AT516448B1 - Method for the topography-dependent minimization of the energy demand of vehicles with electric drive or hybrid drive through model-based optimization - Google Patents

Method for the topography-dependent minimization of the energy demand of vehicles with electric drive or hybrid drive through model-based optimization Download PDF

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AT516448B1 ATA50448/2015A AT504482015A AT516448B1 AT 516448 B1 AT516448 B1 AT 516448B1 AT 504482015 A AT504482015 A AT 504482015A AT 516448 B1 AT516448 B1 AT 516448B1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur topographieabhängigen Minimierung des Energiebedarfs von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb durch modellbasierte prädiktive Optimierung. Die Optimierung mittels dynamischer Programmierung wird über Nebenbedingungen angepasst, wenn über topgraphische Daten und technische und verordnete Geschwindigkeitsgrenzen auf der vorausliegenden Strecke hinaus zusätzliche Informationen von Ampeln etc. bekannt werden. Dabei wird bei der Berechnung die in den Energiespeicher einspeicherbare Energie und eine Näherung für die aktuelle Fahrzeugmasse genutzt, wobei dazu vorteilhafterweise Sensoren benutzt werden.The invention relates to a method for the topography-dependent minimization of the energy requirement of vehicles with an electric drive or a hybrid drive by means of model-based predictive optimization. The optimization by means of dynamic programming is adapted via secondary conditions if additional information from traffic lights etc. becomes known beyond topographic data and technical and prescribed speed limits on the route ahead. The energy that can be stored in the energy store and an approximation for the current vehicle mass are used in the calculation, sensors being advantageously used for this purpose.

Description

Beschreibungdescription

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur topographieabhängigen Minimierung des Energiebedarfs von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb durch modellbasierte Optimierung. The invention relates to a method for the topography-dependent minimization of the energy requirement of vehicles with electric drive or hybrid drive by model-based optimization.

[0002] Stand der Technik sind Verfahren die den seitens der Verbrennungskraftmaschine VKM bereit zu stellenden Energieanteil optimieren, und dabei auch die Fahrbarkeit berücksichtigen. The prior art are methods that optimize the amount of energy to be provided by the internal combustion engine VKM, while also taking drivability into account.

[0003] WO 2013167149 A1 beschreibt in allgemeiner Form ein GPS-Daten gesteuertes Energiemanagement für ein Hybrid-Elektrisches Fahrzeug welches den Energiespeicher leert, bevor eine Rekuperation auf einer Bergabstrecke stattfindet. US 2013296102 A1 beschreibt eine Methode um zusätzliche elektrische Lasten zu aktivieren um Rekuperationsenergie sinnvoll nutzen zu können. WO 2013167149 A1 describes in general form a GPS data-controlled energy management for a hybrid-electric vehicle which empties the energy store before recuperation takes place on a downhill stretch. US 2013296102 A1 describes a method for activating additional electrical loads in order to be able to use recuperation energy sensibly.

[0004] DE69828585 beschreibt die Nutzung von Gewichtssensoren in Sitzen, DE69931535 gleiches für die Nutzlastbestimmung in Anhängern. DE69828585 describes the use of weight sensors in seats, DE69931535 the same for determining the payload in trailers.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Minimierung der mechanischen Netto-Antriebsarbeit für eine finite vorausliegende Strecke, abhängig von deren Topographie, wobei auch die aktuelle Masse des Fahrzeuges inkl. Nutzlast einfließen soll. Der Nettobetrag der Energie wird über eine Bilanzierung mit der auf Gefällestrecken rekuperierbaren Energie bestimmt. Zusätzlich sind Geschwindigkeitsgrenzen vorgegeben. Technisches Ziel des Verfahrens ist die Auswahl einer Betriebstaktik des Fahrzeuges in Hinblick auf die Translation, die zu einem dem Minimum nahekommendem Endenergiebedarf führt. Der Zielerfüllungsgrad der gewählten Betriebstaktik wird durch eine Simulation der longitudinalen Fahrzeugbewegung im Vorhinein überprüft, wobei Wirkungsgrade für die Umwandlung von mechanischer Verzögerungsenergie in elektrische Energie und wieder zurück in Antriebsenergie vorteilhafterweise abhängig von Leistung und Drehzahl aus einer Tabelle entnommen werden, wobei bei handgeschalteten Getrieben die Gangwahl aus historischen Daten welche über die Benutzung des Fahrzeuges ermittelt wurden, abgeleitet wird. Die Betriebstaktik wird über eine Simulation mit varlierendem Muster für die Geschwindigkeitsgrenzen durchgeführt, hier werden Verläufe mit Sprungfunktionen, Rampen etc. genutzt. Neben der Variation der grundsätzlichen Form der Verläufe wird auch die Charakteristik variiert, wie die Punkte mit Wechsel der Geschwindigkeit, oder Steilheit der Rampe. Über eine Variation der Charakteristika dieser Geschwindigkeitsverläufe in einer Monte Carlo Variation wird die dem Optimum nahekommende Lösung bestimmt. The object of the present invention is to minimize the mechanical net drive work for a finite route ahead, depending on its topography, with the current mass of the vehicle including the payload also being taken into account. The net amount of energy is determined by balancing the energy that can be recovered on inclines. In addition, speed limits are specified. The technical aim of the method is to select an operating strategy for the vehicle with regard to translation, which leads to a final energy requirement that comes close to the minimum. The degree of target fulfillment of the selected operating tactics is checked in advance by simulating the longitudinal vehicle movement, with the efficiency for the conversion of mechanical deceleration energy into electrical energy and back again into drive energy, advantageously depending on power and speed, from a table, with the gear selection for manual transmissions is derived from historical data that was determined about the use of the vehicle. The operating tactics are carried out via a simulation with a varying pattern for the speed limits, here processes with jump functions, ramps, etc. are used. In addition to varying the basic shape of the course, the characteristics are also varied, such as the points with changing speed or steepness of the ramp. The solution that comes close to the optimum is determined by varying the characteristics of these speed curves in a Monte Carlo variation.

[0006] Die Simulation benutzt den Verlauf der Höhe der Fahrbahn, Geschwindigkeitsgrenzen zusammen mit der Masse des Fahrzeuges, die vorteilhafterweise über eine Messvorrichtung erfasst wird. Für Nfz kann auch der Druck in der Luftfederung zur Bestimmung der Gewichtskraft genutzt werden, aber es können auch Sitzsensoren genutzt werden um über den Besetzungsgrad die schwere Gesamtmasse abschätzen zu können. The simulation uses the course of the height of the roadway, speed limits together with the mass of the vehicle, which is advantageously detected by a measuring device. For commercial vehicles, the pressure in the air suspension can also be used to determine the weight force, but seat sensors can also be used to estimate the total weight based on the occupancy rate.

[0007] Die Zielgeschwindigkeit wird ebenso wie die maximale Geschwindigkeit die sich aus der (amtliche verordneten) Geschwindigkeitsbegrenzung ergibt, vorgegeben. Die Zielgeschwindigkeit ist eine FahreriInnenvorwahl. Die verlorenen Verluste bei der Überschreitung der Zielgeschwindigkeit nehmen zu, aber auch die Rekuperation der Bremsenergie ist mit Verlusten behaftet. The target speed, like the maximum speed resulting from the (officially prescribed) speed limit, is specified. The target speed is a driver preselection. The losses lost when the target speed is exceeded increase, but the recuperation of braking energy is also subject to losses.

[0008] Die Betriebstaktik ergibt sich aus den örtlichen Gegebenheiten. Bei einem hohen Geschwindigkeitslimit kann trotz hohem Ladezustand im Energiespeicher Energie über die Speicherung in kinetischer Energie zurückgewonnen werden. Für die Optimierung wird beispielsweise ein Geschwindigkeitsverlauf mit einem Sprung auf die Maximalgeschwindigkeit und wieder auf die Zielgeschwindigkeit vorgegeben. In der Optimierung über einen Monte-Carlo-Ansatz werden die Übergänge zwischen den Geschwindigkeiten verschoben. Ebenso wird die Geschwindigkeitsvorgabe für die Reststrecke gesenkt, weil über die Geschwindigkeitserhöhung bis zur Senkung der Geschwindigkeitsvorgabe, Zeit gespart wurde. The operating tactics result from the local conditions. In the case of a high speed limit, energy can be recovered by storing it in kinetic energy despite the high state of charge in the energy storage device. For example, a speed profile with a jump to the maximum speed and back to the target speed is specified for the optimization. In the optimization using a Monte Carlo approach, the transitions between the speeds are shifted. The speed setting for the remaining distance is also reduced because time was saved by increasing the speed until the speed setting was reduced.

[0009] Mit den Daten der Sitzsensoren 1 kann auch die Steuerung der Heizung und KlimatisieThe data from the seat sensors 1 can also be used to control the heating and air conditioning

rung vorgenommen werden. Vorteilhafterweise kann auch eine Arbeitsperiode der elektrisch betriebenen Kühlung vorgezogen oder bei Batterie-elektrischen Fahrzeugen auch eine elektrische Beheizung vorgezogen werden um den eine höhere Rekuperation von potentieller Energie zu ermöglichen. Vorteilhafterweise wird die thermische Energie welche bei der Rekuperation anfällt und nicht in den Energiespeicher eingespeichert werden kann in einem Latentspeicher zwischengespeichert. tion can be made. Advantageously, a working period of the electrically operated cooling can also be brought forward or, in the case of battery-electric vehicles, electrical heating can also be brought forward in order to enable a higher recuperation of potential energy. The thermal energy which occurs during recuperation and which cannot be stored in the energy store is advantageously temporarily stored in a latent store.

[0010] Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und Varianten gemäß den Zeichnungen näher erläutert: The invention is explained in more detail using exemplary embodiments and variants according to the drawings:

[0011] Fig. 1 zeigt beispielhaft die Systemarchitektur. Mindestens ein vorzugsweise drahtlose abfragbarer Sitzsensor 1, und wenn vorhanden Druckluftsensoren der Federung 2 und Radar/Lidar 3 werden vom Datenkonzentrator 4 einer taktischen Steuerung 6 des Antriebs zugeführt, welche die topographischen Daten vorzugsweise vom Navigationssystem bezieht. 1 shows the system architecture by way of example. At least one preferably wireless queryable seat sensor 1 and, if available, compressed air sensors of the suspension 2 and radar / lidar 3 are fed from the data concentrator 4 to a tactical controller 6 of the drive, which preferably receives the topographical data from the navigation system.

[0012] Fig. 2 zeigt verschiedene Muster für vorgegebenen Geschwindigkeitsverläufe, welche seitens der MC-Simulation genutzt werden können. Fig. 2 shows different patterns for predetermined speed curves, which can be used by the MC simulation.

[0013] Fig. 3 zeigt den Ablauf der MC-Simulation. Die Vorgabe für die Zielgeschwindigkeit 10, wird unter Berücksichtigung der über Sensoren ermittelten oder elektronisch als Datum vorliegenden Eingangsgrößen für unterschiedliche Geschwindigkeitsschablonen 15 berechnet und die energieeffizienteste Lösung 16 ausgesucht und in den Tempomaten 17 eingespeist. 3 shows the sequence of the MC simulation. The specification for the target speed 10 is calculated for different speed templates 15, taking into account the input variables determined by sensors or electronically available as a date, and the most energy-efficient solution 16 is selected and fed into the cruise control 17.

