DE102017124735A1

DE102017124735A1 - Verfahren zur Reichweitenbestimmung eines Kraftfahrzeugs und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102017124735A1
Application number: DE102017124735.1A
Authority: DE
Inventors: Harry Hamann; Rainer Wrede
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2019-04-25
Also published as: WO2019081180A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs (1) mit einem Antriebsstrang (2), wobei der Antriebsstrang (2) mindestens eine erste Elektromaschine (3), mindestens eine Batterie (4) zum Speichern sowie Bereitstellen elektrischer Energie, mindestens eine Leistungselektronik (5) zum Aufnehmen, Wandeln und Abgeben elektrischer Energie und mindestens ein erstes Getriebe (6) zum Wandeln einer Drehzahl der ersten Elektromaschine (3) aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:- Bereitstellen eines längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells des Kraftfahrzeugs (1),- Bestimmen eines SOLL-Geschwindigkeitsprofils des Kraftfahrzeugs (1),- Berechnen eines Energiebedarfs des Kraftfahrzeugs (1) mittels des bereitgestellten längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells anhand des bestimmten SOLL-Geschwindigkeitsprofils,- Erfassen eines Speicherzustands der Batterie (4) des Kraftfahrzeugs (1) zum Betreiben der mindestens einen Elektromaschine (3), und- Ermitteln einer Reichweite des Kraftfahrzeugs (1) auf Basis des berechneten Energiebedarfs und des erfassten Speicherzustands. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, welches zur Bestimmung einer Reichweite ausgebildet ist.
Die Strecken-Reichweite eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs wird sowohl im rein elektrischen Fahrmodus als auch im verbrennungsmotorischen Fahrmodus von zahlreichen physikalischen Größen beeinflusst, wie z.B. den Fahrwiderständen sowie den Verlustleistungen im Antriebsstrang. Als Fahrwiderstände werden beispielsweise Beschleunigungswiderstände aufgrund eines Fahrzeuggewichts, Reifen-Rollwiderstände sowie Fahrzeugströmungswiderstände betrachtet. Zu den Verlustleistungen im Antriebsstrang zählen beispielsweise die Verlustleistung einer elektrischen Maschine, eines Verbrennungsmotors, eines Getriebes, einer Hochvolt-Batterie oder dergleichen. Zusätzlich hängt die Strecken-Reichweite auch von einer Struktur des Antriebsstrangs und den verbauten Einzelkomponenten ab. Dies betrifft z.B. eine Verschaltung und Anordnung und somit physikalischer Wirkung der Elektromaschinen, der Leistungselektronik, der HV-Batterie, des Getriebes und ggf. des Verbrennungsmotors.
Aus der WO 2012/048766 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs bekannt. Hierbei werden klimatische Faktoren, welche eine Betriebsstrategie des Kraftfahrzeugs beeinflussen, berücksichtigt. Gemäß der DE 10 2010 062 860 A1 werden aktuelle Verbrauchswerte elektrischer Komponenten eines Kraftfahrzeugs gemessen und mittels einer Mehrzahl von Anzeigevorrichtungen dargestellt, um dem Fahrer des Kraftfahrzeugs die Identifizierung sowie die Deaktivierung von Komponenten mit einem besonders hohen Energieverbrauch zu erleichtern. Die DE 10 2012 019 056 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung einer Restreichweite eines Kraftfahrzeugs, welches ein Fahrzeuggewicht sowie Streckendaten und Verkehrslage berücksichtigt.
Die bekannten Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs bzw. eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs erfolgen auf Basis vereinfachter Modelle und/oder vernachlässigen entscheidende, die Reichweite beeinflussende physikalische Größen, wie z.B. Batterieinnenwiderstände, Außentemperatur, Getriebeöltemperatur oder dergleichen, grundsätzlich und/oder vernachlässigen die Veränderung wichtiger Fahrzeugparameter, wie z.B. Änderung des Fahrzeuggewichts in Abhängigkeit der Personenzahl und der Beladung, Änderung des Reifen-Rollwiderstands in Abhängigkeit des Reifen-Fülldrucks. Diese vereinfachten Verfahren liefern daher häufig ungenaue Prognosen der elektrischen sowie der verbrennungsmotorischen Strecken-Reichweite. Im Falle ungenauer Prognosen der Reichweite können für den Kunden schwerwiegende Nachteile auftreten, wie z.B. Kosten- und Zeitnachteile durch ein liegengebliebenes Fahrzeug bzw. durch unvorhergesehene Ladevorgänge oder Betankungen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs sowie bei einem Kraftfahrzeug zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise eine verbesserte bzw. genauere Bestimmung einer Reichweite ermöglichen.
Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das Kraftfahrzeug weist einen Antriebsstrang auf, wobei der Antriebsstrang mindestens eine erste Elektromaschine, mindestens eine Batterie zum Speichern sowie Bereitstellen elektrischer Energie, mindestens eine Leistungselektronik zum Aufnehmen, Wandeln und Abgeben elektrischer Energie und mindestens ein erstes Getriebe zum Wandeln einer Drehzahl der ersten Elektromaschine aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

- Bereitstellen eines längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells des Kraftfahrzeugs,
- Bestimmen eines SOLL-Geschwindigkeitsprofils des Kraftfahrzeugs,
- Berechnen eines Energiebedarfs des Kraftfahrzeugs mittels des bereitgestellten längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells anhand des bestimmten SOLL-Geschwindigkeitsprofils,
- Erfassen eines Speicherzustands der Batterie des Kraftfahrzeugs zum Betreiben der mindestens einen Elektromaschine, und
- Ermitteln einer Reichweite des Kraftfahrzeugs auf Basis des berechneten Energiebedarfs und des erfassten Speicherzustands.

Das Verfahren ist insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug geeignet, welches als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Das Verfahren ist beispielsweise als Computerprogramm auf einer Speichereinheit im Kraftfahrzeug abgelegt bzw. ablegbar und mittels einer Recheneinheit des Kraftfahrzeugs, welche z.B. Teil eines Antriebsstrang-Steuergeräts oder Motorsteuergeräts ist, ausführbar. Der Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs weist mindestens eine erste Elektromaschine auf, welche zum Vorantreiben des Kraftfahrzeugs, insbesondere mit einem Rad bzw. einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs, mechanisch gekoppelt ist. Zur Energieversorgung der ersten Elektromaschine mit elektrischer Energie weist das Kraftfahrzeug eine Batterie auf, welche insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein kann. Die Leistungselektronik des Kraftfahrzeugs ist ausgebildet, elektrische Energie aus der Batterie zu wandeln und an die erste Elektromaschine weiterzuleiten. Vorzugsweise ist die Leistungselektronik ausgebildet, von der ersten Elektromaschine generierte elektrische Energie, wie z.B. durch Rekuperation, an die Batterie weiterzuleiten. Das erste Getriebe weist vorzugsweise eine Getriebestufe auf und ist zum Wandeln der Drehzahl der ersten Elektromaschine ausgebildet.
Zunächst wird das längsdynamische Vorwärtssimulationsmodell des Kraftfahrzeugs bereitgestellt, insbesondere in der Speichereinheit des Kraftfahrzeugs. Die Speichereinheit ist vorzugsweise als Komponente einer Steuerungsvorrichtung des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Unter einem längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodell wird ein Modell verstanden, welches im Rahmen einer Vorwärtssimulation, also ausgehend vom Fahr-, bzw. Bremspedal zu den Rädern, berechnet wird. Das längsdynamische Vorwärtssimulationsmodell bildet das Kraftfahrzeug mit seinem Antriebsstrang ab, wobei diejenigen Komponenten berücksichtigt werden, welche einen Einfluss auf den Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs haben und zumindest teilweise einer Fortbewegung des Kraftfahrzeugs entgegenwirken oder unterstützen. Hierzu zählen demnach sämtliche Komponenten, an welchen im Betrieb eine Verlustleitung, z.B. aufgrund von Reibung, Wärme oder dergleichen, anfällt oder die ein Massenträgheitsmoment aufweisen, welches einem Vortrieb des Kraftfahrzeugs entgegenwirkt. Diese Komponenten können beispielsweise die erste Elektromaschine, das erste Getriebe, die Batterie, ein Differentialgetriebe oder die Leistungselektronik sein.
Anschließend wird das SOLL-Geschwindigkeitsprofil des Kraftfahrzeugs bestimmt. Das SOLL-Geschwindigkeitsprofil ist eine Abschätzung bzw. Prädiktion eines zukünftig zu erwartenden Geschwindigkeitsprofils des Kraftfahrzeugs. Es kann aus allgemeinen statistischen Geschwindigkeitswerten, gewählten Betriebsmodi, wie z.B. Economy oder Sport, fahrzeugspezifischen Geschwindigkeitswerten, fahrerspezifischen Geschwindigkeitswerten, und/oder dergleichen bestimmt werden.
Auf Basis des bestimmten SOLL-Geschwindigkeitsprofils wird mittels des bereitgestellten längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells der Energiebedarf berechnet. Der Energiebedarf spiegelt somit eine Energiemenge wider, welche erforderlich ist, um mit dem Kraftfahrzeug, für welches das längsdynamische Vorwärtssimulationsmodell bereitgestellt ist, das SOLL-Geschwindigkeitsprofil zu fahren.
