DE102023212729A1 - Computer-implemented method and computer program for obtaining a monetarily cost-optimal driving operation for a hybrid electric vehicle and control unit for regulating and/or controlling a driving operation of a hybrid electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Computerimplementiertes Verfahren zum Erhalten eines monetär kostenoptimalen Fahrbetriebs für ein Hybrid-Elektro-Fahrzeug (10), das Verfahren umfassend die Schritte: über eine erste Datenschnittstelle (20) Erhalten einer zu fahrenden Strecke (A, B, C) für das Hybrid-Elektro-Fahrzeug (10) umfassend Geschwindigkeitsvorgaben, von Positionsangaben zu Knoten, wobei die Knoten Kraftstoff- und Ladestationen (17, 18) umfassen, und von Informationen zu Umweltzonen (LEZ) entlang der Strecke (A, B,C) (V1); Erhalten von Preisstrukturen der Knoten (V2); Durchführen der folgenden Schritte (V3-V6) mittels einer ersten Software- oder Hardwareeinheit (21): basierend auf den Geschwindigkeitsvorgaben Bestimmen eines Gesamtverbrauchs an elektrischer Energie und/oder an Kraftstoff entlang der Strecke (A, B, C)) für mehrere Betriebsmodi (EV, CV, LPS1, LPS2) des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs (10) (V3); (...) A computer-implemented method for obtaining a monetarily cost-optimal driving mode for a hybrid-electric vehicle (10), the method comprising the steps of: obtaining, via a first data interface (20), a route (A, B, C) to be traveled for the hybrid-electric vehicle (10), comprising speed specifications, position information on nodes, wherein the nodes include fuel and charging stations (17, 18), and information on environmental zones (LEZ) along the route (A, B, C) (V1); obtaining price structures of the nodes (V2); performing the following steps (V3-V6) by means of a first software or hardware unit (21): based on the speed specifications, determining a total consumption of electrical energy and/or fuel along the route (A, B, C) for several operating modes (EV, CV, LPS1, LPS2) of the hybrid-electric vehicle (10) (V3); (...)
Description
Die Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren und Computerprogramm zum Erhalten eines monetär kostenoptimalen Fahrbetriebs für ein Hybrid-Elektro-Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät zum Regeln und/oder Steuern eines Fahrbetriebs eines Hybrid-Elektro-Fahrzeugs.The invention relates to a computer-implemented method and computer program for achieving a cost-optimal driving mode for a hybrid-electric vehicle. Furthermore, the invention relates to a control unit for regulating and/or controlling the driving mode of a hybrid-electric vehicle.
Folgende Definitionen, Beschreibungen und Ausführungen behalten ihre jeweilige Bedeutung für und finden Anwendung auf den gesamten offenbarten Erfindungsgegenstand.The following definitions, descriptions and statements retain their respective meaning for and apply to the entire disclosed subject matter.
Ein Hybrid-Elektro-Fahrzeug umfasst einen Verbrennungsmotor und/oder einen Elektromotor als Antriebsaggregate. In dieser Offenbarung umfasst der Begriff Hybrid-Elektro-Fahrzeug drei typische Fahrzeugarten, nämlich konventionelle, das heißt rein von einem Verbrennungsmotor angetriebene Fahrzeuge, elektrische, beispielsweise Batterie-elektrische Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge, beispielsweise Hybrid-Elektro-Fahrzeuge. Dabei hat ein Verbrennungsmotor-Fahrzeug nur den einen Betriebsmodus CV und ein Elektrofahrzeug nur den einen Betriebsmodus EV. Der Verbrennungsmotor wird aus einem Kraftstofftank mit chemisch flüssiger Energie in Form von Benzin, Diesel, LPG, oder Wasserstoff versorgt. Der Elektromotor wird aus einem wiederaufladbaren Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgt. Der Energiespeicher ist beispielsweise eine Feststoff- oder Flüssig-Batterie, ein Akkumulator oder ein Kondensatorenblock. Überschüssige Energie des Verbrennungsmotors wird unter Verwendung eines Generators in elektrische Energie umgewandelt werden, mit welcher der Energiespeicher des Hybridelektrofahrzeugs aufgeladen werden kann. Das Hybrid-Elektro-Fahrzeug kann beispielsweise ein Plugin-Hybrid-Elektro-Fahrzeug sein, auch Plugin-Hybrid-Electric-Vehicle, abgekürzt PHEV, genannt. Der Energiespeicher eines PHEV kann zusätzlich über ein Stromnetz, beispielsweise Ladestationen für Elektrofahrzeuge, aufgeladen werden.A hybrid-electric vehicle comprises an internal combustion engine and/or an electric motor as drive units. In this disclosure, the term hybrid-electric vehicle encompasses three typical vehicle types: conventional vehicles, i.e., vehicles powered purely by an internal combustion engine; electric vehicles, for example, battery-electric vehicles; and hybrid vehicles, for example, hybrid-electric vehicles. A vehicle with an internal combustion engine has only one operating mode, CV, and an electric vehicle has only one operating mode, EV. The internal combustion engine is supplied with chemically liquid energy in the form of gasoline, diesel, LPG, or hydrogen from a fuel tank. The electric motor is supplied with electrical energy from a rechargeable energy storage device. The energy storage device is, for example, a solid-state or liquid battery, an accumulator, or a capacitor bank. Excess energy from the internal combustion engine is converted into electrical energy using a generator, which can be used to charge the energy storage device of the hybrid-electric vehicle. The hybrid electric vehicle can, for example, be a plug-in hybrid electric vehicle, also known as a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV). The energy storage system of a PHEV can also be charged via a power grid, for example, via electric vehicle charging stations.
Die
Die
Aufgabe der Erfindung war es, wie eine Fahrstrecke, insbesondere eine Fahrstrecke mit Umweltzonen, monetär kostenoptimal, und dabei auch insbesondere energieeffizient und ressourcenschonend, mit einem Hybrid-Elektro-Fahrzeug passiert werden kann.The object of the invention was to find out how a route, in particular a route with environmental zones, can be covered with a hybrid electric vehicle in a financially cost-optimized manner, while also being particularly energy-efficient and resource-saving.
Die Gegenstände des unabhängigen Anspruchs und der nebengeordneten Ansprüche lösen jeweils diese Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Definitionen, den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.The subject matter of the independent claim and the subordinate claims each solves this problem. Advantageous embodiments of the invention emerge from the definitions, the subclaims, the drawings, and the description of preferred embodiments.
Nach einem Aspekt stellt die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren bereit zum Erhalten eines monetär kostenoptimalen Fahrbetriebs für ein Hybrid-Elektro-Fahrzeug. Bei dem Fahrbetrieb kann sowohl der Elektromotor als auch der Verbrennungsmotor direkt auf den Antriebsstrang wirken. Dies hat den Vorteil, dass bei einem hohen Antriebsleistungsbedarf, beispielsweise beim Beschleunigen oder bei einer Bergauffahrt, der Elektromotor und der Verbrennungsmotor das Hybrid-Elektro-Fahrzeug gemeinsam antreiben. Beim Langstreckenbetrieb, beispielsweise bei einer Autobahnfahrt, kann das Hybrid-Elektro-Fahrzeug vom Verbrennungsmotor allein angetrieben, wobei beispielsweise der Elektroantriebsmotor vom Antriebsstrang mechanisch entkoppelt wird. Besteht ein ausreichend niedriger Antriebsleistungsbedarf, beispielsweise bei geringer Geschwindigkeit, fungiert der Elektromotor als vom Antriebsstrang angetriebener Generator, der Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt, mit welcher der Energiespeicher aufgeladen wird, was auch Rekuperation genannt wird. Bei besonders niedrigem Antriebsleistungsbedarf, beispielsweise beim Ausparken oder im Schubbetrieb oder im Stop-and-Go-Betrieb, wird der Elektromotor das Hybrid-Elektro-Fahrzeug allein antreiben, wobei der Verbrennungsmotor abgeschaltet und beispielsweise vom Antriebsstrang mechanisch entkoppelt wird. In Umweltzonen, auch low emission zones genannt, sieht der monetär kostenoptimale Betrieb vor, dass das Hybid-Elektro-Fahrzeug von dem Elektromotor angetrieben wird.According to one aspect, the invention provides a computer-implemented method for achieving a monetarily cost-optimized driving mode for a hybrid-electric vehicle. During driving mode, both the electric motor and the combustion engine can act directly on the drive train. This has the advantage that when high drive power is required, for example during acceleration or when driving uphill, the electric motor and the combustion engine drive the hybrid-electric vehicle together. During long-distance operation, for example when driving on the highway, the hybrid-electric vehicle can be driven solely by the combustion engine, with the electric drive motor being mechanically decoupled from the drive train. If the drive power requirement is sufficiently low, for example at low speeds, the electric motor functions as a generator driven by the drive train, converting kinetic energy into electrical energy, which is used to charge the energy storage device. This is also known as recuperation. When power requirements are particularly low, for example, when exiting a parking space, coasting, or in stop-and-go mode, the electric motor will drive the hybrid-electric vehicle alone, with the combustion engine shut down and, for example, mechanically decoupled from the drivetrain. In environmental zones, also known as low-emission zones, the most cost-effective operation involves the hybrid-electric vehicle being powered by the electric motor.
In einem Schritt des Verfahrens wird über eine erste Datenschnittstelle eine zu fahrenden Strecke für das Hybrid-Elektro-Fahrzeug umfassend Geschwindigkeitsvorgaben erhalten. Ferner werden Positionsangaben zu Knoten, wobei die Knoten Kraftstoff- und Ladestationen umfassen, und Informationen zu Umweltzonen entlang der Strecke erhalten. Die erste Datenschnittstelle kann eine Schnittstelle zu einem Fahrerassistenzsystem oder zu einem autonomen Fahrsystem des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs sein.In one step of the method, a route to be traveled by the hybrid-electric vehicle, including speed specifications, is obtained via a first data interface. Furthermore, position information on nodes, where the nodes include fuel and charging stations, and information on environmental zones along the route are obtained. The first data interface can be an interface to a driver assistance system or to an autonomous driving system of the hybrid-electric vehicle.
Nach einem weiteren Aspekt ist die erste Datenschnittstelle eine Schnittstelle zu einer Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle. Über die Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle gibt ein Nutzer beispielsweise Start- und Zielort sowie Anzahl der Zwischenstopps ein. Ferner können damit Nutzer-Präferenzen festgelegt werden, beispielsweise Ruhezeiten oder Lenkzeiten, Fahrtunterbrechungen, bevorzugte Betreiber und Tarife von Ladepunkten und Tankstellen, bevorzugte Zahlungsmethoden, End-SoC-Wert, End-Tankinhalt.According to a further aspect, the first data interface is an interface to a human-machine user interface. Via the human-machine user interface, a user enters, for example, the starting and destination locations and the number of intermediate stops. Furthermore, user preferences can be specified, such as rest periods or driving times, journey breaks, preferred operators and tariffs for charging points and filling stations, preferred payment methods, final SoC value, and final tank content.
Über die erste Datenschnittstelle können beispielsweise Daten eines Navigationssystems erhalten werden. Das Navigationssystem kann im Datenaustausch mit der voran genannten Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle sein, das heißt, dass das Navigationssystem beispielsweise die Route basierend auf den Nutzereingaben konstruiert. Das Navigationssystem oder die erste Datenschnittstelle kann im Datenaustausch mit einer Verkehrsinfrastruktur sein. Die zu fahrende Strecke wird als Gesamtroute über die erste Datenschnittstelle, beispielsweise über das Navigationssystem, bereitgestellt. Beispielsweise kann die zu fahrende Strecke sechs verschiedene reale Rundreisen zwischen Aachen und München und zwischen Aachen und Friedrichshafen umfassen. Auf diesen Strecken wurden Fallstudien zu dem hier offenbarten Verfahren durchgeführt. Die Ergebnisse der Fallstudien werden nachfolgend offenbart. Die Geschwindigkeitsvorgaben können Geschwindigkeitsbegrenzungen und eine darauf adaptierte intelligente Geschwindigkeitsanpassung umfassen, beispielsweise erhalten aus einer digitalen Karte. Beispielsweise kann für Umweltzonen eine Höchstgeschwindigkeit von 120 km/h auferlegt werden. Nach einem Aspekt werden zusätzlich zu den Positionsangaben zu den Knoten auch Positionsangaben zu zwischen den Knoten liegenden Streckenabschnitten in Form von Kanten erhalten. Damit können die Schritte des Verfahrens, insbesondere die Minimierung betreffend, mit Mitteln der Graphentheorie gelöst werden. Dabei werden Entscheidungsknoten für alle Stationen entlang der Route erstellt und mit Stationsdaten, wie Position, Typ und Marke, mit den einzelnen Knoten verknüpft. Die Strecke kann Streckenabschnitte in Form von Umweltzonen umfassen. Die Umweltzonen sind beispielsweise in einer Karte hinterlegt und/oder können durch Geofencing erfasst werden. Das Verfahren kann in Umweltzonen rein elektrischen Fahrbetrieb des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs bestimmen und damit zu einer Reduzierung von Schadstoffemissionen beitragen.For example, data from a navigation system can be received via the first data interface. The navigation system can exchange data with the aforementioned human-machine user interface, meaning that the navigation system, for example, constructs the route based on user input. The navigation system or the first data interface can exchange data with a traffic infrastructure. The route to be traveled is provided as an overall route via the first data interface, for example via the navigation system. For example, the route to be traveled can include six different real round trips between Aachen and Munich and between Aachen and Friedrichshafen. Case studies on the method disclosed here were conducted on these routes. The results of the case studies are disclosed below. The speed specifications can include speed limits and an intelligent speed adjustment adapted thereto, for example, obtained from a digital map. For example, a maximum speed of 120 km/h can be imposed for environmental zones. According to one aspect, in addition to the position information for the nodes, position information for route sections lying between the nodes is also received in the form of edges. This allows the steps of the procedure, particularly those related to minimization, to be solved using graph theory. Decision nodes are created for all stations along the route and linked to the individual nodes using station data such as position, type, and brand. The route can include sections in the form of environmental zones. These environmental zones are stored on a map, for example, and/or can be detected using geofencing. The procedure can determine purely electric operation of the hybrid-electric vehicle in environmental zones, thus contributing to a reduction in pollutant emissions.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden Preisstrukturen der Knoten erhalten. Die Preisstrukturen können Preis pro Liter, Preis pro Kilowattstunde, Preis pro Minute oder Preis pro Aufladevorgang umfassen. Diese Preisstruktur umfasst die Preise für Roaming (Drittanbieterdienste). Die Preisstrukturen können bei Fahrantritt über die gesamte Strecke erhalten werden und im Fahrverlauf aktualisiert werden, beispielsweise von Knoten zu Knoten.In a further step of the process, the nodes' price structures are obtained. These price structures can include the price per liter, the price per kilowatt-hour, the price per minute, or the price per charging session. This price structure includes the prices for roaming (third-party services). The price structures can be obtained at the start of the trip for the entire route and updated throughout the trip, for example, from node to node.
Folgende weitere Schritte a) bis d) des Verfahrens werden mittels einer ersten Software- oder Hardwareeinheit durchgeführt. Die erste Software- oder Hardwareeinheit wird Mission Management genannt. Einheit bedeutet, dass die erste Software oder die erste Hardware ein eigenständiger, abgeschlossener Teil einer Gesamtsoftware oder Gesamthardware, die jeweils mehrere Einheiten umfassen können, sein kann, wobei die einzelnen Einheiten über Software- oder Hardwareschnittstellen im Datenaustausch stehen.
- a) Basierend auf den Geschwindigkeitsvorgaben wird ein Gesamtverbrauch an elektrischer Energie und/oder an Kraftstoff entlang der Strecke für mehrere Betriebsmodi des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs bestimmt. Die erste Software- oder Hardwareeinheit liest also die Gesamtstrecke mit den Geschwindigkeitsvorgaben ein und bestimmt den Gesamtverbrauch in Abhängigkeit der Betriebsmodi. Dieser Schritt wird Vehicle Pre-Filter genannt. Beispielsweise umfasst das Hybrid-Elektro-Fahrzeug vier Betriebsmodi, nämlich einen konventionellen Fahrbetrieb, bei dem der Verbrennungsmotor alleine das erforderliche Antriebsmoment liefert, einen rein elektrischen Fahrbetrieb, bei dem der Elektromotor alleine das erforderliche Antriebsmoment liefert, einen Load Point Shift 1 Fahrbetrieb, in dem der Verbrennungsmotor zum Laden einer Batterie, beispielsweise einer Hochvolt-Batterie, für den Elektromotor betrieben wird bei normalen Fahren oder bei Stillstand, und einen Load Point Shift 2 Fahrbetrieb, bei dem der Verbrennungsmotor und der Elektromotor zusammen das erforderliche, aber auch das jeweils effizienteste Antriebsmoment liefern. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise eine Leistung von 110 Kilowatt haben. Der Elektromotor kann beispielsweise eine Leistung von 75 Kilowatt haben. Das Hybrid-Elektro-Fahrzeug kann beispielsweise eine Masse von 1796 kg haben.
- b) Auf der Menge D aller Knoten i entlang der Strecke wird die Summe aus Tank- und/oder Aufladekosten basierend auf den Preisstrukturen minimiert. Ferner werden Tank- und/oder Aufladezeiten an den jeweiligen Knoten minimiert. Die Minimierungen erfolgen unter Berücksichtigung des Betriebsmodus in Umweltzonen. Ausgehend von einem initialen Kraftsoff- und/oder Ladezustand des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs werden dabei die Kraftstoffzustände xSoF und/oder Ladezustände xSoC in den Knoten rekursiv bestimmt. Bei der Minimierung werden beispielsweise eine Menge von Zuständen, Kontrollvariablen und eine Anzeigefunktion betrachtet. Die Zustände umfassen Kraftstoffzustände, Ladezustände und Tank- und/oder Aufladezeiten, wobei alle Knoten entlang der Strecke betrachtet werden. Die Kontrollvariablen uq geben die Entscheidungen für Auftank- und/oder Auflademengen an, wobei alle Knoten entlang der Strecke betrachtet werden. Die Kontrollvariablen um,i ∈ {1, 2, 3, 4} geben ferner den Betriebsmodus in dem jeweiligen Knoten i an. Die Menge der Kontrollvariablen ist U. Die Anzeigefunktion BB;D
rf ;Drc gibt an, ob der jeweilige Knoten eine Kraftstoffstation oder eine Ladestation ist oder ob sich der jeweilige Knoten oder der Streckenabschnitt, beispielsweise die Kante zwischen zwei Knoten, innerhalb einer Umweltzone, auch low emission zone genannt, abgekürzt LEZ, befindet. Bei den Tankzeiten Δtrf,i und/oder Aufladezeiten Δtrc,i wird nach einem Aspekt die Zeit Δtoh,i berücksichtigt, die für Brems- und Beschleunigungsvorgänge beim Tanken und/oder Laden benötigt wird. Ferner wird nach einem weiteren Aspekt bei den Tank- und/oder Aufladezeiten die Zeit Δtdv,i berücksichtigt, die das Hybrid-Elektro-Fahrzeug benötigt, um von der Strecke den jeweiligen Knoten zu erreichen und von dem Knoten wieder zurück auf die Strecke zu kommen. Die entsprechenden Umfahrungsstrecken sind dabei in den Kosten enthalten. Wenn bei der Rekursion ein Knoten i eine Kraftstoffstation ist, wird der Kraftstoffzustand im Knoten (i+1) aus dem Kraftstoffzustand im Knoten i erhalten, dem eine Auftankmenge uq,i an Kraftstoff, das heißt chemischer Energie, addiert und der Kraftstoffverbrauch Δqfu,i(um,i) zwischen Knoten i und (i+1) subtrahiert wird. Wenn bei der Rekursion ein Knoten i eine Ladestation ist, wird der Ladezustand im Knoten (i+1) aus dem Ladezustand im Knoten i erhalten, dem eine Auflademenge uq,i an elektrischer Energie addiert und der Verbrauch an elektrischer Energie Δqel,i(um,i) zwischen Knoten i und (i+1) subtrahiert wird. ξtank ist die Tankkapazität des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs. ξbatt ist die Batteriekapazität des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs. Entsprechend wird die Zeit im Knoten (i+1) aus der Zeit im Knoten i erhalten, der eine entsprechende Tank- und/oder Aufladezeit addiert wird.
