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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prädiktion von Rekuperation in einem Fahrzeugbordnetz, insbesondere in einem Kraftfahrzeugbordnetz, und ein mit dieser Vorrichtung ausgestattetes Fahrzeug sowie ein Verfahren und eine zentrale Datenbankvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens für eine Fahrzeugflotte.
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Die Verringerung von Kohlendioxid- und Feinstaubemissionen im Straßenverkehr und die Verringerung des Energieverbrauchs, insbesondere im Bereich nicht erneuerbarer Energien, ist ein erklärtes Ziel in vielen großen Wirtschaftsräumen. Die Betriebsstrategie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere auch das Energiemanagement des elektrischen Bordnetzes hat einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz und den Energieverbrauch des Fahrzeugs.
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Dies gilt nicht nur für elektrisch angetriebene Fahrzeuge wie etwa batteriebetriebene Fahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge mit Pufferspeicher und hybridelektrische oder Plugin-hybridelektrische Fahrzeuge, sondern auch für konventionell betriebene Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Auch bei diesen sind die Leistungen elektrischer Verbraucher im Bordnetz sowohl bei Komfortfunktionen, wie elektrischen Zusatzheizungen und Klimaanlagen, als auch bei Fahrerassistenzfunktionen, wie elektronischen Bremsassistenten, derart angewachsen, dass das elektrische Bordnetzmanagement den Kraftstoffverbrauch des Gesamtfahrzeugs wesentlich mitbestimmt. Die vorliegende Erfindung betrifft daher sowohl elektrisch betriebene Fahrzeuge wie auch konventionell betriebene Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge.
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Ein bei allen genannten Antriebsarten einsetzbares Mittel zur Verbrauchsreduzierung ist die Rekuperation elektrischer Energie aus Verzögerungsvorgängen oder auf Gefällstrecken. Dies setzt jedoch voraus, dass ein ausreichend großer und schnell ladefähiger elektrischer Energiespeicher vorhanden ist, der eine unvorhergesehen auftretende Rekuperationsenergie zu diesem Zeitpunkt auch aufnehmen und speichern kann. Hat das elektrische Bordnetzmanagement den elektrischen Energiespeicher zuvor gerade vollgeladen, ist eine Rekuperation nicht möglich. Andererseits muss für elektrische Verbraucher zu jedem Zeitpunkt ein ausreichender Ladestand vorhanden sein, um auch bei einem Ausfall des Generators Funktionen zur Verfügung zu haben. Es wäre also wünschenswert, den zeitlichen Verlauf der Rekuperation zumindest mit ausreichender Wahrscheinlichkeit im Voraus zu kennen.
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Aus dem Dokument
DE 10 2016 102 827 A1 ist eine Hybridfahrzeugsteuerung bekannt, die durch früheres Abschalten der Kraftmaschine den Batterieladezustand an eine vorhergesagte regenerative Energie anpasst. Hierzu wird eine potentielle regenerative Energie aus der gegenwärtigen kinetischen Energie gegeben durch die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeugmasse und aus der gegenwärtigen potentiellen Energie geschätzt aufgrund des aktuellen Fahrbahnneigungswinkels und gegebenenfalls weiterer topographischer Streckeninformationen abgeschätzt.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die tatsächlich verfügbare regenerative Energie oft nicht mit der geschätzten potentiellen regenerativen Energie übereinstimmt und die Schätzung daher laufend angepasst werden muss. Neben einer unzureichenden Genauigkeit topographischer Profile tragen insbesondere fehlende Infrastrukturinformationen und Verkehrsdichteinformationen sowie das Fahrerverhalten und das Auftreten von Hindernissen zu diesem Nachteil bei. Andererseits würde bereits eine zutreffende Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Rekuperation ausreichen, ein exakter Rekuperationsverlauf wäre nicht erforderlich.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden und die Prädiktion von Rekuperation im Fahrzeugbordnetz verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß Ansprüchen 8 und 9 sowie das Fahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prädiktion von Rekuperation, insbesondere in einem Fahrzeugbordnetz, welches folgende Schritte aufweist:
- 1. Erzeugen eines gerichteten Graphen, welcher eine Anordnung von Knoten und gerichteten Kantenfolgen aufweist;
- 2. Aufnehmen und Speichern von Daten zur Prädiktion von Rekuperation in den Knoten des Graphen;
- 3. Verbessern der in den Knoten des Graphen gespeicherten Daten zur Prädiktion von Rekuperation durch maschinelles Lernen;
- 4. Auslesen von in den Knoten einer vorgebbaren gerichteten Kantenfolge des Graphen gespeicherten Daten zur Prädiktion von Rekuperation;
- 5. Verarbeiten ausgelesener Daten einer vorgebbaren gerichteten Kantenfolge des Graphen zur Prädiktion von Rekuperation.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die Knoten des Graphen in einem rechtwinkligen, bevorzugt quadratischen, geometrischen Gitter angeordnet, dessen Gitterplätze Referenzpunkte eines Straßennetzes approximieren. Dies hat den Vorteil, dass die Prädiktion von Rekuperation sich auf standardisierte, gleich große Flächen bezieht und die Wahrscheinlichkeitszahlen damit vergleichbar sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung folgen die Knoten und die gerichteten Kantenfolgen des Graphen dem Verlauf eines Straßennetzes geometrisch. Dies hat den Vorteil, dass die Speicherung der Messdaten den Wegpunkten genauer zugeordnet werden kann.
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Zweckmäßigerweise umfassen die in den Knoten des Graphen gespeicherten Daten folgende Informationen:
- 1. die Zahl der Fahrten, die einen Knoten innerhalb vorbestimmter regelmäßig wiederkehrender Zeitintervalle
- a. in einer ersten Richtung passieren;
- b. in der ersten Richtung mit Rekuperation passieren;
- c. in einer zweiten Richtung passieren;
- d. in der zweiten Richtung mit Rekuperation passieren;
- 2. eine Georeferenz, vorzugsweise eine GPS-Referenz, des Knotens;
- 3. den Zeitpunkt oder vorzugsweise das Zeitintervall der Messung.
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Vorteilhafterweise umfassen die in den Knoten des Graphen gespeicherten Daten zusätzlich eine oder mehrere der folgenden Kennzahlen:
- 1. eine Kennzahl für die Wahrscheinlichkeit von Rekuperation;
- 2. eine Kennzahl für eine mittlere Rekuperationsleistung;
- 3. eine Kennzahl für einen mittleren Rekuperationsstrom;
- 4. eine Kennzahl für eine mittlere Rekuperationsspannung;
- 5. eine Kennzahl für ein Einsetzen einer Motor-Start-Stopp-Funktion;
- 6. eine Kennzahl für ein Einsetzen einer Funktion Segeln.
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Dies ermöglicht es, nicht nur eine Wahrscheinlichkeit für Rekuperation an den Referenzpunkten, sondern auch eine mittlere Rekuperationsleistung oder eine Rekuperationsenergie eines Streckenabschnittes zu bestimmen, die in dem elektrischen Energiespeicher im Bereich eines Knotens oder auf einem bestimmten Streckenabschnitt oder in einem bestimmten Zeitintervall speicherbar sein muss. Ebenso kann auch eine Kennzahl für die Wahrscheinlichkeit von Rekuperation in beiden Fahrtrichtungen in den Knoten des Graphen gespeichert werden.
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Eine Motor-Start-Stopp-Funktion bezeichnet ein automatisches Abstellen eines Verbrennungsmotors bei einem auch kurzzeitigen Anhalten eines Fahrzeugs und ein automatisches Neustarten unter bestimmten Bedingungen. Eine Funktion Segeln bezeichnet ein temporäres Auskuppeln und Abstellen oder Abregeln eines Verbrennungsmotors während einer Fahrtperiode ohne Motorlast. Beide Funktionen haben ebenso wie die Rekuperation Auswirkungen auf den Energiehaushalt eines elektrischen Fahrzeugbordnetzes und können von dem vorliegenden Verfahren vorteilhafterweise mit umfasst werden.
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Zweckmäßigerweise wird für eine vorgegebene Kantenfolge, eine vorgegebene Fahrtzeit oder ein vorgegebenes Zeitintervall, und für eine vorgegebene Fahrtrichtung aus der Zahl der Fahrten und der Zahl der Fahrten mit Rekuperation eine Prädiktion einer Wahrscheinlichkeit von Rekuperation gebildet, die zu einer Steuerung eines Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers einsetzbar ist.
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Dies ermöglicht es, ein Energiemanagement eines Fahrzeugbordnetzes mit einer so zuverlässigen Rekuperationswahrscheinlichkeit zu steuern, dass der Energiespeicher nach Möglichkeit stets einen geeigneten Ladezustand aufweisen sollte, um eine anfallende elektrische Rekuperationsleistung aufnehmen und speichern zu können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden die aufgenommenen Daten einer Vielzahl von Fahrzeugen an eine zentrale Instanz, insbesondere an ein stationäres Back-end mit einer Flottendatenbank, oder bevorzugt in eine Cloud, übertragen, dort mit Daten einer Fahrzeugflotte durch maschinelles Lernen verbessert und den Fahrzeugen zur Prädiktion von Rekuperation bereitgestellt. Dies ermöglicht eine erhebliche Verbreiterung der Datenbasis und hat den Vorteil, dass Messdaten zur Rekuperation von zahlreichen unterschiedlichen Fahrzeugen zusammengeführt und statistisch verbessert werden können. Durch Methoden des maschinellen Lernens, insbesondere des Verbesserungslernens, kann eine wesentlich zuverlässigere Datenbasis für die Berechnung der Wahrscheinlichkeit von Rekuperation erzeugt und bereitgestellt werden.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine On-board-Vorrichtung, die eingerichtet ist, das Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung an Bord eines Fahrzeugs auszuführen, wobei die On-board-Vorrichtung wenigstens ein Steuergerät, einen Rekuperationssensor, einen Georeferenzsensor, einen Messdatenspeicher und eine Datenübertragungseinrichtung umfasst. Ein Verbesserungslernen kann auch mit einem Einzelfahrzeug erfolgen, indem dieselben Strecken mehrfach befahren und Rekuperationsdaten aus unterschiedlichen Zeitintervallen und Verkehrssituationen, gegebenenfalls auch mit unterschiedlichen Fahrern ausgewertet werden.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Off-board-Vorrichtung, die eingerichtet ist, das Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung in einem stationären Back-end mit einer Flottendatenbank oder in einer Cloud auszuführen. Dies ermöglicht die Verarbeitung von Flottendaten. Dabei sind auch eine Zwischenspeicherung der Messdaten in den Fahrzeugen und eine zeitlich entkoppelte Verarbeitung möglich.
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Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer On-board-Vorrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten, wo technisch sinnvoll, auch für den zweiten, dritten und vierten Aspekt der Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltung.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden.
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Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:
- 1 einen Graphen zur Prädiktion von Rekuperation in einem quadratischen Gitter, welcher einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zugrunde liegt;
- 2 einen Graphen zur Prädiktion von Rekuperation in einem Straßennetz, welcher einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens zugrunde liegt.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines gerichteten Graphen 100 mit Knoten 110 und einer Kantenfolge 120 zur Prädiktion von Rekuperation auf einem quadratischen Gitter 200. Die Knoten sind regelmäßig auf Gitterplätzen 210 angeordnet, welche geometrisch ein Straßennetz 300 abbilden, wobei die Position eines Fahrzeugs jeweils dem nächstgelegenen Gitterplatz 210 zugeordnet wird. Ebenso wird die tatsächliche Fahrtrichtung durch zwei Richtungen 1 und 2 abgebildet. Ein zweckmäßiges Raster der Gitterplätze 210 könnte, ohne dieses Ausführungsbeispiel darauf zu beschränken, beispielsweise 10 m betragen.
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Die exemplarisch dargestellten Knoten 110 weisen folgende Dateneinträge auf:
- npass,t,1:
- Zahl der Fahrten in Richtung 1
- nrecu,t,1 :
- Zahl der Fahrten in Richtung 1 mit Rekuperation
- npass,t,2:
- Zahl der Fahrten in Richtung 2
- nrecu,t,2:
- Zahl der Fahrten in Richtung 2 mit Rekuperation
- nx, ny :
- Georeferenz bzw. GPS-Referenz des Knotens
- tpass :
- Zeitintervall der Datenaufzeichnung
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Eine Rekuperationswahrscheinlichkeit r1 kann somit für Fahrten in Richtung 1 an einem Georeferenzpunkt nx, ny im Zeitintervall tpass aus dem Verhältnis r1 = nrecu,t,1 / npass,t,1 bestimmt werden. Entsprechend kann eine Rekuperationswahrscheinlichkeit für Fahrten in Richtung 2 aus dem Verhältnis r2 = nrecu,t,2 / npass,t,2 bestimmt werden. Insbesondere kann Richtung 2 die Gegenrichtung zu Richtung 1 bezeichnen.
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Das Ausführungsbeispiel wird durch den folgenden Algorithmus näher erläutert. Hierbei bezeichnet g ein parametriertes Gitter mit p Knoten n ∈ g. Jeder Knoten n weist Informationen zu seiner Position nx und ny im Gitter auf und kann mit einem Georeferenzpunkt bzw. mit den entsprechenden GPS-Koordinaten verbunden sein. Ein Knoten n kann außerdem die Anzahl der Fahrten npass,t,0 und die Anzahl der Fahrten mit Rekuperation npass_recu,t,0 bezogen auf eine Tageszeit t und eine Orientierung o eines Fahrzeugs aufweisen. Die aufgezeichneten Messpunkte sind mit xj bezeichnet.
1: if g exists == FALSE then
2: Initialize grid g
3: end if
4: Determine node nstart closest to x1
5: nprevious = nstart
6: nstart.pass,t,0 += 1
7: recu_counter = 0
8: for / = 1 :number_of_data_points_of_trace do
9: Determine node nc dosest to xl in the region of nprevious
10: if (nc ! = nprevious) then
11: nc.pass,t,0 += 1
12: recu_counter = 0
13: nprevious = nc
14: end if
15: if (xl has status „recuperation active“) then
16: recu_counter += 1
17: end if
18: if (recu_counter = 1) then
19: nc.pass_recu,t,0 += 1
20: end if
21: end for
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines gerichteten Graphen 100 zur Prädiktion von Rekuperation, welcher ein Straßennetz 300 abbildet. Die Knoten 110 sind zweckmäßig an aussagekräftigen Georeferenzpunkten des Straßennetzes 300 anzuordnen, so dass möglichst viele Rekuperationsfahrten nreku,t erfasst werden.
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Im Hinblick auf eine zweckmäßige Implementierung des Verfahrens sollen die Knoten 110 des Graphen 100 nicht mit Straßenkreuzungen zusammenfallen, sondern auf das Straßennetz 300 verteilt und vorzugsweise in einer Umgebung von Straßenkreuzungen und Infrastrukturstellen wie zum Beispiel Lichtzeichenanlagen und Fußgängerüberwegen sowie auf Gefällstrecken und an Kurveneinfahrten angeordnet werden, wo eine Rekuperationswahrscheinlichkeit zu erwarten ist.
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Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist die zeitliche Zuordnung der Zahl der Fahrten bzw. der Zahl der Fahrten mit Rekuperation zu einem bestimmten Zeitintervall mit erfahrungsgemäß unterschiedlichem Verkehrsaufkommen und unterschiedlichen Verkehrsflüssen. Dies können Tageszeitintervalle zur Unterscheidung von Berufsverkehrszeiten, Normalzeiten und verkehrsarmen Nachtzeiten, wie auch Wochentagsintervalle zur Erfassung des Wochenendverkehrs, oder Kalenderintervalle zur Erfassung des Ferienverkehrs, klimatischer Einflüsse und jahreszeitlicher Schwankungen des Verkehrsaufkommens sein. Mit dieser Zuordnung kann eine Rekuperationswahrscheinlichkeit nicht nur ortsabhängig, sondern auch zeitabhängig bereitgestellt und damit erheblich aussagekräftiger gemacht werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Prädiktion von Rekuperation beschränkt, sondern kann auch zur Prädiktion allgemeiner Ereignisse eingesetzt werden, die den Energiehaushalt des Bordnetzes und den Ladezustand des Energiespeichers beeinflussen und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit unter ähnlichen Bedingungen wiederholbar sind. Beispielsweise wird auch ein Einsetzen der Motor-Start-Stopp-Funktion (MSA) oder der Funktion Segeln durch eine Aufnahme entsprechender Kennzahlen von der vorliegenden Erfindung umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016102827 A1 [0005]
