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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung eines Fahrzeuges nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Computerprogrammprodukt Ausführen eines solchen Verfahrens.
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Das Bordnetz in einem Fahrzeug umfasst einen Kabelbaum, einen Energiespeicher, eine Energiequelle und elektrische Verbraucher. Grundsätzlich können dabei auch mehrere Energiespeicher oder Energiequellen eingesetzt werden. Während in einem herkömmlichen Fahrzeug mit einem 12 V-Energiebordnetz ein Generator als Energiequelle zum Einsatz kommt, wird die Versorgung in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen von einem DC/DC-Wandler (Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) übernommen, der wiederum an einem Hochspannungsbordnetz mit einem Hochspannungsakkumulator angeschlossen ist. Die Spitzenleistung dieser Energiequellen ist üblicherweise so dimensioniert, dass die Durchschnittsleistung aller verbauten Systeme im Fahrzeug gedeckt werden kann. Die Spitzenleistung der verbauten Systeme kann dabei allerdings um ein Vielfaches größer sein als die Durchschnittsleistung. Während DC/DC-Wandler eine große Dynamik aufweisen, ist der Generator in einem Fahrzeug aufgrund bautechnischer Gründe in seiner Dynamik begrenzt. Aktuell werden aus Energieeffizienzgründen immer mehr Fahrwerkskomponenten in einem Fahrzeug elektrifiziert, wodurch die Belastung des 12 V-Energiebordnetzes stark steigt. Auch eine elektrische Servolenkung (auch als Lenkunterstützung bezeichnet) wird über das 12 V-Energiebordnetz mit Strom und Spannung versorgt.
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Eine elektrische Servolenkung als dynamischer Spitzenleistungsverbraucher weist eine größere Dynamik auf als der Generator. Dadurch entsteht die Problematik, dass der Generator bei dynamischer Belastung nicht den gewünschten Strom liefern kann und die Batterie oder ein anderer Speicher als Energiespeicher den Bedarf decken muss. Aufgrund des Innenwiderstandes der Batterie kommt es bei einer Stromabgabe zusätzlich zu Spannungseinbrüchen an den Batterieklemmen. Vor allem dynamische Spitzenleistungsverbraucher wie eine elektrische Servolenkung können dadurch zu drastischen Spannungseinbrüchen führen. Diese Problematik kann auch in Bordnetzen auftreten, bei denen ein DC/DC-Wandler als Energiequelle eingesetzt wird. Allerdings muss bei einer dynamischen Belastung des Bordnetzes erst dann die Batterie als Energiepuffer fungieren, wenn der DC/DC-Wandler an seine Leistungsgrenze stößt, obwohl eine Regelung eines DC/DC-Wandlers schneller ist als die Regelung eines Generators.
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Um in lenkleistungsintensiven Fahrsituationen eine optimale Performance der Lenkung und insbesondere der elektrischen Servolenkung zu erreichen, sind heute bereits softwarebasierte Funktionen zum Anheben der Spannung z.B. mittels einer Generatorzuschaltung im Einsatz. Ein beispielhaftes Verfahren ist der
DE 10 2015 218 167 A1 zu entnehmen.
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Allgemein unterscheiden sich die aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen zwischen reaktiven und prädiktiven Maßnahmen. Reaktive Maßnahmen heben die Spannung auf der Basis von aktuellen Fahrereingaben, wie beispielsweise Lenkwinkel, Lenkwinkelgeschwindigkeit oder Lenkmoment, an oder nutzen Daten der Lenkung, wie beispielsweise eine aktuelle Stromaufnahme oder eine aktuelle mechanische und/oder elektrische Leistungsaufnahme.
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Prädiktive Maßnahmen (so wie diese beispielhaft in der
DE 10 2015 218 167 A1 aufgezeigt sind) versuchen dagegen lenkleistungsintensive Fahrsituationen anhand erfahrungsbasierter Use-Cases zu identifizieren.
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Die reaktiven Maßnahmen haben den Nachteil, dass sie zeitlich gesehen zu spät greifen. Aufgrund von Rechenzeiten, Signallaufzeiten und physikalischen Trägheiten erfolgt die Spannungsanhebung bei derartigen Systemen oft zu spät. Ein Fahrzeuginsasse verspürt dann beim Lenkvorgang ein kurzzeitiges Verhärten an der Lenkhandhabe, welches verschwindet, sobald die Spannung im 12 V-Energiebordnetz angehoben wurde. Ein solches „Verhärten“ kann für einen Fahrzeuginsassen als unkomfortabel wahrgenommen werden.
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Die prädiktiven Maßnahmen heben die Spannung dagegen rechtzeitig an, lösen aber aufgrund ihrer Unschärfe auch unnötige Spannungserhebungen aus, welche vom Lenksystem nicht benötigt werden. Die prädiktiven Maßnahmen wirken sich daher negativ auf CO2-Emissionen, den Energieverbrauch sowie auf eine mögliche elektrische Reichweite eines Elektrofahrzeuges aus.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung aufzuzeigen, welches einen möglichst hohen Fahrerkomfort und gleichzeitig einen möglichst geringen Energieverbrauch gewährleistet.
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Die Lösung der Aufgabe ergibt sich durch ein Verfahren zum Betreiben einer elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Computerprogrammprodukt gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung vorgeschlagen.
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Eine solche elektromechanische Lenkunterstützungseinrichtung kann dabei insbesondere als sog. Servomotor bzw. Servolenkung ausgebildet sein. Eine Servolenkung dient der Reduzierung der Kraft, die zur Betätigung des Lenkrads eines Kraftfahrzeugs beim Lenken im Stand, beim Rangieren oder bei geringen Fahrgeschwindigkeiten nötig ist. Die Servolenkung unterstützt einen Fahrer beim Lenken, indem die vom Fahrer aufgebrachte Kraft zum Lenken durch einen Elektromotor verstärkt wird.
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Die Lenkunterstützungseinrichtung wird dabei durch einen mittels eines generatorisch betriebenen Elektromotors geladenen Akkumulators betrieben.
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Besonders bevorzugt wird die Lenkunterstützungseinrichtung durch ein Energiebordnetz bestehend aus einem Akkumulator bzw. einer Batterie (insbesondere einer 12V-Batterie) und einem Generator mit Strom und Spannung versorgt.
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Anstelle des Generators kann auch ein sogenannter DC/DC-Wandler zwischen der Spannungsebene der Lenkung und der Spannungsebene des generatorisch betriebenen Elektromotors geschaltet sein, der die Lenkunterstützungseinrichtung durch einen geladenen Akkumulator mit Strom und Spannung versorgt.
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Bei dem genannten Energiebordnetz, an welchem die elektromechanische Lenkunterstützungseinrichtung angeschlossen ist, handelt es sich besonders bevorzugt um ein sogenanntes 12 V-Energiebordnetz. Insbesondere eignet sich das Verfahren für ein Niederspannungsbordnetz. Das Verfahren ist jedoch ebenso mit einem anderen Energiebordnetz, wie beispielsweise einem 24 V- oder einem 48 V-Bordnetz durchführbar.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das Laden und Entladen des Akkumulators und daraus resultierend die Leistungsvorgabe und insbesondere die Spannungsvorgabe an dem Akkumulator mittels eines Energie- und Leistungsmanagementsystems des Fahrzeuges gestaltet wird.
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Die Spannung, welche durch das Leistungsmanagementsystem vorgegeben wird, ist insbesondere von einer aktuellen Fahrsituation, einem Batteriezustand einer aktuellen Energie- und Leistungsaufnahme der vorhandenen elektrischen Verbraucher im Fahrzeug abhängig und variabel gestaltet.
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Aufgrund der genannten variablen Spannungsvorgabe an der Batterie, können Spannungen an den Klemmen der elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung auftreten, die unterhalb der Auslegungsspannung der elektromechanischen Lenkunterstützungseinrichtung liegen können.
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Es ist demnach ferner vorgesehen, dass vorausschauend erfasst wird, dass die Lenkunterstützungseinrichtung zu einem zukünftigen Zeitpunkt einen höheren Leistungsbedarf hat als eine aktuell zum Laden des Akkumulators, insbesondere über das Energie- und Leistungsmanagementsystem angeforderte Leistung.
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Dabei wird insbesondere ein zukünftiger Spannungsbedarf an den Klemmen der Lenkunterstützungseinrichtung erfasst bzw. ermittelt.
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Diese vorausschauende Leistungsbedarfsermittlung bzw. insbesondere Spannungsbedarfsermittlung erfolgt dabei beispielsweise mittels mathematischen Extrapolationsmethoden bzw. über ein oder mehrere neuronale Netze oder ähnliche Vorhersage- bzw. Schätzungsmechanismen.
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Wird erfasst bzw. berechnet, dass die Lenkungsunterstützung zum zukünftigen Zeitpunkt einen höheren Leistungsbedarf bzw. insbesondere einen höheren Spannungsbedarf hat, so wird zu diesem Zeitpunkt eine höhere Spannung am Akkumulator angelegt. Dies erfolgt bevorzugt derart, dass bei Erfassen eines höheren Spannungsbedarfes eine dementsprechend höhere Spannung vom Energie- und Leistungsmanagementsystem angefordert wird, sodass diese höhere Spannung zum zukünftigen Zeitpunkt vorliegt.
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Diese Spannungserhöhung liegt dabei nur kurzfristig für die jeweilige Situation vor und wird anschließend, bevorzugt wenn keine erhöhte Spannung mehr erforderlich ist, wieder zurückgenommen.
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Es ist vorgesehen, dass die genannte Spannungserhöhung am Akkumulator bzw. die bevorzugte Anforderung einer höheren Spannung durch das Energie- und Leistungsmanagementsystem nur unter der Bedingung erfolgt, dass die Lenkungsunterstützungsvorrichtung zum zukünftigen Zeitpunkt eine bzw. die Auslegungsgrenze der Lenkunterstützungseinrichtung erreicht bzw. überschreitet.
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Die elektromechanische Lenkunterstützungseinrichtung wird bevorzugt anhand der Verläufe der Lenkwinkelgeschwindigkeit über dem Zahnstangenhub bzw. dem Lenkwinkel sowie des Lenkmoments (auch als sogenanntes Handmoment bezeichnet) über dem Zahnstangenhub bzw. dem Lenkwinkel ausgelegt.
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Bei der Lenkungseinheit im Fahrzeug handelt es sich demnach bevorzugt um eine sog. Zahnstangenlenkung, bei welcher über beispielsweise ein über eine Lenkwelle mit der Lenkhandhabe verbundenes Zahnrad in eine Zahnstange greift. Durch Drehen an der Lenkhandhabe durch den Fahrzeuginsassen (mit dem genannten Handmoment) wird die Zahnstange verschoben und schwenkt mit einem bestimmten Zahnstangenhub die gelenkten Räder.
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Die Lenkunterstützungseinrichtung unterstützt den Fahrer dann, indem es mittels eines Elektromotors die Kraft zum Bewegen der Lenkhandhabe zumindest teilweise für den Fahrer aufbringt, sodass der Fahrer nur mehr ein reduziertes Handmoment aufbringen muss.
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Das Handmoment beschreibt dabei das Moment, welches von dem Fahrzeuginsassen auf eine Lenkhandhabe (beispielsweise auf ein Lenkrad) ausgeübt werden muss, um ein Lenken des Fahrzeuges zu bewirken.
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Der Zahnstangenhub beschreibt dabei den Weg der translatorischen Bewegung der Zahnstange, welcher zur Darstellung eines bestimmten Lenkwinkels am Fahrzeugrad beiträgt.
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Die Auslegungsgrenze der Lenkunterstützungseinrichtung ist demnach durch eine Lenkwinkelgeschwindigkeitskennlinie sowie über eine Handmomentenkennlinie vorgegeben. Beide Kennlinien sind über den Verlauf des Zahnstangenhubs (bzw. des Lenkwinkels) der Lenkungseinheit abgebildet. D.h., dass einer maximalen Lenkwinkelgeschwindigkeit immer ein maximales Handmoment (und anders herum einem maximalen Handmoment immer eine maximale Lenkwinkelgeschwindigkeit) zu einem bestimmten Zahnstangenhub gemäß den Kennlinien vorgegeben ist.
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Lenkt ein Fahrer also beispielsweise zu einem bestimmten Zahnstangenhub auf der Lenkwinkelgeschwindigkeitskennlinie, so darf das Handmoment die Handmomentenkennlinie nicht überschreiten. Andersherum muss es einem Fahrer möglich sein die maximale Lenkwinkelgeschwindigkeit gemäß der Lenkwinkelgeschwindigkeitskennlinie zu erreichen, wenn er ein Handmoment gemäß der Handmomentenkennlinie aufbringt. In beiden genannten Fällen befindet sich der Betrieb der Lenkunterstützungseinrichtung dann noch innerhalb der Auslegungsgrenze.
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Erst wenn erfasst wird, dass zu dem zukünftigen Zeitpunkt, beide Kennlinien erreicht bzw. überschritten sind und damit die Auslegungsgrenze der Lenkunterstützungseinrichtung erreicht bzw. überschritten ist, wird die genannte Spannungserhöhung veranlasst bzw. angefordert.
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Diese zusätzliche Bedingung, von welcher die Spannungserhöhung abhängig ist, ermöglicht eine Vermeidung von unnötigen Spannungsanhebungen. Denn das Erreichen der Auslegungsgrenze der Lenkunterstützungseinrichtung ist, im Gegensatz zu den extrapolierten bzw. geschätzten Daten, ein genaues Maß für das tatsächliche Eintreten einer genannten anfänglichen „Verhärtung“ der Lenkung für einen Fahrzeugfahrer. Denn nur bei tatsächlichem Erreichen bzw. Überschreiten der Auslegungsgrenze der Lenkunterstützungseinrichtung erfolgt die Spannungserhöhung.
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Gleichzeitig ist auch durch die prädiktive Vorhersage eines erhöhten Leistungsbedarfs zum zukünftigen Zeitpunkt sichergestellt, dass die Spannungsanhebung nur erfolgt, wenn der Fahrer so schnell oder so stark lenkt, dass er ohne eine Spannungserhöhung eine Verhärtung verspüren würde und dass die Anhebung früh genug erfolgt, um ein solches anfänglich kurzzeitiges Verhärten zu unterbinden.
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Hierdurch können die im Stand der Technik beschriebenen negativen Auswirkungen auf CO2-Emissionen, Energieverbrauch oder elektrische Reichweite bisheriger prädiktiver Maßnahmen erheblich reduziert oder ganz vermieden werden.
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Beispielsweise gerät beim schnellen Einlenken mit wenig Handmoment die Lenkunterstützungseinrichtung nicht zwingend an ihre Auslegungsgrenze. Bei einem bergaufstehenden Fahrzeug mit entlasteter Vorderachse beispielsweise kann mit einem geringen Lenkmoment eine hohe Lenkwinkelgeschwindigkeit erzielt werden. Auch beim langsamen Lenken mit einem hohen Lenkmoment gerät die Lenkunterstützungseinrichtung auch nicht zwingend an ihre Auslegungsgrenze. Hierzu sei beispielsweise die Situation genannt, in der sich der Lenkeinschlag der Vorderräder am sogenannten Endanschlag befindet, welcher eine mechanische Blockade und damit ein Ansteigen des Lenkmoments zur Folge hat.
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D.h. durch die Abhängigkeit der Spannungsanhebung von der Auslegungsgrenze der Lenkunterstützungseinrichtung, kann die Genauigkeit, ob zum zukünftigen Zeitpunkt tatsächlich ein höherer Leistungsbedarf von der Lenkunterstützungseinrichtung benötigt wird, erhöht werden. Hierdurch können unnötige Spannungserhöhen zum zukünftigen Zeitpunkt vermieden werden.
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Zudem besteht die Möglichkeit den Verbau eines kostenintensiven Mehrspannungsbordnetzes (400 V, 60V, 48V, 24V oder 12V) zu vermeiden und weiterhin ein Niederspannungsbordnetz zu verwenden. Hierbei können Herstellungskosten eingespart werden. In Fahrzeugen, insbesondere der unteren oder mittleren Klasse, besteht zudem die Möglichkeit eine Lenkung mit einer kleineren Leistungsklasse zu verbauen, was weiterhin eine Kostenreduzierung mit sich bringt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des beanspruchten Verfahrens wird in zeitlichen Abständen wiederholt ermittelt, ob die Lenkunterstützungseinrichtung in weiteren zukünftigen Zeitpunkten einen höheren Leistungsbedarf hat, als eine aktuelle, insbesondere über ein Energie- und Leistungsmanagementsystem, zum Laden des Akkumulators angeforderte Leistung. Insbesondere wird die Ermittlung im Abstand von jeden 1 bis 15 ms, besonders bevorzugt von jeden 10 ms, vorgenommen.
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Durch eine derart hohe Frequenz an Erfassungsvorgängen kann sichergestellt werden, dass zu nahezu jeder Zeit festgestellt werden kann, ob zu einem zukünftigen Zeitpunkt ein erhöhter Leistungsbedarf anzufordern ist.
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Dabei ist die Vorausschauzeit zur Ermittlung, ob die Lenkunterstützungseinrichtung in zukünftigen Zeitpunkten einen höheren Leistungsbedarf hat, bevorzugt derart gewählt, dass zum jeweils erfassten zukünftigen Zeitpunkt die Lenkunterstützungseinrichtung mit einer erhöhten Leistung, insbesondere einer erhöhten Spannung, betrieben wird. Die Vorausschauzeit ist demnach rechtzeitig gewählt, sodass ein Fahrzeugfahrer keine genannte „Verhärtung“ bei der Lenkung verspürt.
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Bevorzugt liegt die Vorausschauzeit in einem Bereich von ca. 100 bis 2000 ms, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 500 und 1500 ms.
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Diese und weitere Ausführungen gehen außer aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung auch aus der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich genommen schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel weiter erläutert. Erfindungswesentlich können dabei sämtliche näher beschriebenen Merkmale sein.
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Die Figur zeigt dabei ein Diagramm mit beispielhaften Auslegungsgrenzen einer Lenkunterstützungseinrichtung.
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Die Auslegungsgrenze der Lenkunterstützungseinrichtung ist demnach bevorzugt durch eine Lenkwinkelgeschwindigkeitskennlinie VLenkwinkel sowie über eine Handmomentenkennlinie MHand vorgegeben. Beide Kennlinien sind über den Verlauf des Zahnstangenhubs HubZSG der Lenkungseinheit abgebildet. Diese Auslegungsgrenze gibt demnach vor, dass eine maximalen Lenkwinkelgeschwindigkeit immer ein maximales Handmoment (und anders herum einem maximalen Handmoment immer eine maximale Lenkwinkelgeschwindigkeit) zu einem bestimmten Zahnstangenhub gemäß den Kennlinien vorgegeben ist.
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Beispielsweise ist zu erkennen, dass ab Erreichen eines vorgeschrittenen Zahnstangenhubs HubZGS, das Handmoment MHand stark ansteigt, während die Lenkwinkelgeschwindigkeit sinkt. Diese Situation ist beispielsweise bei einem Einparkmanöver des Fahrzeuges im stillstandsnahen Geschwindigkeitsbereich möglich, in welcher sich die Lenkung nahezu an ihrem Endanschlag befindet und in welcher die Lenkwinkelgeschwindigkeit VLenkwinkel nur mehr sehr langsam ist.
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In einem ersten Schritt wird, beispielsweise durch Extrapolation, Schätzungsmethoden oder ähnlichem, erfasst, dass die Lenkunterstützungseinrichtung zu einem zukünftigen Zeitpunkt bzw. zu einem zukünftigen Arbeitspunkt APZukunft einen höheren Leistungsbedarf hat, als eine aktuell zum Laden des Akkumulators angeforderte Leistung bei einem aktuellen Arbeitspunkt APaktuell der Lenkunterstützungseinrichtung.
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Hierfür wird der aktuelle Arbeitspunkt APaktuell der Lenkunterstützungseinrichtung zum aktuellen Zeitpunkt, welcher sich innerhalb der Auslegungsgrenze, in diesem Fall unterhalb beider Kennlinien MHand und VLenkwinkel befindet, erfasst.
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Anschließend wird der zukünftige Arbeitspunkt APZukunft (gestrichelt dargestellt) in der erforderlichen Vorausschauzeit mittels beispielsweise Extrapolation prädiziert. In diesem Falle überschreitet der prädizierte Arbeitspunkt APZukunft beide Auslegungskennlinien der Lenkunterstützungseinrichtung (vgl. Pfeil). Dadurch dass beide Kennlinien MHand und VLenkwinkel im zukünftigen Arbeitspunkt APZukunft überschritten sind, wird eine Spannungsanhebung ausgelöst.
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Dabei wird eine höhere Spannung an dem Akkumulator angelegt durch Anforderung der erhöhten Spannung durch ein Energie- und Leistungsmanagementsystem des Fahrzeuges, sodass die Lenkunterstützungseinrichtung zu dem vorausgeschauten Arbeitspunkt APZukunft die vorausgeschaute höhere Spannung erhält.
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Die Auslösung erfolgt jedoch nur, wenn bei beiden Kennlinien MHand und VLenkwinkel eine Überschreitung bzw. ein Erreichen vorliegt.
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Wird nur eine der Kennlinien MHand und VLenkwinkel überschritten und die andere nicht, so findet keine genannte Spannungsanhebung statt, da die Auslegungsgrenze der Lenkunterstützungseinrichtung nicht erreicht ist.
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Ein unnötiges Erhöhen der Spannung am Akkumulator und somit eine unnötiger Energieverbrauch kann hierdurch vorteilhaft vermieden werden. Gleichzeitig ermöglicht es einen komfortablen Lenkvorgang für einen Fahrzeugfahrer, wenn eine erhöhte Spannung tatsächlich benötigt wird.
