße dient.
Dabei wird der Gewichtungskoeffizient sehr klein gewählt, bevorzugt kleiner als 0,01, insbesondere kleiner als 0,0005. Auf diese Weise entsteht eine starke Filterwirkung. Berechnet man eine Filterkonstante τ in der Einheit Sekunden zu $τ = t_{z} / k,$
wobei t_z die Zykluszeit ist, können beispielsweise Filterkonstanten von bis zu 2000 Sekunden mit dem Verfahren ermöglicht werden. Gängige Filterkonstanten, die auch als Dämpfungskonstanten bezeichnet werden können, können beispielsweise bei einer Zykluszeit von 0,5 Sekunden im Bereich von 300 bis 600 Sekunden liegen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Gewichtung, insbesondere der Gewichtungskoeffizient, abhängig vom zuletzt bestimmten Füllstandswert gewählt wird. Das bedeutet, im konkreten Beispiel wird der Gewichtungskoeffizient nicht als Konstante hinterlegt, sondern beispielsweise aus einer Kennlinie und/oder einer Look-Up-Tabelle ermittelt. Darin ist dem zuletzt angezeigten Füllstandswert ein Gewichtungskoeffizient zugeordnet. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, in Füllstandsbereichen, in denen ein guter Zusammenhang zwischen dem aktuellen Füllstand und dem gemessen Füllstand besteht, durch die Gewichtung mehr den Inhaltswert zu betonen, bzw. da, wo ein schlechter Zusammenhang besteht, mehr den aktuellen Verbrauchswert zu betonen.
Dabei besteht meist im Leerbereich des Energiespeichers der schlechteste Zusammenhang, so dass in vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein kann, dass bei Unterschreitung eines Schwellwerts durch den zuletzt bestimmten Füllstand der aktuelle Füllstandswert nur noch aus dem zuletzt bestimmten Füllstandswert abzüglich des Verbrauchswerts ermittelt wird, insbesondere der Gewichtungskoeffizient mithin auf 0 gesetzt wird. Der Schwellwert kann dabei 5 bis 10 Prozent eines maximalen Füllstands betragen, insbesondere 8 Prozent eines maximalen Füllstands. Der Leerbereich wird üblicherweise auch als Reservebereich bezeichnet. Es kann vorgesehen sein, dass der Gewichtungskoeffizient vor dem Reservebereich, der wie beschrieben beispielsweise ab 8 Prozent des maximalen Füllstands beginnen kann, kontinuierlich auf 0 abgesenkt wird, wodurch die oben diskutierte Filterkonstante τ (und mithin die Dämpfung) gegen unendlich steigt. Schließlich beträgt der Gewichtungskoeffizient gänzlich Null, das bedeutet, in dem Bereich, in dem ohnehin äußerst ungenau gemessen wird, und der Energiespeicher ohnehin fast leer ist, mithin keine langen Zeitskalen mehr zu erwarten sind, wird der letztlich anzuzeigende Füllstandswert allein durch den aktuellen Verbrauch bestimmt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass bei einem Auffüllungsvorgang des Energiespeichers, beispielsweise einem Tankvorgang, bei Überschreiten eines Grenzwerts für den Inhaltswert ein voller Energiespeicher als Start-Füllstandswert angenommen wird. Auf diese Weise werden Probleme mit einer „Voll“-Anzeige vermieden, nachdem bei Überschreitung des Grenzwerts bei einem Auffüllungsvorgang (insbesondere Betankungsvorgang) der Energiespeicher als „voll“ angesehen wird. Auf diese Weise wird vermieden, dass durch Schwankungen bzw. Störgrößen zunächst von einem leereren Energiespeichern ausgegangen wird, der sich dann aufgrund des niedrigen Gewichtungskoeffizienten nie völlig füllt, was somit zur Verwirrung beim Fahrer führen kann. Dennoch dient der gemessene Inhaltswert als langfristige Führungsgröße, so dass ein Liegenbleiber vermieden wird. Dieses Verhalten kann über eine geeignete Auslegung einer Kennlinie oder einer Look-Up-Tabelle für den Gewichtungskoeffizienten explizit ausgeprägt werden, das bedeutet, damit der tatsächliche Füllstand des Energiespeichers schneller abgebildet wird, kann durch einen hohen Gewichtungskoeffizienten, also niedrige Dämpfung, die Entleerung betont werden, so dass schneller der „richtige“ Füllstandswert erreicht wird.
