DE102019212941A1 - Method for controlling a state of charge of a battery of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie (314) eines Kraftfahrzeugs (302), wobei das Kraftfahrzeug (302) einen Antriebsmotor (310) und ein Bordnetz mit der mittels des Antriebsmotors (310) aufladbaren Batterie (314) aufweist, wobei für den Ladezustand ein Soll-Wert für einen zukünftigen Zeitpunkt unter Berücksichtigung von zumindest einer ersten Randbedingung ermittelt wird, wobei der Ladezustand der Batterie (314) einen vorgegebenen Betrieb des Kraftfahrzeugs (302) bei ausgeschaltetem Antriebsmotor (310) ermöglicht, und der Ladezustand der Batterie (314) unter Berücksichtigung zumindest einer zweiten Randbedingung derart gesteuert wird, dass dieser Soll-Wert zu dem zukünftigen Zeitpunkt erreicht wird, sodass ein prädiktives Energiemanagement in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs (302) durchgeführt wird. A method for controlling a state of charge of a battery (314) of a motor vehicle (302), wherein the motor vehicle (302) has a drive motor (310) and an on-board network with the battery (314) that can be charged by means of the drive motor (310), with a Setpoint value for a future point in time is determined taking into account at least one first boundary condition, the state of charge of the battery (314) enabling a predetermined operation of the motor vehicle (302) with the drive motor (310) switched off, and the state of charge of the battery (314) below Consideration of at least one second boundary condition is controlled in such a way that this target value is reached at the future point in time, so that predictive energy management is carried out in the electrical system of the motor vehicle (302).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.The invention relates to a method for controlling a state of charge of a battery of a motor vehicle, and an arrangement for carrying out the method.
Stand der TechnikState of the art
In Bordnetzen von Kraftfahrzeugen sind Verbraucher und Energiespeicher, wie bspw. Batterien, vorgesehen. Beim Betrieb des Kraftfahrzeugs muss sichergestellt sein, dass die Energiespeicher immer ausreichend Energie gespeichert haben, so dass die Verbraucher sicher mit Energie versorgt werden können. So sollte bspw. gewährleistet sein, dass der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, auch nach längeren Ruhephasen, in denen ggf. Verbraucher versorgt werden müssen, sicher gestartet werden kann. Dies ist sowohl bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennngsmotor einschließlich Hybridfahrzeugen von Bedeutung, die in der Regel über einen batterieelektrischen Anlasser bzw. Starter verfügen. Bei batterieelektrischen Fahrzeugen sollte mit Fahrtbeginn soviel Energie in der Traktionsbatterie vorhanden und damit eine Restreichweite sichergestellt sein, dass eine nächste Ladestation sicher erreicht werden kann.Consumers and energy stores, such as batteries, are provided in on-board networks of motor vehicles. When operating the motor vehicle, it must be ensured that the energy stores always have sufficient energy stored so that the consumers can be safely supplied with energy. For example, it should be ensured that the internal combustion engine of a motor vehicle can be started safely, even after longer periods of rest in which consumers may have to be supplied. This is important both in motor vehicles with internal combustion engines, including hybrid vehicles, which as a rule have a battery-electric starter or starter. In the case of battery-electric vehicles, enough energy should be available in the traction battery at the start of the journey, thus ensuring a remaining range that the next charging station can be safely reached.
Ein Maß für die in einer Batterie gespeicherte Energiemenge ist der Ladezustand der Batterie, der auch als SoC (state of charge) bezeichnet wird. Dieser kann auf einfache Weise bestimmt und gesteuert bzw. kontrolliert werden. Hierbei ist einerseits zu beachten, dass der SoC ausreichend hoch ist, um auch längere Ruhephasen, bei denen keine Möglichkeit zum Laden der Batterie besteht, zu überstehen und andererseits, dass der SoC nicht zu hoch ist, um über ein ausreichend hohes Rekuperationspotential zu verfügen.A measure of the amount of energy stored in a battery is the battery's state of charge, which is also known as the SoC (state of charge). This can be determined and controlled or checked in a simple manner. On the one hand, it should be noted that the SoC is sufficiently high to withstand longer periods of rest during which there is no possibility to charge the battery and, on the other hand, that the SoC is not too high to have a sufficiently high recuperation potential.
Ein prädiktives Energiemanagement in einem Bordnetz dient vornehmlich dazu, den oder die Ladezustände von einer bzw. von mehreren Batterien so zu steuern, dass die genannten Anforderungen erfüllt sind.A predictive energy management in an on-board network is primarily used to control the charge state or states of one or more batteries in such a way that the requirements mentioned are met.
Es hat sich insbesondere gezeigt, dass die Ladestrategie eines permanenten maximalen Ladezustands Nachteile beim Gesamtkraftstoffverbrauch gegenüber Ladestrategien mit variablem SoC hat.It has been shown in particular that the charging strategy of a permanent maximum state of charge has disadvantages in terms of overall fuel consumption compared to charging strategies with a variable SoC.
Der Grund hierfür liegt in der nicht genutzten Möglichkeit, durch eine variable Generatorlast den Verbrennungsmotor in verbrauchsoptimalen Betriebspunkten betreiben zu können. Es ergibt sich je nach aktuellem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors die Möglichkeit einer verbrauchsoptimalen Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors mittels variabler Generatorlast.The reason for this lies in the unused possibility of being able to operate the internal combustion engine at optimum operating points through a variable generator load. Depending on the current operating point of the internal combustion engine, there is the possibility of a consumption-optimized load point shift of the internal combustion engine by means of a variable generator load.
Es ergibt sich aber auch ein deutlich schwankender Ladezustand der Batterie mit der Folge, dass der Ladezustand nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors, z. B. am Wochenende, nicht ausreichend elektrische Energie zum Versorgen der elektrischen Verbraucher und zum Start des Verbrennungsmotors zur Verfügung stehen könnte.But there is also a significantly fluctuating state of charge of the battery with the result that the state of charge after switching off the internal combustion engine, e.g. B. at the weekend, insufficient electrical energy to supply the electrical consumers and to start the internal combustion engine could be available.
Beim Unterschreiten eines minimalen SoC sollte der Verbrennungsmotor gestartet werden, um über den Generator die elektrischen Verbraucher zu versorgen und die Batterie(n) nachzuladen. Der minimale Ladezustand der Batterie muss ein Starten des Verbrennungsmotors mittels des elektrischen Anlassers, eines Starters oder einer E-Maschine, noch gewährleisten können. Der Verbrennungsmotor im Leerlauf verschlechtert dann nicht nur die Kraftstoffverbrauchsbilanz, sondern verursacht auch Abgase, u. a. Stickoxid, CO2 und Feinstaub, und Geräusche, die je nach Parksituation für das Umfeld äußerst störend sein können.If the SoC falls below a minimum, the combustion engine should be started in order to supply the electrical loads via the generator and to recharge the battery (ies). The minimum charge level of the battery must still be able to guarantee that the internal combustion engine can be started by means of the electric starter, a starter or an electric machine. The internal combustion engine when idling not only worsens the fuel consumption balance, but also causes exhaust gases, including nitrogen oxide, CO 2 and fine dust, and noises which, depending on the parking situation, can be extremely annoying for the surroundings.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.Against this background, a method with the features of claim 1 and an arrangement according to claim 9 are presented. Embodiments emerge from the dependent claims and from the description.
Das vorgestellte Verfahren dient zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, um ein prädiktives Energiemanagement in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs durchzuführen.The method presented is used to control a state of charge of a battery of a motor vehicle in order to carry out predictive energy management in an on-board network of a motor vehicle.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht ein wirksames Steuern eines Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, wobei besondere Anforderungen von bestimmten Fahrzeugtypen, wie bspw. Lastkraftwagen (Lkw) für den Nahverkehr, Verteilerverkehr oder Fernverkehr, insbesondere Berücksichtigung finden. Um dies zu ermöglichen, wurden erstmalig zahlreiche Randbedingen berücksichtigt, auf die nachfolgend eingegangen wird.The method described enables an effective control of the state of charge of a battery of a motor vehicle, with particular requirements of certain vehicle types, such as, for example, trucks for local traffic, distribution traffic or long-distance traffic being taken into account. In order to make this possible, numerous boundary conditions were taken into account for the first time, which will be discussed below.
FahrwiderständeDriving resistances
Die Fahrwiderstände bzgl. des Fahrzeugvortriebs sind die Summe aus Rollwiderstand FRo, Steigungswiderstand Fst, Beschleunigungswiderstand FBe, Luftwiderstand FLu und Bremswiderstand FBr. Es gilt:
Mit vorausschauender Kenntnis bzw. Abschätzungen der Fahrwiderstände lassen sich Lastanforderungen vorausschauend bzw. prädiktiv durch quasi Rückwärtssimulation abschätzen bzw. berechnen.With forward-looking knowledge or estimates of the driving resistances, load requirements can be estimated or calculated in a forward-looking or predictive manner by quasi backward simulation.
Elektronischer Horizont (EH) (ferner bzw. weiter Horizont)Electronic horizon (EH) (far or wide horizon)
Unter einem elektronischen Horizont werden insbesondere Fahrbahnsteigung und Kurvenkrümmung, die gesetzliche Geschwindigkeitsbeschränkung, aber auch Zusatzattribute, wie Kreuzungen, Lichtsignalanlagen, Anzahl der Fahrspuren, Tunnel usw., verstanden. Diese werden in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrposition als ortsfeste Attribute entlang der vorausliegenden Strecke ermittelt. Die Bereitstellung des elektronischen Horizonts erfolgt durch den sogenannten Horizon Provider (HP), der z. B. Bestandteil eines Navigationssystems sein kann. Die zukünftige Routenwahl des Fahrers kann anhand seiner Eingaben für die Zielführung des Navigationssystems ermittelt werden. Ohne Zielführung wird meist ebenfalls ein „wahrscheinlichster Pfad“ übertragen, der anhand der zugrundeliegenden Straßenklassen oder anhand einer Statistik über bereits gefahrene Strecken ermittelt wird. Optional ermittelt der HP alternative Strecken, die der Fahrer auch wählen könnte. Im Folgenden wird der Begriff „MPP“ (most probable path) für die wahrscheinlichste Strecke und mögliche Alternativstrecken verwendet.An electronic horizon is understood to mean, in particular, road gradient and curve curvature, the legal speed limit, but also additional attributes such as intersections, traffic lights, number of lanes, tunnels, etc. Depending on the current driving position, these are determined as fixed attributes along the route ahead. The electronic horizon is provided by the so-called Horizon Provider (HP), which z. B. can be part of a navigation system. The future route selection of the driver can be determined on the basis of his inputs for the route guidance of the navigation system. Without route guidance, a “most probable path” is usually also transmitted, which is determined on the basis of the underlying road classes or on the basis of statistics on routes that have already been driven. Optionally, the HP determines alternative routes that the driver could also choose. In the following, the term “MPP” (most probable path) is used for the most probable route and possible alternative routes.
Floating Car DataFloating Car Data
Der Ausdruck „Floating Car Data“ (FCD) bezeichnet Daten, die aus einem Fahrzeug heraus generiert werden, das aktuell am Verkehrsgeschehen teilnimmt. Dies umfasst sowohl den Zustand des Fahrens als auch den Zustand des Stehens, z. B. im Stau, vor Ampeln oder an einem Warteplatz. Ein Datensatz umfasst zumindest den Zeitstempel sowie die aktuellen Koordinaten.The term "Floating Car Data" (FCD) refers to data that is generated from a vehicle that is currently involved in traffic. This includes both the state of driving and the state of standing, e.g. B. in a traffic jam, in front of traffic lights or in a waiting area. A data record includes at least the time stamp and the current coordinates.
Durch Einsatz des FCD-Verfahrens werden die Fahrzeuge zu mobilen Sensoren. Derzeit dienen vor allem Taxiflotten zur Generierung von FCD, da diese für Aufgaben des Flottenmanagements bereits über die notwendige Ausstattung samt Zentrale verfügen.The use of the FCD process turns the vehicles into mobile sensors. Currently, taxi fleets are primarily used to generate FCD, as they already have the necessary equipment and headquarters for fleet management tasks.
Weiterentwicklungen dynamischer StraßenkartenFurther developments of dynamic road maps
Bei diesen wird durch Einsatz einer Applikation bzw. App eine Verkehrszeichenerkennung, z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit regulierende Verkehrszeichen, mittels einer vorhandenen mobilen Kamera und eine Übermittlung der Daten an den Betreiber bzw. Provider der Applikation ermöglicht. Die Nutzer der Applikation bekommen dafür eine bezüglich der geschwindigkeitsregulierenden Verkehrszeichen aktuelle Straßenkarte, d. h. eine dynamische Straßenkarte, die es ermöglicht, Funktionen, wie bspw. einen Ausrollassistenten, auf korrekten Daten zu realisieren. Ein solcher Ausrollassistent gibt anhand von Fahrzeuggeschwindigkeit regulierenden Verkehrszeichen entlang der Strecke sowie Geländehöhenprofilen, aktueller Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeugmasse usw. dem Fahrer Empfehlungen, rechtzeitig vom Gas zu gehen, um bis zur nächsten gebotenen Geschwindigkeit auszurollen und somit Bremsmanöver zu vermeiden und Kraftstoff zu sparen.With these, a traffic sign recognition, z. B. vehicle speed regulating traffic signs, by means of an existing mobile camera and a transmission of the data to the operator or provider of the application enables. The users of the application receive an up-to-date road map with regard to the speed-regulating traffic signs, i. H. a dynamic road map that makes it possible to implement functions such as a roll-out assistant on correct data. Using traffic signs regulating the vehicle speed along the route as well as terrain elevation profiles, current vehicle speed and vehicle mass, etc., such a coast assist gives the driver recommendations to take off the accelerator in good time in order to coast to the next required speed and thus avoid braking maneuvers and save fuel.
Informationen für die dynamische Karte sind u. a.:
- Geschwindigkeitsbegrenzungen, insbesondere Verkehrszeichen mit Geschwindigkeitsbeschränkungen,
- Aufhebung von Geschwindigkeitsbeschränkungen,
- Ortseinfahrten, die eine Geschwindigkeitsbegrenzung auf 50 km/h darstellen,
- Ortsausfahrten, die eine Aufhebung der Geschwindigkeitsbegrenzung auf 50 km/h darstellen,
- Kurvenkrümmungen und daraus abgeleitete relevante Kurvengeschwindigkeiten.
- Speed limits, especially road signs with speed restrictions,
- Lifting of speed limits,
- Urban entrances that represent a speed limit of 50 km / h,
- Local exits that represent a lifting of the speed limit to 50 km / h,
- Curvatures and relevant curve speeds derived from them.
Die Straßenkarte kann elektronisch auf einem Speichermedium, bspw. auf einem Server oder in einer Cloud, abgelegt sein. Die Fahrer von Kraftfahrzeugen können mit ihren mobilen Endgeräten über eine Applikation, bspw. das Navigationssystem, mit der dynamischen Karte auf dem Server bzw. in der Cloud zumindest zeitweise verbunden sein.The road map can be stored electronically on a storage medium, for example on a server or in a cloud. The drivers of motor vehicles can at least temporarily be connected to the dynamic map on the server or in the cloud with their mobile devices via an application, for example the navigation system.
Navigationssystem mit prädiktiven StraßenkartenNavigation system with predictive road maps
Die Dateninhalte, die von einem Navigationssystem im Sinne einer Vorausschau anderen Komponenten im Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden können, sind abhängig von den Kartendaten, die von den Kartenlieferanten verfügbar sind und können sich abhängig vom Kartenlieferanten sowohl im Umfang als auch in der Qualität unterscheiden. Es ist davon auszugehen, dass energierelevante Informationen, wie insbesondere Höhen-/Steigungsprofile, Krümmungen und Geschwindigkeitsprofile, nicht flächendeckend verfügbar sind. Insbesondere sind Geschwindigkeitsinformationen und Höhen- bzw. Steigungsinformationen innerhalb Europas im Wesentlichen auf hochrangige Straßenklassen begrenzt. Entsprechend der Roadmaps der Kartenlieferanten ist die flächendeckende Verfügbarkeit von Höhen- bzw. Steigungsprofilen, Krümmungen und Geschwindigkeitsinformationen für hochrangige Straßen geplant. Allerdings ist die Verfügbarkeit von z. B. Steigungsinformationen für Wohnstraßen in absehbarer Zeit nicht zu erwarten. Es existieren aber Ansätze, die Fahrzeuge mit ihren Sensoren zu nutzen, um daraus direkt oder indirekt abgeleitete Steigungsinformationen über den gefahrenen Strecken, z. B. in den erwähnten dynamischen Karten, zu speichern.The data content that can be made available to other components in the vehicle by a navigation system in the sense of a forecast depends on the map data available from the map supplier and can differ in scope and quality depending on the map supplier. It can be assumed that energy-relevant information, such as, in particular, height / gradient profiles, curvatures and speed profiles, is not available across the board. In particular, speed information and height or gradient information within Europe are essentially limited to high-ranking road classes. According to the roadmaps of the map suppliers, the comprehensive availability of height and gradient profiles, curvatures and speed information for high-ranking roads is planned. However, the availability of e.g. B. Incline information for residential streets not to be expected in the foreseeable future. However, there are approaches to use the vehicles with their sensors in order to obtain incline information derived therefrom directly or indirectly about the routes traveled, e.g. B. in the mentioned dynamic maps to save.
Falls ein Navigationssystem vorhanden ist, aber eine Routenplanung nicht erfolgt, sind sowohl Verfahren zur adaptiven Routenerkennung vormals gefahrener Routen als auch spekulative Verfahren bekannt.If a navigation system is available, but route planning is not carried out, both methods for adaptive route recognition of previously traveled routes and speculative methods are known.
Fahrerassistenzsysteme (naher Horizont)Driver assistance systems (near horizon)
Fahrassistenzsysteme nutzen zunehmend Kameras und/oder Radar und/oder Ultraschallsensoren zur Umfelderkennung und Situations- und Manövererkennung bis zu einem Horizont von 500 m. Im Rahmen eines prädiktiven Energiemanagement im Nahfeld sind Informationen zu vorausfahrenden Fahrzeugen und/oder Hindernissen hilfreich, eine energieoptimale Verzögerungs- und Beschleunigungsenergie umsetzen zu können. So kann bei Kenntnis der Verzögerungsstrecke sowie eines Geschwindigkeits- und Höhenprofils auf ein Lastprofil geschätzt werden und Möglichkeiten des rekuperativen und/oder klassischen Bremsens und/oder Segelns usw. vorausschauend und energieoptimal umgesetzt werden.Driver assistance systems are increasingly using cameras and / or radar and / or ultrasonic sensors for environment recognition and situation and maneuver recognition up to a horizon of 500 m. In the context of predictive energy management in the near field, information on vehicles and / or obstacles in front is helpful To be able to convert acceleration energy. With knowledge of the deceleration distance as well as a speed and height profile, a load profile can be estimated and possibilities of regenerative and / or classic braking and / or sailing etc. can be implemented in an anticipatory and energy-optimized manner.
Letztlich helfen der nahe und ferne Horizont, eine Lastprädiktion und somit auch Kraftstoffverbrauchsprädiktion über der Fahrstrecke für den Triebstrang bzw. das Fahrzeug abzuschätzen und die Freiheitsgrade im Energiemanagement weiter zu nutzen.Ultimately, the near and far horizon help to estimate a load prediction and thus also a fuel consumption prediction over the route for the drive train or the vehicle and to continue to use the degrees of freedom in energy management.
Energiemanagement und BetriebsstrategienEnergy management and operational strategies
Die verschärften Anforderungen bzgl. CO2-Reduktion steigern den Bedarf an hybriden Antriebskonzepten, Elektrifizierung von Nebenaggregaten, bedarfsgerechten Ansteuerungen, Ein- und Abschaltkonzepten, Speicherung überschüssiger thermischer, elektrischer, mechanischer Energien und deren Transformationen. Prädiktive Verfahren werden zur Lastprädiktion eingesetzt, um rechtzeitig Energiespeicher zu füllen oder zu entleeren, Lastverteilungskonzepte werden verwendet, um lokale Lastspitzen bzw. eine Überlastung zu vermeiden.The more stringent requirements regarding CO 2 reduction increase the need for hybrid drive concepts, electrification of auxiliary units, needs-based controls, switch-on and switch-off concepts, storage of excess thermal, electrical, mechanical energies and their transformations. Predictive methods are used for load prediction in order to fill or empty energy stores in good time, load distribution concepts are used to avoid local load peaks or overload.
Diese neuen Möglichkeiten zur Speicherung, Transformation, Entkopplung / Verkopplung und vorausschauenden Steuerung ergeben mehr Freiheitsgrade in der Steuerung und Regelung der Leistungs- und Energieflüsse im Fahrzeug . Diese zu handhaben und zu optimieren ist Aufgabe des Energiemanagements einschließlich zugehöriger Offline- und/oder Online-Optimierungsverfahren und Algorithmen. Randbedingungen der Betriebsstrategien und Optimierer sind in den meisten Fällen die Einhaltung von Abgas-, Fahrbarkeits-, Lebensdauer-, Verfügbarkeits- und Komfort-Anforderungen.These new possibilities for storage, transformation, decoupling / coupling and predictive control result in more degrees of freedom in the control and regulation of the power and energy flows in the vehicle. Handling and optimizing these is the task of energy management, including the associated offline and / or online optimization processes and algorithms. The boundary conditions of the operating strategies and optimizers are in most cases compliance with exhaust gas, drivability, service life, availability and comfort requirements.
Viele Hybrid-Betriebsstrategien basieren auf der Minimierung des Gesamtenergieverbrauchs, bestehend aus dem Energieinhalt des verbrauchten Kraftstoffs und der aus der Traktionsbatterie entnommenen elektrischen Energie. Um die Optimierung zu vereinfachen, wird dabei ein Äquivalenzfaktor zur Umrechnung von fossiler zu elektrischer Energie oder umgekehrt angewandt. Es wird darum von einer sogenannten Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) gesprochen.Many hybrid operating strategies are based on minimizing the total energy consumption, consisting of the energy content of the fuel consumed and the electrical energy drawn from the traction battery. In order to simplify the optimization, an equivalence factor is used to convert fossil fuel to electrical energy or vice versa. It is therefore referred to as a so-called Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS).
Das Verbrennungsmotor-Lastprofil kann in dem entsprechenden Steuergerät anhand von Fahrzeug- und Umweltparametern und der im EH enthaltenen Daten geschätzt werden. Der EH liefert Informationen über Geschwindigkeitsbegrenzungen, Durchschnittsgeschwindigkeiten, Steigerungen und Kurvenkrümmungen entlang der Route. Anhand dieser Informationen kann ein Geschwindigkeitsprofil erstellt werden. Ein Algorithmus hierfür ist bereits vorhanden. Ungefähre Fahrzeugparameter, wie bspw. die Fahrzeugmasse, der Rollwiderstandskoeffizient, der Strömungswiderstandskoeffizient und die projizierte Stirnfläche, werden im Steuergerät hinterlegt. Ungefähre Umweltparameter wie Luftdichte werden ebenfalls im Fahrzeug hinterlegt. Mit der Fahrwiderstandsgleichung wird auf Basis der genannten Informationen die Antrieblast für ein festes zeitliches Raster, z. B. alle 100 ms, entlang der Strecke im Voraus geschätzt.The internal combustion engine load profile can be estimated in the corresponding control unit based on vehicle and environmental parameters and the data contained in the EH. The EH provides information on speed limits, average speeds, inclines and bends along the route. This information can be used to create a speed profile. An algorithm for this is already in place. Approximate vehicle parameters, such as the vehicle mass, the rolling resistance coefficient, the flow resistance coefficient and the projected frontal area, are stored in the control unit. Approximate environmental parameters such as air density are also stored in the vehicle. With the driving resistance equation, the drive load for a fixed time grid, e.g. Every 100 ms, estimated in advance along the route.
Im EH können auch Informationen über den Fahrbahnbelag, wie bspw. Asphalt, Beton, Schotter usw., enthalten sein. Diese Information kann zusätzlich genutzt werden, um den Einfluss des Fahrbahnbelags auf den Rollwiderstandkoeffizienten zu berücksichtigen.Information about the road surface, such as asphalt, concrete, gravel, etc., can also be contained in the EH. This information can also be used to take into account the influence of the road surface on the rolling resistance coefficient.
Zur Verbesserung der Lastprädiktion kann über den elektronischen Horizont zusätzlich ein explizites Lastprofil übertragen werden, das vom HP anhand vergangener Fahrten erstellt wird. Hierfür wird die Antriebslast während jeder Fahrt in einem festen zeitlichen Raster mit Ortsbezug, bspw. über GPS oder Koppelortung, gespeichert. Wenn eine Strecke mehrfach gefahren wurde, kann die Antriebslast anhand der Statistik über die vergangenen Fahrten geschätzt werden. Um zu erreichen, dass Änderungen entlang der Strecke, z. B. Geschwindigkeitsbegrenzungen, oder des Fahrverhaltens, z. B. schnellere Fahrt auf bekannter Strecke, in der Statistik berücksichtigt werden, werden zur Schätzung der Antriebslast nur die letzten x Fahrten zur Strecke herangezogen, wobei z. B. x = 10. Ein auf diese Weise erzeugtes Lastprofil ist fahrer- und fah rzeugspezifisch.To improve the load prediction, an explicit load profile can also be transmitted via the electronic horizon, which is created by the HP on the basis of past trips. For this purpose, the drive load is stored during each journey in a fixed time grid with a location reference, e.g. via GPS or coupling location. If a route has been driven several times, the drive load can be estimated based on the statistics of the previous journeys. To make changes along the route, e.g. B. speed limits, or driving behavior, e.g. B. faster travel on a known route, are taken into account in the statistics, only the last x trips to the route are used to estimate the drive load, with z. B. x = 10. A load profile generated in this way is driver- and vehicle-specific.