[0014] Fig. 4 zeigt ein Ergebnis einer Simulation einer Fahrt durch eine Senke, wobei eine beispielhafte Geschwindigkeitsrampe vorgegeben wurde und die Geschwindigkeit nach Wiedererreichen der Zielgeschwindigkeit wegen der vorherigen höheren Geschwindigkeit gesenkt wurde. Die obere Grenzkurve für die Geschwindigkeit kann durch folgende Nebenbedingungen direkt oder indirekt beeinflusst werden. 4 shows a result of a simulation of a journey through a depression, with an exemplary speed ramp being specified and the speed being reduced after the target speed has been reached again because of the previous higher speed. The upper limit curve for the speed can be influenced directly or indirectly by the following constraints.

- Mittels LIDAR oder RADAR bestimmte Fahrkurve vorausfahrender Fahrzeuge limitiert - Amtlich verordnete Geschwindigkeitsbeschränkung erkannt - Using LIDAR or RADAR, the driving curve of vehicles ahead is limited - Officially decreed speed limit recognized

- Über DSRC erhaltene Schaltzeiten von Ampeln und Punkten mit Verzögerung wie Mautstationen - Switching times of traffic lights and points with a delay, such as toll stations, obtained via DSRC

- Technisch bedingte Maximalgeschwindigkeit in Kurven für das Fahrzeug ermittelt [0015] Diese Nebenbedingungen bei der Optimierung schränken den Lösungsraum ein. Technically determined maximum speed in curves for the vehicle [0015] These secondary conditions in the optimization limit the solution space.

[0016] Bei Überschreiten eines Grenzwertes für den Schlupf an den Antriebsrädern wird die Rekuperation verringert. Die Rekuperation kann so lange aufrechterhalten werden, solange der Energiespeicher noch nicht vollgeladen ist wobei nutzbringende elektrisch versorgte Vorrichtungen aktiviert werden können, wobei Kühlung und Heizung vorteilhafterweise einen Wärmespeicher besitzen When a limit value for the slip on the drive wheels is exceeded, the recuperation is reduced. The recuperation can be maintained as long as the energy store is not yet fully charged, whereby useful electrically powered devices can be activated, with cooling and heating advantageously having a heat store

[0017] Fig. 5 zeigt Ergebnisse für unterschiedliche Start und Endpositionen für die Geschwindigkeitsrampe. Während der beste Startpunkt relativ konstant bleibt, schwankt der Endpunkt des hohen Geschwindigkeitslimits stark, sinkend gegen das Minimum. 5 shows results for different start and end positions for the speed ramp. While the best starting point remains relatively constant, the end point of the high speed limit fluctuates strongly, decreasing towards the minimum.

Claims (7)

PatentansprücheClaims 1. Verfahren zur topographieabhängigen Minimierung des Energiebedarfs von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb durch modellbasierte Optimierung, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitsverlauf während der Rekuperation beim Bergabfahren in Abhängigkeit vom Energieinhalt im Energiespeicher vor dem Beginn der Rekuperation und der vorausliegenden Topographie im Vorhinein über eine Simulation festgelegt wird und die Nutzlast sowie wenn vorhanden des vergangene Schaltverhalten im Modell berücksichtigt wird wobei bei Personentransport diese in einem Verfahren aus in Sitzen eingebauten Sensoren oder dem Druck im pneumatischen Federungs-System bestimmt wird und die modellbasierte prädiktive Optimierung abhängig von den Randbedingen mit vorgegebene Rampentypen für die Geschwindigkeit rechnet. 1. A method for the topography-dependent minimization of the energy requirement of vehicles with an electric drive or hybrid drive by means of model-based optimization, characterized in that the speed profile during recuperation when driving downhill depends on the energy content in the energy store before the start of recuperation and the topography ahead using a simulation is determined and the payload and, if available, the past switching behavior is taken into account in the model.In the case of passenger transport, this is determined in a process from sensors built into seats or the pressure in the pneumatic suspension system and the model-based predictive optimization depending on the boundary conditions with specified ramp types for the speed calculates. 2. Verfahren zur topographieabhängigen Minimierung des Energiebedarfs von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb durch modellbasierte Optimierung, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell die longitudinale Fahrzeugbewegung für eine finite vorausliegende Strecke mit verschiedenen Werten für die Geschwindigkeit bei der Rekuperation vorausberechnet, begrenzt durch die maximal zulässige Geschwindigkeit und einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit, sowie mit dem aktuellen Energieinhalt im Energiespeicher für die Rekuperation berechnet wird, wobei vorteilhafterweise die Wirkungsgrade der elektrischen Maschine aus einer Tabelle entnommen werden. 2. A method for the topography-dependent minimization of the energy requirement of vehicles with electric or hybrid drives through model-based optimization, characterized in that the model predicts the longitudinal vehicle movement for a finite route ahead with different values for the speed during recuperation, limited by the maximum permissible speed and a predetermined minimum speed, as well as being calculated with the current energy content in the energy store for the recuperation, the efficiencies of the electrical machine being advantageously taken from a table. 3. Verfahren zur topographieabhängigen Minimierung des Energiebedarfs von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb durch modellbasierte Optimierung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung über Nebenbedingungen angepasst wird, wenn seitens Sensoren (Lidar/Radar) die Fahrkurven vorausfahrender Fahrzeuge bestimmt werden. 3. A method for the topography-dependent minimization of the energy requirement of vehicles with electric drive or hybrid drive by model-based optimization according to one of claims 1 to 2, characterized in that the optimization is adapted via secondary conditions when sensors (lidar / radar) determine the driving curves of vehicles ahead become. 4. Verfahren zur topographieabhängigen Minimierung des Energiebedarfs von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb durch modellbasierte Optimierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung über Nebenbedingungen angepasst wird, wenn seitens DSRC Informationen über Schaltzyklen von Ampeln und Punkten mit Verzögerung wie Mautstationen erhalten werden. 4. A method for the topography-dependent minimization of the energy requirement of vehicles with electric drive or hybrid drive by model-based optimization according to one of claims 1 to 3, characterized in that the optimization is adapted via secondary conditions when DSRC provides information about switching cycles of traffic lights and points with a delay such as Toll stations can be obtained. 5. Verfahren zur topographieabhängigen Minimierung des Energiebedarfs von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb durch modellbasierte Optimierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Optimierung über Nebenbedingungen für technisch bedingte Maximalgeschwindigkeiten in Kurven und durch amtlich verordnete Geschwindigkeitsbeschränkungen angepasst wird, wobei beides vorteilhafterweise aus einem Navigationssystem bezogen wird. 5. A method for the topography-dependent minimization of the energy requirement of vehicles with an electric drive or a hybrid drive through model-based optimization according to one of claims 1 to 4, characterized in that the optimization is adapted via secondary conditions for technically determined maximum speeds in curves and through officially decreed speed limits, both of which are is advantageously obtained from a navigation system. 6. Verfahren zur topographieabhängigen Minimierung des Energiebedarfs von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb durch modellbasierte Optimierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei erkanntem Schlupf über einem Grenzwert die Rekuperationsleistung verringert wird 6. A method for the topography-dependent minimization of the energy requirement of vehicles with electric drive or hybrid drive by model-based optimization according to one of claims 1 to 5, characterized in that the recuperation power is reduced when slip is detected above a limit value 7. Verfahren zur topographieabhängigen Minimierung des Energiebedarfs von Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb oder Hybridantrieb durch modellbasierte Optimierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nutzbringende elektrisch versorgte Vorrichtungen, wobei Kühlung und Heizung vorteilhafterweise einen Wärmespeicher besitzen, im Fahrzeug aktiviert werden, wenn der Ladezustand des Energiespeichers über ein bestimmtes Niveau steigt. 7. A method for the topography-dependent minimization of the energy requirement of vehicles with electric drive or hybrid drive by model-based optimization according to one of claims 1 to 6, characterized in that beneficial electrically powered devices, wherein cooling and heating advantageously have a heat store, are activated in the vehicle when the state of charge of the energy storage rises above a certain level. Hierzu 5 Blatt Zeichnungen In addition 5 sheets of drawings
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