DE102020210362A1

DE102020210362A1 - Aerodynamiksystem und Verfahren zum Steuern eines verstellbaren Aerodynamikelements

Info

Publication number: DE102020210362A1
Application number: DE102020210362.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Beller; Matthias WESA
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2020-08-14
Publication date: 2022-02-17
Also published as: CN116133937A; US20230286598A1; WO2022033795A1

Abstract

Ein Aerodynamiksystem weist wenigstens ein verstellbares Aerodynamikelement (18), welches an dem vorausfahrenden Fahrzeug (10) angeordnet ist, auf. Zudem weist das System eine Sensorvorrichtung (20), welche an dem hinterherfahrenden Fahrzeug (12) angeordnet ist und zur Erfassung von wenigstens einer Zustandsinformation des vorausfahrenden Fahrzeugs (10) ausgebildet ist, auf. Ferner weist das System eine Auswertvorrichtung (24), welche dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements (18), der erfassten Zustandsinformation und einer Optimierungsgröße eine Sollstellung des Aerodynamikelements (18) zu bestimmen, auf. Eine Steuervorrichtung (26) des Systems ist dazu ausgebildet, das Aerodynamikelement (18) in die Sollstellung zu verstellen. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern eines verstellbaren Aerodynamikelements (18) bei zwei hintereinander herfahrenden Fahrzeugen (10, 12).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Aerodynamiksystem für zwei hintereinander herfahrende Fahrzeuge. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Steuern eines verstellbaren Aerodynamikelements.
Stand der Technik
Ein wichtiger Kostenfaktor bei dem Betrieb von Kraftfahrzeugen ist deren Verbrauch. Insbesondere auf Langstreckenfahrten mit weitestgehend konstanter Geschwindigkeit kommt dabei dem Luftwiderstand eine erhebliche Bedeutung zu, welcher mit steigender Geschwindigkeit quadratisch steigt. Einen erheblichen Einfluss auf den tatsächlichen Luftwiderstand können, neben einer Gestaltung des Fahrzeugs und dem daraus resultierenden Cw-Wert, die durch ein vorausfahrendes Fahrzeug erzeugten Strömungsverhältnisse haben. Beispielsweise kann durch Fahren im Windschatten eines vorausfahrenden Fahrzeugs ein Fahrwiderstand eines nachfolgenden Fahrzeugs erheblich gesenkt werden.
Aus der WO2019/068398 A1 ist ein Verfahren zum Verstellen eines Luftleitsystems eines Fahrzeugs in einem Platoon beschrieben. Dabei wird ein Luftwiderstand zumindest eines Fahrzeugs des Platoons unter Berücksichtigung des vorherrschenden Windes verringert.
In der DE 10 2016 010 293 A1 ist ein Kraftwagen beschrieben, welcher ein Aerodynamikelement und eine Sensoreinrichtung aufweist. Mit der Sensoreinheit sind Zustandsdaten eines vorausfahrenden und/oder nachfolgenden Kraftwagens erfassbar. Eine Position des Aerodynamikelements wird anhand der durch die Sensoreinrichtung erfassten Zustandsdaten verändert. Aufwendig ist dabei die hierfür vorzusehende Sensoreinheit, welche beispielsweise einen Erfassungsbereich hinter dem vorausfahrenden Kraftwagen hat.
Darstellung der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Aerodynamiksystem für zwei hintereinander herfahrende Fahrzeuge. Bei den Fahrzeugen kann es sich beispielsweise um Kraftfahrzeuge, wie Lastkraftwagen, handeln. Die Fahrzeuge können einen Antrieb aufweisen, beispielsweise mit einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor. Ein Lastkraftwagen kann eine Zugmaschine und einen Anhänger aufweisen. Als hintereinander herfahrende Fahrzeuge können zwei Fahrzeuge gelten, welche in der gleichen Fahrspur innerhalb eines Maximalabstands fahren und wenn keine weiteren Fahrzeuge zwischen diesen Fahrzeugen fahren. Die Fahrzeuge können für ein autonomes Fahren ausgebildet sein. Das hinterherfahrende Fahrzeug kann dem vorausfahrenden Fahrzeug autonom folgen. Die beiden Fahrzeuge fahren beispielsweise weitestgehend mit der gleichen Geschwindigkeit und mit gleichem Abstand während einer Nutzung des Aerodynamiksystems.
Das Aerodynamiksystem kann wenigstens ein verstellbares Aerodynamikelement aufweisen. Das Aerodynamikelement kann an dem vorausfahrenden Fahrzeug angeordnet sein. Beispielsweise kann das Aerodynamikelement als Teil des vorausfahrenden Fahrzeugs ausgebildet sein. Mittels des Aerodynamikelements kann, je nach dessen Einstellung, ein Luftstrom während der Fahrt beeinflusst werden. Das Aerodynamikelement kann beispielsweise ein Luftleitelement sein, wie ein in seinem Anstellwinkel oder Ausrichtung verstellbares Luftleitblech. Insbesondere kann es sich um einen Heckspoiler am vorausfahrenden Fahrzeug handeln. Das Aerodynamikelement kann aber auch ein zwischen einer Offenstellung und Schließstellung verstellbarer Luftkanal in einem Körper des Fahrzeugs sein. Das Aerodynamikelement kann auch ein aktiv eine Luftströmung beeinflussendes Element, wie ein Propeller sein, wobei die Einstellung dabei dessen Zustand, wie „eingeschaltet“ oder „ausgeschaltet“, entsprechen kann. Auch eine Verformung des Aerodynamikelements durch einen entsprechenden Aktuator kann verschiedenen Einstellungen entsprechen.
