DE102019212941A1

DE102019212941A1 - Verfahren zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102019212941A1
Application number: DE102019212941.2A
Authority: DE
Inventors: Robin Loeschel; Udo Schulz; Juergen Barthlott
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie (314) eines Kraftfahrzeugs (302), wobei das Kraftfahrzeug (302) einen Antriebsmotor (310) und ein Bordnetz mit der mittels des Antriebsmotors (310) aufladbaren Batterie (314) aufweist, wobei für den Ladezustand ein Soll-Wert für einen zukünftigen Zeitpunkt unter Berücksichtigung von zumindest einer ersten Randbedingung ermittelt wird, wobei der Ladezustand der Batterie (314) einen vorgegebenen Betrieb des Kraftfahrzeugs (302) bei ausgeschaltetem Antriebsmotor (310) ermöglicht, und der Ladezustand der Batterie (314) unter Berücksichtigung zumindest einer zweiten Randbedingung derart gesteuert wird, dass dieser Soll-Wert zu dem zukünftigen Zeitpunkt erreicht wird, sodass ein prädiktives Energiemanagement in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs (302) durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
Stand der Technik
In Bordnetzen von Kraftfahrzeugen sind Verbraucher und Energiespeicher, wie bspw. Batterien, vorgesehen. Beim Betrieb des Kraftfahrzeugs muss sichergestellt sein, dass die Energiespeicher immer ausreichend Energie gespeichert haben, so dass die Verbraucher sicher mit Energie versorgt werden können. So sollte bspw. gewährleistet sein, dass der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, auch nach längeren Ruhephasen, in denen ggf. Verbraucher versorgt werden müssen, sicher gestartet werden kann. Dies ist sowohl bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennngsmotor einschließlich Hybridfahrzeugen von Bedeutung, die in der Regel über einen batterieelektrischen Anlasser bzw. Starter verfügen. Bei batterieelektrischen Fahrzeugen sollte mit Fahrtbeginn soviel Energie in der Traktionsbatterie vorhanden und damit eine Restreichweite sichergestellt sein, dass eine nächste Ladestation sicher erreicht werden kann.
Ein Maß für die in einer Batterie gespeicherte Energiemenge ist der Ladezustand der Batterie, der auch als SoC (state of charge) bezeichnet wird. Dieser kann auf einfache Weise bestimmt und gesteuert bzw. kontrolliert werden. Hierbei ist einerseits zu beachten, dass der SoC ausreichend hoch ist, um auch längere Ruhephasen, bei denen keine Möglichkeit zum Laden der Batterie besteht, zu überstehen und andererseits, dass der SoC nicht zu hoch ist, um über ein ausreichend hohes Rekuperationspotential zu verfügen.
Ein prädiktives Energiemanagement in einem Bordnetz dient vornehmlich dazu, den oder die Ladezustände von einer bzw. von mehreren Batterien so zu steuern, dass die genannten Anforderungen erfüllt sind.
Es hat sich insbesondere gezeigt, dass die Ladestrategie eines permanenten maximalen Ladezustands Nachteile beim Gesamtkraftstoffverbrauch gegenüber Ladestrategien mit variablem SoC hat.
Der Grund hierfür liegt in der nicht genutzten Möglichkeit, durch eine variable Generatorlast den Verbrennungsmotor in verbrauchsoptimalen Betriebspunkten betreiben zu können. Es ergibt sich je nach aktuellem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors die Möglichkeit einer verbrauchsoptimalen Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors mittels variabler Generatorlast.
Es ergibt sich aber auch ein deutlich schwankender Ladezustand der Batterie mit der Folge, dass der Ladezustand nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors, z. B. am Wochenende, nicht ausreichend elektrische Energie zum Versorgen der elektrischen Verbraucher und zum Start des Verbrennungsmotors zur Verfügung stehen könnte.
Beim Unterschreiten eines minimalen SoC sollte der Verbrennungsmotor gestartet werden, um über den Generator die elektrischen Verbraucher zu versorgen und die Batterie(n) nachzuladen. Der minimale Ladezustand der Batterie muss ein Starten des Verbrennungsmotors mittels des elektrischen Anlassers, eines Starters oder einer E-Maschine, noch gewährleisten können. Der Verbrennungsmotor im Leerlauf verschlechtert dann nicht nur die Kraftstoffverbrauchsbilanz, sondern verursacht auch Abgase, u. a. Stickoxid, CO₂ und Feinstaub, und Geräusche, die je nach Parksituation für das Umfeld äußerst störend sein können.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 9 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Das vorgestellte Verfahren dient zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, um ein prädiktives Energiemanagement in einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs durchzuführen.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht ein wirksames Steuern eines Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, wobei besondere Anforderungen von bestimmten Fahrzeugtypen, wie bspw. Lastkraftwagen (Lkw) für den Nahverkehr, Verteilerverkehr oder Fernverkehr, insbesondere Berücksichtigung finden. Um dies zu ermöglichen, wurden erstmalig zahlreiche Randbedingen berücksichtigt, auf die nachfolgend eingegangen wird.
Fahrwiderstände
Die Fahrwiderstände bzgl. des Fahrzeugvortriebs sind die Summe aus Rollwiderstand F_Ro, Steigungswiderstand Fst, Beschleunigungswiderstand F_Be, Luftwiderstand F_Lu und Bremswiderstand F_Br. Es gilt: $F_{ges} = F_{Ro} + F_{St} + F_{Be} + F_{Lu} + F_{Br}$
$F_{ges} = mg μ cos α+ mgsin α+ ma + cwA ρ / 2 {(V - V_{0})}^{2} + F_{Br}$
Mit vorausschauender Kenntnis bzw. Abschätzungen der Fahrwiderstände lassen sich Lastanforderungen vorausschauend bzw. prädiktiv durch quasi Rückwärtssimulation abschätzen bzw. berechnen.
Elektronischer Horizont (EH) (ferner bzw. weiter Horizont)
Unter einem elektronischen Horizont werden insbesondere Fahrbahnsteigung und Kurvenkrümmung, die gesetzliche Geschwindigkeitsbeschränkung, aber auch Zusatzattribute, wie Kreuzungen, Lichtsignalanlagen, Anzahl der Fahrspuren, Tunnel usw., verstanden. Diese werden in Abhängigkeit von der aktuellen Fahrposition als ortsfeste Attribute entlang der vorausliegenden Strecke ermittelt. Die Bereitstellung des elektronischen Horizonts erfolgt durch den sogenannten Horizon Provider (HP), der z. B. Bestandteil eines Navigationssystems sein kann. Die zukünftige Routenwahl des Fahrers kann anhand seiner Eingaben für die Zielführung des Navigationssystems ermittelt werden. Ohne Zielführung wird meist ebenfalls ein „wahrscheinlichster Pfad“ übertragen, der anhand der zugrundeliegenden Straßenklassen oder anhand einer Statistik über bereits gefahrene Strecken ermittelt wird. Optional ermittelt der HP alternative Strecken, die der Fahrer auch wählen könnte. Im Folgenden wird der Begriff „MPP“ (most probable path) für die wahrscheinlichste Strecke und mögliche Alternativstrecken verwendet.