Lenk- und RuhezeitenDriving and rest periods
Ruhezeiten sind Zeiten, in denen der Fahrer über eine bestimmte Mindestdauer ununterbrochen frei über seine Zeit verfügen kann. Jeder Fahrer muss tägliche und wöchentliche Ruhezeiten einhalten. Keine Ruhezeiten sind Zeiten der Arbeit oder Arbeitsbereitschaft sowie die im fahrenden Fahrzeug verbrachten Kabinenzeiten. Die Ruhezeit kann im Fahrzeug verbracht werden, sofern es mit einer Schlafkabine ausgestattet ist und nicht fährt.Rest periods are times in which the driver can freely dispose of his time for a certain minimum period of time. Every driver must observe daily and weekly rest periods. Times of work or readiness for work as well as the time in the cabin spent in the moving vehicle are not idle times. The rest time can be spent in the vehicle, provided it is equipped with a sleeping cabin and is not moving.
Die Tageslenkzeit im gewerblichen Güter- oder Personenverkehr darf 9 Stunden in einem Zeitraum innerhalb von 24 Stunden nicht überschreiten, zweimal pro Kalenderwoche darf sie jedoch auf zehn Stunden ausgedehnt werden.The daily driving time in commercial goods or passenger traffic may not exceed 9 hours within a 24-hour period, but it may be extended to ten hours twice per calendar week.
Die Lenkzeit darf ohne Fahrunterbrechung 4,5 Stunden nicht überschreiten. Spätestens nach 4,5 Stunden Lenkzeit muss der Fahrer deshalb eine Fahrunterbrechung von mindestens 45 Minuten einhalten. Fahrunterbrechung ist nach der Legaldefinition jeder Zeitraum, in dem der Fahrer keine Fahrtätigkeit ausüben und keine anderen Arbeiten ausführen darf und der ausschließlich zur Erholung genutzt wird. Die Erholungsphase kann, anders als bei der Tagesruhezeit, als Beifahrer im fahrenden Fahrzeug absolviert werden. Wartezeiten, bspw. bei der Grenzabfertigung oder beim Be- oder Entladen des Fahrzeugs, zählen als Fahrunterbrechung, wenn die voraussichtliche Dauer vorher bekannt ist. Das gleiche gilt für die Zeiten auf dem Beifahrersitz oder in der Schlafkabine im fahrenden Fahrzeug sowie auf Fähr- und Eisenbahnfahrten.The driving time may not exceed 4.5 hours without a break in driving. The driver must therefore take a break of at least 45 minutes after driving 4.5 hours at the latest. According to the legal definition, a break in driving is any period in which the driver is not allowed to drive or carry out any other work and which is used exclusively for recreation. In contrast to the daily rest period, the recovery phase can be completed as a passenger in the moving vehicle. Waiting times, e.g. when clearing the border or when loading or unloading the vehicle, count as a break in the journey if the expected duration is known in advance. The same applies to the times in the passenger seat or in the sleeping cabin in the moving vehicle as well as on ferry and train journeys.
Alternativ ist ein Splitting der Fahrunterbrechung zulässig, indem der Fahrer zunächst eine 15-minütige und später eine 30-minütige Fahrunterbrechung einlegt. Wichtig ist hierbei, dass die summierte Lenkzeit, beginnend von der vorherigen regulären Ruhezeit, d. h. einer Fahrunterbrechung, täglich oder wöchentliche Ruhezeit, bis zum Anfang der 30-minütigen Fahrunterbrechung, die geforderte Grenze von 4,5 Stunden nicht überschreitet.Alternatively, the break in the journey may be split up by first inserting a 15-minute break and then a 30-minute break. It is important here that the total driving time, starting from the previous regular rest period, i.e. H. a break in driving, daily or weekly rest, up to the beginning of the 30-minute break in driving, does not exceed the required limit of 4.5 hours.
Die regelmäßige tägliche Ruhezeit umfasst mindestens 11 Stunden. Dauert sie mindestens 9, aber keine 11 Stunden, handelt es sich um eine reduzierte tägliche Ruhezeit. Der Fahrer muss innerhalb jedes 24-Stundenzeitraums eine tägliche Ruhezeit einlegen. Der 24-Stundenzeitraum braucht nicht mit dem Kalendertag identisch zu sein. Die tägliche Ruhezeit kann dreimal zwischen zwei wöchentlichen Ruhezeiten auf 9 Stunden verkürzt werden, ohne dass die verkürzte Zeit nachgeholt werden muss. Die ungekürzte tägliche Ruhezeit kann in zwei Teilen genommen werden, was als Splitting bezeichnet wird, wobei der erste Teil einen ununterbrochenen Zeitraum von mindestens 3 Stunden und der zweite Teil einen ununterbrochenen Zeitraum von mindestens 9 Stunden umfassen muss. Die Einhaltung dieser Reihenfolge ist verbindlich. Hierbei ist zu beachten, dass es keinen rechtlich relevanten Unterschied macht, wo der Fahrer nächtigt, sprich es kann sowohl auf 9 Stunden Ruhezeit verkürzt werden, wenn der Kraftfahrer zu Hause nächtigt, als auch wenn er während einer Tour im Fahrzeug übernachtet.The regular daily rest period is at least 11 hours. If it lasts at least 9 but not 11 hours, it is a reduced daily rest period. The driver must take a daily rest period within each 24 hour period. The 24-hour period does not need to be the same as the calendar day. The daily rest period can be shortened three times between two weekly rest periods to 9 hours without having to make up for the shortened period. The full daily rest period can be taken in two parts, which is known as splitting, whereby the first part must comprise an uninterrupted period of at least 3 hours and the second part an uninterrupted period of at least 9 hours. Compliance with this order is binding. It should be noted that it makes no legally relevant difference where the driver stays, i.e. where he can can be shortened to 9 hours of rest if the driver spends the night at home, as well as if he spends the night in the vehicle during a tour.
Die regelmäßige wöchentliche Ruhezeit muss zusammenhängend 45 Stunden nach 6 x 24 Stunden bzw. nach der letzten wöchentlichen Ruhezeit betragen. Die wöchentliche Ruhezeit von 45 Stunden kann jedoch auf 24 Stunden verkürzt werden. Jede Verkürzung ist durch eine zusammenhängende Ruhezeit auszugleichen, die vor Ende der auf die betreffende Woche folgenden dritten Woche zu nehmen ist. Beim Splitting der regelmäßigen wöchentlichen Ruhezeit auf mindestens 24 Stunden müssen die nachzuholenden 21 Stunden jedoch beachtet werden, so dass die fehlende wöchentliche Ruhezeit von 21 Stunden nur dann anerkannt wird, wenn diese in direktem Anschluss an eine mindestens neunstündige Ruhezeit angehängt wird. Es sind zur Anerkennung also mindestens 30 Stunden Ruhezeit notwendig, es sei denn, die nachzuholenden 21 Stunden werden vor Ablauf der sechsten Tageslenkzeit, einer 45-stündigen regelmäßigen wöchentlichen Ruhezeit direkt vorangestellt. Eine verkürzte wöchentliche Ruhezeit muss spätestens vor Ende der nachfolgenden dritten Woche, die auf die verkürzte Ruhezeit folgt, ausgeglichen werden, also bspw. 66 Stunden Ruhezeit als Ergebnis von 45 Stunden und fehlenden 21 Stunden. In jeder Doppelwoche müssen mindestens zwei wöchentliche Ruhezeiten liegen, mindestens eine davon muss eine reguläre wöchentliche Ruhezeit (
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter einer Ruhezeit eines Fahrers des Kraftfahrzeugs einer Fahrtunterbrechung einer Fahrt des Kraftfahrzeugs verstanden werden, die eine Länge von mehr als 15 min, bevorzugt mehr als 30 min oder 45 min, besonders bevorzugt von mehr als 5 h aufweist.In the context of the present invention, a rest time of a driver of the motor vehicle can be understood to mean a break in a journey of the motor vehicle that is longer than 15 minutes, preferably more than 30 minutes or 45 minutes, particularly preferably more than 5 hours.
