DE102011013022B3 - Verfahren zur Bestimmung des Fahrwiderstands eines Fahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrwiderstands (FW) eines Fahrzeugs, wobei unter Berücksichtigung eines Wertes für die Fahrzeugmasse (m) eine Berechnung des Fahrwiderstands (FW) erfolgt. Vor Fahrtbeginn werden in einem Schätzverfahren unter Berücksichtigung von Sensorsignalen die Fahrzeugmasse (m) und Fahrwiderstandskoeffizienten (F0, F1, F2) geschätzt und daraus wird ein Anfangswert für den Fahrwiderstand (FW) berechnet, wobei dann während der Fahrt anhand von zeitlich nacheinander gemessenen Fahrtmesswerten ein korrigierter Wert für den Fahrtwiderstand (FW) und die Fahrzeugmasse (m) berechnet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrwiderstands eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aufgrund knapper werdender Ressourcen und dem gleichzeitig steigenden Umweltbewusstein wird es immer wichtiger, möglichst umweltschonende Kraftfahrzeuge zu entwickeln. Mit Hybridfahrzeugen, die mit einem Elektroantrieb und einem Verbrennungsmotor ausgestattet sind, können sehr geringe Emissionswerte erzielt werden. Gerade bei Hybridfahrzeugen, aber auch bei anderen Kraftfahrzeugen, ist es für den Fahrer wichtig zu wissen, wie groß die Restreichweite unter Berücksichtigung des aktuellen Energiespeicherinhalts bzw. des Tankinhalts noch ist. Für die Bestimmung der Restreichweite ist insbesondere der Fahrwiderstand eines Fahrzeugs von Bedeutung, der von der Anzahl der Insassen, von der Beladung, vom Reifentyp und weiteren Fahrzeugmerkmalen abhängig ist.
  • Die möglichst genaue Kenntnis des Fahrwiderstands bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eines Fahrzeugs kann auch für Steuerungsaufgaben innerhalb des Fahrzeugs verwendet werden. Aus der DE 10 2006 022 170 A1 ist zum Beispiel, ein Verfahren zur Ermittlung des Fahrwiderstand eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem in Verbindung mit einem automatisierten Schaltgetriebe Fahrwiderstandswerte vor Beginn eines Schaltvorgangs und zu einem späteren Zeitpunkt ermittelt werden. Wird in diesem Zusammenhang eine Fahrwiderstandsänderung festgestellt, kann ggf. eine erforderliche Korrektur des Schaltvorgangs durchgeführt werden.
  • Aus der DE 601 13 226 T2 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrwiderstands eines Fahrzeugs bekannt, bei dem von konstanten Fahrwiderstandskoeffizienten und von einer vorgegebenen Fahrzeugmasse ausgegangen wird. Während der Fahrt wird ein Grenzwertvergleich durchgeführt, mit dessen Hilfe während der Fahrt Fahrwiderstandskoeffizienten und die Fahrzeugmasse iterativ genauer bestimmt werden. Zu Beginn der Fahrt werden bei diesen bekannten Verfahren ausschließlich abgespeicherte Konstanten zur Berechnung des Fahrwiderstands herangezogen.
  • DE 102 29 036 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung der Masse eines Fahrzeugs. DE 10 2006 037 704 A1 zeigt ein Verfahren zur fahrwiderstandsabhängigen Einstellung des Kupplungsmomentes eines Kraftfahrzeuges. DE 197 28 867 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Fahrzeugmasse. DE 601 13226 T2 offenbart eine Methode zur Bestimmung einer Fahrwiderstandskraft, die einem Fahrzeug entgegenwirkt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Fahrwiderstands eines Fahrzeugs anzugeben, welches zu Fahrtbeginn und während der weiteren Fahrt eine möglichst genaue Aussage über die aktuellen Fahrwiderstände und die Fahrzeugmasse liefern kann.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Erfindungsgemäß werden vor Fahrtbeginn die Fahrzeugmasse und Fahrwiderstandskoeffizienten mittels eines Schätzverfahrens unter Berücksichtigung von Sensorsignalen geschätzt. Mittels dieser Schätzung wird ein Anfangswert für den Fahrwiderstand berechnet. Während der Fahrt wird dann anhand von zeitlich nacheinander gemessenen Fahrtmesswerten eine Korrektur des Fahrwiderstandes berechnet, so dass der ursprünglich auf einer Schätzung basierende Fahrwiderstand während der Fahrt genauer bestimmt wird. Um diese Messwerte während der Fahrt zu ermitteln, müssen keine Beschleunigungsfahrten oder Ausrollvorgänge abgewartet werden, sondern es können in zeitlichen Abständen bei unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten Messungen durchgeführt und zur Berechnung des Fahrwiderstands und der Fahrzeugmasse herangezogen werden.
  • Eine allgemein gültige Gleichung für den Fahrwiderstand, der auch als Fahrwiderstandskraft bezeichnet werden kann, lautet FW = F0 + F1v + F2v2, wobei v die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist und F0, F1 und F2 Fahrwiderstandskoeffizienten sind, die auch als Ausrollkoeffizienten bezeichnet werden können. Dieses Polynom 2. Grades ist geeignet die auf ein Fahrzeug wirkenden Fahrwiderstandskräfte zu approximieren. Nun können während der Fahrt die Fahrzeugmasse und die Fahrwiderstandskoeffizienten F0, F1, F2 unter Verwendung folgender Messwerte berechnet werden: Antriebskraft FA, Steigungswiderstandskraft FST, Geschwindigkeit v und Beschleunigung a.
  • Die Abschätzung der Fahrzeugmasse und der Fahrwiderstandskoeffizienten vor Fahrtbeginn erfolgt mittels eines mathematischen Simulationsmodells vorzugsweise unter Berücksichtigung von Daten, die ohnehin über einen Datenbus einem im Fahrzeug enthaltenen Steuergerät übermittelt werden. Somit lässt sich auf einfache Weise das erfindungsgemäße Verfahren direkt in das Steuergerät implementieren. Dabei können im Steuergerät auch Informationen über das Fahrzeuggewicht einschließlich Extraausstattungen abgespeichert sein, so dass mittels weiterer Sensorinformationen, beispielsweise über den aktuellen Tankinhalt und die Sitzbelegung, eine genauere Abschätzung der Fahrzeugmasse vor Fahrtbeginn erfolgen kann. Hierfür können auch Beladungssensoren und/oder Sensorsignale, die zur Leuchtweitenregulierung verwendet werden, mit berücksichtigt werden. Wesentlich ist dabei, dass bei Fahrtbeginn nicht von einem konstant im Speicher vorgegebenen Wert für die Fahrzeugmasse ausgegangen wird, sondern dass die Fahrzeugmasse eben anhand von unterschiedlichen, über den CAN-Bus (Datenbus des Fahrzeugs) übertragenen Signalen abgeschätzt wird. Die Abschätzung der Fahrzeugmasse ist deshalb auch besonders wichtig, weil die Fahrzeugmasse wesentlichen Einfluss auf die Fahrwiderstandskoeffizienten hat.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine Ablaufübersicht über die einzelnen Schritte zur Abschätzung der Fahrzeugmasse und der Fahrwiderstandskoeffizienten,
  • 2 ein Funktionsblockdiagramm zur Anpassung der Luftwiderstandkoeffizienten bei Vorhandensein einer Dachbox und
  • 3 ein Funktionsblockdiagramm zur Schätzung der Fahrzeugmasse vor Fahrtbeginn.
  • In 1 ist die Abschätzung der Fahrwiderstandskoeffizienten F0, F1, F2 und der Fahrzeugmasse m veranschaulicht. Die Abschätzung erfolgt vor Fahrtbeginn, während die hier nicht dargestellte Kalkulation während der Fahrt durch eine Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Messungen durchgeführt wird.
  • Die Abschätzung erfolgt in der Weise, dass Fahrzeugdaten und Sensorinformationen, wie Umgebungstemperatur, aktueller Tankinhalt, Sitzbelegung, Umgebungsdruck, Reifendruck, Straßenneigung und das Signal eines Dachboxsensors, in einem mathematischen Modell für den Fahrwiderstand des Fahrzeugs Berücksichtigung finden. Diese Daten und Signale können einem Datenbus CAN und/oder einem Steuergerät CPU entnommen werden.
  • Das mathematische Modell basiert dabei auf der allgemeinen Gleichung für den Fahrwiderstand FW = F0 + F1v + F2v2, wobei die Fahrwiderstandskoeffizienten F0, F1, F2 von der Fahrzeugmasse und von weiteren Betriebsparametern des Fahrzeugs abhängen, beispielsweise vom Luftwiderstandsbeiwert cW und von der Stirnfläche AL des Fahrzeugs.
  • Mit Hilfe eines mathematischen Modells kann nun eine Simulation SIM für unterschiedliche Geschwindigkeiten durchgeführt werden, die einen Verlauf für den Fahrwiderstand FW in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ergibt und eine Berechnung der Fahrwiderstandskoeffizienten F0, F1, F2 ermöglicht.
  • Als mathematisches Modell wird für den Fahrwiderstand FW,mod nachfolgende Gleichung angenommen: FW,mod = F0(X0) + F1(X1)v + F2(X2)v2 (Gleichung 1)
  • Dabei steht das ”X” sowohl für Fahrzeugdaten als auch für Umgebungsbedingungen, wobei es sich zum Beispiel um Einflussgrößen, wie den Luftwiderstandsbeiwert und die Stirnfläche des Fahrzeugs, die Fahrzeugmasse, Raddurchmesser, Reifentyp und Temperaturangaben, etc. handeln kann.
  • Mit einem solchen mathematischen Modell können für N unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten V1-N Wertepaare (vj, FW,i) ermittelt werden, die in folgende Matrizengleichung eingetragen werden:
    Figure 00060001
    (Gleichung 2)
  • Durch das Lösen dieser Matrizengleichung können dann für F0, F1, F2 mit diesem Abschätzverfahren die gesuchten, wenigstens teilweise auf Schätzwerten basierenden Koeffizienten F0,SCHAETZ F1,SCHAETZ F2,SCHAETZ bestimmt werden.
  • Zur genaueren Bestimmung des für das Abschätzverfahren verwendeten Luftwiderstands kann vor Fahrtbeginn gemäß 2 mittels eines Dachboxsensors SD das Vorhandensein einer Dachbox erkannt werden, wodurch eine pauschale Bewertung des Luftwiderstandsbeiwerts cW mit dem Faktor 1, 2 erfolgen kann, was einer Erhöhung um 20% entspricht. Im Funktionsblock FB1 ist die Umschaltung vom Faktor 1 auf den Faktor 1, 2 mit unterbrochener Linie dargestellt.
  • Außerdem wird bei Erkennung einer Dachbox gemäß Funktionsblock FB2 eine Erhöhung der Stirnfläche AL des Fahrzeugs um 0,41 m2 vorgenommen, was hier ebenfalls mit einer unterbrochenen Linie dargestellt ist.
  • In 3 ist nun beispielhaft die Abschätzung der Fahrzeugmasse vor Fahrtbeginn in einem Funktionsblockdiagramm dargestellt. Das Leergewicht wird mit dem Gewicht der individuell vorhandenen Ausstattung beaufschlagt. Außerdem wird das Gewicht des aktuellen Tankinhalts zum Leergewicht addiert. Weiterhin wird über Sitzbelegungssensoren das Gewicht der Fahrzeuginsassen abgeschätzt und bei der Ermittlung des Fahrzeugsgewichts in der Weise berücksichtigt, dass pro belegtem Sitz im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Mittelwert von 75 Kg berücksichtigt wird. Außerdem kann das Vorhandensein von Gepäck im Kofferraum mit einem Gewichtszuschlag berücksichtigt werden. Schließlich ist noch bei Benutzung einer Dachbox ein Gewichtszuschlag von 50 Kg vorgesehen, so dass die Summe von Fahrzeugleergewicht und der weiteren Gewichtszuschläge zur Ermittlung der geschätzten Fahrzeugmasse mFZG,SCHAETZ führt.
  • Nach Fahrtbeginn werden die beispielhaft gemäß 1 bis 3 ermittelten Schätzwerte durch berechnete Werte ersetzt, die sich aus einer Vielzahl von Fahrtmesswerten ergeben. Die hierfür benötigten Messungen beschränken sich hauptsächlich auf die Antriebskraft FA, die Steigungswiderstandskraft FST, die Geschwindigkeit v und die Beschleunigung a. Mit der Bewegungsgleichung
    Figure 00070001
    (Gleichung 3) kann nun für N Messpunkte die nachfolgende Matrizengleichung aufgestellt werden:
    Figure 00080001
    (Gleichung 4) dabei ist dv/dt als Beschleunigung a angegeben und iG steht für die Gesamtübersetzung. RRAD ist der Radius der Räder, JMOT das Motorträgheitsmoment und JRAD ist das zusammengefasste Massenträgheitsmoment der Räder, Bremsen und Gelenkwellen.
  • Bei einer Anzahl von N Messpunkten kann die Gleichung 4 mit dem Least-Squares-Verfahren gelöst werden, woraus sich die gesuchten kalkulierten Werte für die Fahrzeugmasse m und die Fahrwiderstandskoeffizienten F0, F1, F2 ergeben. Sobald diese kalkulierten Werte vorliegen, werden die vor Fahrtbeginn durch Schätzung ermittelten Werte ersetzt. Während der Fahrt kann dann eine fortlaufende Kalkulation der Werte durchgeführt werden, wobei auch sich ändernde Umgebungseinflüsse, wie nasse oder trockene Fahrbahn, Berücksichtigung finden können.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Bestimmung des Fahrwiderstands (FW) eines Fahrzeugs, wobei unter Berücksichtigung eines Wertes für die Fahrzeugmasse (m) eine Berechnung des Fahrwiderstands (FW) erfolgt, wobei vor Fahrtbeginn in einem Schätzverfahren unter Berücksichtigung von Sensorsignalen die Fahrzeugmasse (m) und Fahrwiderstandskoeffizienten (F0, F1, F2) geschätzt werden und daraus ein Anfangswert für den Fahrwiderstand (FW) berechnet wird, und wobei dann während der Fahrt anhand von zeitlich nacheinander gemessenen Fahrtmesswerten ein korrigierter Wert für den Fahrwiderstand (F) und die Fahrzeugmasse (m) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Fahrt die Fahrzeugmasse (m) und die Fahrwiderstandskoeffizienten (F0, F1, F2) unter Verwendung der Messwerte Antriebskraft (FA), Steigungswiderstandskraft (FST), Geschwindigkeit (v) und Beschleunigung (a = dv/dt) gemäß folgender Bewegungsgleichung berechnet werden:
    Figure 00090001
    wobei RRAD der Radius der Räder, JMOT das Motorträgheitsmoment und JRAD das zusammengefasste Massenträgheitsmoment der Räder, Bremsen und Gelenkwellen und iG die Gesamtübersetzung ist, und dass eine Anzahl von N Messungen bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten die Messwerte für die Matrizengleichung
    Figure 00100001
    liefert, wobei durch Lösung der Matrizengleichung nach dem Least-Squares-Verfahren die Werte für die Fahrwiderstandskoeffizienten (F0, F1, F2) und die Fahrzeugmasse (m) erhalten werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschätzung der Fahrzeugmasse (m) und der Fahrwiderstandskoeffizienten (F0, F1, F2) vor Fahrtbeginn mittels eines mathematischen Simulationsmodells unter Berücksichtigung von Daten erfolgt, die einem im Fahrzeug enthaltenen Steuergerät über einen Datenbus übermittelt werden und/oder in einem Steuergerät abgelegt sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sensorsignale von Beladungssensoren und/oder Temperatursensoren und/oder Sitzbelegungssensoren und/oder Drucksensoren und/oder Feuchtigkeitssensoren und/oder Radsensoren für die Abschätzung herangezogen werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Abschätzverfahren fahrzeugspezifische Vorgabewerte und aus Sensorsignalen abgeleitete Korrekturwerte zur Bestimmung der Fahrzeugmasse (m) und der Fahrwiderstandskoeffizienten (F0, F1, F2) verwendet werden.
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