DE102019216454A1

DE102019216454A1 - Modelbasierte prädiktive Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs eines Kraftfahrzeugs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente

Info

Publication number: DE102019216454A1
Application number: DE102019216454.4A
Authority: DE
Inventors: Kai Timon Busse; Matthias Friedl; Detlef Baasch; Valerie Engel
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-04-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prozessoreinheit (3) zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine (8) eines Antriebstrangs (7) sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs (1), wobei die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, einen MPC-Algorithmus (13) zur modellbasierten prädiktiven Regelung der Antriebsmaschine (8) sowie der zumindest einen die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente auszuführen, wobei der MPC-Algorithmus (13) ein Längsdynamikmodell (14) des Antriebsstrangs (7) und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussenden Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion (15) enthält, wobei die Kostenfunktion (15) wenigstens einen ersten Term aufweist, der eine jeweilige mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) prädizierte Verlustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug (1) während des Zurücklegens einer innerhalb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke erfährt, und wobei die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' (13) in Abhängigkeit des jeweiligen Terms eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine modelbasierte prädiktive Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs. Beansprucht werden in diesem Zusammenhang insbesondere eine Prozessoreinheit, ein Kraftahrzeug, ein Verfahren sowie ein Computerprogrammprodukt.
Methoden der modelbasierten prädiktiven Regelung (im Englischen: Model Predictive Control oder abgekürzt MPC) werden auf dem Gebiet der Trajektorie-Regelung, insbesondere im Bereich der Motor-Regelung in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Aus der EP 2 610 836 A1 ist eine Optimierung einer Energiemanagement-Strategie auf Basis eines Vorausschauhorizonts und weiteren Umgebungsinformationen durch Minimierung einer Kostenfunktion bekannt. Dabei erfolgt ein Erstellen eines neuronalen Netzes zur Nutzung im Fahrzeug und eine Modellierung des Fahrers sowie eine Vorhersage des von ihm wahrscheinlich gewählten Geschwindigkeitsverlaufs. Ferner offenbart die EP 1 256 476 B1 eine Strategie zur Reduktion des Energiebedarfs beim Fahren und zur Erhöhung der Reichweite. Dabei werden Informationen des Navigationsgeräts genutzt, nämlich eine aktuelle Fahrzeugposition, Straßenmuster, Geografie mit Datum und Uhrzeit, Höhenveränderung, Geschwindigkeitsbeschränkungen, Kreuzungsdichte, Verkehrsüberwachung und Fahrmuster des Fahrers.
Der Fahrer und sein Fahrstil haben einen enormen Einfluss auf den Energieverbrauch beim Betreiben eines Kraftfahrzeugs. Bekannte Tempomaten berücksichtigen jedoch nicht den Energieverbrauch. Weiterhin sind vorausschauende Fahrstrategien typischerweise regelbasiert und liefern dadurch nicht in jeder Situation optimale Ergebnisse. Optimierungsbasierte Strategien sind ferner sehr rechenaufwändig und bisher nur als Offline-Lösung bekannt oder werden mit dynamischer Programmierung gelöst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte MPC-Regelung für eine Antriebsmaschine eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Optimierung des Energieverbrauchs des Kraftfahrzeugs während der Fahrt durch Kenntnis von Verlusten des Antriebsstrangs sowie der jeweiligen die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente. Dazu wird - wie im Folgenden näher erläutert wird - insbesondere auf die Optimierung von Fahrwiderständen abgestellt. Auf die Nutzung einer Referenzgeschwindigkeit kann dabei komplett verzichtet werden.
Um in jeder Situation unter gegebenen Randbedingungen und Beschränkungen eine optimale Lösung für eine sogenannte „Driving Efficiency“ Fahrfunktion zu finden, welche eine effiziente Fahrweise bereitstellen soll, wurde die Methode der modelbasierten prädiktiven Regelung (MPC) gewählt. Die MPC-Methode basiert auf einem Systemmodell, welches das Verhalten des Systems beschreibt. Weiterhin basiert die MPC-Methode auf einer Zielfunktion bzw. auf einer Kostenfunktion, die ein Optimierungsproblem beschreibt und bestimmt, welche Zustandsgrößen minimiert werden sollen. Die Zustandsgrößen für die Driving Efficiency Fahrfunktion können insbesondere die Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, die verbleibende Energie in der Batterie, die Fahrzeit, der Luftwiderstand des Kraftfahrzeugs und der Restreibmoment in einer oder mehrerer Bremseinheiten, beispielsweise Scheibenbremsen einer Bremsanlage des Kraftfahrzeugs sein. Die Optimierung von Energieverbrauch und Fahrtzeit erfolgt insbesondere auf Basis der Steigung der vorausliegenden Strecke und Beschränkungen für Geschwindigkeit und Antriebskraft, auf Basis des aktuellen Systemzustands, auf Basis des Fahrzeugniveaus über der Fahrbahn und/oder auf Basis des innerhalb der Scheibenbremsen des Kraftfahrzeugs auftretenden Reibverlusten infolge von Restreibmomenten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Prozessoreinheit zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs eines Kraftfahrzeugs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente bereitgestellt. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, einen MPC-Algorithmus zur modellbasierten prädiktiven Regelung der Antriebsmaschine sowie der zumindest einen die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente auszuführen. Der MPC-Algorithmus enthält ein Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion. Die Kostenfunktion weist wenigstens einen ersten Term auf, der eine jeweilige mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte Verlustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug während des Zurücklegens einer innerhalb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke erfährt. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' in Abhängigkeit des jeweiligen Terms eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Die wenigstens eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente ist dazu vorgesehen, Verluste, die während des Antriebs oder während des Betriebs des Kraftfahrzeugs auftreten, zu beeinflussen und/oder zumindest temporär zu verhindern, und dadurch insbesondere den Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs zu reduzieren.
