DE102017206320A1 - Verfahren zum Ermitteln einer Geschwindigkeit von Wind - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Werts einer Geschwindigkeit von Wind mit einem Fahrzeug (2), wobei das Fahrzeug (2) während einer Fahrt mit einer Geschwindigkeit in einer Fahrtrichtung fährt, wobei ein Wert einer anliegenden Ist-Leistung mindestens einer Maschine (4), die zum Antreiben des Fahrzeugs (2) ausgebildet ist, gemessen wird, wobei angenommen wird, dass diese gemessene Ist-Leistung durch einen Wert einer Geschwindigkeit von Luft, relativ zu der sich das Fahrzeug bewegt, abhängig ist, wobei ein Wert einer rechnerischen Soll-Leistung, die die mindestens eine Maschine (4) bei der konstanten Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) leisten soll, berechnet und somit ermittelt wird, wobei aus einer Differenz des Werts der rechnerischen Soll-Leistung und des Werts der gemessenen Ist-Leistung eine Leistung des Winds, der auf das Fahrzeug (2) wirkt, berechnet und somit ermittelt wird, wobei aus dieser Leistung des Winds die Geschwindigkeit des Winds berechnet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Geschwindigkeit von Wind mit einem Fahrzeug.
• Eine Geschwindigkeit von Wind wird üblicherweise mit einem Anemometer als Windmesser ermittelt. Falls die Geschwindigkeit von Wind ermittelt werden soll, dem ein fahrendes Fahrzeug ausgesetzt ist, bestünde die Möglichkeit, an diesem ebenfalls ein derartiges Anemometer anzuordnen. Allerdings kann dadurch mindestens eine Eigenschaft des Fahrzeugs, beispielsweise dessen Strömungswiderstandskoeffizient c_W, negativ beeinflusst werden.
• Ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Fahrtwinds und einer Windgeschwindigkeit ist aus der Druckschrift DE 10 2012 220 406 A1 bekannt.
• Die Druckschrift DE 10 2010 039 569 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ermitteln einer Energieaufwandsinformation für eine Fahrt eines Landfahrzeugs.
• Weiterhin ist aus den Druckschriften EP 2 591 967 B1 und EP 2 591 968 B1 jeweils ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs bekannt.
• Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, eine Geschwindigkeit von Wind zu messen, die auf ein fahrendes Fahrzeug wirkt, ohne hierbei ein Anemometer zu benötigen.
• Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Ausführungsformen des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Ermitteln eines Werts einer Geschwindigkeit von Wind mit einem Fahrzeug vorgesehen. Dabei wird ein Wert einer anliegenden Ist-Leistung mindestens einer Maschine, die zum Antreiben des Fahrzeugs ausgebildet ist, gemessen und somit ermittelt. Dabei wird angenommen, dass diese gemessene Ist-Leistung durch den Wert einer Geschwindigkeit von Luft, relativ zu der sich das Fahrzeug bewegt, abhängig ist. Außerdem wird ein Wert einer rechnerischen Soll-Leistung, die die mindestens eine Maschine bei der konstanten Geschwindigkeit des Fahrzeugs leisten soll, berechnet und somit ermittelt. Aus einer Differenz des Werts der rechnerischen Soll-Leistung und des Werts der gemessenen Ist-Leistung wird eine Leistung des Winds, der auf das Fahrzeug wirkt, berechnet und somit ermittelt. Aus dieser Differenz der Leistung, d. h. aus der Differenz zwischen der Ist-Leistung und der Soll-Leistung, die der Leistung entspricht, die der Wind am Fahrzeug verrichtet, und/oder die auf das Fahrzeug aufgrund des Winds wirkt, wird die Geschwindigkeit des Winds berechnet, bspw. abgeleitet und somit ermittelt.
• In Ausgestaltung wird das Verfahren durchgeführt, wenn das Fahrzeug während einer Fahrt mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer Fahrtrichtung fährt.
• Insgesamt ist zum Antreiben bzw. Fortbewegen des Fahrzeugs eine Leistung erforderlich, die von einer Umströmungsgeschwindigkeit der Luft um das Fahrzeug bzw. von der Geschwindigkeit, mit der die Luft das Fahrzeug umströmt, abhängig ist. Im Fall der Ist-Leistung entspricht die Umströmungsgeschwindigkeit der Luft einer Summe aus der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Geschwindigkeit des Winds. Dagegen entspricht die Umströmungsgeschwindigkeit der Luft im Fall der Soll-Leistung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
• Hierbei wird ein Wert mindestens eines Widerstands bzw. mindestens einer Kraft, der bzw. die auf das Fahrzeug während der Fahrt wirkt, zum Berechnen des Werts der rechnerischen Soll-Leistung der mindestens einen Maschine sowie ggf. beim Messen der Ist-Leistung der mindestens einen Maschine berücksichtigt.