Der Grenzwert selbst ist stark abhängig von den konkreten Eigenschaften des Energiespeichers. Bei einem klassischen Treibstofftank für flüssigen Kraftstoff kann der Grenzwert beispielsweise etwa 3 - 5 Liter unterhalb des einen vollen Energiespeicher anzeigenden Füllstandswertes angesetzt werden. Abhängig ist der Grenzwert dabei hauptsächlich von Eigenschaften wie der Schräglagen-Empfindlichkeit, der Luftblasenbildung im Vollbereich und dergleichen. Allgemein formuliert, also auch für andere Antriebsvarianten, kann der Grenzwert in Abhängigkeit eines statistisch ermittelten Fehlerbereichs des Inhaltswertes bestimmt werden, beispielsweise bei erwarteten Standardabweichungen von 5 Prozent des tatsächlichen Füllstands als 93 Prozent bis 95 Prozent des einen vollen Energiespeicher anzeigenden Füllstandswertes. Mithin kann der Grenzwert beispielsweise abhängig von einer erwarteten Standardabweichung für den Inhaltswert ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders vorteilhaft für ein Kraftfahrzeug einsetzen, das komprimiertes Naturgas in einem Gastank als Energiespeicher verwendet. Dann kann vorgesehen sein, dass der Energiespeicher ein mit einem komprimierten Naturgas gefüllter Gastank ist und zur Ermittlung des Inhaltswertes der Druck in dem Gastank und bei Vorsehen einer Temperaturkompensation zusätzlich ein die Temperatur in dem Gastank beschreibender Temperaturwert vermessen und ausgewertet werden.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, umfassend ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildetes Steuergerät. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, mit welchem mithin dieselben Vorteile erreicht werden können. Entsprechend umfasst das Kraftfahrzeug einen Energiespeicher, beispielsweise einen Gastank, und eine geeignete Sensorik zur Vermessung des Inhaltswertes, wobei auch Messeinrichtungen für den Verbrauchswert bzw. weitere Steuergeräte, beispielsweise eine Motorsteuerung, vorhanden sein können, um den Verbrauchswert zu liefern.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

1 einen Verlauf von Füllständen bei einer schwachen Filterung gemäß dem Stand der Technik,
2 einen Verlauf von Füllständen bei einer starken Filterung gemäß dem Stand der Technik,
3 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine Kennlinie für einen Gewichtungskoeffizienten,
5 den Verlauf von Füllständen bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
6 einen Graphen zur Erläuterung der Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Temperatureintrag in ein Naturgas, und
7 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.

Im Folgenden soll nun das erfindungsgemäße Verfahren in einem konkreten Beispiel für ein Kraftfahrzeug dargestellt werden, das mit komprimiertem Naturgas (CNG) fährt. Das bedeutet, der Füllstand ist letztlich eine verbliebene Masse in dem Energiespeicher, der hier als Gastank ausgebildet ist. 3 zeigt einen Ablaufplan dieses Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die dort dargestellten Schritte immer nach Ablauf einer Zykluszeit wiederholt werden, um so immer einen aktuellen Füllstandswert (hier: eine aktuelle Anzeigemasse) zu erhalten und anzeigen zu können.
In einem Schritt 4 wird über einen Drucksensor der Druck in dem Gastank vermessen. Gleichzeitig erfolgt die Ermittlung eines Temperaturwertes, der die Temperatur innerhalb des Gastanks beschreibt, um eine Temperaturkompensation zu erreichen.
In einem Schritt 5 werden der Druck und der Temperaturwert ausgewertet, um einen Inhaltswert zu bestimmen, mithin eine gemessene Masse m_akt. Diese Ermittlung kann wie grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt erfolgen.
In einem Schritt 6 erfolgt dann die Filterung bzw. die Aufbereitung zur Anzeige. Hierzu wird eine weitere Eingangsgröße entgegengenommen, nämlich ein Verbrauchswert 7, der angibt, wie viel komprimiertes Naturgas seit der letzten Ermittlung eines Füllstandswertes, hier der Anzeigemasse m_anz, verbraucht wurde. Der Verbrauchswert kann über einen Durchflusssensor gemessen werden und/oder von einer Motorsteuerung berechnet und zur Verfügung gestellt werden.
In Schritt 6 wird dann die Anzeigemasse m_anz unter Berücksichtigung des Verbrauchswerts m_verbr ermittelt gemäß $m_{a n z} (n) = (m_{a n z} (n - 1) - m_{v e r b r}) * (1 - k) + m_{a k t} * k,$
wobei kein Gewichtungskoeffizient ist, der vorliegend in jedem Fall kleiner als 0,005 ist. n bezeichnet den aktuellen Zyklus und wird nur verwendet, um die vorherige Anzeigemasse m_anz(n-1) von der aktuell zu berechnenden Anzeigemasse m_anz(n) zu unterscheiden. Während der Gewichtungskoeffizient k festgelegt sein kann, wird er im vorliegenden Ausführungsbeispiel dennoch aus einer Kennlinie bezogen, so dass je nach Füllstandsbereich und dabei gegebenem guten oder weniger guten Zusammenhang bei der Vermessung die Gewichtung angepasst werden kann.