Fahrtenschreiber und TachographenTachographs and tachographs
Ein Tachograph, der auch als Fahrtschreiber, Fahrtenschreiber, Fahrtenzähler oder EG-Kontrollgerät bezeichnet wird, ist ein Tachometer mit angeschlossenem Messschreiber, der Lenk- und Ruhezeiten, Lenkzeitunterbrechungen, zusätzlich gefahrene Kilometer und die gefahrene Geschwindigkeit aufzeichnet. Hauptaufgabe des Fahrtenschreibers ist die Überwachung der Lenk und Ruhezeiten. Beim digitalen Tachographen gibt es bereits personalisierte Fahrerkarten. Damit ist ein Zugang zum Fahrzeug nur durch autorisierte und ausgebildete Fahrer und/oder Ersatz für den normalen Schlüssel prinzipiell möglich.A tachograph, which is also known as a tachograph, trip recorder, trip counter or EC control device, is a tachometer with a connected measuring recorder that records driving and rest times, driving time interruptions, additional kilometers driven and the speed driven. The main task of the tachograph is to monitor driving and rest times. The digital tachograph already has personalized driver cards. This means that access to the vehicle is in principle only possible for authorized and trained drivers and / or a replacement for the normal key.
Fahrerüberwachung und Blickrichtungserkennung, PersonalisierungDriver monitoring and line of sight recognition, personalization
Bekannt sind Verfahren zur Blickrichtungserkennung von Personen mittels Kamera. Dazu muss vorab eine sogenannte Personalisierung, d. h. eine Gesichtserkennung und ein Einlernen der Blickrichtung der Person, erfolgen. Dabei werden z. B. zuerst die typischen Gesichtsmerkmale gesucht und erkannt. Dann muss die zu lernende Person ein Symbol bzw. Punkt auf dem Display mit Ihrem Blick fixieren, der dann über die Displayfläche mehrmals verschoben wird.Methods for recognizing the direction of gaze of people by means of a camera are known. For this purpose, a so-called personalization, i. H. face recognition and teaching of the person's line of sight take place. Here z. B. first sought and recognized the typical facial features. Then the person to be trained has to fix a symbol or point on the display with your gaze, which is then shifted several times over the display surface.
Letztlich muss dieser Einlernvorgang für jede Person auf dem jeweiligen System bzw. Fahrzeug einmalig erfolgen. Im Betrieb des Systems erkennt dieses die spezifische Person und kann aufgrund der personalisierten Lerndaten die Blickrichtung Millimeter genau einer Position auf dem Display zuordnen.Ultimately, this learning process must be carried out once for each person on the respective system or vehicle. When the system is in operation, it recognizes the specific person and, based on the personalized learning data, can assign the viewing direction to a precise millimeter position on the display.
Eine Kamera, bspw. eine Infrarotkamera, und eine Anzeige bzw. ein Display sind zueinander definiert positioniert. Die geometrische Kalibrierung des Systems erfolgt am Bandende des OEM, bspw. durch Einlernen mit einem Schachbrett. Die Kabine selbst spielt dabei keine Rolle. Dabei werden auch Fertigungstoleranzen kompensiert. Für jedes weitere Display im Fahrzeug ist derzeit prinzipiell eine weitere Kamera erforderlich.A camera, for example an infrared camera, and a display or display are positioned in a defined manner with respect to one another. The system is geometrically calibrated at the end of the line at the OEM, e.g. by teaching-in with a chessboard. The cabin itself does not matter. Manufacturing tolerances are also compensated for. For each additional display in the vehicle, an additional camera is currently required in principle.
Mit der Erkennung der Blickrichtung und zugehörigen Position, z. B. auf einem Display, können sogenannte Blickrichtungsteuerungen umgesetzt werden. Das heißt, wohin der Fahrer auf dem Display schaut, nämlich Blickrichtung als Zeiger, kann dies zur Delegierung des Infotainments, wie bspw. der Ausfall von Anruflisten oder Karten usw., verwendet werden. Optional sind Bestätigungseingaben z.B. über Taster oder auch akustische oder Interpretationen von Augenlidbewegungen möglich.With the recognition of the viewing direction and associated position, e.g. B. on a display, so-called line of sight controls can be implemented. That is, wherever the driver is looking on the display, namely the direction of view as a pointer, this can be used to delegate the infotainment, such as the failure of call lists or cards, etc., for example. Confirmation inputs, e.g. via buttons or acoustic or interpretations of eyelid movements, are optionally possible.
Unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen wurde das vorgestellte Verfahren entwickelt, das in Ausgestaltung eine prädiktive Bestimmung eines notwendigen Ladezustands der Batterie für den Emmisions- und geräuschfreien Wohn- bzw. Hotelbetrieb und die Sicherstellung des Wiederstarts des Verbrennungsmotors ermöglicht.Taking into account the mentioned boundary conditions, the presented method was developed, which allows a predictive determination of a necessary state of charge of the battery for emission and noise-free living or hotel operation and ensuring the restart of the internal combustion engine.
Die prädiktive Bestimmung eines notwendigen Ladezustands der Batterie vor dem Wohn- bzw. Hotelbetrieb und dem Wiederstart des Verbrennungsmotors wird anhand von bekannten und/oder prognostizierten und/oder gelernten Fahrer- bzw. Bedienerruhezeiten und prognostizierten personengebundenen Verbrauchsinformationen elektrischer Verbraucher unter Einbeziehung von verbrauchsrelevanten Umgebungs- bzw. Umweltinformationen und/oder Logistik- bzw. Planungsinformationen durchgeführt.The predictive determination of a necessary state of charge of the battery before the residential or hotel operation and the restart of the internal combustion engine is based on known and / or predicted and / or learned driver or operator rest times and predicted personal consumption information of electrical consumers, taking into account consumption-relevant ambient or Environmental information and / or logistics or planning information carried out.
Darauf basierend können dann prädiktive Betriebsstrategien des Energiemanagements quasi vom Ziel-SoC zurückrechnend über der geplanten Route den Kraftstoffverbrauch während der Fahrt optimieren, was umfasst, sowohl den Generator bzw. die E-Maschine zum Laden der Batterie entsprechend anzusteuern als auch die Batterie entsprechend anzusteuern und auch die Batterie entsprechend und rechtzeitig zu entladen, um z. B. Rekuperationspotentiale nutzen zu können.Based on this, predictive operating strategies of the energy management can then, so to speak, calculate back from the target SoC using the planned route and optimize the fuel consumption during the journey, which includes both controlling the generator or the electric machine for charging the battery and controlling and controlling the battery accordingly also to discharge the battery accordingly and in good time, in order to e.g. B. to be able to use recuperation potential.
Der Vorteil liegt in einem verbrauchsoptimalen Fahrvertrieb und gleichzeitigen emissions- und geräuschfreien Wohn- bzw. Hotelbetrieb und einem sicheren Wiederstart des Verbrennungsmotors.The advantage lies in the consumption-optimized driving sales and at the same time emission-free and noise-free living or hotel operation and a safe restart of the combustion engine.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in einem ersten Schritt ein Zeitpunkt und/oder eine Dauer einer zukünftigen, insbesondere der nächsten, Ruhezeit des Fahrers des Kraftfahrzeugs ermittelt. Hierbei können Vorschriften zu Lenk- und Ruhezeiten und/oder eine derzeitige bzw. aktuelle Lenkzeit des Fahrers und/oder in der Vergangenheit zurückliegende Lenk- und Ruhezeiten des Fahrers und/oder anderer Fahrer berücksichtigt werden. Weiter kann die Navigations- bzw. Routenplanung des Kraftfahrzeugs und/oder eine aktuelle oder prognostizierte Verkehrs- und/oder Parkplatzsituation auf einer aktuellen Fahrtroute des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden.In a preferred embodiment of the method, a point in time and / or a duration of a future, in particular the next, rest period of the driver of the motor vehicle is determined in a first step. Here, regulations on driving and rest times and / or a current or current driving time of the driver and / or past driving and rest times of the driver and / or other drivers can be taken into account. Furthermore, the navigation or route planning of the motor vehicle and / or a current or forecast traffic and / or parking lot situation on a current route of the motor vehicle can be taken into account.
In einem zweiten Schritt wird der für die Fahrtunterbrechung bzw. Ruhezeit mit ausgeschaltetem Antriebsmotor benötigte Energie für den Betrieb von an das Bordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossenen Verbrauchern wie bspw. Heizung, Klimaanlage, Kaffeemaschine etc. ermittelt. Hierbei können Fahrzeugdaten und/oder Verbraucherdaten bspw. hinsichtlich Leistungsaufnahme berücksichtigt werden. Weiter können typische Energieverbräuche bei zurückliegenden Fahrtunterbrechungen bzw. Ruhezeiten berücksichtigt werden. Ferner können auch aktuelle oder prognostizierte Wetter- und Umgebungsbedingungen am Ort der Fahrtunterbrechung berücksichtigt werden.In a second step, the energy required for the break in the journey or rest time with the drive motor switched off for the operation of consumers connected to the vehicle electrical system, such as heating, air conditioning, coffee machine, etc., is determined. Vehicle data and / or consumer data, for example with regard to power consumption, can be taken into account here. Typical energy consumption in the case of past breaks in journeys or rest periods can also be taken into account. Furthermore, current or forecast weather and environmental conditions at the location of the break in the journey can also be taken into account.