Vorzugsweise enthält die Kostenfunktion als ersten Term einen mit einem ersten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierten Luftwiderstand, welchem das Kraftfahrzeug während des Zurücklegens einer innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke ausgesetzt ist. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' in Abhängigkeit von dem ersten Term die jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Der Luftwiderstand ist Bestandteil des Gesamtfahrwiderstands eines Kraftfahrzeugs, und ist somit Teil der Summe aller Widerstände, die ein Fahrzeug mit Hilfe einer Antriebskraft überwinden muss, um mit einer konstanten oder beschleunigten Geschwindigkeit auf einer horizontalen oder geneigten Strecke zu fahren. Der Luftwiderstand steigt quadratisch mit der Fahrgeschwindigkeit und ist abhängig von der aerodynamischen Form des Fahrzeuges (Luftwiderstandsbeiwert) und der Luftdichte. Weitere Faktoren zur Beschreibung des Luftwiderstandes sind unter anderem der Strömungswiderstandskoeffizient (cw-Wert) sowie die projizierte Stirnfläche des Kraftfahrzeugs. Die Stirnfläche sowie der Strömungswiderstandskoeffizient sind über die die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente beeinflussbar bzw. veränderbar.
In diesem Sinn ist die die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente nach einem ersten Ausführungsbeispiel ein höhenverstellbares Fahrwerk des Kraftfahrzeugs, wobei die Prozessoreinheit dazu eingerichtet ist, ein Fahrzeugniveau zu justieren. Mit anderen Worten wird der durch die Prozessoreinheit geplanten Fahrstrategie ein zusätzlicher Freiheitsgrad gewährt, und zwar die Benutzung des höhenverstellbaren Fahrwerks, um die Geschwindigkeitstrajektorie des Kraftfahrzeugs über den vorausliegenden Streckenabschnitt energieoptimal zu planen. Insbesondere umfasst das höhenverstellbare Fahrwerk, das beispielsweise hydraulisch betätigbar ist, mehrere Aktuatoren zur stufenlosen Justierung des Fahrzeugniveaus. Bevorzugt ist jedes Federbein des Kraftfahrzeugs mit einem solchen Aktuator wirkverbunden, wobei der jeweilige Aktuator beispielsweise einen Federteller des Kraftfahrzeugs verstellt. In Zusammenwirkung mehrerer Aktuatoren wird die Höhe des Pkw-Aufbaus stufenlos justiert, wobei dadurch die Stirnfläche des Kraftfahrzeugs sowie der Strömungswiderstandskoeffizient vergrößert oder verkleinert wird. Ein Absenken des Fahrwerks bewirkt eine Reduzierung der Stirnfläche des Kraftfahrzeugs sowie des Strömungswiderstandskoeffizienten und letztlich des Luftwiderstands. Dies führt je nach Fahrsituation vorteilhafterweise zu einer Verbesserung der Aerodynamik und damit einer Einsparung von Energie. Je nach Antriebsart der Antriebsmaschine bedeutet dies eine Reduzierung von CO2-Emissionen oder von elektrischer Energie. Mithin wird das Kraftfahrzeug durch ein Absenken des Fahrzeugniveaus energieeffizienter betrieben. Ein Anheben des Fahrzeugniveaus bewirkt demgegenüber eine Erhöhung des Fahrkomforts. Mit anderen Worten wird mittels der Prozessoreinheit unter Berücksichtigung des vorausliegenden Streckenabschnitts eine geeignete Strategie zum Absenken bzw. Anheben des Fahrzeugniveaus ausgewählt, die sowohl die Energieeffizienz als auch den Fahrkomfort berücksichtigt.
Durch Ausführen des MPC-Algorithmus' in Abhängigkeit des ersten Terms wird eine Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für das höhenverstellbare Fahrwerk ermittelt, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Mit anderen Worten wird auf Basis der Routentopologie, des Verkehrs, sowie weiterer Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs oder die Route betreffende Informationen eine optimale Geschwindigkeitstrajektorie des Kraftfahrzeugs für den vorausliegenden Streckenabschnitt bzw. dem Prädiktionshorizont geplant, wobei die Trajektorie durch geeignete Einstellung des Fahrzeugniveaus zusätzlich verbessert wird. Insbesondere wird mittels der Prozessoreinheit die Fahrwerkshöhe entlang des Prädiktionshorizonts geplant. Weiterhin wird durch die MPC-Optimierung der Trajektorie des Kraftfahrzeugs vermieden, dass zum einen durch ungeschickte Aktivierung des Hebe- bzw. Senksystems des Fahrwerks unnötige Energie verbraucht wird, oder dass eine ungewollte Absenkung des Fahrwerks erfolgt, obwohl die Routentopologie, der Verkehr oder die weiteren Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs einen bestimmten höheren Fahrkomfort ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Kostenfunktion als zweiten Term einen mit einem zweiten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierten Restreibmoment, welcher an der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke zu Verlusten führt, wobei die die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente wenigstens eine Scheibenbremse mit einer Bremsscheibe und einer Bremsbacke umfasst.