Die in diesem Ausführungsbeispiel verwendete Kennlinie ist in 4 näher dargestellt, wo k in Abhängigkeit von der zuletzt ermittelten Anzeigemasse m_anz, also dem zuletzt ermittelten Füllstandswert, gezeigt ist. Der Wert 10 zeigt dabei die maximal im Gastank befindliche Masse an, mithin einen vollen Gastank. Hier beginnt die Kennlinie 9. Ersichtlich wird bei großen tatsächlichen Füllständen im Bereich 11 ein höherer Gewichtungskoeffizient verwendet, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgehend von einem Maximalwert von 0,0016666667, was bei einer Zykluszeit t_z von 0,5 Sekunden zu einer Filterkonstante τ von 300 Sekunden führt. Der Grund für die hier geringere Dämpfung bzw. stärkere Orientierung an dem tatsächlich gemessenen Wert ist das Verhalten bei einem Betankungsvorgang des Gastanks. Um nämlich Probleme mit der Vollanzeige zu vermeiden, ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass bei einem Betankungsvorgang des Gastanks bei Überschreitung eines Grenzwerts für die gemessene Masse m_akt ein voller Gastank als Start-Füllstandswert angenommen wird. Der Grenzwert ist dabei in Abhängigkeit eines statistisch ermittelten Fehlerbereichs des Inhaltswertes, hier der gemessenen Masse m_akt bestimmt, wobei vorliegend als Grenzwert 95% der einen vollen Gastank (Wert 10) anzeigenden Masse verwendet wird, nachdem Standardabweichungen von 5% bei vollem bzw. fast vollem Gastank erwartet werden. Die stärkere Gewichtung der gemessenen Masse m_akt ist in jedem der hier auftretenden Fehlerfälle nützlich, denn zum einen tritt eine schnellere Anpassung an den tatsächlichen Füllstand auf, wenn ein Betankungsvorgang nicht erkannt wurde, zum anderen ist der Nutzen aber auch bei einem nicht gänzlich vollen, fehlerhaft aber als voll festgesetzten Gastank gegeben. Mithin ist in dem Bereich 11 noch ein höherer Gewichtungskoeffizient k und mithin eine niedrigere Filterkonstante τ gegeben.
In dem mittleren Bereich 12 besteht ein recht guter Zusammenhang zwischen der gemessenen Masse m_akt und der tatsächlich im Gastank vorhandenen Masse, so dass hier der Gewichtungskoeffizient k beispielsweise bei 0,001 konstant gehalten wird. Mit abnehmender, im Gastank befindlicher Naturgasmasse wird dieser Zusammenhang jedoch schlechter, so dass in einem Bereich 13 der Gewichtungskoeffizient k kontinuierlich reduziert wird, mithin die Filterkonstante τ erhöht wird. Ab einem Schwellwert 14, der bei 8 Prozent des maximalen Füllstandswertes und allgemein bei 5 bis 10 Prozent des maximalen Füllstandswertes liegen kann und mithin auch den Beginn des Reservebereichs anzeigt, ist der Gewichtungskoeffizient k gemäß der Kennlinie 9 Null. Das bedeutet, im Leerbereich bzw. Reservebereich, wo der schlechteste Zusammenhang zwischen der gemessenen Masse m_akt und dem tatsächlichen Füllstand besteht, geht erstere überhaupt nicht mehr in die Bestimmung der Anzeigemasse m_anz ein. Der anzuzeigende Füllstandswert wird allein durch den Verbrauchswert bestimmt.
5 zeigt ein mögliches Ergebnis der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei wiederum die Masse m gegen die Zeit t aufgetragen ist und die Kurven 1 und 2 wiederum den tatsächlichen Füllstand und den Verlauf der mit Störgrößen behafteten gemessenen Masse m_akt, also des Inhaltswertes, zeigen. Die Kurve 15 für die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefilterte Anzeigemasse m_anz liegt ersichtlich fast exakt auf der Kurve 1.
Zurückkehrend zu 3 wird in einem Schritt 8 dann die Anzeigemasse m_anz an einer geeigneten Anzeigevorrichtung des Kraftfahrzeugs zur Anzeige gebracht, beispielsweise über einen Füllstandsanzeiger und/oder weiterverrechnet über eine Restreichweitenanzeige.