Das Erfassen des Speicherzustands der Batterie des Kraftfahrzeugs kann mit herkömmlichen Mitteln erfolgen, wie z.B. einer Spannungs- und Temperaturmessung und einem Abgleich mit einem Kennlinienfeld der Batterie, wobei das Kennlinienfeld vorzugsweise einem Alterungszustand der Batterie angepasst wird. Alternativ oder zusätzlich kann über die Leistungselektronik ein sogenannter „State of Charge“ (SOC) der Batterie durch Protokollierung der Batterieströme und Ladezyklen erfasst werden.
Durch Vergleichen des Speicherzustands der Batterie und ggf. vorhandenen Kraftstofftank mit dem berechneten Energiebedarf wird dann schließlich die Reichweite des Kraftfahrzeugs bestimmt, also die Strecke, welche das Kraftfahrzeug mit dem SOLL-Geschwindigkeitsprofil und der vorhandenen Energiemenge der Batterie und ggf. des Kraftstofftanks zurücklegen könnte. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verfahren dem Fahrer Möglichkeiten zur Veränderung von Betriebsparametern des Fahrzeugs, wie z.B. Geschwindigkeit, Beschleunigung oder dergleichen, aufzeigt, welche eine Erhöhung der Reichweite bewirken. Das Verfahren wird vorzugsweise mehrfach, kontinuierlich bzw. in regelmäßigen Abständen wiederholt bzw. zumindest teilweise wiederholt durchgeführt, um die ermittelte Reichweite an veränderte Betriebsbedingungen anzupassen und somit die Genauigkeit des Verfahrens zu erhöhen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs hat gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine besonders genaue Ermittlung der Reichweite möglich ist, sodass der Fahrer des Kraftfahrzeugs beispielsweise eine verbesserte bzw. realitätsnahe Nachladestrategie der Batterie wählen kann, wie z.B. über das gezielte Ansteuern von Ladestationen. Durch eine Bestimmung der für die Reichweite relevanten Einflussfaktoren ist es besser möglich, eine Betriebsstrategie des Kraftfahrzeugs zur Optimierung der Reichweite gezielt anzupassen, insbesondere durch ein gezieltes Eingreifen des Fahrers, beispielsweise durch Aktivieren eines Eco-Betriebsmodus, Auswählen einer alternativen Route, Anpassen der Fahrgeschwindigkeit oder dergleichen. Ferner ermöglicht ein längsdynamisches Vorwärtssimulationsmodell eine besonders präzise Ermittlung der Reichweite.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass beim Berechnen des Energiebedarfs mittels des längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten der mindestens einen ersten Elektromaschine und/oder Verlustleistungen der mindestens einen Batterie und/oder Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten des mindestens einen ersten Getriebes und/oder Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten eines Differentialgetriebes des Kraftfahrzeugs und/oder Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten mindestens einer Achswelle des Kraftfahrzeugs und/oder Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten mindestens eines Radlagers des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden. Verlustleistungen können z.B. durch Reibung auftreten. Die Verlustleistung einer Elektromaschine ist beispielsweise als Funktion der Drehzahl, des Drehmoments der Temperatur und der Spannung darstellbar. Die Verlustleistung der Batterie ist als Funktion der Batterieleerlaufspannung und des Innenwiderstandes darstellbar, wobei sowohl die Batterieleerlaufspannung als auch der Innenwiderstand eine Funktion der Temperatur und des Ladezustandes sind. Die Verlustleistung eines Getriebes sowie eines Differentialgetriebes ist als Funktion von Drehzahl, Drehmoment, Temperatur und Getriebeübersetzung darstellbar. Mittels dieser Parameter, welche allesamt den Energiebedarf des Kraftfahrzeugs beeinflussen, ist ein längsdynamisches Vorwärtssimulationsmodell bereitstellbar, welches das Kraftfahrzeug besonders genau abbildet und somit eine präzise Berechnung der Reichweite ermöglicht.