Das Aerodynamiksystem kann eine Sensorvorrichtung aufweisen. Die Sensorvorrichtung kann an dem hinterherfahrenden Fahrzeug angeordnet sein. Die Sensorvorrichtung kann zur Erfassung von wenigstens einer Zustandsinformation des vorausfahrenden Fahrzeugs ausgebildet sein. Ein Erfassungsbereich der Sensorvorrichtung kann in Fahrtrichtung vor dem hinterherfahrenden Fahrzeug sein. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung eine nach vorne weisende Kamera aufweisen. Bei einem Fahrzeug, welches autonom Fahren kann, kann die Sensorvorrichtung auch für das autonome Fahren genutzt werden. Jeweilige Sensordaten können also sowohl für das Steuern des hinterherfahrenden Fahrzeugs mit der Sensorvorrichtung als auch zur Einstellung des Aerodynamikelements genutzt werden. So kann auf zusätzliche Sensoren gegebenenfalls verzichtet werden. Insbesondere sind keine zusätzlichen nach hinten gerichtete Sensoren an dem vorausfahrenden Fahrzeug notwendig. Dadurch ist das System besonders einfach und kostengünstig. Bei Lastkraftwagen ist dies besonders sinnvoll, da dort häufig die Anhänger getauscht werden. Auf ein Ausrüsten jeden Anhängers mit entsprechenden Sensoren und gegebenenfalls verbinden dieser Sensoren mit der Zugmaschine kann so verzichtet werden. Zudem kann die Sensorvorrichtungen direkt Zustandsinformationen des vorausfahrenden Fahrzeugs in einer Kolonne erfassen, welches maßgeblich die Strömungsverhältnisse beeinflusst. Entsprechend kann einfacher und präziser eine vorteilhafte Einstellung des Aerodynamikelements als Sollstellung bestimmt werden.
Das Aerodynamiksystem kann eine Auswertvorrichtung aufweisen. Die Auswertvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, in Abhängigkeit von jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements, der erfassten Zustandsinformation und einer Optimierungsgröße eine Sollstellung des Aerodynamikelements zu bestimmen. Die Sollstellung kann in einer Verbesserung eines Werts der Optimierungsgröße resultieren, insbesondere in einem bestmöglichen Wert der Optimierungsgröße. Die Sollstellung kann den Wert der Optimierungsgröße bei ansonsten unveränderten Randbedingungen beispielsweise maximieren oder minimieren. Beispielsweise kann ein Fahrwiderstand eines der Fahrzeuge und alternativ oder zusätzlich ein Verbrauch die Optimierungsgröße sein. Die Einstellung des Aerodynamikelements kann einen Einfluss auf die Optimierungsgröße haben. Jeweilige verfügbare Einstellungen des Aerodynamikelements können beispielsweise der Bandbreite von Positionen des Aerodynamikelements, wie dessen Bereich an möglichen Anstellwinkeln, entsprechen. Die Sollstellung kann eine von der derzeitigen Einstellung abweichende Einstellung des Aerodynamikelements sein.
Die Auswertvorrichtung kann beispielsweise an einem der beiden Fahrzeuge angeordnet sein oder auch als zentraler Server ausgebildet sein. Der zentrale Server kann beispielsweise durch ein Rechenzentrum zur Verfügung gestellt werden. Das Aerodynamiksystem kann eine Übertragungsvorrichtung aufweisen, welche beispielsweise zur Signalübertragung zwischen den beiden Fahrzeugen und alternativ oder zusätzlich einem zentralen Server mittels Funk ausgebildet ist. Die Übertragungsvorrichtung kann dazu ausgebildet sein, die jeweiligen verfügbare Einstellungen des Aerodynamikelements an die Auswertvorrichtung zu übertragen. Beispielsweise kann die Übertragungsvorrichtung also mögliche Einstellungen des Anstellwinkels übertragen. Diese Ausgestaltung der Übertragungsvorrichtung ist beispielsweise sinnvoll, wenn die Auswertvorrichtung ein Teil des nachfolgenden Kraftfahrzeugs ist oder als zentraler Server ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Übertragungsvorrichtung dazu ausgebildet sein, die wenigstens eine Zustandsinformation an die Auswertvorrichtung zu übertragen. Diese Ausgestaltung der Übertragungsvorrichtung ist beispielsweise sinnvoll, wenn die Auswertvorrichtung ein Teil des vorausfahrenden Kraftfahrzeugs ist oder als zentraler Server ausgebildet ist. Die Übertragungsvorrichtung kann beispielsweise eine V2X-Schnittstelle umfassen und alternativ oder zusätzlich ein Mobilfunknetz nutzen. Die Übertragungsvorrichtung kann entsprechend der vorgesehenen Übertragungsrichtung von Daten jeweilige Sender und Empfänger an den Fahrzeugen und alternativ oder zusätzlich für einen zentralen Server aufweisen.
Das Aerodynamiksystem kann eine Steuervorrichtung aufweisen. Die Steuervorrichtung kann dazu ausgebildet sein, das Aerodynamikelement in die Sollstellung zu verstellen. Damit wird die Verbesserung der Optimierungsgröße erzielt. Die Steuervorrichtung kann dazu mit dem Aerodynamikelement wirkverbunden sein und alternativ oder zusätzlich jeweilige Aktuatoren aufweisen. Die Sollstellung kann von der Auswertvorrichtung an die Steuervorrichtung übertragen werden, beispielsweise mittels der Übertragungsvorrichtung oder einer Verbindungsleitung.
Das Aerodynamikelement kann auch mehrere verstellbare Aerodynamikelemente aufweisen, wie beispielsweise einen Dachspoiler und zwei Seitenspoiler. Für jedes Aerodynamikelement kann entsprechend eine Sollstellung in Abhängigkeit von der Optimierungsgröße und verfügbaren Einstellungen bestimmt und durch die Steuervorrichtung eingestellt werden. Im Folgenden wird von dem Aerodynamikelement gesprochen, wobei jeweilige Merkmale auch für mehrere Aerodynamikelemente gelten, sofern anwendbar.