• Dabei ist es möglich, dass der Wert des mindestens einen Widerstands bzw. der mindestens einen Kraft unter Berücksichtigung eines Werts mindestens einer Größe und/oder mindestens eines Betriebsparameters, die und/oder der die Fahrt des Fahrzeugs beeinflusst bzw. beeinflussen, berechnet und somit ermittelt wird. Die mindestens eine Größe bzw. der mindestens eine Betriebsparameter ergibt sich aufgrund einer Umgebung, in der sich das Fahrzeug bewegt und/oder aufgrund eines Betriebszustands des Fahrzeugs.
• In der Regel wird die mindestens eine Größe mit mindestens einem Sensor des Fahrzeugs erfasst und somit ermittelt.
• Als der mindestens eine Widerstand wird ein Steigungswiderstand eines von dem Fahrzeug befahrenen Untergrunds bzw. eine Kraft aufgrund einer Steigung bzw. Neigung des befahrenen Untergrunds berücksichtigt, der bzw. die auf das Fahrzeug, üblicherweise aufgrund einer Änderung einer Höhe des Fahrzeugs im Schwerefeld der Erde, wirkt. Die Steigung wird aufgrund eines Winkels α des Untergrunds, in der Regel einer Fahrbahn und/oder Straße, relativ zu einer Horizontalen im Schwerefeld der Erde ermittelt. Falls sich das Fahrzeug auf der Horizontalen bewegen sollte, sind der Winkel α und der Steigungswiderstand null.
• Als mindestens ein weiterer Widerstand wird ein Rollwiderstand des von dem Fahrzeug befahrenen Untergrunds bzw. eine Kraft aufgrund eines Rollens von Rädern des Fahrzeugs auf dem befahrenen Untergrunds bzw. aufgrund einer Reibung zwischen den Rädern und dem Untergrund berücksichtigt.
• Außerdem ist in Ausgestaltung vorgesehen, dass als der mindestens eine Widerstand ein Luftwiderstand des Fahrzeugs bzw. die Kraft von Luft, die auf das Fahrzeug während der Fahrt wirkt, berücksichtigt wird. Mit dem Luftwiderstand wird die Geschwindigkeit der Luft bzw. die Umströmungsgeschwindigkeit der Luft berücksichtigt, die sich durch die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und/oder die Geschwindigkeit des Winds ergibt. Der Luftwiderstand wird zum Ermitteln der Ist-Leistung und der Soll-Leistung berücksichtigt. Zum Bestimmen der Ist-Leistung entspricht die Geschwindigkeit bzw. Umströmungsgeschwindigkeit der Luft einer Summe der Geschwindigkeiten des Fahrzeugs und des Winds. Dagegen entspricht die Geschwindigkeit bzw. Umströmungsgeschwindigkeit der Luft zum Bestimmen der Soll-Leistung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Beim Betrachten der genannten Geschwindigkeiten sind durch Vektoraddition neben Beträgen der Geschwindigkeiten auch deren Richtungen zu berücksichtigen.
• Weiterhin wäre als möglicher Widerstand ein Beschleunigungswiderstand bzw. Bremswiderstand als je nach Definition inverser Beschleunigungswiderstand zu berücksichtigen. Falls die Geschwindigkeit des Fahrzeugs konstant ist, ist der Beschleunigungswiderstand vernachlässigbar und in der Regel bzw. theoretisch null.
• Ferner ist es möglich, dass ein Zusammenhang, bspw. mindestens ein Kennfeld und/oder mindestens eine Kennlinie, zwischen Werten der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und Werten für die Soll-Leistung der mindestens einen Maschine berücksichtigt wird. Über diesen Zusammenhang bzw. eine entsprechende Korrelation und/oder Abhängigkeit zwischen der Soll-Leistung und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs wird jeweils einem Wert der Geschwindigkeit ein bestimmter Referenzwert für die Soll-Leistung zugeordnet und zugeführt. Falls der Wert der anliegenden bzw. gemessenen Ist-Leistung bei dem bestimmten Wert der Geschwindigkeit dem zugeordneten Referenzwert für die Soll-Leistung entspricht, herrscht Windstille, da die Geschwindigkeit der Luft und somit des Winds relativ zu einem ortsfesten Punkt in einer Umgebung, in der das Fahrzeug fährt, null ist. Falls der Wert der anliegenden bzw. gemessenen Ist-Leistung für den bestimmten Wert der Geschwindigkeit des Fahrzeugs größer als der zugeordnete Referenzwert für die Soll-Leistung ist, sind die Geschwindigkeit der Luft, die der Geschwindigkeit des Winds entspricht, und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs in entgegengesetzte Richtungen orientiert, weshalb Gegenwind herrscht. Falls der Wert der anliegenden bzw. gemessenen Ist-Leistung für den bestimmten Wert der Geschwindigkeit des Fahrzeugs kleiner als der zugeordnete Referenzwert für die Soll-Leistung ist, sind die Geschwindigkeit der Luft und somit des Winds relativ zu dem ortsfesten Punkt und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs in dieselbe Richtung orientiert, weshalb Rückenwind herrscht.