Vorzugsweise ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' in Abhängigkeit von dem ersten Term und in Abhängigkeit von dem zweiten Term die jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die jeweilige Scheibenbremse zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird.
Die Erfindung sieht vor, dass unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells, welches dazu eingerichtet ist, aktuelle Verlustleistungen des Kraftfahrzeugs bereitzustellen, die beispielsweise aus einer Fahrzeugsensorik oder aus einem Fahrzeugmodell stammen, ein Restreibmoment temporär eingestellt wird. Bei heutigen Kraftfahrzeugbremsen liegt bisher üblicherweise ein ständiger (Schleif-)Kontakt von Bremsbacken und Bremsscheibe der jeweiligen Scheibenbremse vor, welcher einer dauerhafte Verlustleistung erzeugt. Diese Verluste werden unter anderem deswegen in Kauf genommen, weil der ständige Kontakt mit der Bremsscheibe einen sofortigen Einsatz der Bremse ermöglicht und somit die Sicherheit des Kraftfahrzeugs signifikant erhöht. Ein permanenter Abstand zwischen der Bremsbacke und der Bremsscheibe würde im Gegensatz dazu bewirken, dass bei Betätigung der Bremse zunächst eine gewisse Distanz zwischen den Bauteilen überwunden werden müsste, bevor zur Einstellung eines Bremseffektes ein Bremsdruck aufgebaut werden kann. Dies hat ungewünschte sicherheitstechnische Nachteile, die zwingend zu vermeiden sind.
In diesem Sinne ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, einen Abstand zwischen der Bremsscheibe und der Bremsbacke der jeweiligen Scheibenbremse einzustellen. Mit anderen Worten wird der durch die Prozessoreinheit geplanten Fahrstrategie ein zusätzlicher Freiheitsgrad gewährt, und zwar die Benutzung der mechanischen Bremsen, um die Geschwindigkeitstrajektorie des Kraftfahrzeugs für den vorausliegenden Streckenabschnitt bzw. dem Prädiktionshorizont energieoptimal zu planen. Die Prozessoreinheit realisiert entlang der Trajektorie bzw. entlang des vorausliegenden Streckenabschnitts bzw. für die vorausliegende Wegstrecke eine temporäre Trennung der jeweiligen Bremsbacke von der dazugehörigen Bremsscheibe, insbesondere in Fahrsituationen bzw. in Streckenabschnitten, in denen beispielsweise auf Basis der Routentopografie, des Fahrzeugzustandes und/oder des aktuellen bzw. in Fahrtrichtung vor dem Kraftfahrzeug auftretenden Verkehrs kein Bremsrisiko oder ein Bremsrisiko unterhalb eines bestimmten Grenzwertes besteht. Mithin wird in diesen Fahrsituationen kein Restreibmoment erzeugt, sodass keine Leistungsverluste in Folge von Restreibmomenten vorhanden sind und gleichzeitig die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs steigt. Demgegenüber wird vor oder in Fahrsituationen mit erhöhtem Bremsrisiko, bzw. wenn hohe negative Beschleunigungen vorhergesagt werden, ein (Schleif-)Kontakt zwischen der Bremsscheibe und der Bremsbacke der jeweiligen Scheibenbremse hergestellt, um im Fall eines erforderlichen Bremsvorgangs die gewünschte sofortige Bremswirkung bei Betätigung der Bremse zu gewährleisten. Wann genau welche Fahrsituationen vorliegen, ist der Prozessoreinheit frühzeitig bekannt, sodass entsprechend eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die jeweilige Scheibenbremse ermittelt werden kann. Anhand der vorliegenden Erfindung wird folglich eine hinsichtlich der Restreibmomente innerhalb der Scheibenbremse reibungsminimierte Bremse geschaffen.
Der Stand der Technik, insbesondere Schwickart (s.o.), lehrt eine Geschwindigkeitsreferenz als Basis für den MPC-Regler. Zusätzlich zu erhöhtem Energieverbrauch werden in der Zielfunktion Abweichungen zu dieser Referenzgeschwindigkeit bestraft. Schwickart hat alternativ auch eine Formulierung untersucht, die ohne Referenzgeschwindigkeit auskommt und stattdessen eine Abweichung von einem definierten erlaubten Geschwindigkeitsband bestraft. Diese Formulierung hat Schwickart nicht als vorteilhaft bewertet, da aufgrund des zweiten Terms in der Zielfunktion, welcher den Energieverbrauch minimiert, die Lösung immer am unteren Rand des erlaubten Geschwindigkeitsbereichs liegt. Dies ist aber auch bei Nutzung der Geschwindigkeitsreferenz in ähnlicher Weise der Fall. Sobald der Term, welcher die Abweichung von der Geschwindigkeitsreferenz bestraft, gelockert wird, führt die Bewertung des Energieverbrauchs zu einer Reduktion der gefahrenen Geschwindigkeit. Eine Abweichung zur Referenz wird immer in Richtung zu niedrigeren Geschwindigkeiten hin erfolgen.