In weiterer Ausgestaltung des Aerodynamiksystems kann es vorgesehen sein, dass die Auswertvorrichtung dazu ausgebildet ist, die Optimierungsgröße in Abhängigkeit von einem Energiespeicherfüllzustand wenigstens eines der beiden Fahrzeuge auszuwählen. Ein Energiespeicher kann beispielsweise ein Kraftstofftank oder eine Batterie zur Versorgung eines Antriebs des Fahrzeugs mit Strom sein. Der Energiespeicherfüllzustand kann entsprechend eine verbleibende Menge von Kraftstoff im Tank oder eine verbleibende aus der Batterie zum Vorwärtsfahren entnehmbare Strommenge sein. Dadurch ist eine bedarfsgerechte Optimierung durch Verstellen des Aerodynamikelements möglich. Beispielsweise kann ein Verbrauch eines Fahrzeugs mit geringerem Energievorrat optimiert werden, insbesondere wenn der Energievorrat anderenfalls nicht mehr zum Erreichen eines Zielortes ausreichend ist.
In weiterer Ausgestaltung des Aerodynamiksystems kann es vorgesehen sein, dass die Optimierungsgröße aus einer Liste ausgewählt wird, welche einen Verbrauch des vorausfahrenden Fahrzeugs, einen Verbrauch des hinterherfahrenden Fahrzeugs und eine Summe des Verbrauchs der beiden Fahrzeuge aufweist. Der Verbrauch des nachfolgenden Fahrzeugs kann beispielsweise durch eine Vergrößerung eines Windschattens durch entsprechende Einstellung des Aerodynamikelements verringert werden. Dies kann mit einer Erhöhung des Luftwiderstands des vorausfahrenden Fahrzeugs einhergehen, sodass sich diese Optimierungsgröße insbesondere bei einem geringen Energiespeicherfüllzustand des nachfolgenden Fahrzeugs anbietet.
Der Verbrauch des vorausfahrenden Fahrzeugs kann durch eine Verbesserung dessen Luftwiderstands durch entsprechende Einstellung des Aerodynamikelements verringert werden. Diese Optimierungsgröße bietet sich an, falls es keinen Ausgleich für eine Verschlechterung des Luftwiderstands des vorausfahrenden Fahrzeugs zu Gunsten einer Luftwiderstandsverringerung für das nachfolgende Fahrzeug gibt, beispielsweise in Form einer Ausgleichszahlung. Eine Summe des Verbrauchs der beiden Fahrzeuge kann ein Flottenverbrauch sein. Die Summe des Verbrauchs kann ein Gesamtenergieverbrauch durch eine Vorwärtsfahrt sein. Die Summe des Verbrauchs der beiden Fahrzeuge kann beispielsweise optimiert werden, um die Umwelt zu schonen, wenn beide Fahrzeuge einem Betreiber gehören oder entsprechende Ausgleichszahlungen geleistet werden. Diese Optimierungsgröße bietet sich an, wenn die Erhöhung des Luftwiderstands des vorausfahrenden Fahrzeugs durch die entsprechende Widerstandsverringerung des nachfolgenden Fahrzeugs, beispielsweise durch Windschattenfahrt, überkompensiert werden kann. Der Verbrauch kann ein Stromverbrauch und alternativ oder zusätzlich Kraftstoffverbrauch pro Strecke oder Fahrtzeit sein. Die Auswahl kann einmalig im Sinne einer dauerhaften Auslegung des Systems auf die entsprechende Optimierungsgröße sein. Die Optimierungsgröße kann auch dynamisch in Abhängigkeit von Messwerten und alternativ oder zusätzlich Randbedingungen erfolgen, um eine für die Nutzer des Systems vorteilhafte Optimierung je nach Situation zu erreichen.
In weiterer Ausgestaltung des Aerodynamiksystems kann es vorgesehen sein, dass bei Unterschreitung eines Mindestfüllzustands des Energiespeichers eines der beiden Fahrzeuge der Verbrauch dieses Fahrzeugs als Optimierungsgröße ausgewählt wird. Dadurch kann bei geringen Energiereserven die Effizienz deren Nutzung für dieses Fahrzeug gesteigert werden. So kann beispielsweise durch eine Flottenfahrt mit geringem Abstand und entsprechendem Einstellen des Aerodynamikelements eine Reichweite bis zu einem Zielort oder einer Tankstelle gegenüber einer Einzelfahrt vergrößert werden. Das nachfolgende Fahrzeug wird durch den Windschatten und eine entsprechende Aerodynamikelementeinstellung teilweise abgeschleppt. Der Mindestfüllzustand kann ein fest vorgegebener Wert sein, wie beispielsweise 20%. Der Mindestfüllzustand kann von der Auswertvorrichtung auch in Abhängigkeit von einer verbleibenden Fahrtstrecke, beispielsweise zu einer nächsten Tankstelle entlang eines geplanten Weges oder einem Zielort, vorgegeben werden. Optional kann dabei auch ein derzeitiger Verbrauch durch die Auswertvorrichtung berücksichtigt werden. Es können auch Mindestfüllzustände für beide Fahrzeuge bei der Auswahl berücksichtigt werden. Beispielsweise erfolgt eine Optimierung des Verbrauchs von einem Fahrzeug durch die Aerodynamikelementeinstellung nur, falls der Energiespeicherfüllzustand des anderen Fahrzeugs ebenfalls über einem weiteren Mindestfüllzustand ist. Damit kann verhindert werden, dass das vorausfahrende Fahrzeug andernfalls nicht seinen Zielort oder die nächstgelegene Tankstelle erreichen kann. Auch dieser weitere Mindestfüllzustand kann fest vorgegeben sein oder in Abhängigkeit von einem geplanten Weg oder Zielort vorgegeben werden.