In einem dritten Schritt wird der Soll-Wert für den Ladezustand der Batterie des Kraftfahrzeugs für den zukünftigen Zeitpunkt ermittelt. Hierbei können Fahrzeugdaten und/oder Verbraucherdaten bspw. hinsichtlich Leistungsaufnahme berücksichtigt werden. Bevorzugt wird auch die zu einem Wiederanlassen bzw. Neustarten des Antriebsmotors nach der Fahrtunterbrechung notwendige Energie berücksichtigt. Weiter können auch aktuelle oder prognostizierte Wetter- und Umgebungsbedingungen am Ort der Fahrtunterbrechung berücksichtigt werden.In a third step, the setpoint value for the state of charge of the battery of the motor vehicle is determined for the future point in time. Vehicle data and / or consumer data, for example with regard to power consumption, can be taken into account here. The energy required for restarting or restarting the drive motor after the interruption in travel is preferably also taken into account. Current or forecast weather and environmental conditions at the location of the break in the journey can also be taken into account.
In einem vierten Schritt wird eine Steuerstrategie, insbesondere eine Ladestrategie, zum Steuern des Ladezustands der Batterie ermittelt, um den Ladezustand der Batterie derart zu steuern, dass der Soll-Wert des Ladezustands zu dem zukünftigen Zeitpunkt erreicht wird. Hierbei kann die Batterie während der Fahrt des Kraftfahrzeugs auf einer aktuellen Fahrstrecke bis zum Ort der Fahrtunterbrechung zumindest intervallweise geladen werden. Die Steuerstrategie kann unter Berücksichtigung eines aktuellen Ladezustands der Batterie und/oder eines Gesundheitszustands bzw. State of Health der Batterie ermittelt werden. Bevorzugt werden die Navigations- bzw. Routenplanung des Kraftfahrzeugs und/oder ein Geschwindigkeits- und/oder Höhenprofil auf der aktuellen Fahrtroute und/oder eine aktuelle oder prognostizierte Verkehrssituation auf der aktuellen Fahrtroute des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden. Außerdem können auch Fahrwiderstände bzw. Lastprofile hinsichtlich Leistung und Energie auf der aktuellen Fahrstrecke berücksichtigt werden. Weiter können bei der Ermittlung aktuelle oder prognostizierte Wetter- und Umgebungsbedingungen an der Fahrstrecke berücksichtigt werden.In a fourth step, a control strategy, in particular a charging strategy, for controlling the state of charge of the battery is determined in order to control the state of charge of the battery in such a way that the target value of the state of charge is reached at the future point in time. In this case, the battery can be charged at least at intervals while the motor vehicle is driving on a current route up to the location of the interruption in the journey. The control strategy can be determined taking into account a current state of charge of the battery and / or a state of health or state of health of the battery. The navigation or route planning of the motor vehicle and / or a speed and / or altitude profile on the current route and / or a current or predicted traffic situation on the current route of the motor vehicle are preferably taken into account. In addition, driving resistances or load profiles with regard to power and energy on the current route can also be taken into account. Furthermore, current or forecast weather and environmental conditions on the route can be taken into account when determining.
Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt des Steuerns des Ladezustands der Batterie des Kraftfahrzeugs basierend auf der ermittelten Steuerstrategie, insbesondere Ladestrategie, auf der Fahrstrecke bzw. Fahrtroute des Kraftfahrzeugs.Finally, the method includes a step of controlling the state of charge of the battery of the motor vehicle based on the determined control strategy, in particular the charging strategy, on the route or route of the motor vehicle.
Typischerweise werden dabei Batteriezellen-Technologien eingesetzt, die größere Veränderungen des Batterie-SoC zulassen, z.B. Lithium-Ionen-Batterien, ohne dass es zu Beschädigungen der Batteriezellen kommt, wie z. B. eine Sulfatisierung bei Bleibatterien, die die Kapazität der Batterie immer mehr reduzieren.Typically, battery cell technologies are used that allow major changes to the battery SoC, e.g. lithium-ion batteries, without damaging the battery cells, e.g. B. sulfation in lead batteries, which reduce the capacity of the battery more and more.
Dabei ist nicht von Bedeutung, ob die elektrischen Verbraucher für den Wohn- bzw. Hotelbetrieb aus einer eigenen Batterie oder über einen Wandler aus z. B. einer elektrischen Traktionsbatterie gespeist werden. Entscheidend ist, dass die elektrische Energiequelle variabel ist, d. h. die Batterie nicht permanent lädt, z. B. ein Generator mit variabler Felderregung oder mechanischer Abschaltung. Dieser Freiheitsgrad der Lastzuschaltung am Verbrennungsmotor ermöglicht eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors und damit die Möglichkeit einer Verbrauchsoptimierung.It does not matter whether the electrical consumers for the residential or hotel operation from their own battery or via a converter from z. B. be fed by an electric traction battery. It is crucial that the electrical energy source is variable, ie the battery does not charge permanently, e.g. B. a generator with variable field excitation or mechanical shutdown. This degree of freedom of switching the load on the internal combustion engine enables a load point shift of the internal combustion engine and thus the possibility of optimizing consumption.
Es wird davon ausgegangen, dass die Zeiten für die gesetzlich vorgeschriebene Fahrunterbrechung von 45 min nach spätestens 4,5 h Fahrt bzw. 15 min innerhalb der 4,5 h Fahrt und 30 min anschließend und der in dieser Zeit der Fahrunterbrechung notwendige elektrische Energiebedarf aus der Batterie gedeckt werden können einschließlich notwendigen Wiederstart des Verbrennungsmotors.It is assumed that the times for the legally prescribed driving break of 45 minutes after a 4.5 hour drive at the latest or 15 minutes within the 4.5 hour drive and 30 minutes thereafter and the necessary electrical energy requirement during this time of the driving break are derived from the Battery can be covered including necessary restart of the internal combustion engine.
Somit kann der minimale, nicht zu unterschreitende SoC bei der Batterie für das Energiemanagement bzw. die Betriebsstrategie vorgegeben werden. Dieser Wert kann durch Tests in der Entwicklung bzw. Applikationsphase bzw. durch eine Worst Case-Betrachtung bzgl. des Betriebs der elektrischen Verbraucher in den Fahrunterbrechungen ermittelt werden.In this way, the minimum SoC, which is not to be undercut, can be specified for the battery for energy management or the operating strategy. This value can be determined through tests in the development or application phase or through a worst case analysis with regard to the operation of the electrical consumers during the interruptions in driving.
In weiteren Ausführungen geht es darum, den Beginn, die Dauer und den Energiebedarf des Wohn- bzw. Hotelbetriebs zu bestimmen. Im Weiteren wird der Begriff Wohnbetrieb für eine Übernachtung im Lkw und der Begriff Hotelbetrieb für Übernachtungen am Wochenende verwendet.In further explanations it is a matter of determining the beginning, the duration and the energy requirement of the residential or hotel operation. In the following, the term residential operation is used for an overnight stay in the truck and the term hotel operation for overnight stays at the weekend.
Da die Lenk- und Ruhezeiten gesetzlich geregelt sind und digitale Tachographen zusammen mit personengebundenen Fahrerkarten verwendet werden, kann abgeschätzt werden, wann und wie lange Fahrunterbrechungen und der Wohn- bzw. Hotelbetrieb dauern kann. Die digitalen Tachographen messen und speichern manipulationssicher Tageslenkzeiten, Wochenlenkzeiten, tägliche Ruhezeiten, wöchentliche Ruhezeiten, Fahrunterbrechungen, ununterbrochene Lenkzeiten usw.Since the driving and rest times are regulated by law and digital tachographs are used together with personal driver cards, it is possible to estimate when and how long driving breaks and living or hotel operations can last. The digital tachographs measure and store tamper-proof daily driving times, weekly driving times, daily rest periods, weekly rest periods, breaks in driving, uninterrupted driving times, etc.
Weiterhin ist zu beachten, dass Lkws zunehmend mit Planungs- und Logistik-Systemen vernetzt werden. Dadurch sind Start- und Ziel-Ort sowie Start- und Ziel-Zeiten bekannt. Zudem ist die Route vorgegeben und die aktuelle Position des Lkws ist dem Planungs- und Logistik-System bekannt.It should also be noted that trucks are increasingly being networked with planning and logistics systems. This means that the start and finish location as well as the start and finish times are known. In addition, the route is specified and the current position of the truck is known to the planning and logistics system.
Zunehmend werden auf den Logistikhöfen die Verweildauern der Lkws minimiert, Zielzeiten bzw. Ankunftszeiten voraus aktuell vorgegeben und Konzepte zur automatischen Führung des Lkw bzw. des Aufliegers bzw. Anhängers usw. entwickelt. Dadurch kann der Fahrer das Fahrzeug verlassen und seine gesetzlichen Ruhezeiten, wie bspw. der vorgeschriebenen Fahrunterbrechung, gerecht werden.Increasingly, the length of stay of the trucks at the logistics yards is being minimized, target times and arrival times are currently specified in advance and concepts for the automatic guidance of the truck or semitrailer or trailer etc. are being developed. As a result, the driver can leave the vehicle and comply with his statutory rest periods, such as the prescribed break in driving.
Im einfachsten Fall plant der Fahrer bzw. ein Planungs- und Logistik-System zur Route auch die Ruhezeiten und Fahrunterbrechung im Voraus. Das schließt auch ein, ob der Fahrer im Lkw übernachtet bzw. wohnt. Dadurch sind dann alle Randparameter für das Energiemanagement bzw. für die Betriebstrategien bekannt, nämlich Route bzw. Streckenabschnitte mit durchgehend laufendem Verbrennungsmotor und Ziel-SoC der Batterie. Es sind hierbei grundsätzlich adaptive und spekulative Verfahren bekannt.In the simplest case, the driver or a planning and logistics system for the route also plans the rest periods and interruptions in the journey in advance. This also includes whether the driver stays overnight or lives in the truck. As a result, all the marginal parameters for energy management or for the operating strategies are known, namely the route or route sections with the internal combustion engine running continuously and the target SoC of the battery. In principle, adaptive and speculative methods are known here.
Adaptive VerfahrenAdaptive procedures
Sind die Ruhezeiten nicht explizit vorausgeplant, kann insbesondere bei immer wieder gleichen Routen, bspw. Stuttgart - Hamburg - Stuttgart, aus der Vergangenheit gelernt werden. Wann und wo werden, statistisch, frühestens, im Mittel, spätestens, die Ruhezeiten in Anspruch genommen. Datums-, Zeit-, Wetter-, Personen-Korrelationen usw. können dabei ebenfalls berücksichtigt werden.If the rest periods are not explicitly planned in advance, you can learn from the past, especially if the routes are always the same, e.g. Stuttgart - Hamburg - Stuttgart. When and where, statistically, at the earliest, on average, at the latest, the rest periods are used. Date, time, weather, person correlations etc. can also be taken into account.
Spekulative VerfahrenSpeculative proceedings
Liegen keine Routenplanungen vor, so kann mittels vormals gefahrener Routen spekuliert werden, welche Route genommen wird und/oder mit Kenntnis der gesetzlichen Lenk- und Ruhezeiten und des diesbzgl. aktuellen Fahrerstands angenommen werden, wann diese spätestens in Anspruch genommen werden und/oder durch Hinzunahme bzw. Kenntnis der freien Rastplätze entlang der angenommen Route Ort und Zeit der Ruhephasen abgeschätzt werden.If no route planning is available, it can be speculated by means of routes previously driven which route will be taken and / or with knowledge of the statutory driving and rest times and the relevant current driver's cab, when they will be used at the latest and / or by adding or knowing the free rest areas along the assumed route, the location and time of the rest phases can be estimated.
Die vorstehend genannten Verfahren können auch in Kombination verwendet werden, nämlich Informationen aus Planungs- und Logistik- Systemen, Navigations- und Verkehrsinformationen, adaptive und spekulative Verfahren.The above-mentioned methods can also be used in combination, namely information from planning and logistics systems, navigation and traffic information, adaptive and speculative methods.
Entsprechend den gesetzlichen Vorgaben zur täglichen Ruhezeit, bspw. 11 Stunden, bzw. wöchentlichen Ruhezeiten, z. B. 45 Stunden, einschließlich der möglichen Variationen und dem aktuellen diesbezüglichen Fahrerstand, die im digitalen Tachographen online berechnet bzw. summiert und gespeichert werden, kann der Beginn und die Dauer des Wohn- bzw. Hotelbetriebs abgeschätzt werden. Es wird unterstellt, dass der in dieser Zeit der täglichen bzw. wöchentlichen Ruhezeit notwendige elektrische Energiebedarf aus der Batterie gedeckt werden kann, einschließlich des notwendigen Wiederstarts des Verbrennungsmotors.According to the legal requirements for daily rest time, e.g. 11 hours, or weekly rest time, e.g. B. 45 hours, including the possible variations and the current driver station in this regard, which are calculated or summed up and stored online in the digital tachograph, the beginning and the duration of the residential or hotel operation can be estimated. It is assumed that the electrical energy demand required during this time of the daily or weekly rest period can be covered by the battery, including the necessary restart of the internal combustion engine.
Es kann damit der minimale nicht zu unterschreitende SoC der Batterie für das Energiemanagement bzw. die Betriebsstrategie vorgegeben werden. Dieser Wert kann durch Tests in der Entwicklung bzw. Applikationsphase bzw. durch Worst Case Annahmen bzgl. des Betriebs der elektrischen Verbraucher in den Fahrunterbrechungen ermittelt werden. Dies umfasst eine Speicherung in Kennlinien bzw. Kennfeldern bzw. Festwerten, Parametern usw. Optional kann auch ein personengebundenes und/oder wetter- und/oder umfeldabhängiges Energieverbrauchsverhalten gelernt bzw. abgeschätzt werden. Hierbei werden Modelle und gegebenenfalls Neuronale Netze eingesetzt.The minimum SoC of the battery, which is not to be undercut, can thus be specified for the energy management or the operating strategy. This value can be determined by tests in the development or application phase or by worst-case assumptions regarding the operation of the electrical consumers during the interruptions in driving. This includes storage in characteristic curves or characteristic diagrams or fixed values, parameters, etc. Optionally, a person-related and / or weather and / or environment-dependent energy consumption behavior can also be learned or estimated. Models and, if necessary, neural networks are used here.
Alle vorstehend erläuterten Bestimmungen ergeben im Grunde eine Vorausschau bzw. Prädiktion der prinzipiellen Lenkzeiten, Ruhezeiten bzw. Fahrunterbrechungen und Wohn- und Hotelbetriebszeiten über bzw. an einer geplanten bzw. spekulierten Route.All of the provisions explained above basically result in a forecast or prediction of the basic driving times, rest periods or driving breaks and living and hotel operating times over or on a planned or speculated route.
Aufgrund des abgeschätzten notwendigen Energiebedarfs in den Ruhezeiten bzw. des SoC der Batterie kann mittels bekanntes Verfahren bzw. Algorithmen des Energiemanagements in den davorliegenden Lenkzeiten bzw. der davorliegenden Route der Kraftstoffverbrauch optimiert werden.Based on the estimated necessary energy requirement in the rest periods or the SoC of the battery, the fuel consumption can be optimized in the preceding driving times or the preceding route using known methods or algorithms of energy management.
Ungesetzliches Verhalten bzgl. der Lenk- und Ruhezeiten ist im digitalen Tachographen gespeichert und kann dazu führen, dass kein Verbrauchsoptimum erreicht wird und/oder der Verbrennungsmotor in den Ruhephasen gestartet werden muss, um die elektrischen Verbraucher zu versorgen und die Batterie zu laden. Sollte die Prädiktion unzutreffend sein, so bleibt als Rückfalllösung immer noch ein Wiederstart des Verbrennungsmotors und/oder die maximale Entladung der Batterie wird verhindert, d. h. ein minimal definierter SoC wird angehoben, so dass eine Sicherheitsreserve vorgehalten wird.Illegal behavior with regard to driving and rest times is stored in the digital tachograph and can result in no optimum consumption being achieved and / or the internal combustion engine having to be started in the rest phases in order to supply the electrical consumers and charge the battery. If the prediction is incorrect, the fallback solution still remains a restart of the internal combustion engine and / or the maximum discharge of the battery is prevented, i. H. a minimally defined SoC is raised so that a safety reserve is kept.
Zum einen ist im digitalen Tachographen ein zweiter Schlitz bzw. Slot für die personengebundene Fahrerkarte vorgesehen und zum anderen lässt sich auch plausibilisieren, ob der zweite Fahrer an Bord ist, z. B. mittels der Fahrerüberwachungskamera oder anderer Sitzbelegungserkennungen. Außer dem Fahrer weitere vorhandene Personen im Lkw können so bei der Abschätzung des Energieverbrauchs in den Ruhephasen berücksichtigt werden.On the one hand, a second slot or slot for the personal driver card is provided in the digital tachograph and, on the other hand, a plausibility check can also be made as to whether the second driver is on board, e.g. B. by means of the driver monitoring camera or other seat occupancy detection. In addition to the driver, other people present in the truck can be taken into account when estimating the energy consumption in the rest phases.
Geräuschfreie bzw. emotionsfreie Zonen können z. B. in dem Navigationskarten vermerkt sein.Noise-free or emotion-free zones can e.g. B. be noted in the navigation maps.
Die Routenplanungen und Lokalisierungen können mittels eines Navigationsgeräts realisiert werden.The route planning and localization can be implemented using a navigation device.
Die Verbindung mit dem Logistik-Systemen erfolgt bspw. mit einer Connected Control Unit (CCU), die in der Regel die Verfügbarkeit eines mobilen Dienstes voraussetzt.The connection to the logistics system is made, for example, with a Connected Control Unit (CCU), which usually requires the availability of a mobile service.
Die Betriebsstrategie für einen kraftstoffoptimalen Betrieb wird im Verbrennungsmotorsteuergerät (ECU) und/oder in der Fahrzeug-Steuereinheit (Vehicle Control Unit: VCU) gerechnet.The operating strategy for fuel-optimized operation is calculated in the internal combustion engine control unit (ECU) and / or in the vehicle control unit (VCU).
Der digitale Tachograph zur Überwachung der Lenk- und Ruhezeiten und Personalisierung ist vorstehend beschrieben und mittlerweile vorgeschrieben.The digital tachograph for monitoring driving and rest times and personalization is described above and is now mandatory.
Alle genannten Steuergeräte sind über digitale Bussysteme, wie z.B. CAN, Flexray, Ethernet, miteinander vernetzt und ermöglichen somit die hierin beschriebenen Funktionen im Verbund.All of the control devices mentioned are networked with one another via digital bus systems, such as CAN, Flexray, Ethernet, and thus enable the functions described here in a network.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawings.
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.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt in sechs Graphen eine Betriebsstrategie für ein Energieversorgungssystem eines Lastkraftwagens.1 shows in six graphs an operating strategy for an energy supply system of a truck. -
2 zeigt einen Verlauf des Ladezustands einer Batterie in einem Bordnetz eines Lastkraftwagens bei einer Betriebsstrategie nach dem Stand der Technik.2 shows a profile of the state of charge of a battery in an on-board network of a truck with an operating strategy according to the prior art. -
3 zeigt einen Verlauf des Ladezustands eines Batterie in einem Bordnetz eines Lastkraftwagens bei einer weiteren Betriebsstrategie nach dem Stand der Technik.3rd shows a profile of the state of charge of a battery in an on-board network of a truck in a further operating strategy according to the prior art. -
4 zeigt einen Verlauf des Ladezustands eines Batterie in einem Bordnetz eines Lastkraftwagens bei einer weiteren Betriebsstrategie gemäß dem vorgestellten Verfahren zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs.4th shows a profile of the state of charge of a battery in an on-board network of a truck in a further operating strategy according to the presented method for controlling a state of charge of a battery of a motor vehicle. -
5 zeigt in einem Flussdiagramm eine Rückwärtssimulation.5 shows a backward simulation in a flow diagram.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.The invention is shown schematically on the basis of embodiments in the drawings and is described in detail below with reference to the drawings.
- täglich 45 min Parken mit ausgeschaltetem Motor (Kaffeepause),
- täglich Übernachtungshalt mit ausgeschaltetem Motor,
- Eingangssignale sind Drehzahl, Geschwindigkeit, Drehmoment.
- daily 45 min parking with the engine switched off (coffee break),
- daily overnight stop with the engine switched off,
- Input signals are speed, speed, torque.
Der elektrische Verbrauch liegt bei:
- normaler Antrieb: 500 W
- Parken bei Kaffeepause: 50 W
- Hotelübernachtung(täglich): 1h: 300 W, 3h: 100 W, Rest 50 W
- normal drive: 500 W
- Parking during coffee break: 50 W
- Hotel accommodation (daily): 1h: 300 W, 3h: 100 W, rest 50 W
Ein erster Graph
Ein vierter Graph
Die Bedienstrategie sieht vor, die Batterie während der Fahrtzeiten
Die Bedienstrategie zeigt ein verbessertes Vorgehen gegenüber der Strategie aus
Die Darstellung verdeutlicht weiterhin, dass Lastkraftwagen im regelmäßigen Fernverkehr auf den gleichen Strecken zu den gleichen Zeiten bzw. Tagen ein reproduzierbares Lastprofil, insbesondere hinsichtlich Motordrehzahl, Fahrzeuggeschwindigkeit und Motorleistung, haben.The illustration also shows that trucks in regular long-distance traffic on the same routes at the same times or days have a reproducible load profile, in particular with regard to engine speed, vehicle speed and engine power.
Diese Ladestrategie hat den Vorteil, dass nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors und damit des Generators, bspw. zum Übernachten oder am Wochenende, immer ausreichend notwendige elektrische Energie zum Versorgen der elektrischen Verbraucher und für den Start des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht.This charging strategy has the advantage that after the internal combustion engine and thus the generator have been switched off, e.g. for overnight stays or at the weekend, sufficient electrical energy is always available to supply the electrical consumers and to start the internal combustion engine.
Auf der rechten Seite zeigt ein zweiter Graph
Der Generator zum Laden der Batterie wird wie andere Nebenaggregate vom Verbrennungsmotor angetrieben und verbraucht je nach Generator-Last anteilig Kraftstoff. Die nachstehende Tabelle 1 gibt einen Überblich über mögliche Lasten:
Tabelle 1: Übersicht der Lasten
Die Summe der möglichen Lasten bzw. Verbräuche für einen Hotelbetrieb beträgt 300 bis 900 W. Definierte Lastprofile für durchgeführte Simulationen sind:
- Parken bei Kaffeepause: 50 W
- Hotelbetrieb: 1h: 300 W, 3h: 100 W, Rest 50 W
- Parking during coffee break: 50 W
- Hotel operation: 1h: 300 W, 3h: 100 W, rest 50 W
Es hat sich nunmehr gezeigt, dass die Ladestrategie gemäß dem ersten Graphen
Nicht weiter dargestellt sind alle mechanisch angetriebenen Verbraucher bzw. Nebenaggregate, z. B. am Riementrieb des Verbrennungsmotors wie Wasserpumpe, Klimakompressor, Generator usw., die man aber, je nach Fragestellung, in den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors einrechnen könnte.All mechanically driven consumers or ancillary units, e.g. B. on the belt drive of the internal combustion engine such as water pump, air conditioning compressor, generator, etc., which, depending on the question, could be included in the efficiency of the internal combustion engine.
Dargestellt ist eine P2-Hybridsystemarchitektur, Elektromotor und Verbrennungsmotor sind auf der gleichen Antriebswelle, haben die gleiche Drehzahl. Nicht dargestellt ist die Betriebsstrategie, welcher Anteil des notwendigen Momentes vom Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor kommt.A P2 hybrid system architecture is shown, the electric motor and combustion engine are on the same drive shaft and have the same speed. The operating strategy, which portion of the necessary torque comes from the internal combustion engine and / or electric motor, is not shown.
Bei einem heutigen konventionellen Antriebssystem würden die Komponenten
Rekuperieren heißt in Betriebszuständen wie Schub, Verzögerung oder Bremsen, den Generator maximal Energie erzeugen zu lassen und in der Batterie
Diese dargestellte prinzipielle Rückrechnung wird für eine Lastabschätzung über einer geplanten Route benötigt, also ausgehend von den Fahrwiderständen über der geplanten Route über Fahrzeug bzw. Rad in das Antriebssystem mit den Nebenaggregaten hinein (Rückrechnung).This basic recalculation shown is required for a load estimate over a planned route, i.e. based on the driving resistances over the planned route via vehicle or wheel into the drive system with the ancillary units (recalculation).
Nicht dargestellt ist der elektrische Generator für das Bordnetz. Dieser ist am Verbrennungsmotor-Riementrieb (Nebenaggregat).The electrical generator for the vehicle electrical system is not shown. This is on the internal combustion engine belt drive (auxiliary unit).
Würden bei einem Hochvolt-Hybridsystem elektrische Verbraucher
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