Um dem entgegen zu wirken, schlägt die vorliegende Erfindung vor, dass die Zielfunktion bzw. die Kostenfunktion der Driving Efficiency Fahrstrategie noch einen weiteren Term enthält, wodurch zusätzlich zum Energieverbrauch auch die Fahrzeit minimiert wird. Dies führt dazu, dass je nach Wahl der Gewichtungsfaktoren eine geringe Geschwindigkeit nicht immer als optimal bewertet wird und so nicht mehr das Problem besteht, dass die resultierende Geschwindigkeit immer am unteren Rand der erlaubten Geschwindigkeit liegt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass der Fahrereinfluss nicht länger relevant für den Energieverbrauch und die Fahrzeit des Kraftfahrzeugs ist, weil die Antriebsmaschine sowie die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente durch die Prozessoreinheit basierend auf der jeweiligen Eingangsgröße gesteuert werden kann, die durch Ausführen des MPC-Algorithmus ermittelt wird. Mittels der jeweiligen Eingangsgröße kann insbesondere ein optimaler Motorbetriebspunkt der Antriebsmaschine eingestellt werden. Dadurch kann eine direkte Einregelung der optimalen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs erfolgen.
Vorzugsweise enthält die Kostenfunktion als dritten Term eine mit einem dritten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte elektrische Energie, welche innerhalb eines Prädiktionshorizonts von einer Batterie des Antriebsstrangs zum Antrieb der Antriebsmaschine bereitgestellt wird. Weiterhin enthält die Kostenfunktion als vierten Term eine mit einem vierten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte Fahrzeit, welche das Kraftfahrzeug zum Zurücklegen der gesamten innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke benötigt. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' in Abhängigkeit von dem ersten Term, in Abhängigkeit von dem zweiten Term, in Abhängigkeit von dem dritten Term und in Abhängigkeit von dem vierten Term die jeweilige Eingangsgröße bzw. ein jeweiliges Eingangssignal für die Antriebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Außerdem kann die Prozessoreinheit dazu eingerichtet sein, die Antriebsmaschine und/oder die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente basierend auf der jeweiligen Eingangsgröße zu steuern.
Der Energieverbrauch und die Fahrzeit des Kraftfahrzeugs können jeweils am Ende des Horizonts ausgewertet und gewichtet werden. Der jeweilige Term ist also nur für den letzten Punkt des Horizonts aktiv. In diesem Sinne enthält die Kostenfunktion in einer Ausführungsform einen mit dem dritten Gewichtungsfaktor gewichteten Energieverbrauchsendwert, den die prädizierte elektrische Energie am Ende des Prädiktionshorizonts annimmt, und die Kostenfunktion enthält einen mit dem vierten Gewichtungsfaktor gewichteten Fahrzeitendwert, den die prädizierte Fahrzeit am Ende des Prädiktionshorizonts annimmt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Das Kraftfahrzeug umfasst einen Antriebsstrang mit einer Antriebsmaschine, zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente und ein Fahrerassistenzsystem. Die Antriebsmaschine ist beispielsweise als elektrische Maschine ausgebildet, wobei der Antriebsstrang insbesondere eine Batterie umfasst. Ferner umfasst der Antriebsstrang insbesondere ein Getriebe. Das Fahrerassistenzsystem ist dazu eingerichtet, mittels einer Kommunikations-Schnittstelle auf eine Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie auf eine Eingangsgröße für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente zuzugreifen, wobei die jeweilige Eingangsgröße von einer Prozessoreinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ermittelt worden ist. Weiterhin kann das Fahrerassistenzsystem dazu eingerichtet sein, die Antriebsmaschine und/oder die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente basierend auf der jeweiligen Eingangsgröße zu steuern. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug wie Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Bus oder Lastkraftwagen (z.B. mit einem Gewicht von über 3,5 t). Das Fahrzeug kann beispielsweise zu einer Fahrzeugflotte gehören. Das Fahrzeug kann durch einen Fahrer gesteuert werden, möglicherweise unterstützt durch ein Fahrerassistenzsystem. Das Fahrzeug kann jedoch auch beispielsweise ferngesteuert und/oder (teil-)autonom gesteuert werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren wird ein MPC-Algorithmus zur modellbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs mittels einer Prozessoreinheit ausgeführt. Dabei enthält der MPC-Algorithmus ein Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion, wobei die Kostenfunktion wenigstens einen ersten Term aufweist, der eine jeweilige mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte Verlustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug während des Zurücklegens einer innerhalb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke erfährt. Weiterhin wird eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente in Abhängigkeit des jeweiligen Terms durch Ausführen des MPC-Algorithmus' mittels der Prozessoreinheit ermittelt, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Außerdem kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Antriebsmaschine sowie die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente basierend auf der jeweiligen Eingangsgröße gesteuert werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, wobei das Computerprogrammprodukt, wenn es auf einer Prozessoreinheit ausgeführt wird, die Prozessoreinheit anleitet, einen MPC-Algorithmus zur modellbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs auszuführen. Dabei enthält der MPC-Algorithmus ein Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion, wobei die Kostenfunktion wenigstens einen ersten Term aufweist, der eine jeweilige mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte Verlustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug während des Zurücklegens einer innerhalb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke erfährt. Weiterhin leitet das Computerprogrammprodukt, wenn es auf der Prozessoreinheit ausgeführt wird, die Prozessoreinheit an, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' in Abhängigkeit von dem jeweiligen Term eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Ferner kann das Computerprogrammprodukt, wenn es auf der Prozessoreinheit ausgeführt wird, die Prozessoreinheit anleiten, die Antriebsmaschine sowie die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente basierend auf der jeweiligen Eingangsgröße zu steuern.