Floating Car Data
Der Ausdruck „Floating Car Data“ (FCD) bezeichnet Daten, die aus einem Fahrzeug heraus generiert werden, das aktuell am Verkehrsgeschehen teilnimmt. Dies umfasst sowohl den Zustand des Fahrens als auch den Zustand des Stehens, z. B. im Stau, vor Ampeln oder an einem Warteplatz. Ein Datensatz umfasst zumindest den Zeitstempel sowie die aktuellen Koordinaten.
Durch Einsatz des FCD-Verfahrens werden die Fahrzeuge zu mobilen Sensoren. Derzeit dienen vor allem Taxiflotten zur Generierung von FCD, da diese für Aufgaben des Flottenmanagements bereits über die notwendige Ausstattung samt Zentrale verfügen.
Weiterentwicklungen dynamischer Straßenkarten
Bei diesen wird durch Einsatz einer Applikation bzw. App eine Verkehrszeichenerkennung, z. B. Fahrzeuggeschwindigkeit regulierende Verkehrszeichen, mittels einer vorhandenen mobilen Kamera und eine Übermittlung der Daten an den Betreiber bzw. Provider der Applikation ermöglicht. Die Nutzer der Applikation bekommen dafür eine bezüglich der geschwindigkeitsregulierenden Verkehrszeichen aktuelle Straßenkarte, d. h. eine dynamische Straßenkarte, die es ermöglicht, Funktionen, wie bspw. einen Ausrollassistenten, auf korrekten Daten zu realisieren. Ein solcher Ausrollassistent gibt anhand von Fahrzeuggeschwindigkeit regulierenden Verkehrszeichen entlang der Strecke sowie Geländehöhenprofilen, aktueller Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeugmasse usw. dem Fahrer Empfehlungen, rechtzeitig vom Gas zu gehen, um bis zur nächsten gebotenen Geschwindigkeit auszurollen und somit Bremsmanöver zu vermeiden und Kraftstoff zu sparen.
Informationen für die dynamische Karte sind u. a.:

Geschwindigkeitsbegrenzungen, insbesondere Verkehrszeichen mit Geschwindigkeitsbeschränkungen,
Aufhebung von Geschwindigkeitsbeschränkungen,
Ortseinfahrten, die eine Geschwindigkeitsbegrenzung auf 50 km/h darstellen,
Ortsausfahrten, die eine Aufhebung der Geschwindigkeitsbegrenzung auf 50 km/h darstellen,
Kurvenkrümmungen und daraus abgeleitete relevante Kurvengeschwindigkeiten.

Die Straßenkarte kann elektronisch auf einem Speichermedium, bspw. auf einem Server oder in einer Cloud, abgelegt sein. Die Fahrer von Kraftfahrzeugen können mit ihren mobilen Endgeräten über eine Applikation, bspw. das Navigationssystem, mit der dynamischen Karte auf dem Server bzw. in der Cloud zumindest zeitweise verbunden sein.
Navigationssystem mit prädiktiven Straßenkarten
Die Dateninhalte, die von einem Navigationssystem im Sinne einer Vorausschau anderen Komponenten im Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden können, sind abhängig von den Kartendaten, die von den Kartenlieferanten verfügbar sind und können sich abhängig vom Kartenlieferanten sowohl im Umfang als auch in der Qualität unterscheiden. Es ist davon auszugehen, dass energierelevante Informationen, wie insbesondere Höhen-/Steigungsprofile, Krümmungen und Geschwindigkeitsprofile, nicht flächendeckend verfügbar sind. Insbesondere sind Geschwindigkeitsinformationen und Höhen- bzw. Steigungsinformationen innerhalb Europas im Wesentlichen auf hochrangige Straßenklassen begrenzt. Entsprechend der Roadmaps der Kartenlieferanten ist die flächendeckende Verfügbarkeit von Höhen- bzw. Steigungsprofilen, Krümmungen und Geschwindigkeitsinformationen für hochrangige Straßen geplant. Allerdings ist die Verfügbarkeit von z. B. Steigungsinformationen für Wohnstraßen in absehbarer Zeit nicht zu erwarten. Es existieren aber Ansätze, die Fahrzeuge mit ihren Sensoren zu nutzen, um daraus direkt oder indirekt abgeleitete Steigungsinformationen über den gefahrenen Strecken, z. B. in den erwähnten dynamischen Karten, zu speichern.
Falls ein Navigationssystem vorhanden ist, aber eine Routenplanung nicht erfolgt, sind sowohl Verfahren zur adaptiven Routenerkennung vormals gefahrener Routen als auch spekulative Verfahren bekannt.
Fahrerassistenzsysteme (naher Horizont)
Fahrassistenzsysteme nutzen zunehmend Kameras und/oder Radar und/oder Ultraschallsensoren zur Umfelderkennung und Situations- und Manövererkennung bis zu einem Horizont von 500 m. Im Rahmen eines prädiktiven Energiemanagement im Nahfeld sind Informationen zu vorausfahrenden Fahrzeugen und/oder Hindernissen hilfreich, eine energieoptimale Verzögerungs- und Beschleunigungsenergie umsetzen zu können. So kann bei Kenntnis der Verzögerungsstrecke sowie eines Geschwindigkeits- und Höhenprofils auf ein Lastprofil geschätzt werden und Möglichkeiten des rekuperativen und/oder klassischen Bremsens und/oder Segelns usw. vorausschauend und energieoptimal umgesetzt werden.
Letztlich helfen der nahe und ferne Horizont, eine Lastprädiktion und somit auch Kraftstoffverbrauchsprädiktion über der Fahrstrecke für den Triebstrang bzw. das Fahrzeug abzuschätzen und die Freiheitsgrade im Energiemanagement weiter zu nutzen.
Energiemanagement und Betriebsstrategien
Die verschärften Anforderungen bzgl. CO₂-Reduktion steigern den Bedarf an hybriden Antriebskonzepten, Elektrifizierung von Nebenaggregaten, bedarfsgerechten Ansteuerungen, Ein- und Abschaltkonzepten, Speicherung überschüssiger thermischer, elektrischer, mechanischer Energien und deren Transformationen. Prädiktive Verfahren werden zur Lastprädiktion eingesetzt, um rechtzeitig Energiespeicher zu füllen oder zu entleeren, Lastverteilungskonzepte werden verwendet, um lokale Lastspitzen bzw. eine Überlastung zu vermeiden.
Diese neuen Möglichkeiten zur Speicherung, Transformation, Entkopplung / Verkopplung und vorausschauenden Steuerung ergeben mehr Freiheitsgrade in der Steuerung und Regelung der Leistungs- und Energieflüsse im Fahrzeug . Diese zu handhaben und zu optimieren ist Aufgabe des Energiemanagements einschließlich zugehöriger Offline- und/oder Online-Optimierungsverfahren und Algorithmen. Randbedingungen der Betriebsstrategien und Optimierer sind in den meisten Fällen die Einhaltung von Abgas-, Fahrbarkeits-, Lebensdauer-, Verfügbarkeits- und Komfort-Anforderungen.