6 zeigt einen Spezialfall, der bei Naturgas als Treibstoff auftreten kann. Wird der Gastank neu betankt, kann es von der Tankstelle bzw. Tankstation aus zu einem Wärmeeintrag in das komprimierte Naturgas kommen, der über den den Temperaturwert aufnehmenden Temperatursensor nicht oder erst zu spät erfasst werden kann. Dieser Wärmeeintrag wird dann fälschlicherweise als zusätzliche im Gastank enthaltene Masse angesehen, die nach Abkühlung des komprimierten Naturgases im Gastank dann wegfällt, wie aus dem steilen, für einen Fahrer schwer nachvollziehbaren Verlauf der Kurve 2' für die gemessene Masse m_akt leicht ersichtlich ist. Das erfindungsgemäße Filterverfahren, konkret der Schritt 6, wirkt auch hier, denn die starke Filterung des Inhaltswertes verschleift das starke Abfallen der gemessenen Masse gemäß Kurve 2' bei der Abkühlphase, so dass insgesamt ein nachvollziehbarer Verlauf gegeben ist, vgl. Kurve 15'.
7 zeigt schließlich eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 16. Dieses weist ein Steuergerät 17 auf, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie es in 3 dargestellt ist, ausgebildet ist. Es empfängt mithin die Sensordaten eines Drucksensors 18 und eines Temperatursensors 19, die einem Gastank 20 zugeordnet sind. Der Drucksensor 18 liefert den aktuellen Druck im Gastank 20, der Temperatursensor 19 den die Temperatur im Gastank 20 beschreibenden Temperaturwert. Der Verbrauchswert kann vom Motorsteuergerät 21 selbst rechnerisch ermittelt geliefert werden, und/oder es können Sensordaten eines hier nicht näher gezeigten Durchflusssensors verwendet werden. Auf einer Anzeigevorrichtung 22 kann in Schritt 8 eine Darstellung des Füllstandswertes erfolgen.

Claims

Verfahren zur Anzeige eines einen aktuellen Füllstand eines Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs (16) angebenden Füllstandswertes, wobei zur Ermittlung des Füllstandswertes wenigstens eine Eigenschaft des Energiespeichers zur Ermittlung eines vorläufigen Inhaltswertes vermessen und der Inhaltswert zur Ermittlung des Füllstandswertes einer Messfehler ausgleichenden Filterung unterzogen wird, wobei neben dem Inhaltswert ein den aktuellen Verbrauch seit der letzten Bestimmung eines Füllstandswertes beschreibender Verbrauchswert ermittelt wird, wobei zur Filterung gewichtet der Inhaltswert und der zuletzt bestimmte Füllstandswert abzüglich des Verbrauchswerts kombiniert werden, und wobei die Gewichtung durch einen zwischen Null und Eins liegenden Gewichtungskoeffizienten beschrieben wird, wobei der Inhaltswert mit dem Gewichtungskoeffizienten gewichtet und der zuletzt bestimmte Füllstandswert abzüglich des Verbrauchswerts mit Eins minus dem Gewichtungskoeffizienten gewichtet in eine Summe eingehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrauchswert aus Betriebsdaten einer Steuerung des Kraftfahrzeugs (16), insbesondere einer Motorsteuerung (21), rechnerisch ermittelt und/oder über eine Messeinrichtung vermessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines Treibstoffs die Messeinrichtung ein Durchflusssensor ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtungskoeffizient kleiner als 0,01, insbesondere kleiner als 0,005, gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtung, insbesondere der Gewichtungskoeffizient, abhängig vom zuletzt bestimmten Füllstandswert gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Gewichtungskoeffizienten ein aktueller Gewichtungskoeffizient aus einer Kennlinie (9) und/oder einer Look-Up-Tabelle ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung eines Schwellwerts (14) durch den zuletzt bestimmten Füllstand der aktuelle Füllstandswert nur noch aus dem zuletzt bestimmten Füllstandswert abzüglich des Verbrauchswerts ermittelt wird, insbesondere der Gewichtungskoeffizient auf Null gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert 5 bis 10% eines maximalen Füllstandes beträgt, insbesondere 8%.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Auffüllungsvorgang des Energiespeichers bei Überschreiten eines Grenzwerts für den Inhaltswert ein voller Energiespeicher als Start-Füllstandswert angenommen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher ein mit einem komprimierten Naturgas gefüllter Gastank (20) ist und zur Ermittlung des Inhaltswertes der Druck in dem Gastank (20) und bei Vorsehen einer Temperaturkompensation zusätzlich ein die Temperatur in dem Gastank (20) beschreibender Temperaturwert vermessen und ausgewertet werden.
Kraftfahrzeug (16), umfassend ein zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildetes Steuergerät (17).