Das Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs kann ein Fahrzeugmodell mit Fahrzeugparametern und Antriebsstrangverlusten (z.T. approximierte Kennfelder) umfassen. In das Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs können insbesondere Kenntnisse über vorausliegende Streckentopografien (z.B. Kurven und Steigungen) einflie-ßen. Weiterhin können auch Kenntnisse über Geschwindigkeitslimits auf der vorausliegenden Strecke in das Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs einfließen. Das Längsdynamikmodell stellt zudem Informationen zu aktuell auftretenden Verlustleistungen, wie beispielsweise Reibverluste oder Informationen über den Fahrwiderstand, insbesondere dem Luftwiderstand bereit. Das Längsdynamikmodell ist insbesondere dazu vorgesehen, Verluste im Kraftfahrzeug mathematisch abzuschätzen.
Die Kostenfunktion besitzt ausschließlich lineare und quadratische Terme. Dadurch hat das Gesamtproblem die Form einer quadratischen Optimierung mit linearen Nebenbedingungen und es ergibt sich ein konvexes Problem, welches gut und schnell gelöst werden kann. Die Zielfunktion bzw. die Kostenfunktion kann mit einer Gewichtung (Gewichtungsfaktoren) aufgestellt werden, wobei insbesondere eine Energieeffizienz, eine Fahrtzeit und ein Fahrkomfort berechnet und gewichtet werden. Eine energieoptimale Geschwindigkeitstrajektorie kann für einen vorausliegenden Horizont auf der Prozessoreinheit online berechnet werden, die insbesondere ein Bestandteil eines Zentralsteuergeräts des Kraftfahrzeugs bilden kann. Durch Nutzung der MPC-Methode kann weiterhin eine zyklische Neuberechnung der Soll-Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs auf Basis des aktuellen Fahrzustands und der vorausliegenden Streckeninformationen erfolgen.
Aktuelle Zustandsgrößen können gemessen, entsprechende Daten können aufgenommen und dem MPC-Algorithmus zugeführt werden. So können Streckendaten aus einer elektronischen Karte für einen Vorausschauhorizont bzw. Prädiktionshorizont, vorzugsweise bis zu 5 km vor dem Kraftfahrzeug insbesondere zyklisch aktualisiert werden. Die Streckendaten können beispielsweise Steigungsinformationen, Kurveninformationen und Informationen über Geschwindigkeitslimits und Ampelanlagen sowie Ampelschaltungen beinhalten. Des Weiteren kann eine Kurvenkrümmung über eine maximal zulässige Querbeschleunigung in ein Geschwindigkeitslimit für das Kraftfahrzeug umgerechnet werden. Außerdem kann eine Ortung des Kraftfahrzeugs erfolgen, insbesondere über ein GNSS-Signal zur genauen Lokalisierung auf der elektronischen Karte.
Durch die Kostenfunktion des MPC-Algorithmus' erfolgt eine Minimierung des Luftwiderstandes und/oder eine Minimierung der Restreibmomente in der Bremsanlage. In einer Ausführungsform erfolgt weiterhin eine Minimierung der Fahrzeit für den Prädiktionshorizont. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt außerdem eine Minimierung von verbrauchter Energie. Was den Input für die modellbasierte prädiktive Regelung angeht, so können dem MPC-Algorithmus als Nebenbedingungen z.B. Geschwindigkeitslimits, Ampelstandorte, Ampelschaltungen, Verkehrsinformationen, Verluste resultierend aus Reibung und/oder Luftwiderständen, physikalische Grenzen für das Drehmoment und Drehzahlen der Antriebsmaschine zugeführt werden. Dem MPC-Algorithmus können weiterhin Steuergrößen für die Optimierung als Input zugeführt werden, insbesondere die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (welche proportional zur Drehzahl sein kann), das Drehmoment der Antriebsmaschine, der Batterieladezustand sowie der Verlust aus Reibung und/oder dem Luftwiderstand, dem das Kraftfahrzeug während der Fahrt ausgesetzt ist. Als Output der Optimierung kann der MPC-Algorithmus eine optimale Drehzahl und ein optimales Drehmoment für berechnete Punkte im Vorausschauhorizont liefern. Ferner kann der MPC-Algorithmus als Output der Optimierung eine optimale Höhe des Fahrzeugniveaus oder einen optimalen Abstand zwischen der Bremsscheibe und der Bremsbacke der jeweiligen Scheibenbremse liefern. Was die Umsetzung der MPC-Regelung im Fahrzeug angeht, so kann dem MPC-Algorithmus ein Softwaremodul nachgeschaltet sein, welches einen aktuell relevanten Zustand ermittelt und an eine Leistungselektronik weitergibt.
Die vorhergehenden Ausführungen gelten gleichermaßen für die Prozessoreinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, für das Fahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, für das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und für das Computerprogrammprodukt gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der einzigen schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die einzige Figur zeigt eine stark vereinfachte Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Antriebsstrang, der eine Antriebsmaschine und eine Batterie umfasst, sowie einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente gemäß einer ersten Ausführungsform.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, z.B. ein Personenkraftfahrwagen. Das Kraftahrzeug 1 umfasst ein System 2 zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs des Kraftfahrzeugs 1 sowie mehrerer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponenten. Die erste die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente ist eine exemplarisch dargestellte Scheibenbremse 17, wobei das Kraftfahrzeug 1 auch mehrere analog dazu ausgebildete Scheibenbremsen, beispielsweise an jedem Rad des Kraftfahrzeugs 1, aufweisen kann. Die Scheibenbremse 17 umfasst eine Bremsscheibe 20 und eine Bremsbacke 21, wobei durch einen Reibschluss der Bremsscheibe 20 mit der Bremsbacke 21 eine Bremswirkung bzw. eine negative Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 1 erzielbar ist. Die zweite die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente ist ein Fahrwerk 18, wobei das Fahrwerk 18 vorliegend mehrere Aktuatoren 19 umfasst, die am vorliegenden Kraftfahrzeug 1 mit - hier nicht gezeigten - Federbeinen im Bereich der Räder wirkverbunden sind. Durch Betätigung einer oder aller Aktuatoren 19 lässt sich eine Höhenverstellung des Fahrzeugniveaus realisieren.
Das System 2 umfasst eine Prozessoreinheit 3, eine Speichereinheit 4, eine Kommunikations-Schnittstelle 5 und eine Erfassungseinheit 6 zur Erfassung von das Kraftfahrzeug 1 betreffenden Zustandsdaten. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin einen Antriebsstrang 7, der beispielsweise eine Antriebsmaschine 8, die als Motor und als Generator betrieben werden kann, eine Batterie 9 und ein Getriebe 10 umfassen kann. Die Antriebsmaschine 8 kann im Motorbetrieb Räder des Kraftfahrzeugs 1 über das Getriebe 10 antreiben, das beispielsweise eine konstante Übersetzung aufweisen kann. Die dazu notwendige elektrische Energie wird in diesem Fall durch die Batterie 9 bereitgestellt. Die Batterie 9 ist durch die Antriebsmaschine 8 aufladbar, wenn die Antriebsmaschine 8 im Generatorbetrieb betrieben wird (Rekuperation). Die Batterie 9 kann optional auch an einer externen Ladestation aufgeladen werden. Ebenfalls kann der Antriebsstrang 7 des Kraftfahrzeugs 1 optional einen Verbrennungskraftmotor 12 aufweisen, welcher alternativ oder zusätzlich zu der Antriebsmaschine 8 das Kraftfahrzeug 1 antreiben kann. Der Verbrennungskraftmotor 12 kann auch die Antriebsmaschine 8 antreiben, um die Batterie 9 aufzuladen.
Auf der Speichereinheit 4 kann ein Computerprogrammprodukt 11 gespeichert sein. Das Computerprogrammprodukt 11 kann auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt werden, wozu die Prozessoreinheit 3 und die Speichereinheit 4 mittels der Kommunikations-Schnittstelle 5 miteinander verbunden sind. Wenn das Computerprogrammprodukt 11 auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt wird, leitet es die Prozessoreinheit 3 an, die nachfolgend beschriebenen Funktionen zu erfüllen bzw. Verfahrensschritte auszuführen.
Das Computerprogrammprodukt 11 enthält einen MPC-Algorithmus 13. Der MPC-AIgorithmus 13 wiederum enthält ein Längsdynamikmodell 14 des Antriebsstrangs 7 des Kraftfahrzeugs 1 und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion 15. Die Prozessoreinheit 3 führt den MPC-Algorithmus 13 aus und prädiziert dabei ein Verhalten des Kraftfahrzeugs 1 für einen vorausliegenden Streckenabschnitt (z. B. 5 km) basierend auf dem Längsdynamikmodell 14, wobei die Kostenfunktion 15 minimiert wird. Als Output der Optimierung durch den MPC-Algorithmus 13 ergeben sich ein optimaler Abstand zwischen der Bremsscheibe 20 und der Bremsbacke 21 der Scheibenbremse 17 und/oder ein optimales Fahrzeugniveau für berechnete Punkte im Vorausschauhorizont. Die Prozessoreinheit 3 kann dazu eine Eingangsgröße für die Scheibenbremse 17 ermitteln, sodass zum einen ein Abstand zwischen der Bremsscheibe 20 und der Bremsbacke 21 eingestellt wird. Dabei kann je nach Streckenabschnitt im Wesentlichen ein Abstand zwischen einem ersten Betätigungszustand, bei dem die Bremsscheibe 20 und die Bremsbacke 21 in einem (Schleif-)Kontakt vorliegen, der sich negativ auf Leistungsverluste auswirkt, und einem zweiten Betätigungszustand, bei dem die Bremsscheibe 20 und die Bremsbacke 21 zur temporären Vermeidung eines Restreibmomentes beabstandet zueinander sind. Zum anderen kann die Prozessoreinheit 3 ferner eine Eingangsgröße für das Fahrwerk 18 ermitteln, sodass ein Fahrzeugniveau des Kraftfahrzeugs 1 eingestellt wird. Dabei kann das Fahrzeugniveau durch die Aktuatoren 19 derart angepasst werden, dass je nach Streckenabschnitt eine Stirnfläche des Kraftfahrzeugs 1 vergrößert oder verkleinert wird, der sich, je größer er ist bzw. wird, negativ auf den Luftwiderstand und somit gleichermaßen auf die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 auswirkt.