- a) Based on the speed specifications, a total consumption of electrical energy and/or fuel along the route is determined for several operating modes of the hybrid-electric vehicle. The first software or hardware unit reads the total distance with the speed specifications and determines the total consumption depending on the operating modes. This step is called Vehicle Pre-Filter. For example, the hybrid-electric vehicle comprises four operating modes: conventional driving mode, in which the combustion engine alone provides the required drive torque, purely electric driving mode, in which the electric motor alone provides the required drive torque, and Load Point Shift 1 driving mode, in which the combustion engine for charging a battery, such as a high-voltage battery, for which the electric motor is operated during normal driving or when stationary, and a Load Point Shift 2 driving mode, in which the combustion engine and the electric motor together deliver the required, but also the most efficient, drive torque. The combustion engine, for example, can have an output of 110 kilowatts. The electric motor, for example, can have an output of 75 kilowatts. The hybrid-electric vehicle, for example, can have a mass of 1796 kg.
- b) On the set D of all nodes i along the route, the sum of refueling and/or charging costs is minimized based on the price structures. Furthermore, refueling and/or charging times at the respective nodes are minimized. The minimizations are carried out taking into account the operating mode in environmental zones. Starting from an initial fuel and/or charge state of the hybrid-electric vehicle, the fuel states x SoF and/or charge states x SoC in the nodes are determined recursively. During the minimization, for example, a set of states, control variables, and an indicator function are considered. The states include fuel states, charge states, and refueling and/or charging times, with all nodes along the route being considered. The control variables u q specify the decisions for refueling and/or charging quantities, with all nodes along the route being considered. The control variables u m,i ∈ {1, 2, 3, 4} also specify the operating mode at the respective node i. The set of control variables is U. The indicator function B B;D
rf ;Drc indicates whether the respective node is a fuel station or a charging station or whether the respective node or route section, for example the edge between two nodes, is located within an environmental zone, also known as a low emission zone (LEZ). One aspect of the refueling times Δt rf,i and/or charging times Δt rc,i takes into account the time Δt oh,i required for braking and acceleration during refueling and/or charging. Another aspect of the refueling and/or charging times also takes into account the time Δt dv,i required by the hybrid electric vehicle to reach the respective node from the route and to return from the node back to the route. The corresponding detours are included in the costs. In the recursion, if a node i is a fuel station, the fuel state at node (i+1) is obtained from the fuel state at node i, to which a refueling amount u q,i of fuel, i.e., chemical energy, is added, and the fuel consumption Δq fu,i (u m,i ) between nodes i and (i+1) is subtracted. In the recursion, if a node i is a charging station, the charge state at node (i+1) is obtained from the charge state at node i, to which a refueling amount u q,i of electrical energy is added, and the electrical energy consumption Δq el,i (u m,i ) between nodes i and (i+1) is subtracted. ξ tank is the tank capacity of the hybrid electric vehicle. ξ batt is the battery capacity of the hybrid electric vehicle. Similarly, the time at node (i+1) is obtained from the time at node i, to which a corresponding refueling and/or charging time is added.
Die Rekursionsvorschrift lautet beispielsweise:
Die Minimierungsvorschrift lautet beispielsweise:
Nach einem weiteren Aspekt werden den Kontrollvariablen Zwangsbedingungen auferlegt, um die physikalischen Limitierungen des Kraftstofftanks und der Batterie des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs zu berücksichtigen. Beispielsweise hat das Hybrid-Elektro-Fahrzeug ein Tankvolumen von 40 Liter und eine Batteriekapazität von 8,7 Kilowattstunden. Ferner kann die Bedingung gestellt werden, dass das Hybrid-Elektro-Fahrzeug stets über ausreichend Kraftstoff und/oder elektrische Ladung verfügt, um den jeweils nächsten Knoten zu erreichen. Diese Bedingung kann auch direkt vom Fahrer als Eingabe festgelegt werden, beispielsweise über die Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle. Ferner kann die Bedingung gestellt werden, dass die Batterie bei Rekuperation nicht überladen wird. Außerdem kann die Bedingung gestellt werden, dass auf der gesamten Strecke die akkumulierten Tank- und/oder Aufladezeiten unter einen vorgebbaren Schwellenwert liegen. Beispielsweise kann der Schwellenwert bei einer Gesamtstrecke von 1200 km bei 60 Minuten liegen. Mit dieser Bedingung kann die Fahrzeit, die auch direkt vom Fahrer als Eingabe eingegeben werden kann, beispielsweise über die Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle, in der Kostenfunktion gegenüber den nicht-zeitlichen Bedingungen gewichtet werden. An den Knoten kann die Aufladeleistung beispielsweise zwischen 50 bis 350 Kilowatt betragen.In another aspect, constraints are imposed on the control variables to take into account the physical limitations of the fuel tank and the battery of the hybrid electric vehicle. For example, the hybrid-electric vehicle has a tank volume of 40 liters and a battery capacity of 8.7 kilowatt hours. Furthermore, the condition can be set that the hybrid-electric vehicle always has sufficient fuel and/or electrical charge to reach the next node. This condition can also be specified directly by the driver as an input, for example, via the human-machine interface. Furthermore, the condition can be set that the battery is not overcharged during recuperation. Furthermore, the condition can be set that the accumulated refueling and/or charging times over the entire route are below a predefined threshold. For example, the threshold can be 60 minutes for a total distance of 1200 km. With this condition, the travel time, which can also be entered directly by the driver as an input, for example, via the human-machine interface, can be weighted in the cost function against the non-temporal conditions. At the nodes, the charging power can, for example, be between 50 and 350 kilowatts.
350 Kilowatt entspricht einer derzeitigen High Power Charging oder Fast Charging. Bei einer derart hohen Aufladeleistung liegt die Zeit für das Aufladen bei 5 bis 15 Minuten. An den Knoten kann die Abgaberate von Kraftstoff beispielsweise 40 Liter pro Minute betragen. Weiterhin können bei der Minimierung Präferenzen eines Nutzers des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs berücksichtigt werden, beispielsweise dass zu Fahrtantritt und/oder bei Fahrtende der Kraftstofftank und/oder die Batterie beispielsweise jeweils zu 50% geladen sein sollen, die minimale Aufladung beispielsweise 20% und die minimale Auftankung beispielsweise 80% betragen soll.350 kilowatts corresponds to current high-power or fast charging. With such high charging power, charging takes 5 to 15 minutes. At the nodes, the fuel delivery rate can be, for example, 40 liters per minute. Furthermore, the preferences of a hybrid-electric vehicle user can be taken into account when minimizing the charging, for example, that the fuel tank and/or battery should each be charged to 50% at the start and/or end of the journey, the minimum charge should be 20%, and the minimum refueling should be 80%.
Alle voran genannten und nachfolgend genannten beispielhaften Zahlenwerte werden als Programm-Parameter in der nachfolgenden Fallstudie verwendet.
- c) Eine Referenztrajektorie entlang der Strecke wird erhalten, wobei die Referenztrajektorie die Knoten angibt, die die Summe aus Tank- und/oder Aufladekosten minimiert entsprechend den Tank- und/oder Aufladezeiten. Es kann eine sogenannte State of Charge und/oder State of Fuel Referenztrajektorie erhalten werden. Dieser Schritt kann durch die Wiederverwendung des Fahrzeugmodells aus dem Vehicle pre-filter berechnet werden und wird auch Vehicle Post-Filter genannt. Das Fahrzeugmodell hat die Auswahlmöglichkeit, bei jedem Berechnungsschritt aus den vier zuvor definierten Modi eine zu wählen.
- d) Der Schritt der Kostenminimierung wird periodisch oder bei Zielabweichungen wiederholt. Damit werden die Referenztrajektorien aktualisiert. Beispielsweise wird die erste Softwareeinheit mit einer Periode von 5 bis 15 Minuten neu aufgerufen und durchgeführt, und/oder nach einer Entfernungs-basierten Aktualisierungsrate, beispielsweise unter der Bedingung, dass das Fahrzeug mehr als 4 Kilometer gefahren worden ist.
- c) A reference trajectory along the route is obtained, where the reference trajectory specifies the nodes that minimize the sum of refueling and/or recharging costs corresponding to the refueling and/or recharging times. A so-called state of charge and/or state of fuel reference trajectory can be obtained. This step can be calculated by reusing the vehicle model from the vehicle pre-filter and is also called the vehicle post-filter. The vehicle model has the option of choosing one of the four previously defined modes at each calculation step.
- d) The cost minimization step is repeated periodically or when target deviations occur. This updates the reference trajectories. For example, the first software unit is re-invoked and executed every 5 to 15 minutes, and/or at a distance-based update rate, for example, if the vehicle has traveled more than 4 kilometers.
Nach einem weiteren Aspekt bestimmt das Mission Management eine Abgasbereinigung, wobei die nächsten oder noch ausstehenden Zyklusphase für die Abgasreinigung bestimmt werden, zum Beispiel bestimmter Fahrzeugmodus über 15 bis 45 Minuten. Ferner können die global optimalen Phasen basierend auf Zeit oder Entfernung ermittelt werden.In another aspect, mission management determines an emission control process, determining the next or remaining cycle phases for emission control, for example, a specific vehicle mode over 15 to 45 minutes. Furthermore, the globally optimal phases can be determined based on time or distance.
Folgende weitere Schritte aa) bis ff) des Verfahrens werden mittels einer zweiten Software- oder Hardwareeinheit durchgeführt, wobei in die zweite Software- oder Hardwareeinheit ein Fahrzeugmodell implementiert ist, das einen aus einem Fahrwiderstand resultierenden Drehmomentbedarf an einem Rad des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs für einen Vorausschauhorizont bestimmt. Die zweite Software- oder Hardwareeinheit wird Predictive Energy Management genannt. Das Fahrzeugmodell kann beispielsweise ein Plug-In Hybrid Electric Vehicle Model sein.The following further steps aa) to ff) of the method are carried out using a second software or hardware unit, wherein a vehicle model is implemented in the second software or hardware unit that determines a torque requirement at a wheel of the hybrid electric vehicle resulting from a driving resistance for a forecast horizon. The second software or hardware unit is called predictive energy management. The vehicle model can be, for example, a plug-in hybrid electric vehicle model.
aa) Die jeweils aktualisierte Referenztrajektorie wird eingelesen. Beispielsweise leitet der Vehicle Post-Filter seine Ergebnisse an das Fahrzeugmodell weiter. Beispielsweise leitet der Vehicle Post-Filter die aus dem Mission Management resultierenden Zustände und Kontrollvariablen weiter an die Predictive Energy Management Einheit.
- bb) Innerhalb des Vorausschauhorizonts entlang der Referenztrajektorie wird der jeweilige Drehmomentbedarf auf einen von einem Verbrennungsmotor des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs erzeugten Drehmomentanteil und/oder einen von einem Elektromotor des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs erzeugten Drehmomentanteil aufgeteilt basierend auf dem jeweiligen Betriebsmodus des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs. Der Vorausschauhorizont wird auch Moving Horizon genannt. Aus der Aufteilung der Drehmomente kann die für das Aufbringen der jeweiligen Drehmomentanteile jeweils erforderliche elektrische Energie und die chemische Kraftstoffenergie berechnet werden, aus denen sich dann jeweils die Kraftstoff- und Ladezustände für den nächsten Vorausschauhorizont ergeben. Die jeweiligen Drehmomentanteile des Verbrennungsmotors und des Elektromotors bilden Kontrollvariablen für das Predictive Energy Management. Die Zustände, die im Predictive Energy Management betrachtet werden, umfassen einen Getriebegang, einen An- oder Aus-Zustand des Verbrennungsmotors und den Ladungszustand. Das Hybrid-Elektro-Fahrzeug umfasst beispielsweise sechs Getriebegänge.
- cc) Innerhalb des Vorausschauhorizonts wird ein Wechsel von Getriebegängen des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs und/oder von An- und Aus-Zuständen des Verbrennungsmotors bestimmt. Bei jedem Wechsel eines Getriebeganges werden die jeweils resultierenden Tank- und/oder Aufladekosten über den Vorausschauhorizont bestimmt. Ein An-Zustand des Verbrennungsmotors wird beispielsweise mit 1, ein Aus-Zustand beispielsweise mit 0 gekennzeichnet.
- dd) Die zweite Software- oder Hardwareeinheit bestimmt die Aufteilung des jeweiligen Drehmomentbedarfs, den Wechsel der Getriebegänge und/oder der An- und Aus-Zustände des Verbrennungsmotors derart, dass in dem jeweiligen Vorausschauhorizont ein Kraftstoffverbrauch minimiert ist.
- ee) Die jeweilige Drehmomentaufteilung, der Wechsel der Getriebegänge und/oder der An- und Aus-Zustände des Verbrennungsmotors wird mittels eines Fahrzeug-Steuergeräts auf das Hybrid-Elektro-Fahrzeug angewendet. Das Fahrzeug-Steuergerät ist beispielsweise ein für eine Hybridregelung, auch Hybrid Power Coordination oder Hybrid Power Control genannt, spezialisiertes Fahrzeug-Steuergerät. Beispielsweise ist das Fahrzeug-Steuergerät ein Hybrid-Kontroll-Steuergerät, auch Hybrid Control Unit genannt. Dabei ist das Fahrzeug-Steuergerät, beispielsweise die Hybrid Control Unit, Hardware. Hybrid Power Coordination oder Hybrid Power Control ist im Wesentlichen Software.
- ff) Die vorangehenden Schritte werden in nächsten Vorausschauhorizonten entlang der Referenztrajektorie wiederholt bis zu einem Ende der Referenztrajektorie. Beispielsweise liegt eine Zeit basierte Aktualisierungsrate des Predictive Energy Mangements zwischen 1 und 10 Sekunden und eine Entfernungs-basierte Aktualisierungsrate unter 4 Kilometer. Die räumliche Auflösung der Vorausschauhorizonte beträgt beispielsweise 5 Meter. Damit wird der monetär kostenoptimale Fahrbetrieb für das Hybrid-Elektro-Fahrzeug erhalten.
- bb) Within the look-ahead horizon along the reference trajectory, the respective torque requirement is divided into a torque component generated by a combustion engine of the hybrid-electric vehicle and/or a torque component generated by an electric motor of the hybrid-electric vehicle based on the respective operating mode of the hybrid-electric vehicle. The look-ahead horizon is also called the moving horizon. From the distribution of the torques, the electrical energy and the chemical fuel energy required to apply the respective torque components can be calculated, from which the fuel and charge states for the next look-ahead horizon are then derived. The respective torque components of the The combustion engine and the electric motor constitute control variables for predictive energy management. The states considered in predictive energy management include a transmission gear, the on or off state of the combustion engine, and the charge state. For example, a hybrid-electric vehicle has six transmission gears.
- cc) Within the look-ahead horizon, a change in transmission gears of the hybrid electric vehicle and/or in the on and off states of the combustion engine is determined. For each gear change, the resulting refueling and/or charging costs are determined over the look-ahead horizon. For example, an on state of the combustion engine is designated with 1, and an off state with 0.
- dd) The second software or hardware unit determines the distribution of the respective torque requirement, the change of transmission gears and/or the on and off states of the combustion engine in such a way that fuel consumption is minimized in the respective forecast horizon.
- ee) The respective torque distribution, the change of transmission gears, and/or the on/off states of the combustion engine are applied to the hybrid-electric vehicle by means of a vehicle control unit. The vehicle control unit is, for example, a vehicle control unit specialized for hybrid control, also known as hybrid power coordination or hybrid power control. For example, the vehicle control unit is a hybrid control unit, also known as a hybrid control unit. The vehicle control unit, for example, the hybrid control unit, is hardware. Hybrid power coordination or hybrid power control is essentially software.
- ff) The preceding steps are repeated in subsequent look-ahead horizons along the reference trajectory until one end of the reference trajectory is reached. For example, a time-based update rate of the predictive energy management is between 1 and 10 seconds, and a distance-based update rate is less than 4 kilometers. The spatial resolution of the look-ahead horizons is, for example, 5 meters. This ensures the most cost-effective driving mode for the hybrid-electric vehicle.
Das Verfahren liefert eine kostengetriebene Referenztrajektorie mittels des Mission Management Moduls und einen entsprechenden verbrauchsoptimierten Betrieb des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs entlang der Strecke unter Berücksichtigung von Umweltzonen mittels des Predictive Energy Management Moduls, wobei Mission Management und Predictive Energy Management Daten austauschen. Mission Management und Predictive Energy Management stellen damit modulare Optimierungseinheiten dar und realisieren zusammen einen zwei Level Model Predictive Control Algorithmus, der effizient Kraftstoffverbrauch und Leistungsaufteilung für ein Hybrid-Elektro-Fahrzeug optimiert.The method provides a cost-driven reference trajectory using the Mission Management module and corresponding consumption-optimized operation of the hybrid-electric vehicle along the route, taking environmental zones into account, using the Predictive Energy Management module. Mission Management and Predictive Energy Management exchange data. Mission Management and Predictive Energy Management thus represent modular optimization units and together implement a two-level model predictive control algorithm that efficiently optimizes fuel consumption and power distribution for a hybrid-electric vehicle.
Nach einem weiteren Aspekt löst die erste Software- oder Hardwareeinheit die Minimierung als Problem der optimalen Steuerung, umfassend Shortest Path Routing Problem, Traveling Salesman Problem, Station Problem, Green Vehicle Routing Problem und Hybrid Vehicle Routing Problem, wobei die Kraftstoff- und/oder Ladezustände in den Knoten rekursiv mittels dynamischer Programmierung bestimmt werden. Die erste Software- oder Hardwareeinheit kann dabei die globale Optimierung der Batterielade- und Betankungsstrategie für die Gesamtroute unter Berücksichtigung der Fahrzeug- und Routenparameter sowie der Fahrerpräferenzen im Fahrzeug auf einem Fahrzeug-Steuergerät ausführen. Dies hat den Vorteil, dass Fahrzeughersteller-sensible Daten on board bleiben. Nach einem weiteren Aspekt kann die globale Optimierung der Batterielade- und Betankungsstrategie für die Gesamtroute unter Berücksichtigung der Fahrzeug- und Routenparameter sowie der Fahrerpräferenzen off board ausgeführt werden.According to a further aspect, the first software or hardware unit solves the minimization as an optimal control problem, comprising the shortest path routing problem, the traveling salesman problem, the station problem, the green vehicle routing problem, and the hybrid vehicle routing problem, wherein the fuel and/or charge states in the nodes are determined recursively using dynamic programming. The first software or hardware unit can execute the global optimization of the battery charging and refueling strategy for the entire route, taking into account the vehicle and route parameters as well as the driver preferences, in the vehicle on a vehicle control unit. This has the advantage that vehicle manufacturer-sensitive data remains on board. According to a further aspect, the global optimization of the battery charging and refueling strategy for the entire route, taking into account the vehicle and route parameters as well as the driver preferences, can be executed off board.
Nach einem weiteren Aspekt bestimmt die zweite Software- oder Hardwareeinheit die Aufteilung des jeweiligen Drehmomentbedarfs mittels Pontryagins Maximum Prinzip und den Wechsel der Getriebegänge und/oder der An- und Aus-Zustände des Verbrennungsmotors mittels dynamischer Programmierung bestimmt. Die Hamilton Funktion des Pontryagins Maximum Prinzips kann die Fließgeschwindigkeit des Kraftstoffes bei Tankvorgängen, einen Co-Zustand und das dynamische Verhalten der Ladungszustände der Batterie umfassen. Die Hamilton Funktion ist dabei eine objektive Funktion im diskreten Zustandsraum, deren Minimum berechnet wird. Damit kann in den jeweiligen Vorausschauhorizonten ein Kraftstoffverbrauch minimiert werden.According to a further aspect, the second software or hardware unit determines the distribution of the respective torque requirements using Pontryagin's Maximum Principle and the change of transmission gears and/or the on/off states of the combustion engine using dynamic programming. The Hamilton function of the Pontryagin's Maximum Principle can include the fuel flow rate during refueling, a co-state, and the dynamic behavior of the battery charge states. The Hamilton function is an objective function in the discrete state space, the minimum of which is calculated. This allows fuel consumption to be minimized in the respective forecast horizons.
Die Hamilton Funktion lautet beispielsweise:
Die Kombination von Pontryagins Maximum Prinzip und dynamischer Programmierung hat den Vorteil, dass das Predictive Energy Management einen effizienten Kraftstoffverbrauch und eine Leistungsaufteilung innerhalb des Vorausschauhorizonts berechnen kann, ohne auf sonst bei derartigen Optimierungsproblemen erforderliche konvexe quadratische Programmierung angewiesen zu sein, für deren Ausführung hochspezialisierte Drittanbieter Software erforderlich ist. Der vorgeschlagene Ansatz basierend auf der Kombination von Pontryagins Maximum Prinzip und dynamischer Programmierung kann ein sogenanntes Two-Point Boundary Value Problem für einen initialen und einen finalen Ladungszustand einer Hochvolt Batterie des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs lösen.The combination of Pontryagin's Maximum Principle and dynamic programming has the advantage that predictive energy management can calculate efficient fuel consumption and power distribution within the look-ahead horizon without relying on convex quadratic programming, which is otherwise required for such optimization problems and requires highly specialized third-party software. The proposed approach, based on the combination of Pontryagin's Maximum Principle and dynamic programming, can solve a so-called two-point boundary value problem for an initial and a final state of charge of a high-voltage battery of a hybrid electric vehicle.
In Kombination mit der dynamischen Programmierung in der ersten Software- oder Hardwareeinheit wird damit ein Optimierungsverfahren basierend auf der sequentiellen Anwendung von dynamischer Programmierung - Pontryagins Maximum Prinzip - dynamischer Programmierung erreicht. Die Ergebnisse der nachfolgenden Fallstudie zeigen, dass mit diesem Ansatz eine Reduzierung der gesamten monetären Reisekosten von 15,5 % und eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von 7 % erreicht werden kann.In combination with dynamic programming in the first software or hardware unit, this results in an optimization procedure based on the sequential application of dynamic programming—Pontryagin's Maximum Principle. The results of the following case study show that this approach can achieve a 15.5% reduction in total monetary travel costs and a 7% reduction in fuel consumption.
Nach einem weiteren Aspekt ist die erste Datenschnittstelle eine Schnittstelle zu einem Navigationssystem des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs, zu Sensoren des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs und/oder zu einem Anbieter einer digitalen Karte. Die so erhaltenen Detailinformationen zu der Strecke werden von dem Mission Management Modul eingelesen und in der Optimierungsaufgabe verarbeitet.According to a further aspect, the first data interface is an interface to a navigation system of the hybrid-electric vehicle, to sensors of the hybrid-electric vehicle, and/or to a digital map provider. The detailed route information thus obtained is read in by the mission management module and processed in the optimization task.
Nach einem weiteren Aspekt sind das Hybrid-Elektro-Fahrzeug und die Knoten jeweils zum Datenaustausch über eine Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation ausgeführt. Die Preisstrukturen der Knoten werden dem Hybrid-Elektro-Fahrzeug über die Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation übermittelt unter Berücksichtigung von statischen tagesbasierten und/oder dynamischen sekundenbasierten Preisen. Damit kann die monetäre Kostenoptimierung verbessert werden. Für Ladestationen umfasst die Preisstruktur Ladepreise pro Kilowattstunde, pro Minute und/oder pro Aufladevorgang in Abhängigkeit eines Tarifs. Mittels der Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation werden die aus der Minimierung resultierenden Knoten für die jeweiligen Tank- und/oder Aufladezeiten gebucht. Damit wird eine reibungslose Durchfahrt der Strecke mit Knoten erreicht. In der Fallstudie schwanken die Tankpreise beispielsweise zwischen 1,10 und 1,71 Euro pro Liter. Für die Preisstruktur Preis pro Aufladevorgang schwankt der Preis beispielsweise zwischen 7,50 und 10 Euro pro Aufladevorgang. Für die Preisstruktur Preis pro Zeit ist der Preis für einen Ladevorgang beispielsweise 0,5 Euro pro Minute. Für die Preisstruktur Preis pro Energie schwankt der Preis beispielsweise zwischen 0,33 und 0,79 Euro pro Kilowattstunde.According to a further aspect, the hybrid-electric vehicle and the nodes are each designed to exchange data via vehicle-to-infrastructure communication. The price structures of the nodes are transmitted to the hybrid-electric vehicle via vehicle-to-infrastructure communication, taking into account static day-based and/or dynamic second-based prices. This can improve monetary cost optimization. For charging stations, the price structure includes charging prices per kilowatt-hour, per minute, and/or per charging process, depending on a tariff. Using vehicle-to-infrastructure communication, the nodes resulting from the minimization are booked for the respective refueling and/or charging times. This ensures smooth travel along the route with nodes. In the case study, for example, the refueling prices fluctuate between €1.10 and €1.71 per liter. For the price per charging process pricing structure, the price fluctuates between €7.50 and €10 per charging process. For the price per time pricing structure, the price for a charging process is, for example, €0.50 per minute. For the price structure price per energy, for example, the price fluctuates between 0.33 and 0.79 euros per kilowatt hour.
Nach einem weiteren Aspekt ist die erste Software- oder Hardwareeinheit Cloud basiert. Die zweite Software- oder Hardwareeinheit liest die jeweils aktualisierten Referenztrajektorien aus der Cloud ein. Über die Cloud wird Speicherplatz, Rechenleistung und/oder Computerprogramme als Dienstleistung bereitgestellt. Durch Auslagerung des Mission Managements in die Cloud kann das Predictive Energy Management auf einem Fahrzeug-Steuergerät effizienter performen.According to another aspect, the first software or hardware unit is cloud-based. The second software or hardware unit reads the updated reference trajectories from the cloud. Storage space, computing power, and/or computer programs are provided as a service via the cloud. By outsourcing mission management to the cloud, predictive energy management on a vehicle control unit can perform more efficiently.
Nach einem weiteren Aspekt werden einem Nutzer des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs mittels einer Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle Informationen zu der Strecke, umfassend die Knoten und Preisstrukturen der Knoten, Informationen zu der Referenztrajektorie, umfassend die aus der Minimierung erhaltenen Knoten zusammen mit deren jeweiligen Preisstrukturen, Informationen zu Wechsel der Getriebegänge und/oder Informationen zu den An- und Aus-Zustände des Verbrennungsmotors angezeigt. Der Nutzer, beispielsweise ein Fahrer des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs, kann über die Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle, auch human machine interface genannt, andere als die aus der Minimierung erhaltenen Knoten auswählen und diese ausgewählten Knoten können als die Zielabweichungen bei Aktualisierungen der Referenztrajektorie berücksichtigt werden. Damit werden Komfortfunktionen und Präferenzen des Nutzers berücksichtigt. Nach einem weiteren Aspekt kann der Nutzer einen Betriebsmoduswechsel über die Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle eingeben. Der so vom Nutzer präferierte Betriebsmodus wird dann bei der Optimierung berücksichtigt. Nach einem weiteren Aspekt kann der Nutzer über die Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle eingeben, dass nur bestimmte Betreiber von Kraftstoff- und/oder Ladestationen berücksichtigt werden oder nur solche Kraftstoff- und/oder Ladestationen, die eine bestimmte Zahlungsmethode erlauben.According to a further aspect, a user of the hybrid-electric vehicle is shown information about the route, including the nodes and price structures of the nodes, information about the reference trajectory, including the nodes obtained from the minimization along with their respective price structures, information about gear changes, and/or information about the on and off states of the combustion engine, via a human-machine user interface. The user, for example a driver of the hybrid-electric vehicle, can select nodes other than those obtained from the minimization via the human-machine user interface, and these selected nodes can be considered as the target deviations when updating the reference trajectory. This takes comfort functions and user preferences into account. According to a further aspect, the user can enter a change of operating mode via the human-machine user interface. The operating mode preferred by the user is then taken into account during optimization. According to a further aspect, the user can specify via the human-machine user interface that only certain operators of fuel and/or charging stations be taken into account or only those fuel and/or charging stations that allow a certain payment method.
Beispielsweise werden dem Nutzer die global optimalen Routen A, B und C visuell dargestellt. Es können auch Alternativrouten ohne und mit Fahrerpräferenzen angezeigt werden. Nach einem weiteren Aspekt kann der Fahrer die Routen auswählen und bestätigen.For example, the globally optimal routes A, B, and C are visually presented to the user. Alternative routes with and without driver preferences can also be displayed. After a further aspect, the driver can select and confirm the routes.
Nach einem weiteren Aspekt kann der Fahrer die Intelligent Speed Adaption Funktion mit der Adaptive Cruise Control ACC-Funktion aktivieren. Laut einer EU-Verordnung vom 6. Juli 2022 müssen zukünftig alle Kraftfahrzeuge mit einem System ausgerüstet werden, das den Fahrzeugführer bei der Beibehaltung der für die Straßenbedingungen angemessenen Geschwindigkeit unterstützt. Der Fahrer kann dabei über den Beschleunigungsregler, beispielsweise Fahrpedal, oder über gezielte, angemessene und wirksame Rückmeldungen darauf aufmerksam gemacht werden, dass die geltende Geschwindigkeitsbeschränkung überschritten wird. Die Möglichkeit des Fahrers, die vom System angeforderte Fahrzeuggeschwindigkeit zu überschreiten, darf nicht beeinträchtigt werden. Dieses System heißt Intelligent Speed Adaption und soll mithilfe von GPS-Daten und Verkehrszeichenerkennung die aktuell geltende Höchstgeschwindigkeit ermitteln und bei einer Überschreitung warnen oder das Fahrzeug automatisch durch die Limitierung der Motorleistung abbremsen. Der Fahrer kann jedoch das System übersteuern, indem er das Gaspedal tritt. Wenn das Intelligent Speed Adaption System aktiviert wird, wird eine energieoptimierte Drehmomentverteilung auf Basis der globaloptimalen Navigation bestimmt.Another aspect allows the driver to activate the Intelligent Speed Adaption function with the Adaptive Cruise Control (ACC) function. According to an EU regulation dated July 6, 2022, all motor vehicles must be equipped with a system that supports the driver in maintaining a speed appropriate for the road conditions. The driver can be alerted that the applicable speed limit is being exceeded via the acceleration control, for example, the accelerator pedal, or via targeted, appropriate, and effective feedback. The driver's ability to exceed the vehicle speed requested by the system must not be compromised. This system, called Intelligent Speed Adaption, uses GPS data and traffic sign recognition to determine the current speed limit and, if exceeded, warn the driver or automatically brake the vehicle by limiting engine power. However, the driver can override the system by pressing the accelerator pedal. When the Intelligent Speed Adaption system is activated, an energy-optimized torque distribution is determined based on globally optimal navigation.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Fahrbetrieb für ein Batterie-elektrisches-Fahrzeug oder ein Verbrennungsmotor-Fahrzeug monetär Kosten optimiert. Beispielsweise kann das Mission Management Modul die Kontrollvariable für Kraftstoff-Auffüllvorgänge auf null setzen, sodass nur ein elektrischer Betrieb des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs berücksichtigt wird, das heißt effektiv ein Batterie-elektrisches-Fahrzeug resultiert. Analog kann effektiv ein Verbrennungsmotor-Fahrzeug resultieren. Ein batterieelektrisches Fahrzeug nutzt ausschließlich Energie gespeichert in wiederaufladbaren Batterien und keine weiteren Antriebe wie einen Verbrennungsmotor als Antriebsquelle. Entsprechend nutzt ein Verbrennungsmotor-Fahrzeug ausschließlich den Verbrennungsmotor als Antriebsquelle.According to a further aspect, driving operation for a battery-electric vehicle or an internal combustion engine vehicle is optimized in monetary terms. For example, the mission management module can set the control variable for fuel refill processes to zero, so that only electric operation of the hybrid-electric vehicle is considered, effectively resulting in a battery-electric vehicle. Analogously, an internal combustion engine vehicle can effectively result. A battery-electric vehicle uses only energy stored in rechargeable batteries and no other drive systems such as an internal combustion engine as its power source. Accordingly, an internal combustion engine vehicle uses only the internal combustion engine as its power source.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Computerprogramm bereit zum Erhalten eines monetär kostenoptimalen Fahrbetriebs für ein Hybrid-Elektro-Fahrzeug. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die eine Hardwarekomponente eines Computers veranlassen, die Schritte des voran offenbarten Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm von der Hardwarekomponente geladen oder von dieser ausgeführt wird. Die Befehle des Computerprogramms können Maschinenbefehle, Quelltext oder Objektcode geschrieben in Assemblersprache, einer objektorientierten Programmiersprache, beispielsweise C++, oder in einer prozeduralen Programmiersprache, beispielsweise C, umfassen. Das Computerprogramm ist nach einem Aspekt der Erfindung ein Hardware unabhängiges Anwendungsprogramm, das beispielsweise über einen Datenträger oder ein Datenträgersignal mittels Software Over The Air Technologie bereitgestellt wird.According to a further aspect, the invention provides a computer program for obtaining a monetarily cost-optimal driving mode for a hybrid-electric vehicle. The computer program comprises instructions that cause a hardware component of a computer to execute the steps of the method disclosed above when the computer program is loaded by or executed by the hardware component. The instructions of the computer program can comprise machine instructions, source text, or object code written in assembly language, an object-oriented programming language, for example, C++, or in a procedural programming language, for example, C. According to one aspect of the invention, the computer program is a hardware-independent application program that is provided, for example, via a data carrier or a data carrier signal using software over the air technology.
Nach einem weiteren Aspekt ist das Verfahren oder das Computerprogramm in ein Fahrerassistenzsystem implementiert. Damit wird insbesondere ein Fahrerassistenzsystem für ein hybridelektrisches Fahrzeug zum elektrischen Fahren in Umweltzonen mit monetär kostenoptimalem Fahrbetrieb durch optimierte Ressourcenauffüllung realisiert. Das Fahrerassistenzsystem ermittelt einen Betriebsfahrmodus für das Durchfahren von Umweltzonen durch monetär kostenoptimale Nachfüllvorgänge unter Berücksichtigung energieverbrauchsoptimaler Routenplanung des Fahrzeugs. Das Fahrerassistenzsystem gibt die Routenplanung mit Antriebsenergiekosten für den Fahrer über eine Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle aus, um zu entscheiden, ob der Fahrer den vorgeschlagenen Betriebsmoduswechsel „in Kauf“ nimmt. Bei jedem Betriebsartenwechsel wird die Zeit berücksichtigt, die für die monetär optimierten Nachfüllressourcen benötigt wird. In Umweltzonen erfolgt ein Betriebsmoduswechsel des Plug-in-Hybridfahrzeugs zum Zwecke der monetären Kostenoptimierung der Nachfüllressourcen. Nach einem weiteren Aspekt ist das Fahrerassistenzsystem im Fahrzeug so implementiert, dass es einen Betriebsmodus des Fahrzeugs und/oder eine Eingabe eines Betriebsmoduswechsels durch den Fahrer im Fahrzeug berücksichtigt. Die Umweltzonen können über Koordinaten im Navigationssystem des Fahrzeugs und/oder durch Geofencing genau berücksichtigt berücksichtigt werden. Weiterhin kann das Fahrerassistenzsystem die statischen tagesbasierten und die dynamischen sekundenbasierten Preise der benötigten Energieressourcen von den koordinatenbasierten Tankstellen und Ladestationen über ein Infrastruktur-zu-Fahrzeug-Fahrzeugkommunikationsnetzwerk für die Optimierungsberechnungen erhalten. Die Berechnung einer monetär kostenoptimalen Lade- und Betankungsstrategie durch diskrete dynamische Programmierung über Knoten, das sind die Tankstellen und Ladestationen, und Kanten, das sind die Strecken zwischen Tankstellen und Ladestationen, kann in einer Hardwareeinheit des Fahrerassistenzsystems durchgeführt werden, um die globale monetäre Optimalität für die Änderung des Fahrzeugbetriebszustandes zu erhalten. Nach einem weiteren Aspekt gibt das Fahrerassistenzsystem die durch die Optimierung berechnete Routenplanung mit monetären Antriebsenergiekosten für den Fahrer oder für die Entscheidung des Steuergeräts, dass für die Betriebsartwechsel zuständig ist, aus. Nach einem weiteren Aspekt ist das Fahrerassistenzsystem derart implementiert, dass es die vorgewählten Haltepositionen an den Stationen für die prognostizierten Nachfüllressourcen über das Fahrzeugkommunikationsnetzwerk reserviert.According to a further aspect, the method or the computer program is implemented in a driver assistance system. This, in particular, realizes a driver assistance system for a hybrid-electric vehicle for electric driving in environmental zones with monetarily cost-optimized driving operation through optimized resource replenishment. The driver assistance system determines an operating mode for driving through environmental zones through monetarily cost-optimized refilling processes, taking into account energy-optimized route planning of the vehicle. The driver assistance system outputs the route planning with drive energy costs to the driver via a human-machine user interface in order to decide whether the driver will "accept" the proposed operating mode change. With each operating mode change, the time required for the monetarily optimized refilling resources is taken into account. In environmental zones, an operating mode change of the plug-in hybrid vehicle takes place for the purpose of monetary cost optimization of the refilling resources. According to a further aspect, the driver assistance system is implemented in the vehicle in such a way that it takes into account an operating mode of the vehicle and/or an input of an operating mode change by the driver in the vehicle. The environmental zones can be precisely taken into account via coordinates in the vehicle's navigation system and/or through geofencing. Furthermore, the driver assistance system can receive the static day-based and the dynamic second-based prices of the required energy resources from the coordinate-based filling stations and charging stations via an infrastructure-to-vehicle vehicle communication network for the optimization calculations. The calculation of a monetary cost-optimal charging and refueling strategy through discrete dynamic programming via nodes, i.e. the filling stations and charging stations, and edges, i.e., the routes between refueling stations and charging stations, can be performed in a hardware unit of the driver assistance system to obtain the global monetary optimality for changing the vehicle's operating state. According to another aspect, the driver assistance system outputs the route planning calculated by the optimization with monetary drive energy costs for the driver or for the decision of the control unit responsible for the operating mode change. According to another aspect, the driver assistance system is implemented in such a way that it reserves the preselected stopping positions at the stations for the predicted refueling resources via the vehicle communication network.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Steuergerät bereit zum Regeln und/oder Steuern eines Fahrbetriebs eines Hybrid-Elektro-Fahrzeugs. Das Steuergerät ist ausgestaltet, die Schritte des hier offenbarten Verfahrens oder das voran beschriebene Computerprogramm auszuführen, wobei in einem Einsatzfall das Steuergerät einen monetär kostenoptimalen Fahrbetrieb regelt und/oder steuert. Das Steuergerät ist beispielsweise eine Engine Control Unit oder eine Hybrid Control Unit. According to a further aspect, the invention provides a control unit for regulating and/or controlling the driving operation of a hybrid-electric vehicle. The control unit is configured to execute the steps of the method disclosed here or the computer program described above, wherein, in one application, the control unit regulates and/or controls a driving operation that is financially cost-optimal. The control unit is, for example, an engine control unit or a hybrid control unit.
Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Fahrzeug, beispielsweise ein Hybrid-Elektro-Fahrzeug, bereit umfassend ein Fahrerassistenzsystem wie vorangehend beschrieben.According to a further aspect, the invention provides a vehicle, for example a hybrid electric vehicle, comprising a driver assistance system as described above.
Nach einem Aspekt werden mittels Maschinenlernsystemen Routenhistorien eines Nutzers gelernt und basierend darauf von dem Nutzer präferierte Routen vorherbestimmt.According to one aspect, machine learning systems are used to learn a user's route history and, based on this, to predict the user's preferred routes.
Nach einem weiteren Aspekt ist eine Temperatur einer Hochvolt Batterie des Hybrid-Elektro-Fahrzeuges eine weitere, von einem vorgebbaren Schwellenwert limitierte, Kontrollvariable.According to a further aspect, a temperature of a high-voltage battery of the hybrid electric vehicle is another control variable limited by a predeterminable threshold value.
Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Hybrid-Elektro-Fahrzeugs, -
2 ein Ausführungsbeispiel von Komponenten des hier offenbarten Verfahrens, -
3 ein Ausführungsbeispiel eines mittels des hier offenbarten Verfahrens erhaltenen monetär kostenoptimalen Fahrbetriebs für das Hybrid-Elektro-Fahrzeug am Beispiel einer hier offenbarten Fallstudie, -
4 ein Ausführungsbeispiel einer Kraftstoff Ersparnis durch das hier offenbarte Verfahren, -
5 ein Ausführungsbeispiel einer monetären Ersparnis durch das hier offenbarte Verfahren, -
6 ein schematisches Ausführungsbeispiel eines hier offenbarten Verfahrens, -
7 ein Ausführungsbeispiel eines hier offenbarten Steuergeräts und -
8 ein Ausführungsbeispiel einer Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle.
-
1 an embodiment of a hybrid electric vehicle, -
2 an embodiment of components of the method disclosed here, -
3 an embodiment of a monetarily cost-optimal driving operation for the hybrid electric vehicle obtained by means of the method disclosed here, using the example of a case study disclosed here, -
4 an embodiment of a fuel saving by the method disclosed here, -
5 an embodiment of monetary savings through the method disclosed here, -
6 a schematic embodiment of a method disclosed here, -
7 an embodiment of a control device disclosed here and -
8 an embodiment of a human-machine user interface.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsähnliche Bezugsteile. Übersichtshalber werden in den einzelnen Figuren nur die jeweils relevanten Bezugsteile hervorgehoben.In the figures, identical reference symbols denote identical or functionally similar reference parts. For clarity, only the relevant reference parts are highlighted in the individual figures.
Eine erste Software- oder Hardwareeinheit 21 führt ein Mission Management durch. Das Mission Management berechnet eine monetäre globale kostenoptimale Betankung des Kraftstofftank 14 und eine Aufladung der Batterie 15 über die gesamte Route und erhält eine Referenztrajektorie für den Ladungszustand SoC mit Umweltzonen LEZ.A first software or
Hierzu bestimmt ein Vehicle Pre-Filter 211 einen Gesamtverbrauch an elektrischer Energie und an Kraftstoff entlang der Strecke für mehrere Betriebsmodi, beispielsweise Electric Vehicle EV Modus, Conventional Vehicle CV Modus, Load Point Shift LPS1 Modus und Load Point Shift LPS 2 Modus, des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs 10. Dies entspricht dem Verfahrensschritt V3. Eine Komponente 212 bestimmt mittels dynamischer Programmierung DP in einem Schritt V4 auf der Menge aller Knoten entlang der Strecke A, B. C das Minimum der Summe aus Tank- und/oder Aufladekosten Crf,i(ui), Crc,i(ui) basierend auf den Preisstrukturen und das Minimum von Tank- und/oder Aufladezeiten Δtrf,i, Δtrc,i an den jeweiligen Knoten unter Berücksichtigung des Betriebsmodus EV, CV, LPS1, LPS2 in Umweltzonen LEZ. Dabei werden ausgehend von einem initialen Kraftsoff- und/oder Ladezustand SoF, SoC des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs 10 die Kraftstoff- und/oder Ladezustände SoF, SoC in den Knoten rekursiv bestimmt.For this purpose, a
Ein Vehicle Post-Filter 213 erhält die Referenztrajektorie entlang der Strecke A, B, C, wobei die Referenztrajektorie die Knoten angibt, die die Summe aus Tank- und/oder Aufladekosten Crf,i(ui), Crc,i(ui) minimiert entsprechend den Tank- und/oder Aufladezeiten Δtrf,i, Δtrc,i. Dies entspricht dem Verfahrensschritt V5. Der Vehicle Post-Filter 213 berechnet also den Kraftstoff- und Strom-Energieverbrauch entlang der global optimierten Route auf Basis der ermittelten Entscheidungsvariablen. Ferner führt der Vehicle Post-Filter 213 eine Prädiktion der Tankfüllmenge, eine Prädiktion des Batterieladezustands und/oder eine Ermittlung des Geschwindigkeitsprofils inklusive Haltepunkte für die Gesamtroute durch.A
Die Minimierung wird periodisch oder bei Zielabweichungen wiederholt wird und damit wird die Referenztrajektorie aktualisiert. Beispielsweise wird die Minimierung auf einem Zeithorizont von 5-15 Minuten aktualisiert. Vehicle Pre-Filter 211, Minimierung mittels dynamischer Programmierung DP 212 und Vehicle Post-Filter 213 bilden zusammen das Mission Management Modul. Die Routeninformationen, umfassend Gesamtstrecke, Anzahl von Kraftstoffstationen 18 und Ladestationen 17, Geschwindigkeitsvorgaben, werden über eine erste Datenschnittstelle 20 erhalten.The minimization is repeated periodically or in the event of target deviations, thus updating the reference trajectory. For example, the minimization is updated over a time horizon of 5–15 minutes.
Eine zweite Software- oder Hardwareeinheit 22 führt das Predictive Energy Management durch. Die zweite Software -oder Hardwareeinheit liest die jeweils aktualisierte Referenztrajektorie ein und regelt und/oder steuert dabei das Hybrid-Elektro-Fahrzeug 10 mittels eines Steuergeräts HCU, beispielsweise einer Hybrid-Control-Unit, derart, dass das Hybrid-Elektro-Fahrzeug der von dem Mission Management berechneten Referenztrajektorie folgt.A second software or
Die erste und/oder zweite Software- oder Hardwareeinheit 21, 22 sind nach einem Aspekt in dem Steuergerät HCU implementiert.According to one aspect, the first and/or second software or
Hierzu bestimmt ein Fahrzeugmodell 221 einen aus einem Fahrwiderstand resultierenden Drehmomentbedarf an einem Rad des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs 10 für einen Vorausschauhorizont. Der Vorausschauhorizont ist beispielsweise kleiner als 4 Kilometer. Innerhalb des Vorausschauhorizonts entlang der Referenztrajektorie teilt das Modul 222 mittels Pontryagins Maximum Prinzip PMP das jeweilige Drehmomentbedarf auf einen von dem Verbrennungsmotor 11 erzeugten Drehmomentanteil ICE und einen von dem Elektromotor 12 erzeugten Drehmomentanteil EM basierend auf dem jeweiligen Betriebsmodus EV, CV, LPS1, LPS2 derart auf, dass in dem jeweiligen Vorausschauhorizont der Kraftstoffverbrauch minimiert ist. Dies entspricht dem Verfahrensschritt V8. Innerhalb des Vorausschauhorizonts bestimmt ein Modul 223 mittels dynamischer Programmierung DP einen Wechsel von Getriebegängen des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs 10 und/oder von An- und Aus-Zustände des Verbrennungsmotors. Dies entspricht dem Verfahrensschritt V9. Die Drehmomentaufteilung wird in Rechenzyklen von 1-10 Sekunden wiederholt. Die Module 221, 222 und 223 bilden das Predictive Energy Management.For this purpose, a
Die Struktur der ersten und zweite Software- oder Hardwareeinheit 21, 22 stellt die sogenannte DP-PMP-DP Multi-Objective Optimization dar.The structure of the first and second software or
Über eine Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle 23 werden die Ausgaben der ersten und/oder zweiten Software- oder Hardwareeinheit einem Nutzer des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs 10 mit der Möglichkeit zur Interaktion visualisiert. Die Mensch-Maschinen-Benutzungsschnittstelle 23 kann ein Touch-Screen eines Infotainment-Systems des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs 10 sein.The outputs of the first and/or second software or hardware unit are visualized to a user of the hybrid-electric vehicle 10 via a human-
Das hier offenbarte Verfahren wurde auf ein Hybrid-Control-Steuergerät implementiert und auf sechs unterschiedlichen Rundreisen A, B, C zwischen Aachen und München und zwischen Aachen und Friedrichshafen simuliert:
- Aachen-München-Aachen AMA:
- Aachen-Friedrichshafen-Aachen AFA:
- Aachen-Munich-Aachen AMA:
- Aachen-Friedrichshafen-Aachen AFA:
Nach einem Aspekt wird die globale Optimierung der Route A immer on board berechnet. Die globale Optimierung der Alternativrouten B und C kann parallel unter Berücksichtigung weiteren Fahrerpräferenzen on board erfolgen und/oder parallel off board mittels V2X-Kommunikation in der Cloud, wobei X2V-Kommunikation die Optimierungsergebnisse empfängt.According to one aspect, the global optimization of route A is always calculated on board. The global optimization of alternative routes B and C can be performed in parallel on board, taking additional driver preferences into account, and/or in parallel off board using V2X communication in the cloud, with X2V communication receiving the optimization results.
Ein Tankvorgang dauert ca. 5 Minuten bei einer Kraftstoff-Durchflussmenge von 40l/min. Die Ladestationen liefern Leistung von 50 kW bis 350 kW. Kraftstoff- und Ladepreise stammen vom 10.07.2020. Alle weiteren Programm-Parameter wurden weiter oben in der Beschreibung genannt.A refueling process takes approximately 5 minutes at a fuel flow rate of 40 l/min. The charging stations provide power from 50 kW to 350 kW. Fuel and charging prices are as of July 10, 2020. All other program parameters are listed above in the description.
Für die Simulation kann ein Fahrzeughersteller relevantes Fahrzeugmodell zur Abschätzung des Kraftstoff- und Strom-Energieverbrauchs zwischen den Stationen entlang der Strecke unter Berücksichtigung der Topografie der Fahrtstrecke herangezogen werden, beispielsweise mittels des Vehicle Pre-Filters.For the simulation, a vehicle model relevant to the vehicle manufacturer can be used to estimate the fuel and electricity consumption between the stations along the route, taking into account the topography of the route, for example using the Vehicle Pre-Filter.
Zum Vergleich nachfolgend die Ergebnisse für ein Benchmark PHEV:
- Aachen-München-Aachen AMA:
- Aachen-Friedrichshafen-Aachen AFA:
- Aachen-Munich-Aachen AMA:
- Aachen-Friedrichshafen-Aachen AFA:
In einem Schritt V1 werden über eine erste Datenschnittstelle 20 eine zu fahrenden Strecke A, B, C für das Hybrid-Elektro-Fahrzeug 10 umfassend Geschwindigkeitsvorgaben, von Positionsangaben zu Knoten, wobei die Knoten Kraftstoff- und Ladestationen 17, 18 umfassen, und von Informationen zu Umweltzonen LEZ entlang der Strecke A, B,C erhalten.In a step V1, a route A, B, C to be traveled for the hybrid electric vehicle 10, comprising speed specifications, position information on nodes, wherein the nodes include fuel and charging stations 17, 18, and information on environmental zones LEZ along the route A, B, C are obtained via a
In einem Schritt V2 werden Preisstrukturen der Knoten erhalten.In a step V2, price structures of the nodes are obtained.
Mittels einer ersten Software- oder Hardwareeinheit 21 werden die folgenden Schritte durchgeführt: Basierend auf den Geschwindigkeitsvorgaben werden in einem Schritt V3 ein Gesamtverbrauch an elektrischer Energie und/oder an Kraftstoff entlang der Strecke A, B, C für mehrere Betriebsmodi EV, CV, LPS1, LPS2 bestimmt. In einem Schritt V4 werden auf der Menge aller Knoten entlang der Strecke A, B, C die Summe aus Tank- und/oder Aufladekosten Crf,i(ui), Crc,i(ui) basierend auf den Preisstrukturen und von Tank- und/oder Aufladezeiten Δtrf,i, Δtrc,i an den jeweiligen Knoten unter Berücksichtigung des Betriebsmodus EV, CV, LPS1, LPS2 in Umweltzonen LEZ minimiert. Ausgehend von einem initialen Kraftsoff- und/oder Ladezustand SoF, SoC werdendie Kraftstoff- und/oder Ladezustände SoF, SoC in den Knoten rekursiv bestimmt werden. In einem Schritt V5 wird eine Referenztrajektorie entlang der Strecke A, B, C erhalten, wobei die Referenztrajektorie die Knoten angibt, die die Summe aus Tank- und/oder Aufladekosten Crf,i(ui), Crc,i(ui) minimiert entsprechend den Tank- und/oder Aufladezeiten Δtrf,i, Δtrc,i. In einem Schritt V6 wird der Schritt V4 der Minimierung periodisch oder bei Zielabweichungen wiederholt und damit die Referenztrajektorie aktualisiert wird.The following steps are carried out by means of a first software or hardware unit 21: Based on the speed specifications, in a step V3 a total consumption of electrical energy and/or fuel along the route A, B, C for several operating modes EV, CV, LPS1, LPS2 is determined. In a step V4, the sum of the refueling and/or charging costs C rf,i (u i ), C rc,i (u i ) is minimized for the set of all nodes along the route A, B, C based on the price structures and refueling and/or charging times Δt rf,i , Δt rc,i at the respective nodes, taking into account the operating mode EV, CV, LPS1, LPS2 in environmental zones LEZ. Starting from an initial fuel and/or charge state SoF, SoC, the fuel and/or charge states SoF, SoC in the nodes are determined recursively. In a step V5, a reference trajectory along the route A, B, C is obtained, wherein the reference trajectory indicates the nodes that minimize the sum of refueling and/or charging costs C rf,i (u i ), C rc,i (u i ) according to the refueling and/or charging times Δt rf,i , Δt rc,i . In a step V6, the minimization step V4 is repeated periodically or in the event of target deviations, thus updating the reference trajectory.
Mittels einer zweiten Software- oder Hardwareeinheit 22 werden die folgenden Schritte durchgeführt, wobei in die zweite Software- oder Hardwareeinheit 22 ein Fahrzeugmodell 221 implementiert ist, das einen aus einem Fahrwiderstand resultierenden Drehmomentbedarf an einem Rad des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs 10 für einen Vorausschauhorizont bestimmt: In einem Schritt V7 wird die jeweils aktualisierte Referenztrajektorie eingelesen. In einem Schritt V8 wird innerhalb des Vorausschauhorizonts entlang der Referenztrajektorie der jeweilige Drehmomentbedarf auf einen von einem Verbrennungsmotor 11 des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs 10 erzeugten Drehmomentanteil ICE und/oder einen von einem Elektromotor 12 des Hybrid-Elektro-Fahrzeugs 10 erzeugten Drehmomentanteil EM basierend auf dem jeweiligen Betriebsmodus EV, CV, LPS1, LPS2 aufgeteilt. In einem Schritt V9 werden innerhalb des Vorausschauhorizonts ein Wechsel von Getriebegängen und/oder von An- und Aus-Zuständen des Verbrennungsmotors 11 bestimmt. Die zweite Software- oder Hardwareeinheit 22 bestimmt in einem Schritt V10 die Aufteilung des jeweiligen Drehmomentbedarfs, den Wechsel der Getriebegänge und/oder der An- und Aus-Zustände des Verbrennungsmotors 11 derart, dass in dem jeweiligen Vorausschauhorizont ein Kraftstoffverbrauch minimiert ist. In einem Schritt V11 werden die jeweilige Drehmomentaufteilung, der Wechsel der Getriebegänge und/oder der An- und Aus-Zustände des Verbrennungsmotors 11 auf das Hybrid-Elektro-Fahrzeug (10) mittels eines Fahrzeug-Steuergeräts aufgeteilt. In einem Schritt V12 werden die unmittelbar fünf vorangehenden Schritte V7-V11 in nächsten Vorausschauhorizonten entlang der Referenztrajektorie bis zu einem Ende der Referenztrajektorie wiederholt. Damit wird der monetär kostenoptimale Fahrbetrieb für das Hybrid-Elektro-Fahrzeug 10 erhalten.The following steps are carried out by means of a second software or
Die erste und/oder zweite Software- oder Hardwareeinheit 21, 22 sind nach einem Aspekt in dem Steuergerät HCU implementiert.According to one aspect, the first and/or second software or
BezugszeichenReference symbol
- 1010
- Hybrid-Elektro-FahrzeugHybrid electric vehicle
- PHEVPHEV
- Plug-In Hybrid Electro VehiclePlug-in hybrid electric vehicle
- 1111
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 1212
- Elektromotorelectric motor
- 1313
- GetriebeGearbox
- 1414
- Kraftstofftankfuel tank
- 1515
- Batteriebattery
- 1616
- Ladeeinheitloading unit
- 1717
- LadestationCharging station
- 1818
- KraftstoffstationFuel station
- 2020
- erste Datenschnittstellefirst data interface
- 2121
- erste Software- oder Hardwareeinheitfirst software or hardware unit
- 211211
- Vehicle Pre-FilterVehicle Pre-Filter
- 212212
- dynamische Programmierungdynamic programming
- 213213
- Vehicle Post-FilterVehicle Post Filter
- 2222
- zweite Software- oder Hardwareeinheitsecond software or hardware unit
- 221221
- FahrzeugmodellVehicle model
- 222222
- Pontryagins Maximum PrinzipPontryagin's Maximum Principle
- 223223
- dynamische Programmierungdynamic programming
- 2323
- Mensch-Maschinen-BenutzungsschnittstelleHuman-machine user interface
- A, B, CA, B, C
- StreckeRoute
- LEZLEZ
- Umweltzoneenvironmental zone
- EVEV
- BetriebsmodusOperating mode
- CVCV
- BetriebsmodusOperating mode
- LPS1LPS1
- BetriebsmodusOperating mode
- LPS2LPS2
- BetriebsmodusOperating mode
- SoFSoF
- KraftstoffzustandFuel condition
- SoCSoC
- LadezustandCharge level
- Crf,i(ui)Crf,i(ui)
- TankkostenFuel costs
- Crc,i(ui)Crc,i(ui)
- AufladekostenTop-up costs
- Δtrf,iΔtrf,i
- Tankzeittrefueling time
- Δtcf,iΔtcf,i
- AufladezeitCharging time
- ICEICE
- Drehmomentanteil VerbrennungsmotorTorque share of combustion engine
- EMEuropean Championship
- Drehmomentanteil ElektromotorTorque share of electric motor
- V1-V12V1-V12
- VerfahrensschritteProcedural steps
- DPDP
- dynamische Programmierungdynamic programming
- PMPPMP
- Pontryagins Maximum PrinzipPontryagin's Maximum Principle
- HCUHCU
- Steuergerätcontrol unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10 2020 200 826 A1 [0004]DE 10 2020 200 826 A1 [0004]
- DE 10 2019 109 849 A1 [0005]DE 10 2019 109 849 A1 [0005]
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102023212729.6A DE102023212729A1 (en) | 2023-12-14 | 2023-12-14 | Computer-implemented method and computer program for obtaining a monetarily cost-optimal driving operation for a hybrid electric vehicle and control unit for regulating and/or controlling a driving operation of a hybrid electric vehicle |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102023212729A1 true DE102023212729A1 (en) | 2025-06-18 |
Family
ID=95859114
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102023212729.6A Pending DE102023212729A1 (en) | 2023-12-14 | 2023-12-14 | Computer-implemented method and computer program for obtaining a monetarily cost-optimal driving operation for a hybrid electric vehicle and control unit for regulating and/or controlling a driving operation of a hybrid electric vehicle |
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110246010A1 (en) * | 2006-06-09 | 2011-10-06 | De La Torre Bueno Jose | Technique for Optimizing the Use of the Motor in Hybrid Vehicles |
| DE102019109849A1 (en) * | 2019-04-15 | 2019-08-01 | FEV Europe GmbH | Driver assistance system for a vehicle for cost optimization of replenishment processes for resources for the operation of the vehicle |
| DE102019105665A1 (en) * | 2019-03-06 | 2020-09-10 | Technische Universität Dresden | Control device and method for controlling a drive system of a hybrid vehicle |
| DE102020200826A1 (en) * | 2020-01-23 | 2021-07-29 | Zf Friedrichshafen Ag | Method and control device for operating a plug-in hybrid vehicle |
| DE102020103025A1 (en) * | 2020-02-06 | 2021-08-12 | Audi Aktiengesellschaft | Method for coordinating charging and / or filling of an energy storage device of a motor vehicle, storage medium, mobile terminal, server device, navigation device, and motor vehicle |
| DE102022001721B3 (en) * | 2022-05-17 | 2023-10-12 | Mercedes-Benz Group AG | Method for planning charging processes for a vehicle and vehicle |
-
2023
- 2023-12-14 DE DE102023212729.6A patent/DE102023212729A1/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110246010A1 (en) * | 2006-06-09 | 2011-10-06 | De La Torre Bueno Jose | Technique for Optimizing the Use of the Motor in Hybrid Vehicles |
| DE102019105665A1 (en) * | 2019-03-06 | 2020-09-10 | Technische Universität Dresden | Control device and method for controlling a drive system of a hybrid vehicle |
| DE102019109849A1 (en) * | 2019-04-15 | 2019-08-01 | FEV Europe GmbH | Driver assistance system for a vehicle for cost optimization of replenishment processes for resources for the operation of the vehicle |
| DE102020200826A1 (en) * | 2020-01-23 | 2021-07-29 | Zf Friedrichshafen Ag | Method and control device for operating a plug-in hybrid vehicle |
| DE102020103025A1 (en) * | 2020-02-06 | 2021-08-12 | Audi Aktiengesellschaft | Method for coordinating charging and / or filling of an energy storage device of a motor vehicle, storage medium, mobile terminal, server device, navigation device, and motor vehicle |
| DE102022001721B3 (en) * | 2022-05-17 | 2023-10-12 | Mercedes-Benz Group AG | Method for planning charging processes for a vehicle and vehicle |
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