In weiterer Ausgestaltung des Aerodynamiksystems kann es vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtung dazu ausgebildet ist, als Zustandsinformation des vorausfahrenden Fahrzeugs wenigstens einer der folgenden Werte des vorausfahrenden Fahrzeugs zu erfassen: Geschwindigkeit, Abstand zum hinterherfahrenden Fahrzeug, Höhe, Breite, Silhouette und Ausrichtung relativ zu einer Fahrspur. Die Silhouette kann dabei eine durch die Sensorvorrichtung erfassbare Kontur sein. Beispielsweise kann die Zustandsinformation auch mehrere oder alle diese Werte aufweisen. Anhand dieser Werte lässt sich ein Einfluss auf den Luftwiderstand des nachfolgenden Fahrzeugs gut bestimmen. Insbesondere kann ein Windschatten anhand dieser Werte recht genau berechnet werden. Zudem sind diese Werte einfach durch nach vorne gerichtete Sensoren des nachfolgenden Fahrzeugs, insbesondere Sensoren, die ansonsten Informationen für ein autonomes Fahren des nachfolgenden Fahrzeugs erfassen, erfassbar.
In weiterer Ausgestaltung des Aerodynamiksystems kann es vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtung wenigstens einen der folgenden Komponenten aufweist: ein ADAS Sensorset, eine vorwärtsweisende Kamera, ein Radarsystem, einen Ultraschallsensorsystem und ein Lidar. Ein ADAS-Sensorset ist ein Sensorset für ein autonomes oder teilautonomes Fahren des nachfolgenden Fahrzeugs. Die Sensorvorrichtung kann auch mehrere oder alle dieser Komponenten aufweisen. Das Radarsystem und das Ultraschallsensorsystem können jeweilige Sender zum Aussenden von Radar- bzw. Ultraschallwellen aufweisen und jeweilige Empfänger zum Empfangen von zurückreflektierten Wellen. Das Radarsystem kann beispielsweise für lange, mittlere oder kurze Reichweiten ausgelegt sein.
In weiterer Ausgestaltung des Aerodynamiksystems kann es vorgesehen sein, dass die Auswertvorrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Zustandsinformation und den jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements einen aus den verfügbaren Einstellungen resultierenden Verbrauch des vorausfahrenden Fahrzeugs und des hinterherfahrenden Fahrzeugs zu bestimmen. Die Auswertvorrichtung kann dazu beispielsweise in Tabellen hinterlegte Werte bestimmen oder einen Luftwiderstand für beide Fahrzeuge simulieren. In der Tabelle können beispielsweise für relevante Parameter der Verbrauch jedes der beiden Fahrzeuge hinterlegt sein. Für die Bestimmung können der Auswertvorrichtung optional weitere Informationen zur Verfügung gestellten werden, beispielsweise jeweilige aerodynamische und den Antriebsstrang betreffende Informationen von beiden oder nur einem der Fahrzeuge. Die Informationen können beispielsweise in einem zentralen Server gespeichert sein oder lokal in den Fahrzeugen. Die Informationen können dazu mittels der Übertragungsvorrichtung an die Auswertvorrichtung übertragen werden.
In weiterer Ausgestaltung des Aerodynamiksystems kann es vorgesehen sein, dass die Auswertvorrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Zustandsinformation und den jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements jeweilige korrespondierende Windschatten des vorausfahrenden Fahrzeugs zu bestimmen und in Abhängigkeit von den Windschatten den Verbrauch des hinterherfahrenden Fahrzeugs zu bestimmen. Der jeweilige aus einer Einstellung des Aerodynamikelements resultierende Windschatten kann nur durch jeweilige mittels der Sensorvorrichtung an dem hinterherfahrenden Fahrzeug erfassbaren Zustandsinformationen und Informationen über jeweilige verfügbare Einstellungen des Aerodynamikelements bestimmt werden, ohne unbedingt weitere Informationen über das vorausfahrende Fahrzeug zu haben. Dadurch kann ein notwendiger Datenaustausch gering sein. Beispielsweise wird dann in einer Ausführungsform durch die Übertragungsvorrichtung nur ein Stellbefehl von dem hinterherfahrenden Fahrzeug an die Auswertvorrichtung in dem vorausfahrenden Fahrzeug gesendet. Zudem kann so beispielsweise ein Anhänger mit dem verstellbaren Aerodynamikelement mit verschiedenen Zugmaschinen genutzt werden, ohne dass die Zugmaschine besondere Anforderungen erfüllen muss oder Informationen zu der Zugmaschine hinterlegt werden müssen. Der Windschatten kann eine Zone geringerer Luftgeschwindigkeit auf einer windabgewandten Seite des vorausfahrenden Fahrzeugs sein. Die windabgewandte Seite kann durch einen Fahrtwind des vorausfahrenden Fahrzeugs und optional eine vektorielle Addition von Fahrtwind und Umgebungswind definiert sein.
In weiterer Ausgestaltung des Aerodynamiksystems kann es vorgesehen sein, dass die Auswertvorrichtung dazu ausgebildet ist, einen Wert der Optimierungsgröße zu erfassen und die Sollstellung adaptiv zu bestimmen. Dafür kann die Auswertvorrichtung einen entsprechenden Sensor aufweisen. Beispielsweise kann die Auswertvorrichtung dazu ausgebildet sein, einen Verbrauch des hinterherfahrenden Fahrzeugs zu erfassen oder dazu Daten übertragen zu bekommen, insbesondere mittels der Übertragungsvorrichtung. Die adaptive Bestimmung der Sollstellung kann beispielsweise nach dem Trial-and-Error Prinzip erfolgen. Dabei wird die Einstellung des Aerodynamikelements geringfügig verändert, um den Einfluss der Veränderung auf den Wert der Optimierungsgröße zu erkennen. Dadurch kann ein regionales oder auch globales Maximum oder Minimum der Optimierungsgröße eingestellt werden. Zudem können so jeweilige Kennlinien oder Kennlinienfelder für die verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements erzeugt werden. Diese können bei gleichen Kombinationen von vorausfahrenden und hinterherfahrenden Fahrzeugen erneut genutzt werden. Jeweilige Kennlinien und Kennlinienfelder können beispielsweise in der Auswertvorrichtung gespeichert werden. Zudem können durch die so erzeugten Kennlinien oder Kennlinienfelder jeweilige Umwelteinflüsse in der derzeitigen Fahrsituation, wie ein Seitenwind, auch ohne deren Erfassung, beispielsweise durch einen entsprechenden Sensor, bei der Optimierung der Optimierungsgröße mitberücksichtigt werden.
In weiterer Ausgestaltung des Aerodynamiksystems kann es vorgesehen sein, dass das Aerodynamikelement als ein Heckspoiler ausgebildet ist, dessen Anstellwinkel verstellbar ist. Ein Heckspoiler kann ein nach oben von dem vorausfahrenden Fahrzeug abstehendes Luftleitelement sein und eine Strömungsabrisskante ausbilden.
Ein Heckspoiler kann besonders gut eine Umströmung des Fahrzeugs und den so gebildeten Windschatten beeinflussen. Ein Anstellwinkel kann ein Winkel zwischen einer im Wesentlichen in Fahrtrichtung weisenden Oberfläche des Heckspoilers und dem Fahrtwind oder der Fahrtrichtung sein. Beispielsweise kann der Heckspoiler zum Verstellen des Anstellwinkels nach oben und unten verschwenkt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines verstellbaren Aerodynamikelements bei zwei hintereinander herfahrenden Fahrzeugen, wobei das vorausfahrende Fahrzeug das Aerodynamikelement aufweist. Das Verfahren kann dazu ausgebildet sein, mit dem Aerodynamiksystem gemäß dem ersten Aspekt ausgeführt zu werden. Die sich aus dem ersten Aspekt ergebenden Vorteile und Merkmale sind demnach auch Vorteile und Merkmale des zweiten Aspekts und umgekehrt.
Das Verfahren kann einen Schritt eines Erfassens von wenigstens einer Zustandsinformation des vorausfahrenden Fahrzeugs durch eine Sensorvorrichtung an dem hinterherfahrenden Fahrzeug aufweisen. Das Verfahren kann einen Schritt eines Bestimmens einer Sollstellung des Aerodynamikelements in Abhängigkeit von jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements, der erfassten Zustandsinformation und einer Optimierungsgröße aufweisen. Das Verfahren kann einen Schritt eines Verstellens des Aerodynamikelements in die Sollstellung aufweisen. Weiterhin kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass das hinterherfahrende Fahrzeug dem vorausfahrenden Fahrzeug automatisch folgt, beispielsweise mittels eines autonomen Fahrsystems. Auch das vorausfahrende Fahrzeug kann im Rahmen des Verfahrens autonom fahren. Voraussetzung für die Durchführung des Verfahrens kann sein, dass das hinterherfahrende Fahrzeug in einem Abstand unterhalb eines Mindestabstands dem vorausfahrenden Fahrzeug folgt und alternativ oder zusätzlich, dass sich kein weiteres Fahrzeug zwischen den beiden Fahrzeugen befindet.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die Zustandsinformation an eine Auswertvorrichtung übertragen werden, welche in Abhängigkeit von den verfügbaren Einstellungen und der Optimierungsgröße die Sollstellung des Aerodynamikelements bestimmt. Die Zustandsinformation kann dafür, je nach Gestaltung der Auswertvorrichtung, an das vorausfahrende Fahrzeug oder einen zentralen Server übertragen werden, beispielsweise mittels Funk. Durch die Übertragung kann auf dem nachfolgenden Fahrzeug beispielsweise lediglich ein Sender der Übertragungsvorrichtung und die Sensorvorrichtung angeordnet sein. Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise für das autonome Fahren bereits vorhanden sein und für die Datenübertragung kann eine ebenfalls für andere Funktionen genutzte V2X-Schnittstelle genutzt werden.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements an eine Auswertvorrichtung übertragen werden, welche in Abhängigkeit von den verfügbaren Einstellungen und der Optimierungsgröße die Sollstellung des Aerodynamikelements bestimmt. Dadurch kann auf eine entsprechende Bestimmung der Sollstellung auf Seiten des vorausfahrenden Fahrzeugs verzichtet werden. Beispielsweise kann die dafür notwendige Auswertung auf einem zentralen Server erfolgen, bei welchem kostengünstiger eine dafür notwendige Rechenleistung zur Verfügung gestellt werden kann. Beispielsweise kann die Bestimmung der Sollstellung auf Seiten des nachfolgenden Fahrzeugs erfolgen, womit auf eine Übertragung gegebenenfalls großer Datenmengen als Zustandsinformation, welche durch die Sensorvorrichtung erfasst wurden, verzichtet werden kann. In diesem Fall kann die Übertragungsvorrichtung lediglich dazu ausgebildet sein, die Sollstellung an die Steuervorrichtung zu übertragen.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die Optimierungsgröße aus einer Liste ausgewählt wird, welche einen Verbrauch des vorausfahrenden Fahrzeugs, einen Verbrauch des hinterherfahrenden Fahrzeugs und eine Summe des Verbrauchs der beiden Fahrzeuge aufweist. Je nach gewünschter Verbrauchsoptimierung kann so angepasst die Optimierungsgröße gewählt werden, um automatisch entsprechend das Aerodynamikelement einzustellen.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die Optimierungsgröße in Abhängigkeit von einem Energiespeicherfüllzustand wenigstens eines der beiden Fahrzeuge ausgewählt wird. So kann automatisch eine an jeweilige Energiespeicherzustände angepasste Optimierungsgröße ausgewählt werden.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch ein Aerodynamiksystem.
2 veranschaulicht schematisch, welche Zustandsinformation mittels einer Sensorvorrichtung des Aerodynamiksystems gemäß 1 erfassbar sind.
3 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zum Steuern eines verstellbaren Aerodynamikelements des Aerodynamiksystems gemäß 1.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
1 veranschaulicht schematisch ein Aerodynamiksystem. Dargestellt sind ein als Lastkraftwagen ausgebildetes vorausfahrendes Fahrzeug 10 und ein ebenfalls als Lastkraftwagen ausgebildetes hinterherfahrendes Fahrzeug 12. Beide Fahrzeuge 10, 12 fahren vorwärts. Durch eine Umströmung des vorausfahrenden Fahrzeugs 10, welche durch die gestrichelte Linie 14 veranschaulicht ist und einem Fahrtwind entspricht, entsteht hinter dem vorausfahrenden Fahrzeug 10 ein Windschatten 16. Der Windschatten 16 ist eine Zone mit geringerer Windgeschwindigkeit.
Im oberen Drittel von 1 ist ein Abstand zwischen den zwei Fahrzeugen 10, 12 veranschaulicht, bei welchem sich das hinterherfahrende Fahrzeug 12 außerhalb des Windschattens 16 befindet. Das hinterherfahrende Fahrzeug 12 wird großflächig frontal angeströmt und erfährt so einen starken Luftwiderstand. Entsprechend ist der Verbrauch des Fahrzeugs 12 hoch.
Im mittleren Drittel von 1 ist ein Abstand zwischen den zwei Fahrzeugen 10, 12 veranschaulicht, bei welchem sich das hinterherfahrende Fahrzeug 12 mit seiner Front wenigstens größtenteils innerhalb des Windschattens 16 befindet. Wie anhand der mit der Linie 14 veranschaulichten Umströmung zu erkennen ist, liegt die Strömung im Wesentlichen oberhalb an dem hinterherfahrenden Fahrzeug 12 an und trifft nicht mehr größtenteils auf dessen Front. Dadurch ist der Luftwiderstand für das hinterherfahrende Fahrzeug 12 geringer, was in einem reduzierten Verbrauch resultiert.
Ein solcher Abstand kann beispielsweise durch ein Platooning von den beiden Fahrzeugen 10, 12 erreicht werden, was auch als elektronische Deichsel bezeichnet wird. Die beiden Fahrzeuge 10, 12 fahren dabei wenigstens teilautonom. Durch geringe Geschwindigkeitsabweichungen, beispielsweise wenn das vorausfahrende Fahrzeug 12 geringfügig bremsen muss, können aufgrund des geringen Abstands zwischen den zwei Fahrzeugen 10, 12 jedoch größere Geschwindigkeitsänderungen beim hinterherfahrenden Fahrzeug 12 notwendig sein, wie beispielsweise ein starkes Bremsen. Dadurch werden Anforderungen an die Verkehrssicherheit erfüllt, das Platooning aber störanfällig.
Wünschenswert ist deshalb, die aerodynamischen Vorteile gemäß dem Zustand im mittleren Drittel auch bei einem größeren Abstand zwischen den zwei Fahrzeugen 10, 12 realisieren zu können. Das vorausfahrende Fahrzeug 10 weist oberseitig an seinem Anhänger deshalb ein verstellbares Aerodynamikelement 18 auf. Das Aerodynamikelement 18 ist als Heckspoiler ausgebildet. In einer ausgefahrenen Einstellung hebt das Aerodynamikelement 18 den Luftstrom am Heck des vorausfahrenden Fahrzeugs 10 an, was in dem unteren Drittel von 1 veranschaulicht ist und an der Linie 14 zu erkennen ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Aerodynamikelement 18 an dem Anhänger mittels eines Klappscharniers angeschlagen. In einer anderen Ausführungsform ist das Aerodynamikelement 18 als Schiebeklappe ausgebildet.
In dem unteren Drittel von 3 ist dabei zu erkennen, dass die Luftströmung nun ebenfalls größtenteils oberseitig an dem hinterherfahrenden Fahrzeug 12 anliegt. Die Strömungsverhältnisse sind dabei sogar günstiger als bei dem im mittleren Drittel von 1 dargestellten Zustand, bei welchem das Aerodynamikelement 18 eingefahren ist und glatt an dem vorausfahrenden Fahrzeug 10 anliegt. Nahezu die gesamte Front des hinterherfahrenden Fahrzeugs 12 befindet sich nun in dem durch das Aerodynamikelement 16 vergrößerten Windschatten 16. Der Verbrauch des hinterherfahrenden Fahrzeugs 12 ist so erheblich reduziert. Diese Verbrauchsersparnis übersteigt dabei eine durch das ausgefahrene Aerodynamikelement 18 verursachte geringfügige Luftwiderstands- und damit Verbrauchserhöhung des vorausfahrenden Fahrzeugs 10, womit die Fahreffizienz des gezeigten Platooning-Verbands insgesamt gesteigert ist. Um die Vorteile zu erzielen, ist dabei keine Silhouettenveränderung des nachfolgenden Fahrzeugs 12 notwendig. Durch ein Hinterherfahren in einem definierten Abstand, hier gesteuert durch ein autonomes Fahrsystem des nachfolgenden Fahrzeugs 12, kann die Effizienzsteigerung erzielt werden.
Eine Einstellung des Aerodynamikelements 18 wird dabei an äußere Abmessungen, wie eine Größe, der beiden Fahrzeuge 10, 12 angepasst. Beispielsweise kann bei einem relativ zu dem vorausfahrenden Fahrzeug 12 kleineren hinterherfahrenden Fahrzeug 12 das Aerodynamikelement 18 weniger weit ausgefahren werden, um dennoch eine günstige Strömung zu erzielen, ohne den Luftwiderstand des vorausfahrenden Fahrzeugs 10 unnötig zu vergrößern. Ist das nachfolgende Fahrzeug 12 relativ zu dem vorausfahrenden Fahrzeug 10 groß, wird das Aerodynamikelement 18 dagegen weit ausgefahren, um eine große Effizienzsteigerung zu erzielen. Zusätzlich kann auch ein Fahrabstand zwischen den beiden Fahrzeugen 10, 12 berücksichtigt werden. Beispielsweise wird das Aerodynamikelement 18 erst ab Unterschreitung eines Mindestabstands zwischen den beiden Fahrzeugen 10, 12 ausgefahren, da andernfalls keine Effizienzsteigerung erzielt werden kann.
Dadurch kann die Effizienz nochmals erhöht werden. Das hinterherfahrende Fahrzeug 12 weist dazu eine Sensorvorrichtung 20 auf. Die Sensorvorrichtung 20 hat einen nach vorne weisenden Erfassungsbereich. Die Sensorvorrichtung 20 nutzt die gleichen Sensoren, welche auch zur Erzeugung jeweiliger Daten für das autonome Fahren des hinterherfahrenden Fahrzeugs 12 genutzt werden.
In 2 ist schematisch veranschaulicht, welche Zustandsinformation durch die Sensorvorrichtung 20 erfasst werden. Die Sensorvorrichtung misst eine Höhe 22 und eine Breite 28 des vorausfahrenden Fahrzeugs 10. In einer Ausführungsform wird auch insgesamt dessen Form oder Silhouette erfasst. Zusätzlich wird ein Abstand zwischen den beiden Fahrzeugen 10, 12 erfasst, sowie eine Position auf der Fahrbahn. Zusammen bilden diese Werte die Zustandsinformation, wobei in anderen Ausführungsformen auch mehr oder weniger erfasste Werte enthalten sein können.
Diese Zustandsinformation wird an eine Auswertvorrichtung 24 übermittelt. Die Auswertvorrichtung 24 ist vorliegend in dem vorausfahrenden Fahrzeug 10 angeordnet. Eine entsprechende Datenübertragung erfolgt deshalb per Funk mittels einer nicht dargestellten Übertragungsvorrichtung. In einer anderen Ausführungsform ist die Auswertvorrichtung in dem hinterherfahrenden Fahrzeug 12 angeordnet, wobei dann die Datenübertragung kabelgebunden erfolgen kann und die nicht dargestellte Übertragungsvorrichtung lediglich eine Sollstellung zu dem vorausfahrenden Fahrzeug 10 bzw. dessen Steuervorrichtung 26 übertragt. In noch einer Ausführungsform ist die Auswertvorrichtung als zentraler Server ausgebildet, an welchem die Zustandsinformation beispielsweise mittels eines Mobilfunknetzes übertragen wird.
In der Auswertvorrichtung 24 sind verfügbare Einstellungen des Aerodynamikelements 18 hinterlegt oder werden diesem übermittelt. Zudem sind in der Auswertvorrichtung 24 jeweilige Daten des hinterherfahrenden Fahrzeugs 12, wie dessen Höhe, Breite und Form, hinterlegt oder werden diesem übermittelt. Die Daten können auch Informationen von dem autonomen Fahrsystem, wie ein nächstes Fahrmanöver, eine Verkehrsstrategie und Informationen über andere Verkehrsteilnehmer enthalten. In Abhängigkeit von diesen Daten, der erfassten Zustandsinformation und den verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements 18 sowie einer Optimierungsgröße wird von der Auswertvorrichtung 24 eine Sollstellung des Aerodynamikelements 18 bestimmt. Die Optimierungsgröße ist dabei ausgewählt aus dem Verbrauch des hinterherfahrenden Fahrzeugs 12, dem Verbrauch des vorausfahrenden Fahrzeugs 10 oder einem Gesamtverbrauch der beiden Fahrzeuge 10, 12. So kann situationsabhängig einer dieser Verbräuche durch einen optimierten Einstellwinkel des Aerodynamikelements 18 optimiert werden. Dafür ist die Steuervorrichtung 26 vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, das Aerodynamikelement 18 in die Sollstellung zu verstellen.
Zudem können auch bestimmte Fahrsituationen bei der Einstellung des Aerodynamikelements 18 durch das Aerodynamiksystem berücksichtigt werden. Rollt oder segelt das vorausfahrende Fahrzeug, wird beispielsweise das Aerodynamikelement 18 nicht ausgefahren. Andernfalls würde das vorausfahrende Fahrzeug 10 durch den so erhöhten Luftwiderstand zusätzlich abgebremst. Das hinterherfahrende Fahrzeug 12 müsste zum Einhalten des Abstands und seines aufgrund der verbesserten Anströmung reduzierten Luftwiderstands andernfalls bremsen.
In 3 ist schematisch das Verfahren zum Steuern des verstellbaren Aerodynamikelements 18 bei den zwei hintereinander herfahrenden Fahrzeugen 10, 12 veranschaulicht. In Schritt 30 erfolgt das Erfassen der jeweiligen Zustandsinformationen des vorausfahrenden Fahrzeugs 10 durch eine Sensorvorrichtung 20 an dem hinterherfahrenden Fahrzeug 12. In Schritt 32 wird die Optimierungsgröße in Abhängigkeit von einem Energiespeicherfüllzustand jedes der beiden Fahrzeuge 10, 12 ausgewählt. Die Auswahl kann ebenfalls mittels der Auswertvorrichtung 24 erfolgen. Sofern der Energiespeicherfüllzustand des nachfolgenden Fahrzeugs 12 unter einem Schwellwert liegt und der des vorausfahrenden Fahrzeugs 10 über einem Schwellwert, wird der Verbrauch des nachfolgenden Fahrzeugs 12 als Optimierungsgröße ausgewählt. Dadurch kann mit geringen Energiereserven, beispielsweise in Form von Kraftstoff oder gespeichertem Strom, durch die Verbrauchsoptimierung noch zu einem Zielort gelangt werden. Sofern der Energiespeicherfüllzustand beider Fahrzeuge 10, 12 über einem Schwellwert liegt, wird als Optimierungsgröße eine Summe des Verbrauchs beider Fahrzeuge 10, 12 ausgewählt. So kann besonders effizient gefahren werden falls beide Energiespeicherfüllzustände zum Erreichen eines gewünschten Zielorts ausreichend hoch sind. In Schritt 34 erfolgt ein Bestimmen der Sollstellung des Aerodynamikelements 18 in Abhängigkeit von jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements 18, der erfassten Zustandsinformation und der ausgewählten Optimierungsgröße. In Schritt 36 wird das Aerodynamikelement 18 in die Sollstellung verstellt.
Bezugszeichenliste

10: vorausfahrendes Fahrzeug
12: hinterherfahrendes Fahrzeug
14: Linie / Strömung
16: Windschatten
18: Aerodynamikelement
20: Sensorvorrichtung
22: Höhe
24: Auswertvorrichtung
26: Steuervorrichtung
28: Breite
30: Schritt
32: Schritt
34: Schritt
36: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/068398 A1 [0003]
DE 102016010293 A1 [0004]

Claims

Aerodynamiksystem für zwei hintereinander herfahrende Fahrzeuge (10, 12), wenigstens aufweisend: - wenigstens ein verstellbares Aerodynamikelement (18), welches an dem vorausfahrenden Fahrzeug (10) angeordnet ist; - eine Sensorvorrichtung (20), welche an dem hinterherfahrenden Fahrzeug (12) angeordnet ist und zur Erfassung von wenigstens einer Zustandsinformation des vorausfahrenden Fahrzeugs (10) ausgebildet ist; - eine Auswertvorrichtung (24), welche dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements (18), der erfassten Zustandsinformation und einer Optimierungsgröße eine Sollstellung des Aerodynamikelements (18) zu bestimmen; und - eine Steuervorrichtung (26), welche dazu ausgebildet ist, das Aerodynamikelement (18) in die Sollstellung zu verstellen.
Aerodynamiksystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertvorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, die Optimierungsgröße in Abhängigkeit von einem Energiespeicherfüllzustand wenigstens eines der beiden Fahrzeuge (10, 12) auszuwählen.
Aerodynamiksystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungsgröße aus einer Liste ausgewählt wird, welche einen Verbrauch des vorausfahrenden Fahrzeugs (10), einen Verbrauch des hinterherfahrenden Fahrzeugs (12) und eine Summe des Verbrauchs der beiden Fahrzeuge (10, 12) aufweist.
Aerodynamiksystem nach Anspruch 3 in dessen Rückbezug auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Unterschreitung eines Mindestfüllzustands des Energiespeichers eines der beiden Fahrzeuge (10; 12) der Verbrauch dieses Fahrzeugs (10; 12) als Optimierungsgröße ausgewählt wird.
Aerodynamiksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (20) dazu ausgebildet ist, als Zustandsinformation des vorausfahrenden Fahrzeugs (10) wenigstens einer der folgenden Werte des vorausfahrenden Fahrzeugs (10) zu erfassen: Geschwindigkeit, Abstand zum hinterherfahrenden Fahrzeug (12), Höhe (22), Breite (28), Silhouette und Ausrichtung relativ zu einer Fahrspur.
Aerodynamiksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (20) wenigstens eine der folgenden Komponenten aufweist: ein ADAS Sensorset, eine vorwärtsweisende Kamera, ein Radarsystem, einen Ultraschallsensor und ein Lidar.
Aerodynamiksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertvorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Zustandsinformation und den jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements (18) einen aus den verfügbaren Einstellungen resultierenden Verbrauch des vorausfahrenden Fahrzeugs (10) und des hinterherfahrenden Fahrzeugs (12) zu bestimmen.
Aerodynamiksystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertvorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Zustandsinformation und den jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements (18) jeweilige korrespondierende Windschatten (16) des vorausfahrenden Fahrzeugs (10) zu bestimmen und in Abhängigkeit von den Windschatten (16) den Verbrauch des hinterherfahrenden Fahrzeugs (12) zu bestimmen.
Aerodynamiksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertvorrichtung (24) dazu ausgebildet ist, einen Wert der Optimierungsgröße zu erfassen und die Sollstellung adaptiv zu bestimmen.
Aerodynamiksystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aerodynamikelement (18) als ein Heckspoiler ausgebildet ist, dessen Anstellwinkel verstellbar ist.
Verfahren zum Steuern eines verstellbaren Aerodynamikelements (18) bei zwei hintereinander herfahrenden Fahrzeugen (10, 12), wobei das vorausfahrende Fahrzeug (10) das Aerodynamikelement (18) aufweist, wenigstens die folgenden Schritte aufweisend: - Erfassen (30) von wenigstens einer Zustandsinformation des vorausfahrenden Fahrzeugs (10) durch eine Sensorvorrichtung (20) an dem hinterherfahrenden Fahrzeug (12); - Bestimmen (34) einer Sollstellung des Aerodynamikelements (18) in Abhängigkeit von jeweiligen verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements (18), der erfassten Zustandsinformation und einer Optimierungsgröße; und - Verstellen (36) des Aerodynamikelements (18) in die Sollstellung.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsinformation an eine Auswertvorrichtung (24) übertragen wird, welche in Abhängigkeit von den verfügbaren Einstellungen und der Optimierungsgröße die Sollstellung des Aerodynamikelements (18) bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die verfügbaren Einstellungen des Aerodynamikelements (18) an eine Auswertvorrichtung (24) übertragen werden, welche in Abhängigkeit von den verfügbaren Einstellungen und der Optimierungsgröße die Sollstellung des Aerodynamikelements (18) bestimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungsgröße aus einer Liste ausgewählt wird, welche einen Verbrauch des vorausfahrenden Fahrzeugs (10), einen Verbrauch des hinterherfahrenden Fahrzeugs (12) und eine Summe des Verbrauchs der beiden Fahrzeuge (10, 12) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierungsgröße in Abhängigkeit von einem Energiespeicherfüllzustand wenigstens eines der beiden Fahrzeuge (10, 12) ausgewählt wird.