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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät und ein Verfahren zum Steuern für ein Fahrzeug mit Fahrhebel, insbesondere für ein Schienenfahrzeug oder ein Schiff.
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Aus dem Stand der Technik wie
US 8,989,917 B2 und
US 7,343,314 A ist es bekannt, optimale Betriebsparameter für Fahrzeuge mit Fahrhebel wie Schienenfahrzeuge oder Schiffe mittels eines Optimierers zu ermitteln. Dabei erfolgt die Steuerung des Fahrzeugs entweder manuell durch einen Fahrzeugführer, dem die optimalen Betriebsparameter angezeigt werden und der den Fahrhebel entsprechend führen kann, oder vollautomatisch.
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Bei einer manuellen Umsetzung des Vorschlags optimaler Betriebsparameter durch den Fahrzeugführer wird Optimierungspotential vergeben, da die manuelle Ansteuerung des Fahrhebels zusätzliche Verzögerungen sowie Ungenauigkeiten in der tatsächlichen Ansteuerung des Antriebs verursacht. Andererseits ist ein vollautomatischer Betrieb ohne Eingriffe des Fahrzeugführers aus Sicherheitsgründen nicht in allen Fällen umsetzbar oder wünschenswert.
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Es ist daher wünschenswert, eine manuelle Steuerung durch den Fahrer beizubehalten, gleichzeitig aber Optimierungspotentiale auszunutzen.
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Hier setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, manuelle Steuerungen von Fahrzeugen mit Fahrhebel zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Steuergerät des Anspruchs 1. Das Steuergerät zum Steuern für ein Fahrzeug mit Fahrhebel, insbesondere ein Schienenfahrzeug oder Schiff, umfasst einen Optimierer, der ausgebildet ist, basierend auf einer Fahrhebelposition einen auf ein vorbestimmtes Optimierungsziel optimierten Leistungssollwert für ein Antriebssystem des Fahrzeugs zu bestimmen.
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Die Erfindung führt auch auf ein Verfahren des Anspruchs 11.
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Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass eine Optimierung der Ansteuerung eines Antriebssystem bei manueller Steuerung möglich ist, wenn neben einem vorbestimmten Optimierungsziel die von einem Fahrzeugführer eingestellte Fahrhebelposition der Bestimmung der Sollwerte für das Antriebssystem zu Grunde gelegt wird. Die Optimierung unter Berücksichtigung der Fahrhebelposition ermöglicht eine einfache Steuerung durch einen Fahrzeugführer und gleichzeitig die Nutzung von Optimierungspotentialen im Rahmen der Vorgabe der Fahrhebelposition.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren. Nachfolgend werden insbesondere vorteilhafte Weiterbildungen des Steuergerätes beschrieben, welche auch Merkmale des Verfahrens ausbilden können. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können zur Bildung weiterer Weiterbildungen miteinander kombiniert werden, es sei denn, sie sind in der Beschreibung ausdrücklich als Alternativen zueinander beschrieben.
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Der Leistungssollwert stellt eine entsprechende Leistungsanforderung an das Antriebssystem dar, er kann direkt als Leistungswert an eine Steuerung des Antriebssystems weitergegeben werden oder in andere Parameter wie beispielsweise Drehmomente umgesetzt werden.
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In einer Weiterbildung des Steuergerätes ist das vorbestimmte Optimierungsziel ausgewählt aus Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs, minimiertem Kraftstoffverbrauch, minimierter Schadstoffemission oder minimierter Geräuschemission oder Kombinationen hieraus. Die Optimierung auf die Sollgeschwindigkeit meint dabei eine Optimierung der Pünktlichkeit des Fahrzeugs. Vorteilhafterweise ist der Optimierer dabei ausgebildet, die Sollgeschwindigkeit aus einer erfassten Position des Fahrzeuges und einer vorgegebenen Sollposition oder einem vorgegebenen Fahrplan zu ermitteln. Damit können bei der Optimierung Fahrpläne berücksichtigt werden und Verspätungen über angepasste Betriebszustände vermieden werden. Die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ergibt sich dann letztlich über die Optimierung mit den weiteren Optimierungszielen, sofern Kombinationen berücksichtigt werden. Vorteilhaft ist das vorbestimmte Optimierungsziel eine Kombination unterschiedlicher Optimierungsziele ist, die gewichtet berücksichtig werden. Damit kann beispielsweise der Sollgeschwindigkeit und damit der Pünktlichkeit ein Vorrang vor minimiertem Kraftstoffverbrauch eingeräumt werden.
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Vorteilhaft ist der Optimierer ausgebildet, aus der Fahrhebelposition einen geforderten Leistungswert zu bestimmen und den optimierten Leistungssollwert, derart zu bestimmen, dass er in einem vorgegebenen Toleranzbereich um den geforderten Leistungswert liegt. Die Fahrhebelposition, die durch den Fahrzeugführer vorgegeben wird, wird also nicht direkt umgesetzt, sondern mit einer Toleranz versehen. Das tatsächlich vom Antrieb umgesetzte Fahrhebelsignal, also der optimierte Leistungssollwert, darf im Toleranzbereich oder in der Toleranzzone liegen oder anders ausgedrückt in diesem variieren. Der Fahrzeugführer gibt mit dem Fahrhebel demnach nicht mehr einen exakten Wert vor, sondern einen Toleranzbereich, in dem der Antrieb vom Optimierer verändert werden darf.
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Der Toleranzbereich umfasst vorzugsweise in Grenzfällen die direkte manuelle Steuerung und die nahezu vollautomatische Steuerung, also direkte Umsetzung der Fahrhebelposition exakt in den optimierten Leistungssollwert einerseits und quasiautomatisierte Steuerung, bei der die Fahrhebelposition nur noch vorgibt, ob der optimierte Leistungssollwert im Bereich der Bremsung oder der Traktion liegt, andererseits.
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Der Toleranzbereich kann aber auch als ein Bereich von beispielsweise 5 oder 10% des geforderten Leistungswertes um den geforderten Leistungswert oder als Bereich mit fester Abweichung um den geforderten Leistungswert eingestellt werden. Damit können kleinere Anpassungen durch den Optimierer vollautomatisch erfolgen und eine Änderung der Fahrhebelposition ist nur erforderlich, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit stark variiert werden soll, beispielsweise stark beschleunigt oder abgebremst werden soll. Es wird also eine Entlastung des Fahrzeugführers erreicht, da dieser nicht ständig dem optimalen Sollwert folgen muss, sondern lediglich den Fahrhebel so stellen muss, dass die Toleranzzone über einem momentanen Sollwert zu liegen kommt.
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Vorzugsweise ist der Optimierer ausgebildet, aus der Fahrhebelposition eine Beschleunigungsvorgabe zu bestimmen und den optimierten Leistungssollwert unter Berücksichtigung der Beschleunigungsvorgabe zu bestimmen. Bevorzugt ist ein Fahrhebelweg des Fahrhebels in unterschiedliche Zustände partitioniert und der Optimierer ausgebildet, jedem dieser Zustände eine Beschleunigungsvorgabe zuzuordnen. Die Fahrhebelposition wird in diesen Ausführungsformen als Beschleunigungswunsch interpretiert, wie konstantes Fahren, Beschleunigen oder Bremsen. Vom Optimierer wird der vom Fahrer eingestellte Ist-Zustand in eine Leistungs- oder Momentenanforderung für das Antriebssystem umgerechnet, die dem vom Fahrer gewünschten Fahrzustand, wie beispielweise Konstantfahrt, entspricht. Auch mit diesen Ausführungsformen wird eine Entlastung des Fahrzeugführers erreicht, der nun nicht einem genauen Sollwert folgen muss, sondern lediglich vorgeben, muss, ob er beschleunigen, abbremsen oder eine aktuelle Geschwindigkeit beibehalten möchte.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Optimierer weiterhin ausgebildet, eine auf das Optimierungsziel optimierte Fahrhebelposition zu bestimmen und diese an einen Fahrzeugführer auszugeben. Gemäß einem Optimierungsalgorithmus, wird dabei eine rechnerisch momentan optimale Fahrhebelposition bestimmt und über eine Visualisierung dem Fahrzeugführer diese optimale Fahrhebelposition als ein Sollwert angezeigt. Diese Ausführungsform ermöglicht es, bereits die Fahrhebelposition vorzuoptimieren, beispielsweise auf die momentane Position des Fahrzeugs in Relation zum vorbestimmten Fahrplan, so dass der Fahrzeugführer eine angepasste Geschwindigkeit wählt und über den Optimierer nach Einstellung der Fahrhebelposition dann weitere Optimierungen beispielsweise hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Geräuschemission zusätzlich zur Optimierung auf den Fahrplan hin vorzunehmen. Der Optimierer kann auch ausgebildet sein, anstelle oder zusätzlich zum Sollwert eine Toleranzzone auszugeben, in der der Fahrhebel positioniert werden soll.