Viele Hybrid-Betriebsstrategien basieren auf der Minimierung des Gesamtenergieverbrauchs, bestehend aus dem Energieinhalt des verbrauchten Kraftstoffs und der aus der Traktionsbatterie entnommenen elektrischen Energie. Um die Optimierung zu vereinfachen, wird dabei ein Äquivalenzfaktor zur Umrechnung von fossiler zu elektrischer Energie oder umgekehrt angewandt. Es wird darum von einer sogenannten Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS) gesprochen.
Das Verbrennungsmotor-Lastprofil kann in dem entsprechenden Steuergerät anhand von Fahrzeug- und Umweltparametern und der im EH enthaltenen Daten geschätzt werden. Der EH liefert Informationen über Geschwindigkeitsbegrenzungen, Durchschnittsgeschwindigkeiten, Steigerungen und Kurvenkrümmungen entlang der Route. Anhand dieser Informationen kann ein Geschwindigkeitsprofil erstellt werden. Ein Algorithmus hierfür ist bereits vorhanden. Ungefähre Fahrzeugparameter, wie bspw. die Fahrzeugmasse, der Rollwiderstandskoeffizient, der Strömungswiderstandskoeffizient und die projizierte Stirnfläche, werden im Steuergerät hinterlegt. Ungefähre Umweltparameter wie Luftdichte werden ebenfalls im Fahrzeug hinterlegt. Mit der Fahrwiderstandsgleichung wird auf Basis der genannten Informationen die Antrieblast für ein festes zeitliches Raster, z. B. alle 100 ms, entlang der Strecke im Voraus geschätzt.
Im EH können auch Informationen über den Fahrbahnbelag, wie bspw. Asphalt, Beton, Schotter usw., enthalten sein. Diese Information kann zusätzlich genutzt werden, um den Einfluss des Fahrbahnbelags auf den Rollwiderstandkoeffizienten zu berücksichtigen.
Zur Verbesserung der Lastprädiktion kann über den elektronischen Horizont zusätzlich ein explizites Lastprofil übertragen werden, das vom HP anhand vergangener Fahrten erstellt wird. Hierfür wird die Antriebslast während jeder Fahrt in einem festen zeitlichen Raster mit Ortsbezug, bspw. über GPS oder Koppelortung, gespeichert. Wenn eine Strecke mehrfach gefahren wurde, kann die Antriebslast anhand der Statistik über die vergangenen Fahrten geschätzt werden. Um zu erreichen, dass Änderungen entlang der Strecke, z. B. Geschwindigkeitsbegrenzungen, oder des Fahrverhaltens, z. B. schnellere Fahrt auf bekannter Strecke, in der Statistik berücksichtigt werden, werden zur Schätzung der Antriebslast nur die letzten x Fahrten zur Strecke herangezogen, wobei z. B. x = 10. Ein auf diese Weise erzeugtes Lastprofil ist fahrer- und fah rzeugspezifisch.
Lenk- und Ruhezeiten
Ruhezeiten sind Zeiten, in denen der Fahrer über eine bestimmte Mindestdauer ununterbrochen frei über seine Zeit verfügen kann. Jeder Fahrer muss tägliche und wöchentliche Ruhezeiten einhalten. Keine Ruhezeiten sind Zeiten der Arbeit oder Arbeitsbereitschaft sowie die im fahrenden Fahrzeug verbrachten Kabinenzeiten. Die Ruhezeit kann im Fahrzeug verbracht werden, sofern es mit einer Schlafkabine ausgestattet ist und nicht fährt.
Die Tageslenkzeit im gewerblichen Güter- oder Personenverkehr darf 9 Stunden in einem Zeitraum innerhalb von 24 Stunden nicht überschreiten, zweimal pro Kalenderwoche darf sie jedoch auf zehn Stunden ausgedehnt werden.
Die Lenkzeit darf ohne Fahrunterbrechung 4,5 Stunden nicht überschreiten. Spätestens nach 4,5 Stunden Lenkzeit muss der Fahrer deshalb eine Fahrunterbrechung von mindestens 45 Minuten einhalten. Fahrunterbrechung ist nach der Legaldefinition jeder Zeitraum, in dem der Fahrer keine Fahrtätigkeit ausüben und keine anderen Arbeiten ausführen darf und der ausschließlich zur Erholung genutzt wird. Die Erholungsphase kann, anders als bei der Tagesruhezeit, als Beifahrer im fahrenden Fahrzeug absolviert werden. Wartezeiten, bspw. bei der Grenzabfertigung oder beim Be- oder Entladen des Fahrzeugs, zählen als Fahrunterbrechung, wenn die voraussichtliche Dauer vorher bekannt ist. Das gleiche gilt für die Zeiten auf dem Beifahrersitz oder in der Schlafkabine im fahrenden Fahrzeug sowie auf Fähr- und Eisenbahnfahrten.
Alternativ ist ein Splitting der Fahrunterbrechung zulässig, indem der Fahrer zunächst eine 15-minütige und später eine 30-minütige Fahrunterbrechung einlegt. Wichtig ist hierbei, dass die summierte Lenkzeit, beginnend von der vorherigen regulären Ruhezeit, d. h. einer Fahrunterbrechung, täglich oder wöchentliche Ruhezeit, bis zum Anfang der 30-minütigen Fahrunterbrechung, die geforderte Grenze von 4,5 Stunden nicht überschreitet.
Die regelmäßige tägliche Ruhezeit umfasst mindestens 11 Stunden. Dauert sie mindestens 9, aber keine 11 Stunden, handelt es sich um eine reduzierte tägliche Ruhezeit. Der Fahrer muss innerhalb jedes 24-Stundenzeitraums eine tägliche Ruhezeit einlegen. Der 24-Stundenzeitraum braucht nicht mit dem Kalendertag identisch zu sein. Die tägliche Ruhezeit kann dreimal zwischen zwei wöchentlichen Ruhezeiten auf 9 Stunden verkürzt werden, ohne dass die verkürzte Zeit nachgeholt werden muss. Die ungekürzte tägliche Ruhezeit kann in zwei Teilen genommen werden, was als Splitting bezeichnet wird, wobei der erste Teil einen ununterbrochenen Zeitraum von mindestens 3 Stunden und der zweite Teil einen ununterbrochenen Zeitraum von mindestens 9 Stunden umfassen muss. Die Einhaltung dieser Reihenfolge ist verbindlich. Hierbei ist zu beachten, dass es keinen rechtlich relevanten Unterschied macht, wo der Fahrer nächtigt, sprich es kann sowohl auf 9 Stunden Ruhezeit verkürzt werden, wenn der Kraftfahrer zu Hause nächtigt, als auch wenn er während einer Tour im Fahrzeug übernachtet.