Darüber hinaus ergeben sich als Output der Optimierung durch den MPC-Algorithmus 13 eine optimale Drehzahl und ein optimales Drehmoment der Antriebsmaschine 8 für berechnete Punkte im Vorausschauhorizont. Die Prozessoreinheit 3 kann dazu eine Eingangsgröße für die Antriebsmaschine 8 ermitteln, sodass sich die optimale Drehzahl und das optimale Drehmoment einstellen. Die Prozessoreinheit 3 kann die Antriebsmaschine 8 sowie die jeweilige die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente basierend auf der ermittelten Eingangsgröße steuern. Weiterhin kann dies jedoch auch durch ein Fahrerassistenzsystem 16 erfolgen.
Die Erfassungseinheit 6 kann aktuelle Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs 1 messen, entsprechende Daten aufnehmen und dem MPC-Algorithmus 13 zuführen. So können Streckendaten aus einer elektronischen Karte für einen Vorausschauhorizont bzw. Prädiktionshorizont (z.B. 5 km) vor dem Kraftfahrzeug 1 insbesondere zyklisch aktualisiert werden. Die Streckendaten können beispielsweise Steigungsinformationen, Kurveninformationen, Informationen über Geschwindigkeitslimits oder den auf dem Streckenabschnitt auftretenden Verkehr sowie Informationen über vorausliegende Ampeln oder Ampelschaltungen beinhalten. Des Weiteren kann eine Kurvenkrümmung über eine maximal zulässige Querbeschleunigung in ein Geschwindigkeitslimit für das Kraftfahrzeug 1 umgerechnet werden. Außerdem kann mittels der Erfassungseinheit 6 eine Ortung des Kraftfahrzeugs erfolgen, insbesondere über ein von einem GNSS-Sensor 12 generiertes GPS-Signal zur genauen Lokalisierung auf der elektronischen Karte. Die Prozessoreinheit 3 kann auf diese Informationen beispielsweise über die Kommunikations-Schnittstelle 5 zugreifen.
Die Kostenfunktion 15 besitzt ausschließlich lineare und quadratische Terme. Dadurch hat das Gesamtproblem die Form einer quadratischen Optimierung mit linearen Nebenbedingungen und es ergibt sich ein konvexes Problem, welches gut und schnell gelöst werden kann.
Die Kostenfunktion 15 enthält als ersten Term einen mit einem ersten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell 14 prädizierten Luftwiderstand, welchem das Kraftfahrzeug 1 während des Zurücklegens einer innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke ausgesetzt ist. Die Kostenfunktion 15 enthält als zweiten Term einen mit einem zweiten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell 14 prädizierten Restreibmoment, welcher an der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke zu Verlusten führt. Dies führt dazu, dass für den vorausliegenden Streckenabschnitt eine energieoptimale Geschwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug gewählt wird.
Die Kostenfunktion 15 enthält als dritten Term eine mit einem dritten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell 14 prädizierte elektrische Energie, welche innerhalb eines Prädiktionshorizonts von der Batterie 9 des Antriebsstrangs 7 zum Antrieb der Antriebsmaschine 8 bereitgestellt wird. Die Kostenfunktion 15 enthält als vierten Term eine mit einem vierten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell 14 prädizierte Fahrzeit, welche das Kraftfahrzeug 1 benötigt, um die prädizierte Wegstrecke zurückzulegen. Dies führt dazu, dass je nach Wahl der Gewichtungsfaktoren eine geringe Geschwindigkeit nicht immer als optimal bewertet wird und so nicht mehr das Problem besteht, dass die resultierende Geschwindigkeit immer am unteren Rand der erlaubten Geschwindigkeit liegt.
Die Prozessoreinheit 3 ist dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' 13 in Abhängigkeit von dem ersten Term, in Abhängigkeit von dem zweiten Term, in Abhängigkeit von dem dritten Term sowie in Abhängigkeit von dem vierten Term die jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine 8 sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird und dadurch ein energieeffizienter Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 realisiert wird.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: System
3: Prozessoreinheit
4: Speichereinheit
5: Kommunikations-Schnittstelle
6: Erfassungseinheit
7: Antriebsstrang
8: Antriebsmaschine
9: Batterie
10: Getriebe
11: Computerprogrammprodukt
12: Verbrennungskraftmotor
13: MPC-Algorithmus
14: Längsdynamikmodell
15: Kostenfunktion
16: Fahrerassistenzsystem
17: Scheibenbremse
18: Fahrwerk
19: Aktuator
20: Bremsscheibe
21: Bremsbacke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2610836 A1 [0002]
EP 1256476 B1 [0002]

Claims

Prozessoreinheit (3) zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine (8) eines Antriebstrangs (7) eines Kraftfahrzeugs (1) sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussenden Fahrzeugkomponente, wobei - die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, einen MPC-Algorithmus (13) zur modellbasierten prädiktiven Regelung der Antriebsmaschine (8) sowie der zumindest einen die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente auszuführen, - der MPC-Algorithmus (13) ein Längsdynamikmodell (14) des Antriebsstrangs (7) und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente enthält, - der MPC-Algorithmus (13) eine zu minimierende Kostenfunktion (15) enthält, - die Kostenfunktion (15) wenigstens einen ersten Term aufweist, der eine jeweilige mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) prädizierte Verlustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug (1) während des Zurücklegens einer innerhalb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke erfährt, und - die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' (13) in Abhängigkeit des jeweiligen Terms eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird.
Prozessoreinheit (3) nach Anspruch 1, wobei - die Kostenfunktion (15) als ersten Term einen mit einem ersten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) prädizierten Luftwiderstand enthält, welchem das Kraftfahrzeug (1) während des Zurücklegens einer innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke ausgesetzt ist, und - die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' (13) in Abhängigkeit von dem ersten Term die jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird.
Prozessoreinheit (3) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente ein höhenverstellbares Fahrwerk (18) des Kraftfahrzeugs (1) ist, wobei die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, ein Fahrzeugniveau zu justieren.
Prozessoreinheit (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das höhenverstellbare Fahrwerk (18) mehrere Aktuatoren (19) zur stufenlosen Justierung des Fahrzeugniveaus umfasst.
Prozessoreinheit (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kostenfunktion (15) als zweiten Term einen mit einem zweiten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) prädizierten Restreibmoment enthält, welcher an der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke zu Verlusten führt, wobei die die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente wenigstens eine Scheibenbremse (17) mit einer Bremsscheibe (20) und einer Bremsbacke (21) umfasst.
Prozessoreinheit (3) nach Anspruch 5, wobei die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' (13) in Abhängigkeit von dem ersten Term und in Abhängigkeit von dem zweiten Term die jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) sowie für die jeweilige Scheibenbremse (17) zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird.
Prozessoreinheit (3) nach Anspruch 6, wobei die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, einen Abstand zwischen der Bremsscheibe (20) und der Bremsbacke (21) der jeweiligen Scheibenbremse (17) einzustellen.
Prozessoreinheit (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Kostenfunktion (15) als dritten Term eine mit einem dritten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) prädizierte elektrische Energie enthält, welche innerhalb eines Prädiktionshorizonts von einer Batterie (9) des Antriebsstrangs (7) zum Antrieb der Antriebsmaschine (8) bereitgestellt wird, wobei die Kostenfunktion (15) einen mit dem dritten Gewichtungsfaktor gewichteten Energieverbrauchsendwert enthält, den die prädizierte elektrische Energie am Ende des Prädiktionshorizonts annimmt, - die Kostenfunktion (15) als vierten Term eine mit einem vierten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) prädizierte Fahrzeit enthält, welche das Kraftfahrzeug (1) zum Zurücklegen der gesamten innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke benötigt, wobei die Kostenfunktion (15) einen mit dem vierten Gewichtungsfaktor gewichteten Fahrzeitendwert enthält, den die prädizierte Fahrzeit am Ende des Prädiktionshorizonts annimmt, und - die Prozessoreinheit (3) dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorithmus' (13) in Abhängigkeit von dem ersten Term, in Abhängigkeit von dem zweiten Term, in Abhängigkeit von dem dritten Term und in Abhängigkeit von dem vierten Term die jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird.
Kraftfahrzeug (1), umfassend ein Fahrerassistenzsystem (16), einen Antriebsstrang (7) mit einer Antriebsmaschine (8) sowie zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente, wobei das Fahrerassistenzsystem (16) dazu eingerichtet ist, - mittels einer Kommunikations-Schnittstelle auf eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente zuzugreifen, wobei die jeweilige Eingangsgröße von einer Prozessoreinheit (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche ermittelt worden ist, und - die Antriebsmaschine (8) und/oder die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente basierend auf der Eingangsgröße zu steuern.
Verfahren zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine (8) eines Antriebstrangs (7) eines Kraftfahrzeugs (1) sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussenden Fahrzeugkomponente, das Verfahren umfassend die Schritte - Ausführen eines MPC-Algorithmus' (13) zur modellbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine (8) eines Antriebstrangs (7) sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs (1) mittels einer Prozessoreinheit (3), wobei der MPC-Algorithmus (13) ein Längsdynamikmodell (14) des Antriebsstrangs (7) und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion (15) enthält, wobei die Kostenfunktion (15) wenigstens einen ersten Term aufweist, der eine jeweilige mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) prädizierte Verlustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug (1) während des Zurücklegens einer innerhalb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke erfährt, und - Ermitteln einer jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente in Abhängigkeit von dem jeweiligen Term durch Ausführen des MPC-Algorithmus' (13) mittels der Prozessoreinheit (3), sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird.
Computerprogrammprodukt (11) zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine (8) eines Antriebstrangs (7) eines Kraftfahrzeugs (1) sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussenden Fahrzeugkomponente, wobei das Computerprogrammprodukt (11), wenn es auf einer Prozessoreinheit (3) ausgeführt wird, die Prozessoreinheit (3) anleitet, - einen MPC-Algorithmus (13) zur modellbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine (8) eines Antriebstrangs (7) sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente () eines Kraftfahrzeugs (1) auszuführen, wobei der MPC-Algorithmus (13) ein Längsdynamikmodell (14) des Antriebsstrangs (7) und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussenden Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion (15) enthält, wobei die Kostenfunktion (15) wenigstens einen ersten Term aufweist, der eine jeweilige mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell (14) prädizierte Verlustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug (1) während des Zurücklegens einer innerhalb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke erfährt, und - durch Ausführen des MPC-Algorithmus' (13) in Abhängigkeit des jeweiligen Terms eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine (8) sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs (1) beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion (15) minimiert wird.