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In einer Weiterbildung ist der Optimierer dabei ausgebildet, aus der optimierten Fahrhebelposition den optimierten Leistungssollwert zu bestimmen, wenn die optimierte Fahrhebelposition innerhalb der Toleranzzone um die eingestellte Fahrhebelposition liegt. Weiterhin kann der Optimierer ausgebildet sein, den optimierten Leistungswert aus der zur optimierten Fahrhebelposition nächstliegenden Grenze des Toleranzbereiches zu bestimmen, wenn die optimierte Fahrhebelposition außerhalb der Toleranzzone liegt.
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Bevorzugt ist das Steuergerät ausgebildet, den optimierten Leistungssollwert direkt an das Antriebssystem auszugeben. Alternativ kann der Leistungssollwert aber auch an eine Fahrzeugleittechnik übertragen werden und von dieser entsprechende Sollwerte an einzelne Antriebsaggregate des Antriebssystems oder deren Steuerung entsprechend übertragen werden. Der Leistungssollwert stellt eine entsprechende Leistungsanforderung an das Antriebssystem dar, er kann direkt als Leistungswert an eine Steuerung des Antriebssystems weitergegeben werden oder in andere Parameter wie beispielsweise Drehmoment umgesetzt werden. Bevorzugt ist das Steuergerät ausgebildet, auf den Empfang eines Notsignals, den Optimierer zu stoppen und einen Leistungssollwert entsprechend der Fahrhebelposition direkt an das Antriebssystem weiterzugeben. Damit ist im Notfall oder bei sonstigem Bedarf des Fahrzeugführers eine vollständige manuelle Kontrolle des Fahrvorgangs möglich. Bevorzugt wird das Notsignal ausgelöst, wenn ein Notschalter oder Nottaster betätigt wird. Alternativ kann das Notsignal aber auch über das Einstellen einer minimalen oder maximalen Position oder einer Nullstellung des Fahrhebels erfolgen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine Funktionsweise eines Steuergerätes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Steuergerätes bzw. Verfahrens;
- 2 in einer schematischen Darstellung eine weitere Funktionsweise eines Steuergerätes gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Steuergerätes bzw. Verfahrens;
- 3 in einer schematischen Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform eines Steuergeräts.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Funktionsweise eines Steuergerätes für ein Fahrzeug mit Fahrhebel gemäß der Erfindung. Das Steuergerät umfasst einen Optimierer DPU. Der Optimierer DPU ist ausgebildet, basierend auf der Fahrhebelposition αFH einen auf ein vorbestimmtes Optimierungsziel, wie Sollgeschwindigkeit des Fahrzeugs oder Pünktlichkeit, minimierten Kraftstoffverbrauch, minimierte Schadstoffemission oder minimierte Geräuschemission oder Kombinationen daraus, optimierten Leistungssollwert (αsoll ) für das Antriebssystem des Fahrzeugs zu bestimmen. Der Optimierer DPU ermittelt in der gezeigten Ausführungsform auch eine auf das Optimierungsziel optimierte Fahrhebelposition αDPU und zeigt diese einem Fahrzeugführer an, in einer Ausführungsform zusammen mit einer Toleranzzone für die Einstellung der Fahrhebelposition. Die Toleranzzone ergibt sich dabei aus vorbekannten Toleranzkriterien und liegt zwischen einer maximalen idealen Fahrhebelposition Maxideal und einer minimalen idealen Fahrhebelposition Minideal . Der Fahrhebel FH kann in der gezeigten Ausführungsform in Fahrhebelpositionen von -100% bis 100% gebracht werden, wobei negative Werte einem Bremsvorgang entsprechen und positive Werte einer Traktion. Der Optimierer DPU bestimmt in der hier gezeigten Ausführungsform aus der vom Fahrzeugführer vorgegebenen Fahrhebelposition αFH einen geforderten Leistungswert und bestimmt den optimierten Leistungssollwert αsoll derart, dass er in einem vorgegebenen Toleranzbereich um den geforderten Leistungswert liegt. Dieser vom Optimierer optimierte Leistungssollwert αsoll wird in der dargestellten Ausführungsform elektronisch an den Antrieb weitergeleitet.
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Gemäß der optimierten Fahrhebelposition αDPU , die dem Fahrzeugführer angezeigt ist, kann der Fahrzeugführer den Fahrhebel FH aus der Nullstellung herausbringen und eine Fahrhebelposition αFH einstellen, die optimierte Fahrhebelposition αDPU entspricht oder in der Toleranzzone liegt. Der Fahrzeugführer kann aber auch Fahrhebelpositionen außerhalb der Toleranzzone wählen. Liegt die optimierte Fahrhebelposition αDPU innerhalb der Toleranzzone um die eingestellte Fahrhebelposition αFH kann der Optimierer, den optimierter Leistungssollwert αsoll aus der optimierten Fahrhebelposition αDPU bestimmen. Liegt die optimierte Fahrhebelposition αDPU außerhalb der Toleranzzone wird die zur optimierten Fahrhebelposition αDPU nächstliegende Grenze des Toleranzbereiches zur Bestimmung des optimierten Leistungssollwertes verwendet.
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Der Fahrzeugführer soll den Fahrhebel nur nachführen, wenn große Abweichung zwischen optimierter Fahrhebelposition αDPU und Fahrhebelposition αFH auftreten, also wenn die optimierte Fahrhebelposition αDPU nicht mehr in der Toleranzzone und die Fahrhebelposition αFH liegt. Innerhalb des Toleranzbereiches werden Abweichungen zwischen Fahrhebelposition und optimiertem Leistungssollwert vom Optimierer ausgeglichen. Der Fahrer kann dabei jederzeit durch Betätigung des Fahrhebels eingreifen. Zum einen kann er über eine Änderung der Fahrhebelposition auch den Toleranzbereich verschieben.
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Der Optimierer stellt den optimierten Leistungssollwert αsoll maximal bis zu einer Toleranzgrenze um den geforderten Leistungswert ein. Weiterhin kann das Steuergerät ausgebildet sein, bei Einstellung einer Nullstellung den Optimierer zu stoppen. Dann erfolgt keine Optimierung des Fahrhebelsignals durch den Optimierer. Die Fahrhebelposition αFH wird direkt als ein Leistungssollwert des Antriebssystems umgesetzt. Im Diagramm sind Fahrhebelposition αFH und Leistungsanforderung app an das Antriebssystem gegeneinander aufgetragen. Die vom Optimierer bestimmten optimierten Leistungssollwerte αsoll liegt gemäß des dargestellten Ausführungsbeispieles in einem Toleranzbereich TBαsoll um die lineare Umsetzung von Fahrhebelposition αFH in Leistungsanforderung αPP . Der Toleranzbereich TBαsoll ergibt sich hier als betragsmäßig feste Abweichung. In der hier gezeigten Ausführungsform werden nur Bremswerte bis zu einer Fahrhebelposition von -70% als Leistungsanforderung oder in diesem Fall Bremsanforderung an das Antriebssystem optimiert, aber direkt weitergegeben. Bei Bremswerten von mehr als -70%, also stärkerer Bremsung wird der -70% überschießende Bremswert an die Verschleißbremse weitergegeben, um eine ausreichende Bremsleistung zu erreichen.
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Die in 2 schematisch dargestellte Funktionsweise entspricht im Wesentlichen derjenigen in 1. Hier ist der Toleranzbereich TBαsoll nicht durch eine feste Abweichung um die Fahrhebelposition vorgegeben sondern maximal. Das heißt, der Optimierer kann im hier gezeigten Grenzfall den optimierten Leistungssollwert αsoll im gesamten Bereich der Traktion T oder im gesamten Bereich der Bremsung B bestimmen.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Steuergerät SG gemäß der Erfindung, also ein Steuergerät SG für ein Fahrzeug mit Fahrhebel FH. Das Fahrzeug ist dabei insbesondere ein Schienenfahrzeug oder Schiff. Das Steuergerät SG umfasst einen Optimierer DPU. Hier ist der Optimierer DPU ausgebildet, aus der Fahrhebelposition eine Beschleunigungsvorgabe zu bestimmen und den optimierten Leistungssollwert αsoll unter Berücksichtigung der Beschleunigungsvorgabe zu bestimmen. Dabei ist ein Fahrhebelweg FHW des Fahrhebel FH in unterschiedliche Zustände partitioniert und der Optimierer ausgebildet ist, jedem dieser Zustände eine Beschleunigungsvorgabe zuzuordnen. Dabei ist Partition 0 der Zustand Konstant-Fahrt zugeordnet, Partition 1 Beschleunigen, Partition 2 Voll-Beschleunigen, Partition -1 Bremsen und Partition -2 Voll-Bremsung. Der Optimierer DPU kann in einer Ausführungsform eine optimierte Fahrhebelposition αDPU vorgeben. Der Fahrer stellt eine Fahrhebelposition αFH basierend auf der vorgegebenen optimierten Fahrhebelposition αDPU oder entsprechend seinem Beschleunigungs- oder Bremswunsch ein. Anhand der Fahrhebelposition αFH errechnet der Optimierer DPU einen optimierten Leistungssollwert αsoll , dieser kann direkt an das Antriebssystem übertragen werden oder beispielsweise über eine Fahrzeugleittechnik in eine Last- oder Traktionsvorgabe für das Antriebssystem umgesetzt werden unter Berücksichtigung und Aufteilung auf vorhandene Antriebsaggregate.
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Wird der Fahrhebel auf 2 oder -2 gestellt, kann eine maximal mögliche Beschleunigung oder auch Notbremsung eingeleitet werden, indem die Vorgabe des Fahrzeugführers vom Steuergerät direkt umgesetzt wird und der Optimierer gestoppt wird.
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Bezugszeichenliste
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- SG
- Steuergerät
- FH
- Fahrhebel
- FHW
- Fahrhebelweg
- DPU
- Optimierer
- αsoll
- Leistungssollwert
- αFH
- Fahrhebelposition
- αDPU
- optimierte Fahrhebelposition
- αPP
- Leistungsanforderung
- TBαsoll
- Toleranzbereich
- Maxideal
- ideale Fahrhebelposition maximal
- Minideal
- ideale Fahrhebelposition minimal
- 0
- Partition Konstant-Fahrt
- 1
- Partition Beschleunigen
- 2
- Partition Voll-Beschleunigen
- -1
- Partition Bremsen
- -2
- Partition Voll-Bremsung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8989917 B2 [0002]
- US 7343314 A [0002]