Weiter bevorzugt werden beim Berechnen des Energiebedarfs mittels des längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells ein Luftwiderstandswert des Kraftfahrzeugs und/oder Rollwiderstandskoeffizienten von Reifen des Kraftfahrzeugs und/oder eine Fahrbahnsteigung berücksichtigt. Der Luftwiderstandswert ist über das Produkt aus dem cw-Wert und einer Fahrzeugstirnfläche des Kraftfahrzeugs berechenbar. Rollwiderstandskoeffizienten können in Abhängigkeit des Reifendrucks und vorzugsweise eines Reifentyps, eines Reifenverschleißzustands und/oder einer Reifentemperatur bestimmt werden. Eine positive Fahrbahnsteigung bewirkt einen erhöhten Energiebedarf, wobei eine negative Fahrbahnsteigung einen verminderten Energiebedarf bewirkt und sogar ggf. eine Energierückgewinnung durch Rekuperation ermöglicht. Die Berücksichtigung dieser Faktoren ermöglicht eine genauere Bestimmung der Reichweite.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beim Berechnen des Energiebedarfs mittels des längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells ein Fahrzeuggewicht des Kraftfahrzeugs berücksichtigt. Das Fahrzeuggewicht und die Reichweite stehen in einem reziproken Verhältnis zueinander. Bei ansonsten konstanten Parametern weist ein Kraftfahrzeug mit einem höheren Fahrzeuggewicht eine geringere Reichweite auf als ein Kraftfahrzeug mit einem geringeren Fahrzeuggewicht. Das Fahrzeuggewicht wird beispielsweise durch die Insassen sowie Zuladung und einen Tankfüllstand eines Kraftstofftanks beeinflusst. Diese Parameter können beispielsweise mittels geeigneter Sensoren erfasst bzw. gemessen werden. Durch die Berücksichtigung des Fahrzeuggewichts ist eine genauere Bestimmung der Reichweite des Kraftfahrzeugs möglich.
Weiter bevorzugt wird das Fahrzeuggewicht auf Basis von Sensordaten eines Raddrehzahlsensors und/oder eines Beschleunigungssensors sowie mittels eines Unscented-Kalman-Filters ermittelt. Derartige Sensoren sind bei modernen Kraftfahrzeugen oftmals bereits vorhanden, sodass eine aufwändige Nachrüstung von Sensoren zur Gewichtsermittlung nicht erforderlich ist. Somit ist das Fahrzeuggewicht auf eine kostengünstige sowie zuverlässige Art und Weise bestimmbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass beim Berechnen des Energiebedarfs mittels des längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten einer zweiten Elektromaschine des Kraftfahrzeugs und/oder einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs und/oder eines zweiten Getriebes des Kraftfahrzeugs zum Koppeln der zweiten Elektromaschine mit der Verbrennungskraftmaschine und/oder eines dritten Getriebes des Kraftfahrzeugs zum Koppeln der Verbrennungskraftmaschine mit einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs und/oder einer Trennkupplung des Kraftfahrzeugs zum Koppeln der Verbrennungskraftmaschine mit dem dritten Getriebe berücksichtigt werden, wobei ein Füllzustand eines Kraftstofftanks des Kraftfahrzeugs erfasst und die Reichweite zusätzlich in Abhängigkeit des erfassten Füllzustands ermittelt wird. In diesem Fall ist das Kraftfahrzeug als Hybridfahrzeug ausgebildet. Die zweite Elektromaschine ist vorzugsweise als Generator zur Stromerzeugung über die Verbrennungskraftmaschine betreibbar. Das dritte Getriebe ist vorzugsweise mit einem Differentialgetriebe des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Diese Parameter haben bei einem Hybridfahrzeug allesamt einen Einfluss auf die Reichweite. Demnach hat eine Berücksichtigung dieser Parameter den Vorteil, dass die Bestimmung der Reichweite des Hybridfahrzeugs hierdurch verbessert ist.
Vorzugsweise wird das SOLL-Geschwindigkeitsprofil auf Basis eines normierten Nutzungszyklus des Kraftfahrzeugs und/oder einer Prädiktion der Nutzung auf Basis fahrerspezifischer Daten und/oder Streckendaten eines Navigationssystems des Kraftfahrzeugs bestimmt. Ein normierter Nutzungszyklus beschreibt beispielsweise eine gemittelte bzw. durchschnittliche Nutzung aus zuvor ermittelten Geschwindigkeitsprofilen einer Mehrzahl von Kraftfahrzeugen. Für die Prädiktion kann beispielsweise zunächst ein Fahrer ermittelt werden, z.B. durch einen codierten Fahrzeugschlüssel, Analyse des Fahrverhaltens des Fahrers, ermitteltes Gewicht des Fahrers oder dergleichen. Anschließend kann die Prädiktion, z.B. auf Basis einer Streckenhistorie des Fahrers, erfolgen. Hierbei werden vorzugsweise Topografien der Strecken berücksichtigt. Auf Basis der Streckendaten des Navigationssystems ist eine besonders genaue Bestimmung des SOLL-Geschwindigkeitsprofils möglich. Vorzugsweise werden bei der Bestimmung des SOLL-Geschwindigkeitsprofils auch Streckenarten, wie z.B. Stadt, Landstraße, Autobahn, und/oder aktuelle Verkehrsdaten und/oder prognostizierte Verkehrsdaten und/oder gewählte Betriebsmodi, wie z.B. Economy oder Sport, des Kraftfahrzeugs berücksichtigt. Mittels dieser Parameter ist ein besonders realitätsnahes SOLL-Geschwindigkeitsprofil bestimmbar und somit die Genauigkeit der Ermittlung der Reichweite verbessert.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass wiederholt Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs gemessen werden und das SOLL-Geschwindigkeitsprofil an die gemessenen Geschwindigkeiten adaptiert wird. Somit wird vorzugsweise eine aktuelle Fahrweise des Fahrers, insbesondere basierend auf Geschwindigkeit und Beschleunigung des Kraftfahrzeugs, ermittelt. Dieses Messen kann permanent oder intermittierend, vorzugsweise in regelmäßigen oder im Wesentlichen regelmäßigen Abständen, erfolgen. Auf diese Weise ist eine besonders realitätsnahe Bestimmung des SOLL-Geschwindigkeitsprofils möglich und somit die Genauigkeit der Ermittlung der Reichweite weiter verbessert.