• Weiterhin ist es möglich, dass von einer Vielzahl an Fahrzeugen bzw. einem Schwarm von Fahrzeugen Werte der Geschwindigkeit des Winds ermittelt werden, wobei ein jeweiliger Wert der Geschwindigkeit des Winds, der auf jeweils ein Fahrzeug an dem ortsfesten Punkt wirkt, und Koordinaten zu diesem ortsfesten Punkt von einer zentralen Einrichtung, bspw. einem sogenannten Backend, empfangen werden. Von der zentralen, gemeinsamen Einrichtung werden gebietsbezogene Werte für die Geschwindigkeit des Winds in einem Gebiet ermittelt, in dem sich die Fahrzeuge befinden. Aus einer Vielzahl an Werten der Geschwindigkeit des Winds, die von unterschiedlichen Fahrzeugen an unterschiedlichen Orten ermittelt werden, wird bspw. für ein Gebiet, das diese Orte umfasst, ein gemittelter Wert für die Geschwindigkeit des Winds ermittelt, der in Ausgestaltung für eine Wettervorhersage nutzbar ist.
• In Ausgestaltung des Verfahrens wird aus einer Differenz der gerade benötigten Ist-Leistung der mindestens einen Maschine im Fahrzeug und der rechnerischen Soll-Leistung der mindestens einen Maschine ein Wert für die Leistung ermittelt, aus dem direkt und/oder der unter Berücksichtigung einer rechnerischen Methode die Geschwindigkeit des Winds nur in Fahrtrichtung des Fahrzeugs ermittelbar ist. Hierbei ist die Ist-Leistung von den Geschwindigkeiten des Winds und des Fahrzeugs, deren Summe der Geschwindigkeit der Luft entspricht, abhängig. Die Soll-Leistung ist dagegen nur von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs als Geschwindigkeit der Luft abhängig und ist somit vom Wind unabhängig.
• Dazu wird die rechnerische Soll-Leistung der mindestens einen Maschine u. a. unter Berücksichtigung von Werten mindestens eines Betriebsparameters des Fahrzeugs ermittelt. Dieser mindestens eine Betriebsparameter wird durch ein Ortungs- bzw. Positionierungssystem, bspw. durch GPS, durch eine Achsdrehzahl, durch eine Sicherheits- und Fahrwerkssensorik, bspw. im Fall einer Steigung oder Beschleunigung, sowie durch eine ACC-Sensorik für einen Abstandsregeltempomat (adaptive cruise control) in Bezug auf vorausfahrende Fahrzeuge sensorisch ermittelt, in der Regel ggf. berechnet. Somit werden mehrere Werte von Betriebsparametern durch Messeinrichtungen, u. a. durch Sensoren, des Fahrzeugs ermittelt, die bezogen auf weitere gemessene oder vorgegebene Werte für Betriebsparameter geprüft sowie genutzt werden, wodurch mit der rechnerischen Methode die Geschwindigkeit des Winds ermittelt wird. Hierzu werden die zu berücksichtigenden Betriebsparameter zueinander in Relation gesetzt. Die Betriebsparameter sind u. a. zumindest die Widerstände bzw. Kräfte, die auf das Fahrzeug während der Fahrt wirken, sowie daraus resultierende Werte für die Soll-Leistung und die Ist-Leistung.
• Mit dem Verfahren ist es möglich, mindestens ein Fahrzeug als mobile Wetterstation zu nutzen und daraus über Daten, die von dem Schwarm von Fahrzeugen gesammelt werden, Wettervorhersagen zu treffen. Hierzu ist keine zusätzliche Sensorik zur Erfassung der Stärke und Richtung des Winds erforderlich und demnach an dem Fahrzeug kein Anemometer anzubringen.
• Hierbei wird berücksichtigt, dass das Fahrzeug bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit einen bestimmten Anteil der Ist-Leistung der mindestens einen Maschine dafür abgibt, um den gesamten Fahrwiderstand, der zumindest einen Luft-, Reibungs-, und Steigungswiderstand umfasst, zu überwinden.
• Die Leistung, d. h. die Ist-Leistung, der mindestens einen Maschine umfasst einen Anteil und somit eine Zusatzleistung, der bzw. die benötigt wird, um dem Wind in der Umgebung des Fahrzeugs entgegenzuwirken. Falls der Wind ein Gegenwind ist, ist die Zusatzleistung größer als null. Ist der Wind ein Rückenwind, ist die Zusatzleistung kleiner null.
• Außerdem wird rechnerisch bestimmt, welche Soll-Leistung als Leistung der mindestens einen Maschine theoretisch nötig ist, um für das Fahrzeug bei Windstille eine jeweils aktuelle Fahrsituation, die sich u. a. aus der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der aktuellen Steigung des Untergrunds ergibt, zu erreichen.
• Hierbei ist vorgesehen, dass die Differenz zwischen der anliegenden bzw. aktuell erzeugten Leistung, hier der Ist-Leistung, der mindestens einen Maschine, bei der es sich um eine Verbrennungskraftmaschine, mindestens eine Elektromaschine oder eine Kombination hiervon handelt, und der rechnerischen Leistung, hier der Soll-Leistung, der mindestens einen Maschine jene Leistung und somit Zusatzleistung ist, die allein durch den Wind in der Umgebung des Fahrzeugs verursacht wird. Aus dieser Leistung wird rechnerisch die Geschwindigkeit des Winds in Fahrtrichtung bestimmt.
• Somit ist es möglich, über die gemessene anliegende bzw. erzeugte Leistung der mindestens einen Maschine die Geschwindigkeit des Winds über die rechnerische Methode ohne weitere Sensorik zu bestimmen.
• Die für eine bestimmte Geschwindigkeit erforderliche Leistung, d. h. die Ist-Leistung, zum Antreiben bzw. Antrieb des Fahrzeugs ist vom gesamten Fahrwiderstand (F_FW) und der Geschwindigkeit v_Fahrzeug des Fahrzeugs abhängig: P_Antrieb = F_FW * V_Fahrzeug.
• Dabei umfasst der gesamte Fahrwiderstand den Luftwiderstand, den Rollwiderstand, den Steigungswiderstand und den Beschleunigungswiderstand (F_FW = F_Luft + F_Roll + F_Steig + F_B). Diese genannten Widerstände resultieren aus den nachfolgend angegebenen Kräften. Im Detail gilt für:
• - den Luftwiderstand: F_Luft = ρ/2 * c_W * A * v_Luft ², wobei p die Dichte der Luft, c_W der Widerstandsbeiwert des Fahrzeugs, A die in einer Umströmungsrichtung der Luft projizierte Stirnfläche des Fahrzeugs und v_Luft die Geschwindigkeit, die das Fahrzeug relativ zu der Luft als Medium aufweist,
• - den Rollwiderstand: F_Roll = m * g * f_Roll * cosα, wobei m die Masse des Fahrzeugs, g die Erdbeschleunigung im Schwerefeld der Erde, f_Roll ein Rollwiderstandskoeffizient aufgrund einer Wechselwirkung der Räder des Fahrzeugs und einem befahrenen Untergrund sowie α ein Winkel ist, um den der befahrene Untergrund relativ zum Schwerefeld bzw. der Horizontalen geneigt ist,
• - den Steigungswiderstand: F_Steig = m * g * sinα,
• - und den Beschleunigungswiderstand: F_B ~ m * a, wobei a die Beschleunigung des Fahrzeugs ist.
• Im Fall einer unbeschleunigten Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit in der Ebene ohne Änderung der Höhe im Schwerefeld gilt: F_Steig= 0, F_B = 0 sowie F_Roll = m * g * f_Roll. Daraus resultiert für die Antriebsleistung: $${\text{P}}_{\text{Antrieb}}=\left(\mathrm{\rho }{\text{/2*c}}_{\text{W}}*{\text{A*v}}_{\text{Luft}}{}^2*+{\text{m*g*f}}_{\text{Roll}}\right)*{\text{v}}_{\text{Fahrzeug}}.$$

  
• Für die Geschwindigkeit v_Luft der Luft, die auch als Umströmungsgeschwindigkeit bezeichnet wird, gilt hierbei: $${\text{v}}_{\text{Luft}}={\text{v}}_{\text{Fahrzeug}}+{\text{v}}_{\text{Wind}}.$$

  
• Bei einer Fahrt ohne äußeren Einfluss des Winds (v_Wind = 0) ist die Geschwindigkeit v_Luft, die für den Luftwiderstand F_Luft eingesetzt wird, gleich der Geschwindigkeit v_Fahrzeug des fahrenden Fahrzeugs. Dabei vergrößert sich die Geschwindigkeit v_Luft bei Gegenwind und verkleinert sich bei Rückenwind.
• Da der Rollwiderstand bei einer zu berücksichtigenden Geschwindigkeit v_Fahrzeug, die bspw. größer als 50 km/h ist, als nahezu konstant angenommen wird, entsteht eine Änderung der für eine bestimmte Geschwindigkeit v_Fahrzeug benötigten Antriebsleistung nur über einen Gegen- oder Rückenwind und ist mit den anderen bekannten Größen berechenbar.
• Falls aus der aktuellen Geschwindigkeit v_Fahrzeug des Fahrzeugs, die über das Ortungssystem oder die Achsendrehzahl ermittelt wird, ein theoretischer Wert für die aktuell benötigte Leistung, d. h. die Soll-Leistung, berechnet wird, und dieser Wert von einem aktuell gemessenen Wert für die Leistung, d. h. die Ist-Leistung, abweicht, wird unter Berücksichtigung einer Differenz dieser beiden Werte die Geschwindigkeit des Winds berechnet.
• Verallgemeinert gilt für den Fahrwiderstand F_FW = Σ_j F_j = F_Luft + Σ_iF_i, wobei Σ_j F_j einer Summe der Werte sämtlicher Widerstände F_j inklusive des Luftwiderstands F_Luft entspricht. Weiterhin entspricht F_i mindestens einem weiteren Widerstand, d. h. bspw. dem Rollwiderstand F_Roll, dem Steigungswiderstand F_Steig und/oder mindestens einem zusätzlichen luftunabhängigen Widerstand F_i, der die Fahrt und Geschwindigkeit v_Fahrzeug des Fahrzeugs sowie die Leistung P_Antrieb der mindestens einen Maschine zum Antreiben des Fahrzeugs beeinflusst. Somit gilt für die Leistung P_Antrieb = (F_Luft + Σ_i F_i) * v_Fahrzeug = (ρ/2 * c_W * A * v_LUft ² + Σ_i F_i) * v_Fahrzeug
• Außerdem wird bei dem Verfahren zwischen der Ist-Leistung P_Antrieb,Ist und der Soll-Leistung P_Antrieb,Soll unterschieden.
• Hierbei wird die Ist-Leistung P_Antrieb,Ist durch die Geschwindigkeit v_Fahrzeug bzw. v_F des Fahrzeugs und die Geschwindigkeit v_Wind bzw. v_W des Winds beeinflusst. Somit gilt für die Geschwindigkeit
• (Umströmungsgeschwindigkeit) v_Luft bzw. V_L der Luft v_Luft = v_Fahrzeug + v_Wind und für die daraus resultierende Ist-Leistung: $$\begin{array}{l}{\text{P}}_{\text{Antrib}\text{,Ist}}=\left(\mathrm{\rho }/2*{\text{c}}_{\text{W}}*\text{A*}{\left({\text{v}}_{\text{Fahrzeug}}+{\text{v}}_{\text{Wind}}\right)}^2+{\mathrm{\Sigma }}_{\text{i}}{\text{F}}_{\text{i}}\right)*{\text{v}}_{\text{Fahrzeug}}=(\mathrm{\rho }/2*{\text{c}}_{\text{W}}*\text{A*}\\ {\left({\text{v}}_{\text{F}}+{\text{v}}_{\text{W}}\right)}^2+{\mathrm{\Sigma }}_{\text{i}}{\text{F}}_{\text{i}})*{\text{v}}_{\text{F}}.\end{array}$$

  
• Dagegen ist die Soll-Leistung P_Antrieb,Soll lediglich von der Geschwindigkeit v_F des Fahrzeugs abhängig, weshalb die Geschwindigkeit (Umströmungsgeschwindigkeit) v_Luft bzw. v_L der Luft zugleich der Geschwindigkeit v_Fahrzeug bzw. v_F des Fahrzeugs entspricht. Für die Soll-Leistung P_Antrieb,Soll gilt demnach: $$\begin{array}{l}{\text{P}}_{\text{Antrib}\text{,Soll}}=\left(\mathrm{\rho }/2*{\text{c}}_{\text{W}}*\text{A*}{\left({\text{v}}_{\text{Fahrzeug}}\right)}^2+{\mathrm{\Sigma }}_{\text{i}}{\text{F}}_{\text{i}}\right)*{\text{v}}_{\text{Fahrzeug}}=(\mathrm{\rho }/2*{\text{c}}_{\text{W}}*{\text{A*v}}^2{}_{\text{F}}\mathrm{+}{\mathrm{\Sigma }}_{\text{i}}\\ {\text{F}}_{\text{i}})*{\text{v}}_{\text{F}}.\end{array}$$

  
• Für die Differenz der Leistung ΔP_Antrieb aus dem Istwert P_Antrieb,Ist der Leistung und dem Sollwert P_Antrieb,Soll der Leistung gilt: $$\begin{array}{l}\Delta {\text{P}}_{\text{Antrieb}}{\text{=P}}_{\text{Antrib}\text{,Ist}}-{\text{P}}_{\text{Antrieb}\text{,Soll}}=\left(\mathrm{\rho }/2*{\text{c}}_{\text{W}}*\text{A*}{\left({\text{v}}_{\text{F}}+{\text{v}}_{\text{W}}\right)}^2+{\mathrm{\Sigma }}_{\text{i}}{\text{F}}_{\text{i}}\right)*{\text{v}}_{\text{F}}-(\mathrm{\rho }/2*\\ {\text{c}}_{\text{W}}*{\text{A*v}}^2{}_{\text{F}}+{\mathrm{\Sigma }}_{\text{i}}{\text{F}}_{\text{i}})*{\text{v}}_{\text{F}}.\end{array}$$

  
• Unter Berücksichtigung der Abkürzung k = p/2 * c_W * A ergibt sich hieraus für die Differenz der Leistung: $$\begin{array}{l}\Delta {\text{P}}_{\text{Antrib}}=\left(\text{k}*{\left({\text{v}}_{\text{F}}+{\text{v}}_{\text{W}}\right)}^2+\text{b}\right)*{\text{v}}_{\text{F}}-\left({\text{k*v}}^2{}_{\text{F}}+\text{b}\right)*{\text{v}}_{\text{F}}=\\ {\text{k*v}}^3{}_{\text{F}}+2{\text{k*v}}^2{}_{\text{F}}*{\text{v}}_{\text{W}}+{\text{v}}_{\text{F}}*{\text{v}}^2{}_{\text{W}}-{\text{k*v}}^3{}_{\text{F}}=2{\text{k*v}}^2{}_{\text{F}}*{\text{v}}_{\text{W}}+{\text{v}}_{\text{F}}*{\text{v}}^2{}_{\text{W}}\text{ bzw}.\end{array}$$

  

  $$0={\text{k*v}}^2{}_{\text{W}}*{\text{v}}_{\text{F}}+2{\text{k*v}}_{\text{W}}*{\text{v}}^2{}_{\text{F}}-\Delta {\text{P}}_{\text{Antrieb}}$$

  
• Diese quadratische Gleichung für die Geschwindigkeit v_W des Winds ist lösbar, wobei sich für die Geschwindigkeit v_W des Winds nachfolgende Formeln für zwei mögliche Werte ergeben: $${\text{v}}_{\text{W1/2}}=-{\text{v}}_{\text{F}}+/-{\left({\text{v}}^2{}_{\text{F}}+\Delta \text{P/}\left({\text{k*v}}_{\text{F}}\right)\right)}^{\mathrm{0,5}}.$$

  
• Dabei liefert allein $${\text{v}}_{\text{W1}}=-{\text{v}}_{\text{F}}+{\left({\text{v}}^2{}_{\text{F}}+\Delta \text{P/}\left({\text{k*v}}_{\text{F}}\right)\right)}^{\mathrm{0,5}}$$

  

  im Bereich v_W = v_W1 ≤ v_F physikalisch sinnvolle Ergebnisse und ist daher zu verwenden.
• Im Fall von Steigungen oder Beschleunigungen sind der Steigungswiderstand sowie der Beschleunigungswiderstand jeweils ungleich null. Allerdings ist es möglich, dass Einflüsse, die aus diesen beiden Widerständen resultieren, über eine Sicherheits- und Fahrwerksensorik des Fahrzeugs, bspw. über Lage- und Beschleunigungssensoren eines elektronischen Stabilitätsprogramms (ESP) oder eines Steuergeräts für einen Airbag, herausgerechnet und in einen Leistungbedarf der theoretischen Leistung bzw. Soll-Leistung des Fahrzeugs einbezogen werden.
• Durch die ACC-Sensorik ist feststellbar, ob in kurzer Entfernung ein Fahrzeug vorausfährt und ermittelte Werte für die Geschwindigkeit des Winds als ungültig erklärt und verworfen werden, da Ablösungen die Geschwindigkeit des Winds verfälschen.
• Ein Einfluss einer Bebauung auf den Wind ist unter Berücksichtigung von Schwarmdaten einer Vielzahl an Fahrzeugen kompensierbar. In Ausgestaltung werden hierzu Werte von einem Schwarm an Fahrzeugen in einer bestimmten räumlichen und zeitlichen Auflösung zusammengefasst und in der gemeinsamen, zentralen Einrichtung, bspw. einer Recheneinheit, als Backend plausibilisiert.
• Im Fall eines veränderten Widerstandsbeiwerts c_W, bspw. aufgrund von Aufbauten oder eines Anhängers des Fahrzeugs, ist eine resultierende Abweichung zunächst dadurch feststellbar, dass in allen Geschwindigkeitsbereichen ein direkt proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit erhöhter Leistungsbedarf auftritt, was sich nur unwahrscheinlich aufgrund eines Zufalls ergibt. In Ausgestaltung ist es möglich, Werte eines Fahrzeugs, dessen Widerstandsbeiwert verändert ist, zum Ermitteln von Schwarmdaten als ungültig zu erklären sowie zu ignorieren.
• Das vorgestellte Verfahren ist auch mit mindestens einem anderen Verfahren zum fahrzeugbasierten Bestimmen der Geschwindigkeit kombinierbar. Durch einen Kreuzvergleich mit Werten der Geschwindigkeit des Winds, die durch unterschiedliche Maßnahmen bestimmt werden, ist die Geschwindigkeit des Winds zu plausibilisieren und genauer zu bestimmen.
• Die Leistung, die zum Antrieb des Fahrzeugs anliegt, um eine konstante Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu halten, ist gleich der Kraft des Fahrwiderstands multipliziert mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs.
• In einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Fahrzeug bei Windstille (v_Wind = 0 km/h) auf einer ebenen Fahrbahn und somit einem ebenen Untergrund mit einer konstanten Geschwindigkeit v_Fahrzeug = 100 km/h fährt. In diesem Fall ist F_Steig = F_B = 0, da die Geschwindigkeit v_Fahrzeug konstant und die Steigung α = 0 ist, wobei v_Luft = v_Fahrzeug. Somit ergibt sich für den gesamten Fahrwiderstand F_FW = p/2 * c_W * A * v_Fahrzeug ² + m * g * f_Roll * cosα. Hierbei gilt bspw.: c_W = 0,33, A = 2,87 m², m = 2100 kg. f_Roll = 0,012 und p = 1,2 kg/m³ bei einer Temperatur von 20 °C auf Meereshöhe. Für die für den Antrieb des Fahrzeugs erforderliche Leistung, hierfür die Soll-Leistung, gilt P_Antrieb,Soll = (ρ/2 * c_W * A * v_Fahrzeug ² + m * g * f_Roll * cosα) * v_Fahrzeug = 19047 W = 19,05 kW. Falls der Wind jedoch eine Geschwindigkeit v_Wind = 10 km/h aufweist und das Fahrzeug mit der konstanten Geschwindigkeit v_Fahrzeug = 100 km/h fährt, gilt für die für den Antrieb des Fahrzeugs erforderliche Leistung, d. h. für die Ist-Leistung P_Antrieb,Ist = (ρ/2 * c_W * A * (v_Fahrzeug + v_Wind)² + m * g * f_Roll * cosα) * v_Fahrzeug = 21605 W = 21,61 kW. Die Differenz bzw. ein Unterschied ΔP_Antrieb = 2,56 kW zwischen den beiden Werten der Leistung P_Antrieb für den Antrieb wird hierbei allein durch die Geschwindigkeit v_Wind des Winds verursacht.
• Mit mindestens einem Steuergerät für die mindestens eine Maschine zum Antreiben des Fahrzeugs ist insbesondere bei einem elektrifizierten Fahrzeug eine sehr genaue Angabe über den Wert der anliegenden Leistung und somit der Ist-Leistung ermittelbar, die mit dem theoretischen Wert für die Leistung, d. h. der Soll-Leistung, verglichen wird, wobei über das Positionierungssystem oder die Drehzahl eines Rads die tatsächliche Geschwindigkeit des Fahrzeugs ermittelt wird. Bei Auftreten der Differenz zwischen der gemessenen bzw. anliegenden Ist-Leistung und der berechneten bzw. theoretischen Soll-Leistung wird die Geschwindigkeit des Winds ermittelt, da es sich hierbei um die einzige geschwindigkeitsabhängige veränderbare Größe handelt.
• Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
• 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Fahrzeug, mit dem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird.
• Das in 1 schematisch dargestellte Fahrzeug 2 ist als Kraftfahrzeug ausgebildet und weist hier mindestens eine Maschine 4, d. h. eine Brennkraftmaschine und/oder eine Elektromaschine auf, mit der Räder 6 des Fahrzeugs 2 angetrieben werden, wobei das Fahrzeug 2 relativ zu einem zu befahrenden Untergrund 8 in einer durch einen Pfeil 10 angedeuteten Fahrtrichtung bewegt wird. Außerdem umfasst das Fahrzeug 2 mindestens einen Sensor 12, der dazu ausgebildet ist, einen Wert mindestens einer Größe und/oder mindestens eines Betriebsparameters des Fahrzeugs 2 zu erfassen.
• In 1 ist weiterhin durch einen gewellten Doppelpfeil 14 ein Wind angedeutet, der auf das Fahrzeug 2 während einer Fahrt wirkt und die aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs 2, bei Durchführung des Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinflusst.
• Auf das Fahrzeug 2 wirken insgesamt mehrere Widerstände bzw. Kräfte, die dessen Fahrt beeinflussen, nämlich ein Steigungswiderstand als erster Widerstand des befahrenen Untergrunds 8, der sich aufgrund einer Neigung des Untergrunds 8 relativ zum Schwerefeld der Erde ergibt. Diese Neigung wird hier durch einen Winkel α relativ zu einer Horizontalen 16 (gestrichelte Linie) beschrieben. Ein weiterer Widerstand ist ein Rollwiderstand aufgrund eines Rollens der Räder 6 des Fahrzeugs 2 auf dem Untergrund 8.
• Außerdem wird im Rahmen des Verfahrens als Widerstand ein Luftwiderstand berücksichtigt, der sich aufgrund von Luft in einer Umgebung des Fahrzeugs 2 ergibt. Falls sich die Luft relativ zu mindestens einem ortsfesten Punkt einer Umgebung, den das Fahrzeug 2 während der Fahrt in der Umgebung passiert, bewegt, resultiert aus dieser sich bewegenden Luft der Wind.
• Der Wert mindestens eines Widerstands, der auf das Fahrzeug 2 während der Fahrt wirkt, resultiert aus dem Wert der mindestens einen Größe bzw. des mindestens einen Betriebsparameters, der mit dem mindestens einen Sensor 12 erfasst wird, woraus wiederum der Wert des mindestens einen Widerstands berechnet wird.
• Da der mindestens eine Sensor 12 hier nicht als Anemometer zum Messen des Winds ausgebildet ist, können mit diesem lediglich Werte für Größen ermittelt werden, aus denen sich hier der Steigungswiderstand und der Rollwiderstand ergeben.
• Zum Ermitteln eines Werts einer Geschwindigkeit des Winds, wobei das Fahrzeug 2 bei der vorgestellten Ausführungsform während einer Fahrt mit einer konstanten Geschwindigkeit in der Fahrtrichtung fährt, wird ein Wert einer anliegenden Ist-Leistung der mindestens einen Maschine 4, die zum Antreiben des Fahrzeugs 2 ausgebildet ist, gemessen und somit ermittelt. Dabei wird angenommen, dass diese gemessene Ist-Leistung durch den Wert der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 2 und durch den Wert der Geschwindigkeit des Winds beeinflusst wird. Eine Summe aus der Geschwindigkeit des Winds und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs entspricht hier einer Geschwindigkeit von Luft, zu der sich das Fahrzeug 2 relativ bewegt. Weiterhin wird ein Wert einer rechnerischen Soll-Leistung, die die mindestens eine Maschine 4 bei der konstanten Geschwindigkeit des Fahrzeugs 2 leisten soll, berechnet und somit ermittelt, wobei angenommen wird, dass die Soll-Leistung von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs abhängig ist, die zugleich der Geschwindigkeit der Luft entspricht. Aus einer Differenz des Werts der rechnerischen Soll-Leistung und des Werts der gemessenen Ist-Leistung wird eine Leistung des Winds, der auf das Fahrzeug 2 wirkt, berechnet und somit ermittelt, wobei aus dieser Differenz der Leistung die Geschwindigkeit des Winds berechnet wird.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012220406 A1 [0003]
• DE 102010039569 A1 [0004]
• EP 2591967 B1 [0005]
• EP 2591968 B1 [0005]

Claims (12)

1. Verfahren zum Ermitteln eines Werts einer Geschwindigkeit von Wind mit einem Fahrzeug (2), wobei das Fahrzeug (2) während einer Fahrt mit einer Geschwindigkeit in einer Fahrtrichtung fährt, wobei ein Wert einer anliegenden Ist-Leistung mindestens einer Maschine (4), die zum Antreiben des Fahrzeugs (2) ausgebildet ist, gemessen wird, wobei angenommen wird, dass diese gemessene Ist-Leistung durch einen Wert einer Geschwindigkeit von Luft, relativ zu der sich das Fahrzeug bewegt, abhängig ist, wobei ein Wert einer rechnerischen Soll-Leistung, die die mindestens eine Maschine (4) bei der konstanten Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) leisten soll, berechnet und somit ermittelt wird, wobei aus einer Differenz des Werts der rechnerischen Soll-Leistung und des Werts der gemessenen Ist-Leistung eine Leistung des Winds, der auf das Fahrzeug (2) wirkt, berechnet und somit ermittelt wird, wobei aus dieser Leistung des Winds die Geschwindigkeit des Winds berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, das bei einer konstanten Geschwindigkeit des Fahrzeugs durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem berücksichtigt wird, dass die Geschwindigkeit der Luft im Fall der Ist-Leistung einer Summe der Geschwindigkeit des Winds und der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) entspricht, und dass die Geschwindigkeit der Luft im Fall der Soll-Leistung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem ein Wert mindestens eines Widerstands, der auf das Fahrzeug (2) während der Fahrt wirkt, zum Berechnen des Werts der rechnerischen Soll-Leistung der mindestens einen Maschine (4) berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Wert des mindestens einen Widerstands unter Berücksichtigung eines Werts mindestens einer Größe, die die Fahrt des Fahrzeugs (2) beeinflusst, berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Wert der mindestens einen Größe mit mindestens einem Sensor (12) des Fahrzeugs (2) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem als der mindestens eine Widerstand ein Steigungswiderstand eines von dem Fahrzeug (2) befahrenen Untergrunds (8) berücksichtigt wird, der auf das Fahrzeug (2) im Schwerefeld der Erde wirkt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem als der mindestens eine Widerstand ein Rollwiderstand eines von dem Fahrzeug (2) aufgrund eines Rollens von Rädern (6) berücksichtigt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei dem als der mindestens eine Widerstand ein Luftwiderstand des Fahrzeugs (2) berücksichtigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem mit dem Luftwiderstand die Geschwindigkeit der Luft berücksichtigt wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem ein Zusammenhang zwischen Werten der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) und Werten für die Soll-Leistung der mindestens einen Maschine (4) berücksichtigt wird, wobei jeweils einem Wert der Geschwindigkeit ein bestimmter Referenzwert für die Soll-Leistung zugeordnet wird, wobei für den Fall, dass der Wert der Ist-Leistung bei dem bestimmten Wert der Geschwindigkeit dem zugeordneten Referenzwert für die Soll-Leistung entspricht, Windstille herrscht, wobei für den Fall, dass der Wert der Ist-Leistung für den bestimmten Wert der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) größer als der zugeordnete Referenzwert für die Soll-Leistung ist, die Geschwindigkeit des Winds und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) in entgegengesetzte Richtungen orientiert sind, weshalb Gegenwind herrscht, und wobei für den Fall, dass der Wert der Ist-Leistung für den bestimmten Wert der Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) kleiner als der zugeordnete Referenzwert für die Soll-Leistung ist, die Geschwindigkeit des Winds und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (2) in dieselbe Richtung orientiert sind, weshalb Rückenwind herrscht.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem von einer Vielzahl an Fahrzeugen (2) Werte der Geschwindigkeit des Winds ermittelt werden, wobei ein jeweiliger Wert der Geschwindigkeit des Winds, der auf jeweils ein Fahrzeug (2) an einem ortsfesten Punkt wirkt, und Koordinaten zu diesem ortsfesten Punkt von einer zentralen Einrichtung empfangen werden, wobei von der zentralen Einrichtung gebietsbezogene Werte für die Geschwindigkeit des Winds in einem Gebiet ermittelt werden, in dem sich die Fahrzeuge (2) befinden.

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