Die regelmäßige wöchentliche Ruhezeit muss zusammenhängend 45 Stunden nach 6 x 24 Stunden bzw. nach der letzten wöchentlichen Ruhezeit betragen. Die wöchentliche Ruhezeit von 45 Stunden kann jedoch auf 24 Stunden verkürzt werden. Jede Verkürzung ist durch eine zusammenhängende Ruhezeit auszugleichen, die vor Ende der auf die betreffende Woche folgenden dritten Woche zu nehmen ist. Beim Splitting der regelmäßigen wöchentlichen Ruhezeit auf mindestens 24 Stunden müssen die nachzuholenden 21 Stunden jedoch beachtet werden, so dass die fehlende wöchentliche Ruhezeit von 21 Stunden nur dann anerkannt wird, wenn diese in direktem Anschluss an eine mindestens neunstündige Ruhezeit angehängt wird. Es sind zur Anerkennung also mindestens 30 Stunden Ruhezeit notwendig, es sei denn, die nachzuholenden 21 Stunden werden vor Ablauf der sechsten Tageslenkzeit, einer 45-stündigen regelmäßigen wöchentlichen Ruhezeit direkt vorangestellt. Eine verkürzte wöchentliche Ruhezeit muss spätestens vor Ende der nachfolgenden dritten Woche, die auf die verkürzte Ruhezeit folgt, ausgeglichen werden, also bspw. 66 Stunden Ruhezeit als Ergebnis von 45 Stunden und fehlenden 21 Stunden. In jeder Doppelwoche müssen mindestens zwei wöchentliche Ruhezeiten liegen, mindestens eine davon muss eine reguläre wöchentliche Ruhezeit (45 Stunden) sein. Liegt eine wöchentliche Ruhezeit innerhalb zwei Wochen, so kann gewählt werden, für welche der beiden Wochen die wöchentliche Ruhezeit gelten soll.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter einer Ruhezeit eines Fahrers des Kraftfahrzeugs einer Fahrtunterbrechung einer Fahrt des Kraftfahrzeugs verstanden werden, die eine Länge von mehr als 15 min, bevorzugt mehr als 30 min oder 45 min, besonders bevorzugt von mehr als 5 h aufweist.
Fahrtenschreiber und Tachographen
Ein Tachograph, der auch als Fahrtschreiber, Fahrtenschreiber, Fahrtenzähler oder EG-Kontrollgerät bezeichnet wird, ist ein Tachometer mit angeschlossenem Messschreiber, der Lenk- und Ruhezeiten, Lenkzeitunterbrechungen, zusätzlich gefahrene Kilometer und die gefahrene Geschwindigkeit aufzeichnet. Hauptaufgabe des Fahrtenschreibers ist die Überwachung der Lenk und Ruhezeiten. Beim digitalen Tachographen gibt es bereits personalisierte Fahrerkarten. Damit ist ein Zugang zum Fahrzeug nur durch autorisierte und ausgebildete Fahrer und/oder Ersatz für den normalen Schlüssel prinzipiell möglich.
Fahrerüberwachung und Blickrichtungserkennung, Personalisierung
Bekannt sind Verfahren zur Blickrichtungserkennung von Personen mittels Kamera. Dazu muss vorab eine sogenannte Personalisierung, d. h. eine Gesichtserkennung und ein Einlernen der Blickrichtung der Person, erfolgen. Dabei werden z. B. zuerst die typischen Gesichtsmerkmale gesucht und erkannt. Dann muss die zu lernende Person ein Symbol bzw. Punkt auf dem Display mit Ihrem Blick fixieren, der dann über die Displayfläche mehrmals verschoben wird.
Letztlich muss dieser Einlernvorgang für jede Person auf dem jeweiligen System bzw. Fahrzeug einmalig erfolgen. Im Betrieb des Systems erkennt dieses die spezifische Person und kann aufgrund der personalisierten Lerndaten die Blickrichtung Millimeter genau einer Position auf dem Display zuordnen.
Eine Kamera, bspw. eine Infrarotkamera, und eine Anzeige bzw. ein Display sind zueinander definiert positioniert. Die geometrische Kalibrierung des Systems erfolgt am Bandende des OEM, bspw. durch Einlernen mit einem Schachbrett. Die Kabine selbst spielt dabei keine Rolle. Dabei werden auch Fertigungstoleranzen kompensiert. Für jedes weitere Display im Fahrzeug ist derzeit prinzipiell eine weitere Kamera erforderlich.
Mit der Erkennung der Blickrichtung und zugehörigen Position, z. B. auf einem Display, können sogenannte Blickrichtungsteuerungen umgesetzt werden. Das heißt, wohin der Fahrer auf dem Display schaut, nämlich Blickrichtung als Zeiger, kann dies zur Delegierung des Infotainments, wie bspw. der Ausfall von Anruflisten oder Karten usw., verwendet werden. Optional sind Bestätigungseingaben z.B. über Taster oder auch akustische oder Interpretationen von Augenlidbewegungen möglich.
Unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen wurde das vorgestellte Verfahren entwickelt, das in Ausgestaltung eine prädiktive Bestimmung eines notwendigen Ladezustands der Batterie für den Emmisions- und geräuschfreien Wohn- bzw. Hotelbetrieb und die Sicherstellung des Wiederstarts des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Die prädiktive Bestimmung eines notwendigen Ladezustands der Batterie vor dem Wohn- bzw. Hotelbetrieb und dem Wiederstart des Verbrennungsmotors wird anhand von bekannten und/oder prognostizierten und/oder gelernten Fahrer- bzw. Bedienerruhezeiten und prognostizierten personengebundenen Verbrauchsinformationen elektrischer Verbraucher unter Einbeziehung von verbrauchsrelevanten Umgebungs- bzw. Umweltinformationen und/oder Logistik- bzw. Planungsinformationen durchgeführt.
Darauf basierend können dann prädiktive Betriebsstrategien des Energiemanagements quasi vom Ziel-SoC zurückrechnend über der geplanten Route den Kraftstoffverbrauch während der Fahrt optimieren, was umfasst, sowohl den Generator bzw. die E-Maschine zum Laden der Batterie entsprechend anzusteuern als auch die Batterie entsprechend anzusteuern und auch die Batterie entsprechend und rechtzeitig zu entladen, um z. B. Rekuperationspotentiale nutzen zu können.
Der Vorteil liegt in einem verbrauchsoptimalen Fahrvertrieb und gleichzeitigen emissions- und geräuschfreien Wohn- bzw. Hotelbetrieb und einem sicheren Wiederstart des Verbrennungsmotors.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in einem ersten Schritt ein Zeitpunkt und/oder eine Dauer einer zukünftigen, insbesondere der nächsten, Ruhezeit des Fahrers des Kraftfahrzeugs ermittelt. Hierbei können Vorschriften zu Lenk- und Ruhezeiten und/oder eine derzeitige bzw. aktuelle Lenkzeit des Fahrers und/oder in der Vergangenheit zurückliegende Lenk- und Ruhezeiten des Fahrers und/oder anderer Fahrer berücksichtigt werden. Weiter kann die Navigations- bzw. Routenplanung des Kraftfahrzeugs und/oder eine aktuelle oder prognostizierte Verkehrs- und/oder Parkplatzsituation auf einer aktuellen Fahrtroute des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden.