Vorzugsweise werden eine SOLL-Nutzung mindestens eines Nebenaggregats sowie ein Zusatzenergiebedarf für die SOLL-Nutzung des mindestens einen Nebenaggregats bestimmt, wobei die Reichweite auch in Abhängigkeit des Zusatzenergiebedarfs bestimmt wird. Ein solches Nebenaggregat kann beispielsweise als Komponente einer Klimaanlage, als Kühlgebläse zum Kühlen der Batterie oder als Heizung zum Wärmen der Batterie ausgebildet sein. Somit kann der Fahrer auf den Zusatzenergiebedarf hingewiesen werden, sodass dieser daraufhin den Zusatzenergiebedarf, z.B. durch Deaktivieren von Nebenaggregaten, aktiv reduzieren kann. Durch die Bestimmung des Zusatzenergiebedarfs kann die Genauigkeit der Ermittlung der Reichweite des Kraftfahrzeugs verbessert werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebsstrang und einer Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Antriebsstrangs gelöst. Der Antriebsstrang weist mindestens eine erste Elektromaschine, mindestens eine Batterie zum Speichern sowie Bereitstellen elektrischer Energie, mindestens eine Leistungselektronik zum Aufnehmen, Wandeln und Abgeben elektrischer Energie und mindestens ein erstes Getriebe zum Wandeln einer Drehzahl der ersten Elektromaschine auf. Erfindungsgemäß umfasst die Steuerungsvorrichtung eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, wobei in der Speichereinheit ein Programm abgelegt ist, welches bei zumindest teilweiser Ausführung in der Recheneinheit ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt.
Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug ausgebildet. Die erste Elektromaschine ist zum Vorantreiben des Kraftfahrzeugs, insbesondere mit einem Rad bzw. einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs, mechanisch gekoppelt. Vorzugsweise ist die erste Elektromaschine als Generator zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie betreibbar. Zur Energieversorgung der ersten Elektromaschine mit elektrischer Energie weist das Kraftfahrzeug eine Batterie auf, welche insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet ist. Vorzugsweise weist das Kraftfahrzeug eine zweite Elektromaschine auf, welche als Generator sowie zum Vorantreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Die zweite Elektromaschine ist vorzugsweise über ein zweites Getriebe, insbesondere ein einstufiges zweites Getriebe, mit einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Das Kraftfahrzeug weist vorzugsweise ein drittes Getriebe zum Koppeln der Verbrennungskraftmaschine mit einem Rad bzw. einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs auf. Ebenfalls bevorzugt weist das Kraftfahrzeug ein Differentialgetriebe auf. Die Leistungselektronik des Kraftfahrzeugs ist ausgebildet, elektrische Energie aus der Batterie zu wandeln und an die erste Elektromaschine bzw. ggf. die zweite Elektromaschine weiterzuleiten. Vorzugsweise ist die Leistungselektronik ausgebildet, von der ersten Elektromaschine bzw. der zweiten Elektromaschine generierte elektrische Energie, wie z.B. durch Rekuperation, an die Batterie weiterzuleiten. Das erste Getriebe weist vorzugsweise genau eine Getriebestufe auf und ist zum Wandeln der Drehzahl der ersten Elektromaschine ausgebildet.
Bei dem beschriebenen Kraftfahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine besonders genaue Ermittlung der Reichweite möglich ist, sodass der Fahrer des Kraftfahrzeugs beispielsweise eine verbesserte bzw. realitätsnahe Nachladestrategie der Batterie wählen kann. Durch eine Bestimmung der für die Reichweite relevanten Einflussfaktoren ist es besser möglich, eine Betriebsstrategie des Kraftfahrzeugs zur Optimierung der Reichweite gezielt anzupassen, insbesondere durch ein gezieltes Eingreifen des Fahrers, beispielsweise durch Aktivieren eines Eco-Betriebsmodus, Auswählen einer alternativen Route, Anpassen der Fahrgeschwindigkeit oder dergleichen. Ferner ermöglicht ein längsdynamisches Vorwärtssimulationsmodell eine besonders präzise Ermittlung der Reichweite.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 in einem Schaubild ein bevorzugtes erstes längsdynamisches Vorwärtssimulationsmodell eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
3 in einem Schaubild ein bevorzugtes zweites längsdynamisches Vorwärtssimulationsmodell eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, und
4 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Ablaufdiagramm dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt 100 wird ein längsdynamisches Vorwärtssimulationsmodell des Kraftfahrzeugs 1 (vgl. 4) bereitgestellt. Das Bereitstellen erfolgt beispielsweise in einer Speichereinheit einer Steuerungsvorrichtung 15 (vgl. 4) des Kraftfahrzeugs 1. Unter einem längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodell wird ein Modell verstanden, welches im Rahmen einer Vorwärtssimulation, also ausgehend von der Batterie 4 (vgl. 4) zu den Rädern, berechnet wird. Das längsdynamische Vorwärtssimulationsmodell bildet das Kraftfahrzeug 1 mit seinem Antriebsstrang 2 (vgl. 4) ab, wobei diejenigen Komponenten berücksichtigt werden, welche einen Einfluss auf den Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs 1 haben und zumindest teilweise einer Fortbewegung des Kraftfahrzeugs 1 entgegenwirken oder unterstützen. Hierzu zählen demnach sämtliche Komponenten, an welchen im Betrieb eine Verlustleitung, z.B. aufgrund von Reibung, Wärme oder dergleichen, anfällt und/oder die ein Massenträgheitsmoment aufweisen, welches einem Vortrieb des Kraftfahrzeugs 1 entgegenwirkt. Diese Komponenten können beispielsweise eine erste Elektromaschine 3 (vgl. 4), ein erstes Getriebe 6 (vgl. 4), eine Batterie 4, ein Differentialgetriebe 7 (vgl. 4) oder eine Leistungselektronik 5 (vgl. 4) des Kraftfahrzeugs 1 sein.
In einem zweiten Verfahrensschritt 200 wird ein SOLL-Geschwindigkeitsprofil des Kraftfahrzeugs 1 bestimmt. Das SOLL-Geschwindigkeitsprofil ist eine Abschätzung bzw. Prädiktion eines zukünftig zu erwartenden Geschwindigkeitsprofils des Kraftfahrzeugs 1. Es kann aus allgemeinen statistischen Geschwindigkeitswerten, gewählten Betriebsmodi, wie z.B. Economy oder Sport, fahrzeugspezifischen Geschwindigkeitswerten, fahrerspezifischen Geschwindigkeitswerten, und/oder dergleichen bestimmt werden.
In einem dritten Verfahrensschritt 300 wird mittels des bereitgestellten längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells auf Basis des bestimmten SOLL-Geschwindigkeitsprofils der Energiebedarf des Kraftfahrzeugs 1 berechnet. Der Energiebedarf spiegelt somit eine Energiemenge wider, welche erforderlich ist, um mit dem Kraftfahrzeug 1, für welches das längsdynamische Vorwärtssimulationsmodell bereitgestellt ist, das SOLL-Geschwindigkeitsprofil zu fahren.
In einem vierten Verfahrensschritt 400 wird ein Speicherzustand der Batterie 4 des Kraftfahrzeugs 1 erfasst. Das Erfassen kann mit herkömmlichen Mitteln erfolgen, wie z.B. einer Spannungs- und Temperaturmessung und einem Abgleich mit einem Kennlinienfeld der Batterie 4, wobei das Kennlinienfeld vorzugsweise einem Alterungszustand der Batterie 4 angepasst wird. Alternativ oder zusätzlich kann über die Leistungselektronik 5 ein sogenannter „State of Charge“ (SOC) der Batterie 4 durch Protokollierung der Batterieströme und Ladezyklen erfasst werden.
In einem fünften Verfahrensschritt 500 wird die Reichweite des Kraftfahrzeugs 1 bestimmt. Die Reichweite ist die Strecke, welche das Kraftfahrzeug 1 mit dem SOLL-Geschwindigkeitsprofil und der vorhandenen Energiemenge der Batterie 4 zurücklegen könnte. Das Bestimmen der Reichweite erfolgt durch Vergleichen des Speicherzustands der Batterie 4 und ggf. dem Füllstand des Kraftstofftanks mit dem berechneten Energiebedarf.
2 zeigt ein bevorzugtes erstes längsdynamisches Vorwärtssimulationsmodell eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 schematisch in einem Schaubild. Eine Batterie 4 eines Antriebsstrangs 2 ist über eine Leistungselektronik 5 des Antriebsstrangs 2 mit einer ersten Elektromaschine 3 des Antriebsstrangs 2 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 elektrisch gekoppelt. Die erste Elektromaschine 3 ist über ein erstes Getriebe 6 des Antriebsstrangs 2 sowie ein Differentialgetriebe 7 des Antriebsstrangs 2 und einen Restantriebsstrang 16 des Antriebsstrangs 2 des Kraftfahrzeugs 1 mechanisch gekoppelt. Dem Restantriebsstrang 16 werden beispielsweise Achswellen, Radlager oder dergleichen zugerechnet. Überdies weist das längsdynamische Vorwärtssimulationsmodell Fahrzeugparameter 17, wie z.B. Gewicht, Luftwiderstand, Reifenrollwiderstand, sowie eine Bremse 18 auf.
3 zeigt ein bevorzugtes zweites längsdynamisches Vorwärtssimulationsmodell eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 schematisch in einem Schaubild. Das zweite längsdynamische Vorwärtssimulationsmodell unterscheidet sich vom ersten längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodell in dem Aspekt, dass dieses zusätzlich eine Verbrennungskraftmaschine 10, welche über eine Trennkupplung 13 und ein drittes Getriebe 12 mit dem Differentialgetriebe 7 mechanisch gekoppelt ist, sowie eine zweite Elektromaschine 9 aufweist, welche über ein zweites Getriebe 11 mit der Verbrennungskraftmaschine 10 mechanisch gekoppelt ist. Die zweite Elektromaschine 9 ist mit der Leistungselektronik 5 elektrisch gekoppelt. Die Leistungselektronik 5 kann hier sowohl als einfache als auch als doppelte Leistungselektronik 5 ausgeführt sein.
In 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Nicht von außen sichtbare Komponenten des Kraftfahrzeugs sind durch gestrichelte Linien angedeutet. Das Kraftfahrzeug 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Hybridfahrzeug ausgebildet und weist einen Antriebsstrang 2 mit einer ersten Elektromaschine 3 auf, welche über ein erstes Getriebe 6 und ein Differentialgetriebe 7 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 mit einer Vorderachse des Kraftfahrzeugs 1 mechanisch gekoppelt ist. Alternativ kann die erste Elektromaschine 3 auch mit einer Hinterachse oder beiden Achsen des Kraftfahrzeugs mechanisch gekoppelt sein. Der Antriebsstrang 2 des Kraftfahrzeugs 1 weist zudem eine Verbrennungskraftmaschine 10 sowie eine zweite Elektromaschine 9 auf, wobei die zweite Elektromaschine 9 über ein zweites Getriebe 11 mit der Verbrennungskraftmaschine 10 mechanisch gekoppelt ist. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist über eine Trennkupplung 13 und ein drittes Getriebe 12 des Antriebsstrangs 2 mit dem Differentialgetriebe 7 mechanisch gekoppelt. Ferner weist der Antriebsstrang 2 eine Leistungselektronik 5 auf, welche mit einer Batterie 4 und der ersten Elektromaschine 3 sowie der zweiten Elektromaschine 9 elektrisch gekoppelt ist. Eine Steuerungsvorrichtung 15 des Kraftfahrzeugs 1 ist zum Steuern des Antriebsstrangs 2 ausgebildet. Zum Speichern von Kraftstoff weist das Kraftfahrzeug 1 einen Kraftstofftank 14 auf. Zur Kraftübertragung auf die Fahrbahn weist das Kraftfahrzeug 1 vier Räder mit Reifen 8 auf.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Antriebsstrang
3: erste Elektromaschine
4: Batterie
5: Leistungselektronik
6: erstes Getriebe
7: Differentialgetriebe
8: Reifen
9: zweite Elektromaschine
10: Verbrennungskraftmaschine
11: zweites Getriebe
12: drittes Getriebe
13: Trennkupplung
14: Kraftstofftank
15: Steuerungsvorrichtung
16: Restantriebsstrang
17: Fahrzeugparameter
18: Bremse
100: erster Verfahrensschritt
200: zweiter Verfahrensschritt
300: dritter Verfahrensschritt
400: vierter Verfahrensschritt
500: fünfter Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/048766 A1 [0003]
DE 102010062860 A1 [0003]
DE 102012019056 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Reichweite eines Kraftfahrzeugs (1) mit einem Antriebsstrang (2), wobei der Antriebsstrang (2) mindestens eine erste Elektromaschine (3), mindestens eine Batterie (4) zum Speichern sowie Bereitstellen elektrischer Energie, mindestens eine Leistungselektronik (5) zum Aufnehmen, Wandeln und Abgeben elektrischer Energie und mindestens ein erstes Getriebe (6) zum Wandeln einer Drehzahl der ersten Elektromaschine (3) aufweist, aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells des Kraftfahrzeugs (1), - Bestimmen eines SOLL-Geschwindigkeitsprofils des Kraftfahrzeugs (1), - Berechnen eines Energiebedarfs des Kraftfahrzeugs (1) mittels des bereitgestellten längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells anhand des bestimmten SOLL-Geschwindigkeitsprofils, - Erfassen eines Speicherzustands der Batterie (4) des Kraftfahrzeugs (1) zum Betreiben der mindestens einen Elektromaschine (3), und - Ermitteln einer Reichweite des Kraftfahrzeugs (1) auf Basis des berechneten Energiebedarfs und des erfassten Speicherzustands.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Berechnen des Energiebedarfs mittels des längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten der mindestens einen ersten Elektromaschine (3) und/oder Verlustleistungen der mindestens einen Batterie (4) und/oder Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten des mindestens einen ersten Getriebes (6) und/oder Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten eines Differentialgetriebes (7) des Kraftfahrzeugs (1) und/oder Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten mindestens einer Achswelle des Kraftfahrzeugs (1) und/oder Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten mindestens eines Radlagers des Kraftfahrzeugs (1) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Berechnen des Energiebedarfs mittels des längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells ein Luftwiderstandswert des Kraftfahrzeugs (1) und/oder Rollwiderstandskoeffizienten von Reifen (8) des Kraftfahrzeugs (1) und/oder eine Fahrbahnsteigung berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Berechnen des Energiebedarfs mittels des längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells ein Fahrzeuggewicht des Kraftfahrzeugs (1) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeuggewicht auf Basis von Sensordaten eines Raddrehzahlsensors und/oder eines Beschleunigungssensors sowie mittels eines Unscented-Kalman-Filters ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Berechnen des Energiebedarfs mittels des längsdynamischen Vorwärtssimulationsmodells Verlustleistungen und/oder Massenträgheiten einer zweiten Elektromaschine (9) des Kraftfahrzeugs (1) und/oder einer Verbrennungskraftmaschine (10) des Kraftfahrzeugs (1) und/oder eines zweiten Getriebes (11) des Kraftfahrzeugs (1) zum Koppeln der zweiten Elektromaschine (9) mit der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder eines dritten Getriebes (12) des Kraftfahrzeugs (1) zum Koppeln der Verbrennungskraftmaschine (10) mit einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs (1) und/oder einer Trennkupplung (13) des Kraftfahrzeugs (1) zum Koppeln der Verbrennungskraftmaschine (10) mit dem dritten Getriebe (12) berücksichtigt werden, wobei ein Füllzustand eines Kraftstofftanks (14) des Kraftfahrzeugs (1) erfasst und die Reichweite zusätzlich in Abhängigkeit des erfassten Füllzustands ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das SOLL-Geschwindigkeitsprofil auf Basis eines normierten Nutzungszyklus des Kraftfahrzeugs (1) und/oder einer Prädiktion der Nutzung auf Basis fahrerspezifischer Daten und/oder Streckendaten eines Navigationssystems des Kraftfahrzeugs (1) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wiederholt Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs (1) gemessen werden und das SOLL-Geschwindigkeitsprofil an die gemessenen Geschwindigkeiten adaptiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine SOLL-Nutzung mindestens eines Nebenaggregats sowie ein Zusatzenergiebedarf für die SOLL-Nutzung des mindestens einen Nebenaggregats bestimmt werden, wobei die Reichweite auch in Abhängigkeit des Zusatzenergiebedarfs bestimmt wird.
Kraftfahrzeug (1), aufweisend einen Antriebsstrang (2) und eine Steuerungsvorrichtung (15) zum Steuern des Antriebsstrangs (2), wobei der Antriebsstrang (2) mindestens eine erste Elektromaschine (3), mindestens eine Batterie (4) zum Speichern sowie Bereitstellen elektrischer Energie, mindestens eine Leistungselektronik (5) zum Aufnehmen, Wandeln und Abgeben elektrischer Energie und mindestens ein erstes Getriebe (6) zum Wandeln einer Drehzahl der ersten Elektromaschine (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (15) eine Recheneinheit und eine Speichereinheit umfasst und in der Speichereinheit ein Programm abgelegt ist, welches bei zumindest teilweiser Ausführung in der Recheneinheit ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführt.