Die Erfindung betrifft eine modelbasierte prädiktive Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs. Beansprucht werden in diesem Zusammenhang insbesondere eine Prozessoreinheit, ein Kraftahrzeug, ein Verfahren sowie ein Computerprogrammprodukt.

Methoden der modelbasierten prädiktiven Regelung (im Englischen: Model Predictive Control oder abgekürzt MPC) werden auf dem Gebiet der Trajektorie-Regelung, ins besondere im Bereich der Motor-Regelung in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Aus der EP 2 610 836 A1 ist eine Optimierung einer Energiemanagement-Strategie auf Basis eines Vorausschauhorizonts und weiteren Umgebungsinformationen durch Minimie rung einer Kostenfunktion bekannt. Dabei erfolgt ein Erstellen eines neuronalen Net zes zur Nutzung im Fahrzeug und eine Modellierung des Fahrers sowie eine Vorher sage des von ihm wahrscheinlich gewählten Geschwindigkeitsverlaufs. Ferner offen bart die EP 1 256 476 B1 eine Strategie zur Reduktion des Energiebedarfs beim Fahren und zur Erhöhung der Reichweite. Dabei werden Informationen des Navigati onsgeräts genutzt, nämlich eine aktuelle Fahrzeugposition, Straßenmuster, Geogra fie mit Datum und Uhrzeit, Höhenveränderung, Geschwindigkeitsbeschränkungen, Kreuzungsdichte, Verkehrsüberwachung und Fahrmuster des Fahrers.

Der Fahrer und sein Fahrstil haben einen enormen Einfluss auf den Energiever brauch beim Betreiben eines Kraftfahrzeugs. Bekannte Tempomaten berücksichtigen jedoch nicht den Energieverbrauch. Weiterhin sind vorausschauende Fahrstrategien typischerweise regelbasiert und liefern dadurch nicht in jeder Situation optimale Er gebnisse. Optimierungsbasierte Strategien sind ferner sehr rechenaufwändig und bisher nur als Offline-Lösung bekannt oder werden mit dynamischer Programmierung gelöst. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte MPC-Rege- lung für eine Antriebsmaschine eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs sowie zu mindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkom ponente bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unab hängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Optimierung des Energieverbrauchs des Kraftfahrzeugs während der Fahrt durch Kenntnis von Verlusten des Antriebsstrangs sowie der jeweiligen die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahr zeugkomponente. Dazu wird - wie im Folgenden näher erläutert wird - insbesondere auf die Optimierung von Fahrwiderständen abgestellt. Auf die Nutzung einer Refe renzgeschwindigkeit kann dabei komplett verzichtet werden.

Um in jeder Situation unter gegebenen Randbedingungen und Beschränkungen eine optimale Lösung für eine sogenannte „Driving Efficiency“ Fahrfunktion zu finden, wel che eine effiziente Fahrweise bereitstellen soll, wurde die Methode der modelbasier ten prädiktiven Regelung (MPC) gewählt. Die MPC-Methode basiert auf einem Sys temmodell, welches das Verhalten des Systems beschreibt. Weiterhin basiert die MPC-Methode auf einer Zielfunktion bzw. auf einer Kostenfunktion, die ein Optimie rungsproblem beschreibt und bestimmt, welche Zustandsgrößen minimiert werden sollen. Die Zustandsgrößen für die Driving Efficiency Fahrfunktion können insbeson dere die Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, die verbleibende Energie in der Batterie, die Fahrzeit, der Luftwiderstand des Kraftfahrzeugs und der Restreibmo ment in einer oder mehrerer Bremseinheiten, beispielsweise Scheibenbremsen einer Bremsanlage des Kraftfahrzeugs sein. Die Optimierung von Energieverbrauch und Fahrtzeit erfolgt insbesondere auf Basis der Steigung der vorausliegenden Strecke und Beschränkungen für Geschwindigkeit und Antriebskraft, auf Basis des aktuellen Systemzustands, auf Basis des Fahrzeugniveaus über der Fahrbahn und/oder auf Basis des innerhalb der Scheibenbremsen des Kraftfahrzeugs auftretenden Reibver lusten infolge von Restreibmomenten. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Prozessoreinheit zur modelba sierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs eines Kraftfahrzeugs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beein flussenden Fahrzeugkomponente bereitgestellt. Die Prozessoreinheit ist dazu einge richtet, einen MPC-Algorithmus zur modellbasierten prädiktiven Regelung der An triebsmaschine sowie der zumindest einen die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente auszuführen. Der MPC-Algorithmus enthält ein Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs und der die Energieeffizienz des Kraftfahr zeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kosten funktion. Die Kostenfunktion weist wenigstens einen ersten Term auf, der eine jewei lige mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdyna mikmodell prädizierte Verlustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug während des Zurücklegens einer innerhalb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke er fährt. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC-Algorith mus in Abhängigkeit des jeweiligen Terms eine jeweilige Eingangsgröße für die An triebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion mini miert wird. Die wenigstens eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflus sende Fahrzeugkomponente ist dazu vorgesehen, Verluste, die während des An triebs oder während des Betriebs des Kraftfahrzeugs auftreten, zu beeinflussen und/oder zumindest temporär zu verhindern, und dadurch insbesondere den Ener gieverbrauch des Kraftfahrzeugs zu reduzieren.

Vorzugsweise enthält die Kostenfunktion als ersten Term einen mit einem ersten Ge wichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierten Luft widerstand, welchem das Kraftfahrzeug während des Zurücklegens einer innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke ausgesetzt ist. Die Prozessorein heit ist dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC-Algorithmus“ in Abhängigkeit von dem ersten Term die jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahr zeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Der Luftwi derstand ist Bestandteil des Gesamtfahrwiderstands eines Kraftfahrzeugs, und ist so mit Teil der Summe aller Widerstände, die ein Fahrzeug mit Hilfe einer Antriebskraft überwinden muss, um mit einer konstanten oder beschleunigten Geschwindigkeit auf einer horizontalen oder geneigten Strecke zu fahren. Der Luftwiderstand steigt quad ratisch mit der Fahrgeschwindigkeit und ist abhängig von der aerodynamischen Form des Fahrzeuges (Luftwiderstandsbeiwert) und der Luftdichte. Weitere Faktoren zur Beschreibung des Luftwiderstandes sind unter anderem der Strömungswider standskoeffizient (cw-Wert) sowie die projizierte Stirnfläche des Kraftfahrzeugs. Die Stirnfläche sowie der Strömungswiderstandskoeffizient sind über die die Energieeffi zienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente beeinflussbar bzw. veränderbar.

In diesem Sinn ist die die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahr zeugkomponente nach einem ersten Ausführungsbeispiel ein höhenverstellbares Fahrwerk des Kraftfahrzeugs, wobei die Prozessoreinheit dazu eingerichtet ist, ein Fahrzeugniveau zu justieren. Mit anderen Worten wird der durch die Prozessorein heit geplanten Fahrstrategie ein zusätzlicher Freiheitsgrad gewährt, und zwar die Be nutzung des höhenverstellbaren Fahrwerks, um die Geschwindigkeitstrajektorie des Kraftfahrzeugs über den vorausliegenden Streckenabschnitt energieoptimal zu pla nen. Insbesondere umfasst das höhenverstellbare Fahrwerk, das beispielsweise hyd raulisch betätigbar ist, mehrere Aktuatoren zur stufenlosen Justierung des Fahrzeug niveaus. Bevorzugt ist jedes Federbein des Kraftfahrzeugs mit einem solchen Aktua tor wirkverbunden, wobei der jeweilige Aktuator beispielsweise einen Federteller des Kraftfahrzeugs verstellt. In Zusammenwirkung mehrerer Aktuatoren wird die Höhe des Pkw-Aufbaus stufenlos justiert, wobei dadurch die Stirnfläche des Kraftfahrzeugs sowie der Strömungswiderstandskoeffizient vergrößert oder verkleinert wird. Ein Ab senken des Fahrwerks bewirkt eine Reduzierung der Stirnfläche des Kraftfahrzeugs sowie des Strömungswiderstandskoeffizienten und letztlich des Luftwiderstands. Dies führt je nach Fahrsituation vorteilhafterweise zu einer Verbesserung der Aerodynamik und damit einer Einsparung von Energie. Je nach Antriebsart der Antriebsmaschine bedeutet dies eine Reduzierung von C02-Emissionen oder von elektrischer Energie. Mithin wird das Kraftfahrzeug durch ein Absenken des Fahrzeugniveaus energieeffi zienter betrieben. Ein Anheben des Fahrzeugniveaus bewirkt demgegenüber eine Erhöhung des Fahrkomforts. Mit anderen Worten wird mittels der Prozessoreinheit unter Berücksichtigung des vorausliegenden Streckenabschnitts eine geeignete Stra tegie zum Absenken bzw. Anheben des Fahrzeugniveaus ausgewählt, die sowohl die Energieeffizienz als auch den Fahrkomfort berücksichtigt.

Durch Ausführen des MPC-Algorithmus‘ in Abhängigkeit des ersten Terms wird eine Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für das höhenverstellbare Fahrwerk ermittelt, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Mit anderen Worten wird auf Ba sis der Routentopologie, des Verkehrs, sowie weiterer Zustandsgrößen des Kraftfahr zeugs oder die Route betreffende Informationen eine optimale Geschwindig- keitstrajektorie des Kraftfahrzeugs für den vorausliegenden Streckenabschnitt bzw. dem Prädiktionshorizont geplant, wobei die Trajektorie durch geeignete Einstellung des Fahrzeugniveaus zusätzlich verbessert wird. Insbesondere wird mittels der Pro zessoreinheit die Fahrwerkshöhe entlang des Prädiktionshorizonts geplant. Weiterhin wird durch die MPC-Optimierung der Trajektorie des Kraftfahrzeugs vermieden, dass zum einen durch ungeschickte Aktivierung des Hebe- bzw. Senksystems des Fahr werks unnötige Energie verbraucht wird, oder dass eine ungewollte Absenkung des Fahrwerks erfolgt, obwohl die Routentopologie, der Verkehr oder die weiteren Zu standsgrößen des Kraftfahrzeugs einen bestimmten höheren Fahrkomfort ermöglicht.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Kostenfunktion als zweiten Term einen mit einem zweiten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdyna mikmodell prädizierten Restreibmoment, welcher an der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente innerhalb des Prädiktionshori zonts prädizierten Wegstrecke zu Verlusten führt, wobei die die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente wenigstens eine Scheiben bremse mit einer Bremsscheibe und einer Bremsbacke umfasst.

Vorzugsweise ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC- Algorithmus in Abhängigkeit von dem ersten Term und in Abhängigkeit von dem zweiten T erm die jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die je weilige Scheibenbremse zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Die Erfindung sieht vor, dass unter Berücksichtigung des Längsdynamikmodells, wel ches dazu eingerichtet ist, aktuelle Verlustleistungen des Kraftfahrzeugs bereitzustel len, die beispielsweise aus einer Fahrzeugsensorik oder aus einem Fahrzeugmodell stammen, ein Restreibmoment temporär eingestellt wird. Bei heutigen Kraftfahrzeug bremsen liegt bisher üblicherweise ein ständiger (Schleif-)Kontakt von Bremsbacken und Bremsscheibe der jeweiligen Scheibenbremse vor, welcher einer dauerhafte Verlustleistung erzeugt. Diese Verluste werden unter anderem deswegen in Kauf ge nommen, weil der ständige Kontakt mit der Bremsscheibe einen sofortigen Einsatz der Bremse ermöglicht und somit die Sicherheit des Kraftfahrzeugs signifikant erhöht. Ein permanenter Abstand zwischen der Bremsbacke und der Bremsscheibe würde im Gegensatz dazu bewirken, dass bei Betätigung der Bremse zunächst eine ge wisse Distanz zwischen den Bauteilen überwunden werden müsste, bevor zur Ein stellung eines Bremseffektes ein Bremsdruck aufgebaut werden kann. Dies hat unge wünschte sicherheitstechnische Nachteile, die zwingend zu vermeiden sind.

In diesem Sinne ist die Prozessoreinheit dazu eingerichtet, einen Abstand zwischen der Bremsscheibe und der Bremsbacke der jeweiligen Scheibenbremse einzustellen. Mit anderen Worten wird der durch die Prozessoreinheit geplanten Fahrstrategie ein zusätzlicher Freiheitsgrad gewährt, und zwar die Benutzung der mechanischen Bremsen, um die Geschwindigkeitstrajektorie des Kraftfahrzeugs für den vorauslie genden Streckenabschnitt bzw. dem Prädiktionshorizont energieoptimal zu planen. Die Prozessoreinheit realisiert entlang der Trajektorie bzw. entlang des vorausliegen den Streckenabschnitts bzw. für die vorausliegende Wegstrecke eine temporäre Trennung der jeweiligen Bremsbacke von der dazugehörigen Bremsscheibe, insbe sondere in Fahrsituationen bzw. in Streckenabschnitten, in denen beispielsweise auf Basis der Routentopografie, des Fahrzeugzustandes und/oder des aktuellen bzw. in Fahrtrichtung vor dem Kraftfahrzeug auftretenden Verkehrs kein Bremsrisiko oder ein Bremsrisiko unterhalb eines bestimmten Grenzwertes besteht. Mithin wird in diesen Fahrsituationen kein Restreibmoment erzeugt, sodass keine Leistungsverluste in Folge von Restreibmomenten vorhanden sind und gleichzeitig die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs steigt. Demgegenüber wird vor oder in Fahrsituationen mit erhöh tem Bremsrisiko, bzw. wenn hohe negative Beschleunigungen vorhergesagt werden, ein (Schleif-)Kontakt zwischen der Bremsscheibe und der Bremsbacke der jeweiligen Scheibenbremse hergestellt, um im Fall eines erforderlichen Bremsvorgangs die ge wünschte sofortige Bremswirkung bei Betätigung der Bremse zu gewährleisten.

Wann genau welche Fahrsituationen vorliegen, ist der Prozessoreinheit frühzeitig be kannt, sodass entsprechend eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die jeweilige Scheibenbremse ermittelt werden kann. Anhand der vorliegen den Erfindung wird folglich eine hinsichtlich der Restreibmomente innerhalb der Scheibenbremse reibungsminimierte Bremse geschaffen.

Der Stand der Technik, insbesondere Schwickart (s.o.), lehrt eine Geschwindigkeits referenz als Basis für den MPC-Regler. Zusätzlich zu erhöhtem Energieverbrauch werden in der Zielfunktion Abweichungen zu dieser Referenzgeschwindigkeit be straft. Schwickart hat alternativ auch eine Formulierung untersucht, die ohne Refe renzgeschwindigkeit auskommt und stattdessen eine Abweichung von einem defi nierten erlaubten Geschwindigkeitsband bestraft. Diese Formulierung hat Schwickart nicht als vorteilhaft bewertet, da aufgrund des zweiten Terms in der Zielfunktion, wel cher den Energieverbrauch minimiert, die Lösung immer am unteren Rand des er laubten Geschwindigkeitsbereichs liegt. Dies ist aber auch bei Nutzung der Ge schwindigkeitsreferenz in ähnlicher Weise der Fall. Sobald der Term, welcher die Ab weichung von der Geschwindigkeitsreferenz bestraft, gelockert wird, führt die Bewer tung des Energieverbrauchs zu einer Reduktion der gefahrenen Geschwindigkeit. Eine Abweichung zur Referenz wird immer in Richtung zu niedrigeren Geschwindig keiten hin erfolgen.

Um dem entgegen zu wirken, schlägt die vorliegende Erfindung vor, dass die Ziel funktion bzw. die Kostenfunktion der Driving Efficiency Fahrstrategie noch einen wei teren Term enthält, wodurch zusätzlich zum Energieverbrauch auch die Fahrzeit mi nimiert wird. Dies führt dazu, dass je nach Wahl der Gewichtungsfaktoren eine ge ringe Geschwindigkeit nicht immer als optimal bewertet wird und so nicht mehr das Problem besteht, dass die resultierende Geschwindigkeit immer am unteren Rand der erlaubten Geschwindigkeit liegt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass der Fahrereinfluss nicht länger relevant für den Energieverbrauch und die Fahrzeit des Kraftfahrzeugs ist, weil die Antriebs maschine sowie die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beein flussende Fahrzeugkomponente durch die Prozessoreinheit basierend auf der jeweili gen Eingangsgröße gesteuert werden kann, die durch Ausführen des MPC-Algorith- mus ermittelt wird. Mittels der jeweiligen Eingangsgröße kann insbesondere ein opti maler Motorbetriebspunkt der Antriebsmaschine eingestellt werden. Dadurch kann eine direkte Einregelung der optimalen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs erfolgen.

Vorzugsweise enthält die Kostenfunktion als dritten Term eine mit einem dritten Ge wichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte elektri sche Energie, welche innerhalb eines Prädiktionshorizonts von einer Batterie des An triebsstrangs zum Antrieb der Antriebsmaschine bereitgestellt wird. Weiterhin enthält die Kostenfunktion als vierten Term eine mit einem vierten Gewichtungsfaktor ge wichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte Fahrzeit, welche das Kraftfahrzeug zum Zurücklegen der gesamten innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke benötigt. Die Prozessoreinheit ist dazu eingerichtet ist, durch Ausführen des MPC-Algorithmus‘ in Abhängigkeit von dem ersten Term, in Ab hängigkeit von dem zweiten Term, in Abhängigkeit von dem dritten Term und in Ab hängigkeit von dem vierten Term die jeweilige Eingangsgröße bzw. ein jeweiliges Eingangssignal für die Antriebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieef fizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Außerdem kann die Prozessoreinheit dazu einge richtet sein, die Antriebsmaschine und/oder die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente basierend auf der jeweili gen Eingangsgröße zu steuern.

Der Energieverbrauch und die Fahrzeit des Kraftfahrzeugs können jeweils am Ende des Horizonts ausgewertet und gewichtet werden. Der jeweilige Term ist also nur für den letzten Punkt des Horizonts aktiv. In diesem Sinne enthält die Kostenfunktion in einer Ausführungsform einen mit dem dritten Gewichtungsfaktor gewichteten Ener gieverbrauchsendwert, den die prädizierte elektrische Energie am Ende des Prädikti- onshorizonts annimmt, und die Kostenfunktion enthält einen mit dem vierten Gewich tungsfaktor gewichteten Fahrzeitendwert, den die prädizierte Fahrzeit am Ende des Prädiktionshorizonts annimmt.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt.

Das Kraftfahrzeug umfasst einen Antriebsstrang mit einer Antriebsmaschine, zumin dest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkompo nente und ein Fahrerassistenzsystem. Die Antriebsmaschine ist beispielsweise als elektrische Maschine ausgebildet, wobei der Antriebsstrang insbesondere eine Batte rie umfasst. Ferner umfasst der Antriebsstrang insbesondere ein Getriebe. Das Fah rerassistenzsystem ist dazu eingerichtet, mittels einer Kommunikations-Schnittstelle auf eine Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie auf eine Eingangsgröße für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahr zeugkomponente zuzugreifen, wobei die jeweilige Eingangsgröße von einer Prozes soreinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ermittelt worden ist. Weiterhin kann das Fahrerassistenzsystem dazu eingerichtet sein, die Antriebsmaschine und/oder die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente basierend auf der jeweiligen Eingangsgröße zu steuern. Bei dem Fahrzeug handelt es sich beispielsweise um ein Kraftfahrzeug wie Automobil (z.B. ein Personenkraftfahrwagen mit einem Gewicht von weniger als 3,5 t), Bus oder Lastkraftwagen (z.B. mit einem Gewicht von über 3,5 t). Das Fahrzeug kann bei spielsweise zu einer Fahrzeugflotte gehören. Das Fahrzeug kann durch einen Fahrer gesteuert werden, möglicherweise unterstützt durch ein Fahrerassistenzsystem. Das Fahrzeug kann jedoch auch beispielsweise ferngesteuert und/oder (teil-)autonom ge steuert werden.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren wird ein MPC-Algorithmus zur modellbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines An triebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflus senden Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs mittels einer Prozessoreinheit ausgeführt. Dabei enthält der MPC-Algorithmus ein Längsdynamikmodell des An triebsstrangs und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion, wobei die Kosten funktion wenigstens einen ersten Term aufweist, der eine jeweilige mit einem jeweili gen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte Verlustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug während des Zurücklegens einer innerhalb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke erfährt. Weiterhin wird eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente in Ab hängigkeit des jeweiligen Terms durch Ausführen des MPC-Algorithmus‘ mittels der Prozessoreinheit ermittelt, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Außerdem kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Antriebsmaschine sowie die zumin dest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkompo nente basierend auf der jeweiligen Eingangsgröße gesteuert werden.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer Antriebsmaschine eines Antriebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahr zeugkomponente eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt, wobei das Computerprogramm produkt, wenn es auf einer Prozessoreinheit ausgeführt wird, die Prozessoreinheit anleitet, einen MPC-Algorithmus zur modellbasierten prädiktiven Regelung einer An triebsmaschine eines Antriebstrangs sowie zumindest einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente eines Kraftfahrzeugs auszu führen. Dabei enthält der MPC-Algorithmus ein Längsdynamikmodell des Antriebs strangs und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahr zeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion, wobei die Kostenfunk tion wenigstens einen ersten Term aufweist, der eine jeweilige mit einem jeweiligen Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell prädizierte Ver lustleistung enthält, welche das Kraftfahrzeug während des Zurücklegens einer inner halb eines Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke erfährt. Weiterhin leitet das Computerprogrammprodukt, wenn es auf der Prozessoreinheit ausgeführt wird, die Prozessoreinheit an, durch Ausführen des MPC-Algorithmus in Abhängigkeit von dem jeweiligen Term eine jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine sowie für die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahr zeugkomponente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird. Ferner kann das Computerprogrammprodukt, wenn es auf der Prozessoreinheit ausgeführt wird, die Prozessoreinheit anleiten, die Antriebsmaschine sowie die zumindest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente basierend auf der jeweiligen Eingangsgröße zu steuern.

Das Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs kann ein Fahrzeugmodell mit Fahr zeugparametern und Antriebsstrangverlusten (z.T. approximierte Kennfelder) umfas sen. In das Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs können insbesondere Kennt nisse über vorausliegende Streckentopografien (z.B. Kurven und Steigungen) einflie ßen. Weiterhin können auch Kenntnisse über Geschwindigkeitslimits auf der voraus liegenden Strecke in das Längsdynamikmodell des Antriebsstrangs einfließen. Das Längsdynamikmodell stellt zudem Informationen zu aktuell auftretenden Verlustleis tungen, wie beispielsweise Reibverluste oder Informationen über den Fahrwider stand, insbesondere dem Luftwiderstand bereit. Das Längsdynamikmodell ist insbe sondere dazu vorgesehen, Verluste im Kraftfahrzeug mathematisch abzuschätzen.

Die Kostenfunktion besitzt ausschließlich lineare und quadratische Terme. Dadurch hat das Gesamtproblem die Form einer quadratischen Optimierung mit linearen Ne benbedingungen und es ergibt sich ein konvexes Problem, welches gut und schnell gelöst werden kann. Die Zielfunktion bzw. die Kostenfunktion kann mit einer Gewich tung (Gewichtungsfaktoren) aufgestellt werden, wobei insbesondere eine Energieeffi zienz, eine Fahrtzeit und ein Fahrkomfort berechnet und gewichtet werden. Eine energieoptimale Geschwindigkeitstrajektorie kann für einen vorausliegenden Horizont auf der Prozessoreinheit online berechnet werden, die insbesondere ein Bestandteil eines Zentralsteuergeräts des Kraftfahrzeugs bilden kann. Durch Nutzung der MPC- Methode kann weiterhin eine zyklische Neuberechnung der Soll-Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs auf Basis des aktuellen Fahrzustands und der vorausliegenden Stre ckeninformationen erfolgen.

Aktuelle Zustandsgrößen können gemessen, entsprechende Daten können aufge nommen und dem MPC-Algorithmus zugeführt werden. So können Streckendaten aus einer elektronischen Karte für einen Vorausschauhorizont bzw. Prädiktionshori zont, vorzugsweise bis zu 5 km vor dem Kraftfahrzeug insbesondere zyklisch aktuali siert werden. Die Streckendaten können beispielsweise Steigungsinformationen, Kur veninformationen und Informationen über Geschwindigkeitslimits und Ampelanlagen sowie Ampelschaltungen beinhalten. Des Weiteren kann eine Kurvenkrümmung über eine maximal zulässige Querbeschleunigung in ein Geschwindigkeitslimit für das Kraftfahrzeug umgerechnet werden. Außerdem kann eine Ortung des Kraftfahrzeugs erfolgen, insbesondere über ein GNSS-Signal zur genauen Lokalisierung auf der elektronischen Karte.

Durch die Kostenfunktion des MPC-Algorithmus‘ erfolgt eine Minimierung des Luftwi derstandes und/oder eine Minimierung der Restreibmomente in der Bremsanlage. In einer Ausführungsform erfolgt weiterhin eine Minimierung der Fahrzeit für den Prädik tionshorizont. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt außerdem eine Minimierung von verbrauchter Energie. Was den Input für die modellbasierte prädiktive Regelung angeht, so können dem MPC-Algorithmus als Nebenbedingungen z.B. Geschwindig keitslimits, Ampelstandorte, Ampelschaltungen, Verkehrsinformationen, Verluste re sultierend aus Reibung und/oder Luftwiderständen, physikalische Grenzen für das Drehmoment und Drehzahlen der Antriebsmaschine zugeführt werden. Dem MPC- Algorithmus können weiterhin Steuergrößen für die Optimierung als Input zugeführt werden, insbesondere die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (welche proportional zur Drehzahl sein kann), das Drehmoment der Antriebsmaschine, der Batterieladezu stand sowie der Verlust aus Reibung und/oder dem Luftwiderstand, dem das Kraft fahrzeug während der Fahrt ausgesetzt ist. Als Output der Optimierung kann der MPC-Algorithmus eine optimale Drehzahl und ein optimales Drehmoment für berech nete Punkte im Vorausschauhorizont liefern. Ferner kann der MPC-Algorithmus als Output der Optimierung eine optimale Höhe des Fahrzeugniveaus oder einen optima len Abstand zwischen der Bremsscheibe und der Bremsbacke der jeweiligen Schei benbremse liefern. Was die Umsetzung der MPC-Regelung im Fahrzeug angeht, so kann dem MPC-Algorithmus ein Softwaremodul nachgeschaltet sein, welches einen aktuell relevanten Zustand ermittelt und an eine Leistungselektronik weitergibt. Die vorhergehenden Ausführungen gelten gleichermaßen für die Prozessoreinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, für das Fahrzeug gemäß dem zweiten As pekt der Erfindung, für das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung und für das Computerprogrammprodukt gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der einzigen schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die einzige Figur zeigt eine stark ver einfachte Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Antriebsstrang, der eine Antriebsma schine und eine Batterie umfasst, sowie einer die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussenden Fahrzeugkomponente gemäß einer ersten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 , z.B. ein Personenkraftfahrwagen. Das Kraftahr zeug 1 umfasst ein System 2 zur modelbasierten prädiktiven Regelung einer An triebsmaschine eines Antriebstrangs des Kraftfahrzeugs 1 sowie mehrerer die Ener gieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponenten. Die erste die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente ist eine exemplarisch dargestellte Scheibenbremse 17, wobei das Kraftfahrzeug 1 auch mehrere analog dazu ausgebildete Scheibenbremsen, beispielsweise an jedem Rad des Kraftfahrzeugs 1 , aufweisen kann. Die Scheibenbremse 17 umfasst eine Brems scheibe 20 und eine Bremsbacke 21 , wobei durch einen Reibschluss der Brems scheibe 20 mit der Bremsbacke 21 eine Bremswirkung bzw. eine negative Beschleu nigung des Kraftfahrzeugs 1 erzielbar ist. Die zweite die Energieeffizienz des Kraft fahrzeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente ist ein Fahrwerk 18, wobei das Fahrwerk 18 vorliegend mehrere Aktuatoren 19 umfasst, die am vorliegenden Kraft fahrzeug 1 mit - hier nicht gezeigten - Federbeinen im Bereich der Räder wirkver bunden sind. Durch Betätigung einer oder aller Aktuatoren 19 lässt sich eine Höhen verstellung des Fahrzeugniveaus realisieren.

Das System 2 umfasst eine Prozessoreinheit 3, eine Speichereinheit 4, eine Kommu nikations-Schnittstelle 5 und eine Erfassungseinheit 6 zur Erfassung von das Kraft fahrzeug 1 betreffenden Zustandsdaten. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst weiterhin einen Antriebsstrang 7, der beispielsweise eine Antriebsmaschine 8, die als Motor und als Generator betrieben werden kann, eine Batterie 9 und ein Getriebe 10 umfassen kann. Die Antriebsmaschine 8 kann im Motorbetrieb Räder des Kraftfahrzeugs 1 über das Getriebe 10 antreiben, das beispielsweise eine konstante Übersetzung aufwei sen kann. Die dazu notwendige elektrische Energie wird in diesem Fall durch die Bat terie 9 bereitgestellt. Die Batterie 9 ist durch die Antriebsmaschine 8 aufladbar, wenn die Antriebsmaschine 8 im Generatorbetrieb betrieben wird (Rekuperation). Die Bat terie 9 kann optional auch an einer externen Ladestation aufgeladen werden. Eben falls kann der Antriebsstrang 7 des Kraftfahrzeugs 1 optional einen Verbrennungs kraftmotor 12 aufweisen, welcher alternativ oder zusätzlich zu der Antriebsmaschine 8 das Kraftfahrzeug 1 antreiben kann. Der Verbrennungskraftmotor 12 kann auch die Antriebsmaschine 8 antreiben, um die Batterie 9 aufzuladen.

Auf der Speichereinheit 4 kann ein Computerprogrammprodukt 11 gespeichert sein. Das Computerprogrammprodukt 11 kann auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt wer den, wozu die Prozessoreinheit 3 und die Speichereinheit 4 mittels der Kommunikati ons-Schnittstelle 5 miteinander verbunden sind. Wenn das Computerprogrammpro dukt 11 auf der Prozessoreinheit 3 ausgeführt wird, leitet es die Prozessoreinheit 3 an, die nachfolgend beschriebenen Funktionen zu erfüllen bzw. Verfahrensschritte auszuführen.

Das Computerprogrammprodukt 11 enthält einen MPC-Algorithmus 13. Der MPC-AI- gorithmus 13 wiederum enthält ein Längsdynamikmodell 14 des Antriebsstrangs 7 des Kraftfahrzeugs 1 und der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 beeinflussen den Fahrzeugkomponente sowie eine zu minimierende Kostenfunktion 15. Die Pro zessoreinheit 3 führt den MPC-Algorithmus 13 aus und prädiziert dabei ein Verhalten des Kraftfahrzeugs 1 für einen vorausliegenden Streckenabschnitt (z. B. 5 km) basie rend auf dem Längsdynamikmodell 14, wobei die Kostenfunktion 15 minimiert wird. Als Output der Optimierung durch den MPC-Algorithmus 13 ergeben sich ein optima ler Abstand zwischen der Bremsscheibe 20 und der Bremsbacke 21 der Scheiben bremse 17 und/oder ein optimales Fahrzeugniveau für berechnete Punkte im Voraus schauhorizont. Die Prozessoreinheit 3 kann dazu eine Eingangsgröße für die Schei benbremse 17 ermitteln, sodass zum einen ein Abstand zwischen der Bremsscheibe 20 und der Bremsbacke 21 eingestellt wird. Dabei kann je nach Streckenabschnitt im Wesentlichen ein Abstand zwischen einem ersten Betätigungszustand, bei dem die Bremsscheibe 20 und die Bremsbacke 21 in einem (Schleif-)Kontakt vorliegen, der sich negativ auf Leistungsverluste auswirkt, und einem zweiten Betätigungszustand, bei dem die Bremsscheibe 20 und die Bremsbacke 21 zur temporären Vermeidung eines Restreibmomentes beabstandet zueinander sind. Zum anderen kann die Pro zessoreinheit 3 ferner eine Eingangsgröße für das Fahrwerk 18 ermitteln, sodass ein Fahrzeugniveau des Kraftfahrzeugs 1 eingestellt wird. Dabei kann das Fahrzeugni veau durch die Aktuatoren 19 derart angepasst werden, dass je nach Streckenab schnitt eine Stirnfläche des Kraftfahrzeugs 1 vergrößert oder verkleinert wird, der sich, je größer er ist bzw. wird, negativ auf den Luftwiderstand und somit gleicherma ßen auf die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs 1 auswirkt.

Darüber hinaus ergeben sich als Output der Optimierung durch den MPC-Algorith- mus 13 eine optimale Drehzahl und ein optimales Drehmoment der Antriebsma schine 8 für berechnete Punkte im Vorausschauhorizont. Die Prozessoreinheit 3 kann dazu eine Eingangsgröße für die Antriebsmaschine 8 ermitteln, sodass sich die optimale Drehzahl und das optimale Drehmoment einstellen. Die Prozessoreinheit 3 kann die Antriebsmaschine 8 sowie die jeweilige die Energieeffizienz des Kraftfahr zeugs 1 beeinflussenden Fahrzeugkomponente basierend auf der ermittelten Ein gangsgröße steuern. Weiterhin kann dies jedoch auch durch ein Fahrerassistenzsys tem 16 erfolgen.

Die Erfassungseinheit 6 kann aktuelle Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs 1 mes sen, entsprechende Daten aufnehmen und dem MPC-Algorithmus 13 zuführen. So können Streckendaten aus einer elektronischen Karte für einen Vorausschauhorizont bzw. Prädiktionshorizont (z.B. 5 km) vor dem Kraftfahrzeug 1 insbesondere zyklisch aktualisiert werden. Die Streckendaten können beispielsweise Steigungsinformatio nen, Kurveninformationen, Informationen über Geschwindigkeitslimits oder den auf dem Streckenabschnitt auftretenden Verkehr sowie Informationen über vorauslie gende Ampeln oder Ampelschaltungen beinhalten. Des Weiteren kann eine Kurven krümmung über eine maximal zulässige Querbeschleunigung in ein Geschwindig keitslimit für das Kraftfahrzeug 1 umgerechnet werden. Außerdem kann mittels der Erfassungseinheit 6 eine Ortung des Kraftfahrzeugs erfolgen, insbesondere über ein von einem GNSS-Sensor 12 generiertes GPS-Signal zur genauen Lokalisierung auf der elektronischen Karte. Die Prozessoreinheit 3 kann auf diese Informationen bei spielsweise über die Kommunikations-Schnittstelle 5 zugreifen.

Die Kostenfunktion 15 besitzt ausschließlich lineare und quadratische Terme.

Dadurch hat das Gesamtproblem die Form einer quadratischen Optimierung mit line aren Nebenbedingungen und es ergibt sich ein konvexes Problem, welches gut und schnell gelöst werden kann.

Die Kostenfunktion 15 enthält als ersten Term einen mit einem ersten Gewichtungs faktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell 14 prädizierten Luftwider stand, welchem das Kraftfahrzeug 1 während des Zurücklegens einer innerhalb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke ausgesetzt ist. Die Kostenfunktion 15 enthält als zweiten Term einen mit einem zweiten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell 14 prädizierten Restreibmoment, welcher an der die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkomponente inner halb des Prädiktionshorizonts prädizierten Wegstrecke zu Verlusten führt. Dies führt dazu, dass für den vorausliegenden Streckenabschnitt eine energieoptimale Ge- schwindigkeitstrajektorie für das Kraftfahrzeug gewählt wird.

Die Kostenfunktion 15 enthält als dritten Term eine mit einem dritten Gewichtungs faktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell 14 prädizierte elektrische Energie, welche innerhalb eines Prädiktionshorizonts von der Batterie 9 des Antriebs strangs 7 zum Antrieb der Antriebsmaschine 8 bereitgestellt wird. Die Kostenfunktion 15 enthält als vierten Term eine mit einem vierten Gewichtungsfaktor gewichtete und gemäß dem Längsdynamikmodell 14 prädizierte Fahrzeit, welche das Kraftfahrzeug 1 benötigt, um die prädizierte Wegstrecke zurückzulegen. Dies führt dazu, dass je nach Wahl der Gewichtungsfaktoren eine geringe Geschwindigkeit nicht immer als optimal bewertet wird und so nicht mehr das Problem besteht, dass die resultierende Geschwindigkeit immer am unteren Rand der erlaubten Geschwindigkeit liegt.

Die Prozessoreinheit 3 ist dazu eingerichtet, durch Ausführen des MPC-Algorith- mus‘ 13 in Abhängigkeit von dem ersten Term, in Abhängigkeit von dem zweiten Term, in Abhängigkeit von dem dritten Term sowie in Abhängigkeit von dem vierten Term die jeweilige Eingangsgröße für die Antriebsmaschine 8 sowie für die zumin dest eine die Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs beeinflussende Fahrzeugkompo nente zu ermitteln, sodass die Kostenfunktion minimiert wird und dadurch ein ener gieeffizienter Betrieb des Kraftfahrzeugs 1 realisiert wird.

Bezuaszeichen Fahrzeug System Prozessoreinheit Speichereinheit Kommunikations-Schnittstelle Erfassungseinheit Antriebsstrang Antriebsmaschine Batterie Getriebe Computerprogrammprodukt Verbrennungskraftmotor MPC-Algorithmus Längsdynamikmodell Kostenfunktion Fahrerassistenzsystem Scheibenbremse Fahrwerk Aktuator Bremsscheibe Bremsbacke