In einem zweiten Schritt wird der für die Fahrtunterbrechung bzw. Ruhezeit mit ausgeschaltetem Antriebsmotor benötigte Energie für den Betrieb von an das Bordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossenen Verbrauchern wie bspw. Heizung, Klimaanlage, Kaffeemaschine etc. ermittelt. Hierbei können Fahrzeugdaten und/oder Verbraucherdaten bspw. hinsichtlich Leistungsaufnahme berücksichtigt werden. Weiter können typische Energieverbräuche bei zurückliegenden Fahrtunterbrechungen bzw. Ruhezeiten berücksichtigt werden. Ferner können auch aktuelle oder prognostizierte Wetter- und Umgebungsbedingungen am Ort der Fahrtunterbrechung berücksichtigt werden.
In einem dritten Schritt wird der Soll-Wert für den Ladezustand der Batterie des Kraftfahrzeugs für den zukünftigen Zeitpunkt ermittelt. Hierbei können Fahrzeugdaten und/oder Verbraucherdaten bspw. hinsichtlich Leistungsaufnahme berücksichtigt werden. Bevorzugt wird auch die zu einem Wiederanlassen bzw. Neustarten des Antriebsmotors nach der Fahrtunterbrechung notwendige Energie berücksichtigt. Weiter können auch aktuelle oder prognostizierte Wetter- und Umgebungsbedingungen am Ort der Fahrtunterbrechung berücksichtigt werden.
In einem vierten Schritt wird eine Steuerstrategie, insbesondere eine Ladestrategie, zum Steuern des Ladezustands der Batterie ermittelt, um den Ladezustand der Batterie derart zu steuern, dass der Soll-Wert des Ladezustands zu dem zukünftigen Zeitpunkt erreicht wird. Hierbei kann die Batterie während der Fahrt des Kraftfahrzeugs auf einer aktuellen Fahrstrecke bis zum Ort der Fahrtunterbrechung zumindest intervallweise geladen werden. Die Steuerstrategie kann unter Berücksichtigung eines aktuellen Ladezustands der Batterie und/oder eines Gesundheitszustands bzw. State of Health der Batterie ermittelt werden. Bevorzugt werden die Navigations- bzw. Routenplanung des Kraftfahrzeugs und/oder ein Geschwindigkeits- und/oder Höhenprofil auf der aktuellen Fahrtroute und/oder eine aktuelle oder prognostizierte Verkehrssituation auf der aktuellen Fahrtroute des Kraftfahrzeugs berücksichtigt werden. Außerdem können auch Fahrwiderstände bzw. Lastprofile hinsichtlich Leistung und Energie auf der aktuellen Fahrstrecke berücksichtigt werden. Weiter können bei der Ermittlung aktuelle oder prognostizierte Wetter- und Umgebungsbedingungen an der Fahrstrecke berücksichtigt werden.
Schließlich umfasst das Verfahren einen Schritt des Steuerns des Ladezustands der Batterie des Kraftfahrzeugs basierend auf der ermittelten Steuerstrategie, insbesondere Ladestrategie, auf der Fahrstrecke bzw. Fahrtroute des Kraftfahrzeugs.
Typischerweise werden dabei Batteriezellen-Technologien eingesetzt, die größere Veränderungen des Batterie-SoC zulassen, z.B. Lithium-Ionen-Batterien, ohne dass es zu Beschädigungen der Batteriezellen kommt, wie z. B. eine Sulfatisierung bei Bleibatterien, die die Kapazität der Batterie immer mehr reduzieren.
Dabei ist nicht von Bedeutung, ob die elektrischen Verbraucher für den Wohn- bzw. Hotelbetrieb aus einer eigenen Batterie oder über einen Wandler aus z. B. einer elektrischen Traktionsbatterie gespeist werden. Entscheidend ist, dass die elektrische Energiequelle variabel ist, d. h. die Batterie nicht permanent lädt, z. B. ein Generator mit variabler Felderregung oder mechanischer Abschaltung. Dieser Freiheitsgrad der Lastzuschaltung am Verbrennungsmotor ermöglicht eine Lastpunktverschiebung des Verbrennungsmotors und damit die Möglichkeit einer Verbrauchsoptimierung.
Es wird davon ausgegangen, dass die Zeiten für die gesetzlich vorgeschriebene Fahrunterbrechung von 45 min nach spätestens 4,5 h Fahrt bzw. 15 min innerhalb der 4,5 h Fahrt und 30 min anschließend und der in dieser Zeit der Fahrunterbrechung notwendige elektrische Energiebedarf aus der Batterie gedeckt werden können einschließlich notwendigen Wiederstart des Verbrennungsmotors.
Somit kann der minimale, nicht zu unterschreitende SoC bei der Batterie für das Energiemanagement bzw. die Betriebsstrategie vorgegeben werden. Dieser Wert kann durch Tests in der Entwicklung bzw. Applikationsphase bzw. durch eine Worst Case-Betrachtung bzgl. des Betriebs der elektrischen Verbraucher in den Fahrunterbrechungen ermittelt werden.
In weiteren Ausführungen geht es darum, den Beginn, die Dauer und den Energiebedarf des Wohn- bzw. Hotelbetriebs zu bestimmen. Im Weiteren wird der Begriff Wohnbetrieb für eine Übernachtung im Lkw und der Begriff Hotelbetrieb für Übernachtungen am Wochenende verwendet.
Da die Lenk- und Ruhezeiten gesetzlich geregelt sind und digitale Tachographen zusammen mit personengebundenen Fahrerkarten verwendet werden, kann abgeschätzt werden, wann und wie lange Fahrunterbrechungen und der Wohn- bzw. Hotelbetrieb dauern kann. Die digitalen Tachographen messen und speichern manipulationssicher Tageslenkzeiten, Wochenlenkzeiten, tägliche Ruhezeiten, wöchentliche Ruhezeiten, Fahrunterbrechungen, ununterbrochene Lenkzeiten usw.
Weiterhin ist zu beachten, dass Lkws zunehmend mit Planungs- und Logistik-Systemen vernetzt werden. Dadurch sind Start- und Ziel-Ort sowie Start- und Ziel-Zeiten bekannt. Zudem ist die Route vorgegeben und die aktuelle Position des Lkws ist dem Planungs- und Logistik-System bekannt.
Zunehmend werden auf den Logistikhöfen die Verweildauern der Lkws minimiert, Zielzeiten bzw. Ankunftszeiten voraus aktuell vorgegeben und Konzepte zur automatischen Führung des Lkw bzw. des Aufliegers bzw. Anhängers usw. entwickelt. Dadurch kann der Fahrer das Fahrzeug verlassen und seine gesetzlichen Ruhezeiten, wie bspw. der vorgeschriebenen Fahrunterbrechung, gerecht werden.
Im einfachsten Fall plant der Fahrer bzw. ein Planungs- und Logistik-System zur Route auch die Ruhezeiten und Fahrunterbrechung im Voraus. Das schließt auch ein, ob der Fahrer im Lkw übernachtet bzw. wohnt. Dadurch sind dann alle Randparameter für das Energiemanagement bzw. für die Betriebstrategien bekannt, nämlich Route bzw. Streckenabschnitte mit durchgehend laufendem Verbrennungsmotor und Ziel-SoC der Batterie. Es sind hierbei grundsätzlich adaptive und spekulative Verfahren bekannt.
Adaptive Verfahren
Sind die Ruhezeiten nicht explizit vorausgeplant, kann insbesondere bei immer wieder gleichen Routen, bspw. Stuttgart - Hamburg - Stuttgart, aus der Vergangenheit gelernt werden. Wann und wo werden, statistisch, frühestens, im Mittel, spätestens, die Ruhezeiten in Anspruch genommen. Datums-, Zeit-, Wetter-, Personen-Korrelationen usw. können dabei ebenfalls berücksichtigt werden.
Spekulative Verfahren
Liegen keine Routenplanungen vor, so kann mittels vormals gefahrener Routen spekuliert werden, welche Route genommen wird und/oder mit Kenntnis der gesetzlichen Lenk- und Ruhezeiten und des diesbzgl. aktuellen Fahrerstands angenommen werden, wann diese spätestens in Anspruch genommen werden und/oder durch Hinzunahme bzw. Kenntnis der freien Rastplätze entlang der angenommen Route Ort und Zeit der Ruhephasen abgeschätzt werden.
Die vorstehend genannten Verfahren können auch in Kombination verwendet werden, nämlich Informationen aus Planungs- und Logistik- Systemen, Navigations- und Verkehrsinformationen, adaptive und spekulative Verfahren.
Entsprechend den gesetzlichen Vorgaben zur täglichen Ruhezeit, bspw. 11 Stunden, bzw. wöchentlichen Ruhezeiten, z. B. 45 Stunden, einschließlich der möglichen Variationen und dem aktuellen diesbezüglichen Fahrerstand, die im digitalen Tachographen online berechnet bzw. summiert und gespeichert werden, kann der Beginn und die Dauer des Wohn- bzw. Hotelbetriebs abgeschätzt werden. Es wird unterstellt, dass der in dieser Zeit der täglichen bzw. wöchentlichen Ruhezeit notwendige elektrische Energiebedarf aus der Batterie gedeckt werden kann, einschließlich des notwendigen Wiederstarts des Verbrennungsmotors.
Es kann damit der minimale nicht zu unterschreitende SoC der Batterie für das Energiemanagement bzw. die Betriebsstrategie vorgegeben werden. Dieser Wert kann durch Tests in der Entwicklung bzw. Applikationsphase bzw. durch Worst Case Annahmen bzgl. des Betriebs der elektrischen Verbraucher in den Fahrunterbrechungen ermittelt werden. Dies umfasst eine Speicherung in Kennlinien bzw. Kennfeldern bzw. Festwerten, Parametern usw. Optional kann auch ein personengebundenes und/oder wetter- und/oder umfeldabhängiges Energieverbrauchsverhalten gelernt bzw. abgeschätzt werden. Hierbei werden Modelle und gegebenenfalls Neuronale Netze eingesetzt.
Alle vorstehend erläuterten Bestimmungen ergeben im Grunde eine Vorausschau bzw. Prädiktion der prinzipiellen Lenkzeiten, Ruhezeiten bzw. Fahrunterbrechungen und Wohn- und Hotelbetriebszeiten über bzw. an einer geplanten bzw. spekulierten Route.
Aufgrund des abgeschätzten notwendigen Energiebedarfs in den Ruhezeiten bzw. des SoC der Batterie kann mittels bekanntes Verfahren bzw. Algorithmen des Energiemanagements in den davorliegenden Lenkzeiten bzw. der davorliegenden Route der Kraftstoffverbrauch optimiert werden.
Ungesetzliches Verhalten bzgl. der Lenk- und Ruhezeiten ist im digitalen Tachographen gespeichert und kann dazu führen, dass kein Verbrauchsoptimum erreicht wird und/oder der Verbrennungsmotor in den Ruhephasen gestartet werden muss, um die elektrischen Verbraucher zu versorgen und die Batterie zu laden. Sollte die Prädiktion unzutreffend sein, so bleibt als Rückfalllösung immer noch ein Wiederstart des Verbrennungsmotors und/oder die maximale Entladung der Batterie wird verhindert, d. h. ein minimal definierter SoC wird angehoben, so dass eine Sicherheitsreserve vorgehalten wird.
Zum einen ist im digitalen Tachographen ein zweiter Schlitz bzw. Slot für die personengebundene Fahrerkarte vorgesehen und zum anderen lässt sich auch plausibilisieren, ob der zweite Fahrer an Bord ist, z. B. mittels der Fahrerüberwachungskamera oder anderer Sitzbelegungserkennungen. Außer dem Fahrer weitere vorhandene Personen im Lkw können so bei der Abschätzung des Energieverbrauchs in den Ruhephasen berücksichtigt werden.
Geräuschfreie bzw. emotionsfreie Zonen können z. B. in dem Navigationskarten vermerkt sein.
Die Routenplanungen und Lokalisierungen können mittels eines Navigationsgeräts realisiert werden.
Die Verbindung mit dem Logistik-Systemen erfolgt bspw. mit einer Connected Control Unit (CCU), die in der Regel die Verfügbarkeit eines mobilen Dienstes voraussetzt.
Die Betriebsstrategie für einen kraftstoffoptimalen Betrieb wird im Verbrennungsmotorsteuergerät (ECU) und/oder in der Fahrzeug-Steuereinheit (Vehicle Control Unit: VCU) gerechnet.
Der digitale Tachograph zur Überwachung der Lenk- und Ruhezeiten und Personalisierung ist vorstehend beschrieben und mittlerweile vorgeschrieben.
Alle genannten Steuergeräte sind über digitale Bussysteme, wie z.B. CAN, Flexray, Ethernet, miteinander vernetzt und ermöglichen somit die hierin beschriebenen Funktionen im Verbund.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenliste

1 zeigt in sechs Graphen eine Betriebsstrategie für ein Energieversorgungssystem eines Lastkraftwagens.
2 zeigt einen Verlauf des Ladezustands einer Batterie in einem Bordnetz eines Lastkraftwagens bei einer Betriebsstrategie nach dem Stand der Technik.
3 zeigt einen Verlauf des Ladezustands eines Batterie in einem Bordnetz eines Lastkraftwagens bei einer weiteren Betriebsstrategie nach dem Stand der Technik.
4 zeigt einen Verlauf des Ladezustands eines Batterie in einem Bordnetz eines Lastkraftwagens bei einer weiteren Betriebsstrategie gemäß dem vorgestellten Verfahren zum Steuern eines Ladezustands einer Batterie eines Kraftfahrzeugs.
5 zeigt in einem Flussdiagramm eine Rückwärtssimulation.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine Betriebsstrategie in einem Fahrzyklus Stuttgart-Hamburg-Stuttgart mit:

täglich 45 min Parken mit ausgeschaltetem Motor (Kaffeepause),
täglich Übernachtungshalt mit ausgeschaltetem Motor,
Eingangssignale sind Drehzahl, Geschwindigkeit, Drehmoment.

Der elektrische Verbrauch liegt bei:

normaler Antrieb: 500 W
Parken bei Kaffeepause: 50 W
Hotelübernachtung(täglich): 1h: 300 W, 3h: 100 W, Rest 50 W

Ein erster Graph 10 zeigt den Verlauf der Drehzahl, ein zweiter Graph 12 zeigt den Verlauf der Geschwindigkeit und ein dritter Graph 14 zeigt den Verlauf der Last. Die Verläufe sind über den Verlauf einer Woche gezeigt. Hierbei sind auch der Samstag 16 und der Sonntag 18 zu erkennen.
Ein vierter Graph 20 zeigt den Verlauf der Drehzahl, ein fünfter Graph 22 zeigt den Verlauf der Geschwindigkeit und ein sechster Graph 24 zeigt den Verlauf der Last. Diese Graphen 20, 22, 24 zeigen die Verläufe an einem Montag vormittag. Hierbei ist auch eine Kaffeepause 26 zu erkennen.
2 zeigt eine Betriebsstrategie nach dem Stand der Technik. Ein Graph 50, an dessen Abszisse 52 die Zeit und an dessen Ordinate 54 der Ladezustand aufgetragen ist, zeigt den Verlauf des Ladezustands 56. Dabei wechseln sich Fahrtzeiten 60 und Übernachtungen 62 ab. Am Wochenende 64 fällt dann der Ladezustand ab einem Zeitpunkt 66 stark ab. Während der Übernachtungen 62 kommt es jeweils zu einer Entladung der Batterie durch das Versorgen von Verbrauchern, wie bspw. Fernseher, Radio usw.
Die Bedienstrategie sieht vor, die Batterie während der Fahrtzeiten 60 konstant zu laden. Für den Verbrauch an Kraftstoff ist dies jedoch nachteilig. Nach der Fahrt an einem Freitag zu dem angezeigten Zeitpunkt 66 stehen 97,5 % und damit fast die gesamte Kapazität der Batterie für den Hotelbetrieb zur Verfügung.
3 zeigt eine weitere Betriebsstrategie nach dem Stand der Technik. Ein Graph 150, an dessen Abszisse 152 die Zeit und an dessen Ordinate 154 der Ladezustand aufgetragen ist, zeigt den Verlauf des Ladezustands 156. Dabei wechseln sich Fahrtzeiten 160 und Übernachtungen 162 ab. Am Wochenende 164 fällt dann der Ladezustand ab einem Zeitpunkt 166 stark ab.
Die Bedienstrategie zeigt ein verbessertes Vorgehen gegenüber der Strategie aus 2. Dabei sind u. a. ein Segelbetrieb und eine Rekuperation mit einem aktiven Entladen der Batterie vorgesehen. Die Effizienz beim Kraftstoffverbrauch ist gut. Nach der Fahrt an einem Freitag zu dem angezeigten Zeitpunkt 166 stehen 85 % und damit deutlich weniger Kapazität für den Hotelbetrieb zur Verfügung.
Die Darstellung verdeutlicht weiterhin, dass Lastkraftwagen im regelmäßigen Fernverkehr auf den gleichen Strecken zu den gleichen Zeiten bzw. Tagen ein reproduzierbares Lastprofil, insbesondere hinsichtlich Motordrehzahl, Fahrzeuggeschwindigkeit und Motorleistung, haben.
4 zeigt in einem ersten Graphen 200 den Ladezustand der Bordnetzbatterie mit einer Ladestrategie, die den Ladezustand 201 immer nahe dem maximalen Ladezustand hält.
Diese Ladestrategie hat den Vorteil, dass nach dem Abstellen des Verbrennungsmotors und damit des Generators, bspw. zum Übernachten oder am Wochenende, immer ausreichend notwendige elektrische Energie zum Versorgen der elektrischen Verbraucher und für den Start des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht.
Auf der rechten Seite zeigt ein zweiter Graph 202 den Ladezustand 203 der Bordnetzbatterie bei einer bevorzugten Ladestrategie.

Der Generator zum Laden der Batterie wird wie andere Nebenaggregate vom Verbrennungsmotor angetrieben und verbraucht je nach Generator-Last anteilig Kraftstoff. Die nachstehende Tabelle 1 gibt einen Überblich über mögliche Lasten: Tabelle 1: Übersicht der Lasten

Lasten	Energie	Spannung	Strom
Beleuchtung außen	[W]	[V]	[A]
Standlicht	74	24,7	3,0
Warnblinker	20	24	0,8
Beleuchtung Trailer	50	24,7	2,0
Beleuchtung Innenraum
Instrumentenbeleuchtung	5	24,7	0,2
Arbeitsleuchte hinten	66	24,7	2,7
Leselampen (8Stk.)	20	24,7	0,8
Innenraumbeleuchtung rot	20	24,7	0,8
Innenraumbeleuchtung weiss	20	24,7	0,8
Infotainment / Instrumente
Kombi-Instrument	3	23,9	0,1
Radio	100	28,3	3,5
Tachograph	10	28,3	0,4
Klimatisierung / Heizung
Lüftung, volle Stufe	299	28,3	10,6
Lüftung, halbe Stufe	68	28,3	2,4
Stand heizung	129	28,3	4,6
Kühlschrank	38	28,3	1,3

Die Summe der möglichen Lasten bzw. Verbräuche für einen Hotelbetrieb beträgt 300 bis 900 W. Definierte Lastprofile für durchgeführte Simulationen sind:

Parken bei Kaffeepause: 50 W
Hotelbetrieb: 1h: 300 W, 3h: 100 W, Rest 50 W

Es hat sich nunmehr gezeigt, dass die Ladestrategie gemäß dem ersten Graphen 200 nachteilig gegenüber der Ladestrategie gemäß den zweiten Graphen 202 ist. Dies liegt an der nicht genutzten Möglichkeit, durch eine variable Generatorlast den Verbrennungsmotor mehr in verbrauchsoptimalen Betriebspunkten betreiben zu können. Die Folge ist allerdings ein deutlich schwankender Ladezustand der Batterie. Es sollte aber sichergestellt sein, dass genügend Energie für Ruhephasen zur Verfügung steht und dass nach diesen Ruhephasen ein zuverlässiges Starten des Verbrennungsmotors ermöglicht ist.
5 zeigt in einem Flussdiagramm eine prinzipielle Rückwärtssimulation. Zu erkennen ist ein Zyklus 300 (Route mit Steigung, Reibwerten, Umgebungsluftdruck, Wind, Geschwindigkeit, Verzögerung und Beschleunigung usw.), ein Kraftfahrzeug 302 mit Masse, Querschnittsfläche, Luftwiderstandsbeiwert, Radreibung, Radumfang usw., ein Getriebe 304 mit Übersetzungen, Wirkungsgrad, ein elektrischer Antrieb 306 mit Betriebskennfeld und Wirkungsgraden, eine Kupplung 308, ein Verbrennungsmotor bzw. Antriebsmotor 310 mit Betriebskennfeld und Wirkungsgraden, ein Kraftstofftank 312 mit SoC, ein elektrischer Traktionsspeicher bzw. eine Batterie 314 mit SoC und alle elektrischen Verbraucher 316.
Nicht weiter dargestellt sind alle mechanisch angetriebenen Verbraucher bzw. Nebenaggregate, z. B. am Riementrieb des Verbrennungsmotors wie Wasserpumpe, Klimakompressor, Generator usw., die man aber, je nach Fragestellung, in den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors einrechnen könnte.
Dargestellt ist eine P2-Hybridsystemarchitektur, Elektromotor und Verbrennungsmotor sind auf der gleichen Antriebswelle, haben die gleiche Drehzahl. Nicht dargestellt ist die Betriebsstrategie, welcher Anteil des notwendigen Momentes vom Verbrennungsmotor und/oder Elektromotor kommt.
Bei einem heutigen konventionellen Antriebssystem würden die Komponenten 306, 316, 314 entfallen, so auch bei Lkw-Untersuchungen bzw. Simulationen. Hier wurde aber zusätzlich ein Segeln und Rekuperieren und tieferes Entladen und Überladen der Batterie als heute üblich, also nicht ein Permanent-Laden wie heute üblich, zugelassen. Es gibt Segeln mit Verbrennungsmotor, An- und Auskuppeln und auch Segeln mit Verbrennungsmotor, An- und Auskuppeln. Ersteres wurde bei einer Lkw-Untersuchung bzw. Simulation untersucht. Der Generator kann bei Betrieb zusätzlich durch Auskuppeln oder variierender Felderregung in der Last und damit dem Laden der Batterie 314 variiert werden. Letzteres wurde bei der Lkw-Simulation untersucht. Wird die Batterie 314 nicht oder nicht ausreichend geladen, so wird sie durch die elektrischen Verbraucher 316 entladen.
Rekuperieren heißt in Betriebszuständen wie Schub, Verzögerung oder Bremsen, den Generator maximal Energie erzeugen zu lassen und in der Batterie 314 zu speichern, sofern die Batterie 314 nicht voll ist.
Diese dargestellte prinzipielle Rückrechnung wird für eine Lastabschätzung über einer geplanten Route benötigt, also ausgehend von den Fahrwiderständen über der geplanten Route über Fahrzeug bzw. Rad in das Antriebssystem mit den Nebenaggregaten hinein (Rückrechnung).
Nicht dargestellt ist der elektrische Generator für das Bordnetz. Dieser ist am Verbrennungsmotor-Riementrieb (Nebenaggregat).
Würden bei einem Hochvolt-Hybridsystem elektrische Verbraucher 316 bzw.Hochvoltverbraucher ganz oder teilweise für das Parken bzw. Wohnen aus dem Traktionsspeicher versorgt und der Start des Verbrennungsmotors aus einer separaten Starterbatterie (nicht dargestellt) und elektrischem Anlasser (nicht dargestellt) erfolgen, müssten die SoC-Abschätzungen für beide Batterien entsprechend getrennt abgeschätzt werden.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Ladezustands (201, 203) einer Batterie (314) eines Kraftfahrzeugs (302), wobei das Kraftfahrzeug (302) einen Antriebsmotor (310) und ein Bordnetz mit der mittels des Antriebsmotors (310) aufladbaren Batterie (314) aufweist, wobei für den Ladezustand (201, 203) ein Soll-Wert für einen zukünftigen Zeitpunkt unter Berücksichtigung von zumindest einer ersten Randbedingung ermittelt wird, wobei der Ladezustand (201, 203) der Batterie (314) einen vorgegebenen Betrieb des Kraftfahrzeugs (302) bei ausgeschaltetem Antriebsmotor (310) ermöglicht, und der Ladezustand (201, 203) der Batterie (314) unter Berücksichtigung zumindest einer zweiten Randbedingung derart gesteuert wird, dass dieser Soll-Wert zu dem zukünftigen Zeitpunkt erreicht wird, sodass ein prädiktives Energiemanagement in dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs (302) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der zukünftige Zeitpunkt der Zeitpunkt eines Ausschaltens des Antriebsmotors (310) ist, wodurch der Beginn einer Ruhezeit eines Fahrers des Kraftfahrzeugs (302) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der vorgegebene Betrieb des Kraftfahrzeugs (302) mit ausgeschaltetem Antriebsmotor (310) eine ausreichende Versorgung von Lasten des Kraftfahrzeugs (302) aus der mindestens einen Batterie (314) während einer Ruhephase des Antriebsmotors (310) und ein sicheres Starten des Antriebsmotors (310) nach der Ruhephase umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als Antriebsmotor (310) ein Verbrennungsmotor, ein Hybridantrieb und/oder ein Elektromotor verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die berücksichtige erste und/oder zweite Randbedingung ausgewählt ist aus einer der folgenden Randbedingungen: Zeitpunkt und/oder Dauer von Ruhe- und Lenkzeiten eines Fahrers des Kraftfahrzeugs (302), Routenplanung des Kraftfahrzeugs zum Ort einer Fahrtunterbrechung des Kraftfahrzeugs, Verkehrs- und/oder Wettersituation auf einer aktuellen Fahrstrecke und/oder am Ort der Fahrtunterbrechung des Kraftfahrzeugs, Energiebedarf von an das Bordnetz des Kraftfahrzeugs angeschlossenen Verbrauchern bei Fahrtunterbrechung, Geschwindigkeits- und/oder Höhenprofil und/oder Fahrwiderstände auf der aktuellen Fahrstrecke, Daten vom elektronischer Horizont des Kraftfahrzeugs, Floating Car Data, Daten einer dynamischen Straßenkarte, Daten eines Fahrerassistenzsystems, Daten eines Energiemanagements des Kraftfahrzeugs, Daten eines Fahrtenschreibers und/oder Tachographen des Kraftfahrzeugs, Daten eines Fahrerüberwachungssystems des Kraftfahrzeugs.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem bei der Ermittlung des Ladezustands (201, 203) ein SoH (state of health) der mindestens einen Batterie (314) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem bei der Ermittlung des Ladezustands (201, 203) ein Rekuperationspotential der mindestens einen Batterie (314) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das in einem Bordnetz eines Lastkraftwagens durchgeführt wird.
Anordnung, umfassend insbesondere eine Steuereinheit, die eingerichtet ist ein Verfahren zum Steuern eines Ladezustands (201, 203) einer Batterie (314) eines Kraftfahrzeugs (302) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen und/oder zu steuern.
Computerprogramm, das eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu steuern.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist.