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Dokumentenidentifikation DE112005001072T5 03.05.2007
Titel Verfahren, System, Computerprogramm und elektronische Steuereinheit zum Schätzen des Gewichts eines Fahrzeugs
Anmelder Scania CV AB (publ), Södertälje, SE
Erfinder Lundh, Kristian, Södertälje, SE
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 112005001072
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BW, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, EG, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NA, NI, NO, NZ, OM, PG, PH, PL, PT, RO, RU, SC, SD, SE, SG, SK, SL, SM, SY, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VC, VN, YU, ZA, ZM, ZW, EP, AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LT, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR, OA, BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GQ, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG, AP, BW, GH, GM, KE, LS, MW, MZ, NA, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZM, ZW, EA, AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM
WO-Anmeldetag 30.03.2005
PCT-Aktenzeichen PCT/SE2005/000458
WO-Veröffentlichungsnummer 2006001741
WO-Veröffentlichungsdatum 05.01.2006
Date of publication of WO application in German translation 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse G01G 19/08(2006.01)A, F, I, 20070209, B, H, DE

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Schätzen des Gewichts eines Fahrzeugs, insbesondere großer Fahrzeuge wie etwa Lastkraftwagen und Trucks, auch in Fällen, in denen das Fahrzeug mit einem Anhänger, einem Auflieger oder ähnlichem verbunden ist.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die heutigen Fahrzeuge enthalten hochentwickelte Steuersysteme, die Algorithmen zum Steuern einer Vielzahl von Funktionen wie etwa der Motor-, Brems-, Getriebe-, Geschwindigkeitssteuerung, etc. verwenden, die eine Anzahl von Parametern beispielsweise von Sensoren und ähnlichem benötigen.

Hinsichtlich der Steuerung des Motors ist, um ein optimales Verhalten im Hinblick auf Leistungsabgabe, Sparsamkeit bezüglich des Verbrauchs, Abgasbedingungen, Verhalten des Fahrzeugs und ähnliches zu erhalten, das Gewicht des Fahrzeugs ein Parameter, der ein wichtiger Faktor sein kann. Die Steueralgorithmen sollten sich dann einigermaßen unterschiedlich in Abhängigkeit davon verhalten, ob das Fahrzeug unbeladen oder vollbeladen ist, möglicherweise zusammen mit einem Anhänger.

Es wurde eine Vielzahl von Versuchen unternommen, das Gewicht eines Fahrzeugs mit bordeigenen Systemen zu schätzen, das heißt mit Systemen, die kein tatsächliches Wiegen des Fahrzeugs auf Waagen benötigen. Ein derartiges System ist in dem US-Patent Nr. 5,610,372 beschrieben, in dem das Gewicht eines Fahrzeugs unter Verwendung des zweiten Newtonschen Gesetzes geschätzt wird, das die Beschleunigung, die ein Objekt durch die Anwendung einer bestimmten Kraft erfährt, mit der Masse des Objekts in Beziehung setzt: F = m·a, wobei F die auf das Fahrzeug angewendete Kraft, a die sich ergebende Beschleunigung und m die Masse des Fahrzeugs sind.

In einer Ausführungsform von US 5,610,372 werden Beschleunigungs- und Kraftsensoren verwendet, um Werte für das Berechnen des Gewichts des Fahrzeugs zu erhalten. Eine ähnliche Herangehensweise ist in einer Arbeit zur Erlangung eines "Master of Science" an der Linköping Universität, Abteilung für Fahrzeugsysteme, "Adaptive Vehicle Weight Estimation" von Emil Ritren, Reg.-Nr: LiTH-ISY-EX-1883 beschrieben.

In dieser Arbeit wird ein Verfahren zum Schätzen des Gewichts eines Fahrzeugs während des Fahrens durch ein Vergleichen der Beschleunigung des Fahrzeugs mit dem geschätzten Drehmoment des Motors entwickelt. Der wichtige Parameter hinsichtlich des Drehmoments ist tatsächlich das für den Vortrieb des Fahrzeugs benötigte Drehmoment. Der Energieverlust durch Parameter, die nicht zur nutzbaren Energie an den Antriebsrädern beitragen, müssen demnach von der durch den Motor gelieferten Energie abgeleitet werden.

Einer der Energieverluste, der für große Lastkraftwagen ziemlich wichtig sein kann, ist die Rotationsbeschleunigung der Räder, das heißt die Energie, die zum Drehen der Räder des Fahrzeug benötigt wird. Hinsichtlich Lastkraftwagen besteht ein Problem darin, das Gewicht zu schätzen, da eine unterschiedliche Anzahl von Rädern an dem Fahrzeug in Abhängigkeit von der Situation vorhanden ist, wie etwa dann, wenn die Nachlaufachse eines dreiachsigen Zugfahrzeugs angehoben oder nicht angehoben ist, wenn ein Anhänger oder ein Auflieger mit dem Zugfahrzeug verbunden ist oder nicht.

Keines der oben erwähnten Dokumente handelt davon, wie man Informationen bezüglich der Anzahl an Rädern an dem Fahrzeug erhalten kann, die tatsächlich rollen. In US 5,610,372 werden die Faktoren, die einen Energieverlust bewirken, über eine sehr kurze Zeitspanne als konstant angenommen, weshalb ein Auftragen der zum Bewegen des Fahrzeugs benötigten Kraft über der Beschleunigung eine Kurve ergibt, die bei richtiger Skalierung eine Steigung besitzt, die den Kehrwert des tatsächlichen Fahrzeuggewichts darstellt. Diese Annahme wird dann dazu verwendet, einen Vektor zu erzeugen, dessen Steigung die tatsächliche Schätzung des Kehrwerts des Gewichts des Fahrzeugs darstellt und dessen Elemente die zusammengesetzten Schätzungen der Beschleunigung und der Kraft sind. Der Vektor wird dann mit einem Vektor korrigiert oder aktualisiert, der zwischen den Beschleunigungs- und Kraftmessungen, die als nächstes in die zusammengesetzte Schätzung zu integrieren sind, und den vorhergehenden Beschleunigungs- und Kraftmessungen gebildet wird.

Die Abschlussarbeit "Adaptive Vehicle Weight Estimation" erwähnt nicht, wie man Informationen bezüglich der Anzahl an Rädern erhält, da dies aber ein Entwicklungsprojekt ist, kann man annehmen, dass die Anzahl an Rädern gezählt wird und manuell in den Algorithmus eingegeben wird.

Wenn sich auch bei dem Grundkonzept des Verwendens des zweiten Newtonschen Gesetzes für eine Gewichtsschätzung von sich bewegenden Fahrzeugen dessen Vorteile gezeigt haben, besteht ein Bedarf zum Verbessern und Automatisieren des Konzepts dahingehend, dass es als ein nützlicher Steuerparameter in einem modernen Fahrzeug während unterschiedlicher Fahr- und Lastsituationen verwendet werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fahrzeuggewichtsschätzung anzugeben, das unterschiedliche Fahr- und Lastbedingungen auf eine einfache, zuverlässige und nützliche Weise berücksichtigt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung findet man in den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einem Hauptaspekt der Erfindung umfasst diese ein Verfahren zum Schätzen des Gewichts eines Fahrzeugs, das die Schritte des Gewinnens von Informationen von einem ersten Sensormittel bezüglich der Beschleunigung des Fahrzeugs, des Schätzens der Beschleunigung des Fahrzeugs auf der Basis der Informationen, die durch das erste Sensormittel gewonnen werden, das Informationen von einem zweiten Sensormittel bezüglich der Kraft gewinnt, die von dem Motor des Fahrzeugs gewonnen wird, des Schätzens der Kraft, die von dem Motor gewonnen wird, auf der Basis von Informationen, die von dem zweiten Sensormittel gewonnen werden, des Gewinnens von Informationen von einem dritten Sensormittel, des Schätzens der momentanen Anzahl an Rädern an dem Fahrzeug, die in Kontakt mit dem Untergrund stehen, auf der Basis von Informationen, die von dem dritten Sensormittel gewonnen werden, des Schätzens der Kraft, die zum Bewegen des Fahrzeugs nötig ist, unter Einbeziehung von Verlusten aufgrund der Kräfte, die zum Drehen der Räder des Fahrzeugs notwendig sind, auf der Basis einer Schätzung bezüglich der momentanen Anzahl an Rädern, die mit dem Untergrund in Kontakt stehen, des Schätzens der Kraft, die das Fahrzeug bewegt, durch Subtrahieren der geschätzten Kraft, die notwendig ist, das Fahrzeug zu bewegen, von der geschätzten Kraft, die von dem Motor gewonnen wird, und des Schätzens des Gewichts des Fahrzeugs auf der Basis der mathematischen Korrelation, dass das Gewicht des Fahrzeugs der Quotient aus der Kraft, die das Fahrzeug bewegt, und der geschätzten Beschleunigung ist, umfasst.

In diesem Zusammenhang können Informationen bezüglich der Beschleunigung von dem ersten Sensormittel gewonnen werden, das beispielsweise ein die Geschwindigkeit des Fahrzeugs über die Rotationsgeschwindigkeit der Räder detektierendes Sensormittel sein kann oder das Sensoren sein können, die die Rotationsgeschwindigkeit unterschiedlicher Teile des Antriebsstrangs detektieren. Ferner können Informationen bezüglich der von dem Motor gewonnenen Kraft mittels eines zweiten Sensormittels gewonnen werden, welches das Drehmoment an der Abtriebswelle des Motors mittels Sensoren detektiert, die die Menge des eingespritzten Kraftstoffs detektieren oder mittels beliebiger anderer geeigneter Sensoren, die in der Lage sind, das Drehmoment oder die Ausgangsleistung direkt oder indirekt zu messen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung basieren die Informationen für das Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern, die in Kontakt mit dem Untergrund sind, zumindest teilweise darauf, ob das Fahrzeug einen Anhänger umfasst oder nicht.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung basieren die Informationen für das Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern, die in Kontakt mit dem Untergrund stehen, zumindest teilweise auf der Position einer anhebbaren und absenkbaren Achse des Fahrzeugs.

Das dritte Sensormittel können demnach Sensoren sein, die an dem Verbindungspunkt zwischen dem Lastkraftwagen und einem Anhänger angeordnet sind sowie Sensoren, die an der Nachlaufachse angeordnet und in der Lage sind, deren Position zu detektieren.

Das geschätzte Gewicht wird dann an das Steuersystem des Fahrzeugmotors übertragen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das vorliegende Gewichtsschätzungssystem und -verfahren Informationen von verschiedenen Sensoren verwendet, um die Anzahl an "aktiven" Rädern festzustellen, die tatsächlich in Kontakt mit dem Untergrund stehen. Mit diesen und weiteren Informationen von dem Steuersystem des Fahrzeugs, wie etwa der Beschleunigung des Fahrzeugs, die aus der Geschwindigkeit und dem Drehmoment des Motors gewonnen werden können, kann das Gewicht des Fahrzeugs auf der Basis des zweiten Newtonschen Gesetzes geschätzt werden und an die Steuereinheit des Motors übertragen werden.

Sollten die Informationen bezüglich der tatsächlichen Anzahl an "aktiven" Rädern unzureichend sein, verwendet das Verfahren Informationen bezüglich des gesamten zulässigen Gewichts des Fahrzeugs einschließlich des Anhängers, wenn das Fahrzeug mit einer Anhängerkupplung versehen ist und Informationen bezüglich des maximalen zulässigen Gewichts, das jede Achse gemäß den Straßenbestimmungen tragen kann. Auf dieser Basis kann die Anzahl der benötigten Achsen und daraus die Anzahl an Räder an dem Fahrzeug geschätzt werden. Es ist dann möglich, das tatsächliche Gewicht des sich bewegenden Fahrzeugs zu schätzen.

Durch das Gewinnen einer Schätzung des tatsächlichen Gewichts des Fahrzeugs können das Fahrverhalten des Fahrzeugs, das Leistungsverhalten, die Optimierung des Kraftstoffverbrauchs, die Schadstoffemissionen und ähnliche Steuerparameter des Motors auf effiziente Weise angepasst werden, wobei die Schätzung des Gewichts auf eine höchst automatisierte Weise durchgeführt wurde.

Diese und weitere Aspekte sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen:

1 ist eine schematische Ansicht der auf ein Fahrzeug wirkenden Längskräfte;

2 ist ein physikalisches Modell eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs;

3 ist eine schematische Darstellung einer Gewichtsschätzungseinheit, weiche die vorliegende Erfindung umfasst; und

4 zeigt ein Flussdiagramm zum Gewinnen von Informationen und Schätzen der Anzahl an Rädern, die an einem tatsächlichen Fahrzeug mitlaufen, das zum Schätzen des Gewichts des Fahrzeugs verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung eines Verfahrens Schätzen des Gewichts auf der Basis des zweiten Newtonschen Gesetzes und des Behandelns des gesamten Fahrzeugs (Lastkraftwagen und eventuelle Anhänger) als ein starrer Körper. Die Basis des Verfahrens ist in dem oben erwähnten Dokument "Adaptive Vehicle Weight Estimation" kurz dargestellt, dessen Grundlagen für die vorliegende Erfindung verwendet wird.

Das Fahrzeug wird als ein Massekörper und die Kraft von dem Motor als eine Längskraft behandelt, die eine Längsbeschleunigung verursacht, F = m·a. Eine äquivalente Annahme besteht darin, das Fahrzeug als ein Trägheitsmoment und die Kraft des Motors als ein Drehmoment, &ohgr;. wJ = M zu behandeln.

Die auf das Fahrzeug wirkenden Längskräfte sind in 1 gezeigt, wobei

rw
der Radius des Rades ist,
m't
das Gewicht des Fahrzeugs ohne Räder ist,
Fw
die zusammengesetzte Kraft aller externer Längskräfte ist, die auf das Fahrzeug wirken,
&ohgr;wf
die Rotationsgeschwindigkeit des Vorderrades ist.

Die folgenden Gleichungen können an dem Hinterrad aufgestellt werden: wobei

a
die Beschleunigung ist,
Jwr
das Trägheitsmoment der Hinterräder ist,
mwr
das Gewicht der Hinterräder ist,
Ffr1
die Reibungskraft an den Hinterrädern ist,
F1
die Kraft zwischen der Karosserie des Fahrzeugs und den Hinterrädern ist,
&ohgr;. r
die Beschleunigung an den Hinterrädern ist.

An den Vorderrädern können die folgenden Gleichungen aufgestellt werden: wobei

Jwf
das Trägheitsmoment der Vorderräder ist,
Ffr2
die Reibungskraft der Vorderräder ist,
mwf
das Gewicht der Vorderräder ist,
F2
die Kraft zwischen der Karosserie des Fahrzeugs und den Vorderrädern ist,
&ohgr;. wf
die Beschleunigung der Vorderräder ist.

Die Längskräfte können gemäß dem zweiten Newtonschen Gesetz gebildet werden: F1 – F2 – Fw = m'ta(5)

Durch das Kombinieren der Gleichungen (1) bis (5), kann der folgende Ausdruck abgeleitet werden: Mw = [Jmr + Jwf + (m't + mwr +mwf)r2w] &ohgr;.w = [Jw + mtr2w]&ohgr;.w(6)

Das Getriebe 14 des Fahrzeugs kann gemäß 2 berechnet werden als wobei

&ohgr;e
der Rotationsgeschwindigkeit des Motors,
K
gt das Übersetzungsverhältnis des Getriebes ist,
&ohgr;t
die Ausgangsrotationsgeschwindigkeit des Getriebes ist,
Jg
das Masseträgheitsmoment in dem Getriebe ist,
Me
das Ausgangsdrehmoment des Motors ist,
Mt
das Ausgangsdrehmoment des Getriebes ist.

Der Achsantrieb 16 kann gemäß 2 modelliert werden als &ohgr;w = Kgt&ohgr;t(9) &ohgr;wJf = MtKgf – Mw(10) wobei

&ohgr;w
die Rotationsgeschwindigkeit der Räder ist,
Kgf
die Getriebeübersetzung des Achsantriebs ist,
Jf
das Trägheitsmoment des Achsantriebs ist,
Mw
das Abtriebsdrehmoment der Räder ist.

Wenn Gleichung (8) mit Gleichung (10) kombiniert wird, erhält man &ohgr;.wJf = (–&ohgr;eJg + Me)Kg – Mw(11) wobei Kg = KgtKgf.

Die Anwendung des zweiten Newtonschen Gesetzes auf den Motor 12 gemäß 2 ergibt &ohgr;.eJe =Mc – Me(12) wobei

Je
das Masseträgheitsmoment des Motors ist,
Mc
das von der Verbrennung gelieferte Drehmoment ist, kompensiert um die motorinterne Reibung,
Me
die Drehmomentabgabe des Motors ist, wenn das Masseträgheitsmoment Je berücksichtigt wird.

Ein Kombinieren der Gleichungen (11) und (12) ergibt &ohgr;.wJf = (–&ohgr;e(Jg + Je ) + Mc )Kg – Mw(13)

Das Einfügen der Gleichungen (7) und (9) in (13) ergibt &ohgr;.wJf = –K2g&ohgr;.(Jg + Je ) + Mc Kg – Mw(14)

Schließlich stellen die Gleichungen (6) und (14) das gewünschte Modell zum Schätzen

des Gewichts dar. &ohgr;.W[Jf + Jw + mtr2w + K2g(Jg + Je)] = McKg – Fwrw(15)

Die externen Kräfte, einschließlich des Luftwiderstandes Fair des Rollwiderstandes Froll und des Steigungswiderstandes Fslope müssen auf eine geeignete Weise modelliert werden, wie etwa wobei

&rgr;
die Luftdichte ist,
cw
der Widerstandsbeiwert ist,
A
die Stirnfläche des Fahrzeugs ist,
v
die Geschwindigkeit ist und
v0
die Geschwindigkeit des Gegenwindes ist.
Froll = mt(cr1 + cr2v)(17) wobei

cr1, cr2 Parameter in Abhängigkeit von beispielsweise der Reifenart und des Straßenbelages sind. Fsloppe = mtg sin &khgr;(18) wobei
&khgr;
die Steigung der Straße ist.

Durch Kombinieren der Gleichungen (15)–(18) erhält man das sich ergebende Modell:

Aus dem Modell ist es dann möglich, das Gewicht zu schätzen. Bestimmte Parameter in dem Modell müssen gemessen werden und an eine elektronische Steuereinheit 20 eines Gewichtsschätzungssystems 21 kommuniziert werden. Ein Parameter ist die Beschleunigung, &rgr;w. Die Beschleunigung kann man durch Messen und Differenzieren der Geschwindigkeit des Fahrzeugs gewinnen. Die Geschwindigkeit kann man beispielsweise von einem ersten Sensormittel 23, 3, in der Form von Radgeschwindigkeitssensoren, wenn ein ABS-System in das Fahrzeug eingebaut ist, von der Geschwindigkeit eines Generators, einer Kurbelwelle, eines Schwungrades oder von der Abtriebswelle des Getriebes gewinnen. Signale von diesen ersten Sensormitteln können in die elektronische Steuereinheit zum Berechnen der Beschleunigung des Fahrzeugs gespeist werden. Es sollte jedoch klar sein, dass die Beschleunigung auch in anderen Teilen des elektrischen Systems des Fahrzeugs berechnet werden kann, wie etwa durch die Sensoren selbst oder durch andere elektronische Einheiten.

Ein weiterer Parameter ist das Drehmoment des Motors Mc. Dieser Parameter kann normalerweise nicht direkt gemessen werden und muss demnach angenähert werden. Eine einfache Annäherung, die sich als für diesen Zweck geeignet herausgestellt hat, besteht darin, das Drehmoment eines Dieselmotors als lineare Funktion der eingespritzten Kraftstoffmenge aufzufassen, wobei die lineare Funktion in einer verbesserten Ausführungsform noch verbessert wird, wenn die Motorgeschwindigkeit berücksichtigt wird. Moderne Dieselfahrzeuge sind mit zweiten Sensormitteln 25 in der Form von Sensoren, die mit der Kraftstoffleitung 27 des Motors verbunden und in der Lage sind, den Kraftstoffverbrauch zu detektieren und Sensormitteln ausgestattet, die in der Lage sind, die Motorgeschwindigkeit über beispielsweise das Schwungrad 29 zu detektieren. Demnach können Signale von diesen zweiten Sensormitteln in die elektronische Steuereinheit zum Berechnen des Drehmoments des Motors gespeist werden; die Kraft, die von dem Motor gewonnen werden kann. Es sollte jedoch klar sein, dass andere Mittel und Sensoren zum Messen oder Abfühlen der Abtriebsleistung des Motors direkt oder indirekt anwendbar sind. Es sollte auch klar sein, dass die von dem Motor gewonnene Kraft in anderen Teilen des elektrischen Systems des Fahrzeugs berechnet werden kann, wie etwa durch die Sensoren selbst oder durch andere elektronische Einheiten.

Die Getriebeübersetzung Kg kann durch die die Geschwindigkeit messenden Sensoren an der Eingangs- und Abtriebswelle des Getriebes geschätzt werden. Die Signale werden dann auf geeignete Weise gefiltert und dividiert, um das Getriebeverhältnis zu gewinnen.

Wenn alle Variablen gemessen sind, ergibt eine Ausgleichsgerade in Übereinstimmung mit y = kx + l das Gewicht des Fahrzeugs und das Gefälle der Straße, wobei mit Blick auf Gleichung (19)

y
k
mtr 2w ist,
x
&ohgr;. w ist und
l
rwmt(g sin &khgr; + cr1) ist.

Wie man oben sieht, wird die Schätzung des Gewichts mt einfach durch Dividieren der Steigung der Gerade durch r2 w durchgeführt. Das Extrahieren des Gradienten &khgr; aus l kann nur mit der Kenntnis um das Gewicht durchgeführt werden, aber dieses Problem ist leicht zu lösen, da die Schätzung des Gewichts unabhängig von &khgr; ist und demnach vorab durchgeführt werden kann. Da &khgr; klein ist, kann sin &khgr; mit &khgr; angenähert werden. Da es nicht möglich ist, die Geschwindigkeit des Gegenwinds zu messen, muss die Schätzung des Gefälles mit der Annahme gemacht werden, dass der Einfluss der Geschwindigkeit des Gegenwinds vernachlässigbar ist. Der Teil des Rollwiderstandes, der von der Geschwindigkeit abhängt, cr2rwmtv, ist klein verglichen mit anderen Teilen der Gleichung, so dass das Ignorieren desselben eine gute Annäherung ist.

Wie man aus dem obigen Modell zum Schätzen des Gewichts erkennen kann, spielt das Gesamtträgheitsmoment der Räder des Fahrzeugs, Jw, eine wichtige Rolle. Es ist demnach wichtig, dass die Anzahl an "aktiven" Rädern, das heißt, die in Kontakt mit dem Untergrund an dem tatsächlichen Fahrzeug stehen, bekannt ist oder auf eine einfache und zuverlässige Weise abgeleitet werden kann.

Wenn ein Gewichtsschätzungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert wird, können Informationen bezüglich der Räder des Lastkraftwagens oder der Zugmaschine selbst in der elektronischen Steuereinheit 20 eingegeben und gespeichert werden, da die Anzahl an Rädern des Lastkraftwagens bekannt ist.

Wenn jedoch der Lastkraftwagen mit einem Satz Räder ausgestattet ist, die in Abhängigkeit von der Last des Fahrzeugs angehoben oder abgesenkt werden können, das heißt, wenn das Fahrzeug mit einer Nachlaufachse 30 ausgestattet ist, muss die elektronische Steuereinheit 20 Informationen bezüglich der Anzahl an "aktiven" Rädern gewinnen. Das Gewichtsschätzungssystem 21 umfasst demnach ein drittes Sensormittel 33, das in der Lage ist, ein Signal von dem System, das die Nachlaufachse 30 handhabt, bezüglich der momentanen Position der Nachlaufachse zur Verfügung zu stellen, so dass die elektronische Steuereinheit die Anzahl an "aktiven" Rädern berücksichtigen kann.

Da die Anzahl an Rädern an der Nachlaufachse bekannt ist, kann ihr Beitrag zum Trägheitsmoment aller "aktiven" Räder ebenfalls in den Speichermitteln der elektronischen Steuereinheit während der Implementation gespeichert werden.

Die elektronische Steuereinheit benötigt Informationen nicht nur von dem tatsächlichen Lastkraftwagen, sondern auch bezüglich möglicher Anhänger oder Auflieger, die verbunden sind. Das Gewichtsschätzungssystem ist in der Lage, Informationen von der elektrischen Verbindung zwischen dem Lastkraftwagen und dem Anhänger abzuleiten. In der einfachsten Form kann ein drittes Sensormittel in der Form eines Stromsensors 34 an die elektrischen Leitungen des Anhängerverbindungssteckers 36 angeordnet werden, um zu detektieren, dass Strom zu dem Anhänger fließt. Einige der modernen Lastkraftwagen-/Anhängersysteme sind mit modernen fortschrittlichen Informationsübermittlungsmitteln versehen, die es ermöglichen, dass unterschiedliche Funktionen des Anhängers, wie etwa ABS-Bremssysteme und Luftfederung, mit den Steuersystemen des Lastkraftwagens kommunizieren. Die elektronische Steuereinheit kann dies somit benutzen, um Informationen bezüglich des Vorhandenseins eines Anhängers zu gewinnen.

Für die meisten Lastkraftwagen, die regelmäßig Anhänger ziehen, ist es relativ einfach, die Anzahl der Achsen beispielsweise in Abhängigkeit davon zu schätzen, ob der Lastkraftwagen ein fünftes Rad zum Ziehen von Aufliegern besitzt. Ein Frachtgutanhänger besitzt üblicherweise hinten zwei Achsen, wovon jede Zwillingsreifen besitzt, beziehungsweise acht Räder an dem Anhänger. In Europa haben die meisten Aufliegerzugmaschinen zwei Achsen, wobei die vordere Lenkachse wiederum zwei Räder und die hintere Antriebsachse ein Paar Zwillingsräder auf jeder Seite besitzen. Demnach besitzt die gebräuchlichste Konfiguration sechs Räder. Im Gegensatz dazu besitzt der Frachtgutanhänger im Üblichen hinten drei Achsen, jede mit Zwillingsreifen, beziehungsweise 12 Räder im Ganzen. So oder so besitzt das gesamte Fahrzeug demnach üblicherweise 5 Achsen und insgesamt 18 Räder, obwohl die Anhänger in der Anzahl an Rädern variieren können. Das Gewichtsschätzungssystem kann demnach mit der Anzahl an Rädern vorprogrammiert werden, die das gesamte Fahrzeug als "aktive" Räder besitzen kann und das Gesamtträgheitsmoment der "aktiven" Räder wird in Abhängigkeit von den Eingangssignalen von der Nachlaufachse und den Anhängerverbindungen in dem Algorithmus für die Gewichtschätzung verwendet.

Wenn es nicht möglich ist, ausreichende Informationen über die Anzahl an Achsen zu erhalten – wenn beispielsweise eines der oben erwähnten Sensormittel zum Bereitstellen von Informationen bezüglich der Position der Nachlaufachse oder bezüglich der Tatsache, ob ein Anhänger verbunden ist oder nicht, nicht vorhanden ist oder wenn eines nicht funktioniert – kann eine Schätzung bezüglich des gesamten zulässigen Gewichts des Fahrzeugs, möglicherweise einschließlich eines Anhängers des Fahrzeugs, das mit einer Anhängerkupplung ausgerüstet ist, als Ausgangspunkt für die ungefähre Last verwendet werden, die eine Achse gemäß den Fahrzeugbestimmungen bezüglich der maximal erlaubten Achslasten tragen kann. Beispielsweise benötigt ein Fahrzeug mit 60.000 kg, bei dem die maximale erlaubte Last an jeder Achse 9.000 kg ist, mindestens sieben Achsen um diese Last zu tragen. Aus dieser Information ist es dann möglich, grob die Anzahl an Rädern, mit der dieses Fahrzeug ausgestattet ist und somit das Gewicht des sich bewegenden Fahrzeugs mittels des oben erwähnten Verfahrens zu schätzen. Diese Schätzung ist jedoch nicht so genau, als wenn die Informationen von Sensoren gewonnen werden, insbesondere, wenn keine Information bezüglich eines Anhängers gewonnen werden kann, stellt aber eine hinreichend akzeptierbare Schätzung des Gewichts zur Verfügung, die zum Steuern des Motors verwendet werden kann.

Das geschätzte Gewicht wird dann an das Steuersystem 40 des Motors des Fahrzeugs übertragen, das als ein Parameter zum Steuern der Leistung und des Verhaltens des Motors in Abhängigkeit von den tatsächlichen Bedingungen des Fahrzeugs verwendet wird.

4 zeigt ein Flussdiagramm in Abhängigkeit von verschiedenen Situationen und Sensoren an dem Fahrzeug.

Der eine Fall liegt vor, wenn eine Nachlaufachse in das Fahrzeug eingebaut ist. Mit der Hilfe des dritten Sensormittels 32 ist es möglich, zu bestimmen, 110, ob die Nachlaufachse abgesenkt ist oder nicht. In jeder dieser Positionen ist es möglich, die momentane Anzahl an Rädern des Lastkraftwagens zu schätzen, die sich in Kontakt mit dem Untergrund befinden, 112, 114, da wie oben erwähnt diese Informationen bekannt und in die Einheit implementiert sind, wenn das System eingerichtet wird. Der andere Fall liegt vor, wenn keine Nachlaufachse eingebaut ist. Auch in diesem Fall sind die Informationen bezüglich der Anzahl an Rädern direkt in das System implementiert.

Neben dem tatsächlichen Lastkraftwagen gibt es drei Szenarien, die von der Ausrüstung des Fahrzeugs abhängen. Das erste Szenario 116 liegt vor, wenn keine Anhängerkupplung eingebaut ist. Auf Basis der in der elektronischen Steuereinheit bezüglich der Räder des Lastkraftwagens gespeicherten Informationen ist es möglich, das Trägheitsmoment der Räder zu berechnen, 117.

Das zweite und dritte Szenario umfassen eingebaute Anhängerkupplungen. In dem zweiten Szenario 118 ist es möglich, Informationen dahingehend zu gewinnen, 120, ob ein Anhänger verbunden (angekoppelt) ist oder nicht, wie oben unter Verwendung eines dritten Sensormittels zum Detektieren, ob ein Anhänger mit dem Lastkraftwagen verbunden ist oder nicht, ausgeführt worden ist. Wenn das System erfasst, dass kein Anhänger verbunden ist, ist es möglich, direkt das Trägheitsmoment aus den in der elektronischen Steuereinheit gespeicherten Informationen zu berechnen.

Wenn das System feststellt, dass ein Anhänger verbunden (angekoppelt) ist, wird die Anzahl an Rädern des Anhängers geschätzt, 122, vorzugsweise in Abhängigkeit von Informationen, die in der elektronischen Steuereinheit bezüglich der Art des verbundenen Anhängers gespeichert sind und somit die Anzahl an Achsen/Anzahl an Rädern, wie oben erläutert. Die geschätzte Anzahl an Rädern des Anhängers wird zu der Anzahl an Rädern des Lastkraftwagens addiert, um das Trägheitsmoment der Gesamtzahl an Rädern des vollständigen Fahrzeugs zu berechnen, 117.

In dem dritten Szenario, 124, können keine Informationen darüber gewonnen werden, ob ein Anhänger verbunden ist oder nicht. In diesem Fall beginnt die Schätzung mit dem Wissen um das gesamte zulässige Gewicht des Fahrzeugs und der erlaubten Last einer Achse und schätzt von dort die minimale Anzahl an Achsen und wiederum die minimale Anzahl an Rädern, 126. Diese Schätzung wird dann zu der Anzahl an Rädern des Lastkraftwagens addiert, um das Trägheitsmoment der gesamten Anzahl an Rädern des vollständigen Fahrzeugs zu berechnen, 117.

Für alle oben erwähnten Fälle und Szenarien wird dann das berechnete Trägheitsmoment Jw als Eingabe für den Gewichtsschätzungsalgorithmus verwendet, 128.

Der Algorithmus zum Schätzen des Gewichts des Fahrzeugs wird vorzugsweise in einer Software implementiert, die in der elektronischen Steuereinheit gespeichert ist, die eine eigenständige Hardwareeinheit 20 oder in eine der Hardwareeinheiten integriert sein kann, die Teil eines modernen Fahrzeugs sind, beispielsweise die Motorsteuereinheit. Ein Teil des Programms kann in einem Prozessor oder einem Speicher 22 gespeichert sein, der ein beliebiger der folgenden sein kann: ROM ("ROM = Read Only Memory"/Nur-Lesespeicher), PROM("PROM = Programmable ROM"/programmierbarer ROM), EPROM ("EPROM = Erasable PROM"/löschbarer PROM), Flash-Speicher, EEPROM ("EEPROM = Electrically EPROM"/elektrischer EPROM) oder eine beliebige andere Art von Speichermedium, das in der Lage ist, Daten zu speichern, wie etwa eine Magnetdiskette, CD-ROM oder DVD, Festplatte, magneto-optische Speichermittel, wie Firmware.

Die elektronische Speichereinheit kann Filter zum Filtern der Signale, A/D-Wandler zum Wandeln und Abtasten der Signale, Eingangs-/Ausgangsschaltungen 23 sowie einen oder mehrere Mikroprozessoren 24 umfassen. Der Mikroprozessor (bzw. -prozessoren) umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit CPU ("CPU = central processing unit"), die die folgenden Funktionen durchführt: Sammeln gemessener Werte, Verarbeiten von gemessenen Werten, Schätzen des Gewichts und Ausgabe des Ergebnisses der Berechnung. Der Mikroprozessor (bzw. -prozessoren) umfasst ferner einen Datenspeicher und einen Programmspeicher.

Ein Computerprogramm zum Ausführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist in dem Programmspeicher gespeichert.

Die Software umfasst Computerprogrammcodeelemente oder Softwarecodeabschnitte, die bewirken, dass der Computer das Verfahren unter Verwendung der Gleichungen, Algorithmen, Daten und Berechnungen wie vorhergehend beschrieben durchführt.

Die Gewichtsschätzungseinheit ist in der Lage, mit anderen Systemen des Fahrzeugs zur Eingabe und Ausgabe von Signalen über beispielsweise ein Datenbussystem 26 zu kommunizieren, wie etwa einen CAN-Bus ("CAN = Controller Area Network"/Kontroller-Bereichsnetzwerk), der im Allgemeinen für schwere Fahrzeuge verwendet wird. Es sollte jedoch klar sein, dass viele andere Arten von Kommunikationssystemen, wie beispielsweise Flexray, TTCan und Most innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung möglich sind.

Auch wenn die vorliegende Erfindung in Bezug auf einen Algorithmus zum Verwenden des zweiten Newtonschen Gesetzes beschrieben worden ist, sollte es klar sein, dass verschiedene Algorithmen oder Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs verwendet werden können.

Obwohl spezielle Ausführungsformen hier zu Veranschaulichungs- und Erläuterungszwecken gezeigt und beschrieben worden sind, ist es dem Durchschnittsfachmann klar, dass die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen durch eine große Vielfalt alternativer und/oder äquivalenter Implementierungen ersetzt werden können, ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der Durchschnittsfachmann wird sofort erkennen, dass die vorliegende Erfindung in einer großen Vielfalt von Ausführungsformen implementiert werden kann, einschließlich Hardware- und Softwareimplementierungen oder Kombinationen daraus. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der hier erläuterten Ausführungsformen abdecken. Folglich ist die vorliegende Erfindung durch den Wortlaut der beigefügten Ansprüche und Äquivalente derselben definiert.

Zusammenfassung

Verfahren, System, Computerprogramm und elektronische Steuereinheit zum Schätzen des Gewichts eines Fahrzeugs, umfassend die Schritte: Gewinnen von Informationen bezüglich der Beschleunigung des Fahrzeugs und Schätzen der Beschleunigung, Schätzen der von dem Motor gewonnenen Kraft, Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern, die in Kontakt mit dem Erdboden stehen, Schätzen der zum Bewegen des Fahrzeugs benötigten Kraft unter Einbeziehung von Verlusten aufgrund der zum Drehen der Räder benötigten Kräfte auf der Basis der Schätzung bezüglich der momentanen Anzahl an Rädern, die in Kontakt mit dem Erdboden stehen, Schätzen der Kraft, die das Fahrzeug bewegt, mittels Subtrahieren der zum Bewegen des Fahrzeugs benötigten geschätzten Kraft von der von dem Fahrzeug gewonnenen geschätzten Kraft und Schätzen des Gewichts des Fahrzeugs auf der Basis der mathematischen Beziehung, dass das Gewicht des Fahrzeugs der Quotient aus der das Fahrzeug bewegenden Kraft und der geschätzten Beschleunigung ist.


Anspruch[de]
Verfahren zum Schätzen des Gewichts eines Fahrzeugs, das die folgenden Schritte umfasst:

– Gewinnen von Informationen von einem ersten Sensormittel (23) bezüglich der Beschleunigung des Fahrzeugs und Schätzen der Beschleunigung des Fahrzeugs auf der Basis der durch das erste Sensormittel gewonnenen Informationen,

– Gewinnen von Informationen von einem zweiten Sensormittel (25) bezüglich der Kraft, die von dem Motor des Fahrzeugs gewonnen wird, und Schätzen der von dem Motor gewonnenen Kraft auf der Basis der durch das zweite Sensormittel gewonnenen Informationen,

– Gewinnen von Informationen von einem dritten Sensormittel (32, 34) und Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern an dem Fahrzeug, die in Kontakt mit dem Untergrund stehen, auf der Basis der von dem dritten Sensormittel gewonnenen Informationen,

– Schätzen der zum Bewegen des Fahrzeugs benötigten Kraft unter Einbeziehung von Verlusten aufgrund der zum Drehen der Räder des Fahrzeugs benötigten Kräfte auf der Basis der Schätzung bezüglich der momentanen Anzahl an Rädern, die mit dem Untergrund in Kontakt stehen,

– Schätzen der das Fahrzeug bewegenden Kraft durch Subtrahieren der zum Bewegen des Fahrzeugs benötigten Kraft von der geschätzten Kraft, die von dem Motor gewonnen wird, und

– Schätzen des Gewichts des Fahrzeugs auf der Basis der mathematischen Beziehung, dass das Gewicht des Fahrzeugs der Quotient aus der das Fahrzeug bewegenden Kraft und der geschätzten Beschleunigung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Informationen zum Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern, die in Kontakt mit dem Untergrund stehen, zumindest teilweise darauf basiert, ob das Fahrzeug einen Anhänger umfasst oder nicht. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Informationen zum Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern, die in Kontakt mit dem Untergrund stehen, zumindest teilweise auf der Position einer anhebbaren und absenkbaren Achse des Fahrzeugs basieren. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend den Schritt, dass dann wenn die Informationen zum Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern zum Durchführen einer genauen Sachätzung nicht ausreichen, das bekannte gesamte zulässige Gewicht des Fahrzeugs sowie die Kenntnis um die Last umfasst, die jeder Achse zu tragen erlaubt ist, verwendet wird, um die Anzahl an benötigten Rädern zu schätzen. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es den Schritt des Übertragens des geschätzten Gewichts an das Steuersystem des Fahrzeugmotors umfasst. System zum Schätzen des Gewichts eines Fahrzeugs (21), umfassend:

– ein erstes Sensormittel (23), das zum Gewinnen von Informationen bezüglich der Beschleunigung des Fahrzeugs geeignet ist,

– ein zweites Sensormittel (25), das zum Gewinnen von Informationen bezüglich der von dem Motor des Fahrzeugs gewonnenen Kraft geeignet ist,

– ein drittes Sensormittel (32, 34), das zum Gewinnen von Informationen bezüglich der momentanen Anzahl an Rädern an dem Fahrzeug geeignet ist,

– Übertragungsmittel (23, 26) zum Übertragen von Informationen von dem ersten, dem zweiten und dem dritten Sensormittel an eine Einheit zur elektronischen Steuerung (20), umfassend

– ein Mittel (24), das zum Gewinnen oder Berechnen einer Schätzung der Beschleunigung des Fahrzeugs auf der Basis der durch das erste Sensormittel gewonnenen Informationen geeignet ist, und

– ein Mittel (24), das zum Gewinnen oder Berechnen einer Schätzung der von dem Motor gewonnenen Kraft auf der Basis der durch das zweite Sensormittel gewonnenen Informationen geeignet ist, und

– ein Berechnungsmittel (24), das geeignet ist:

zum Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern an dem Fahrzeug auf der Basis der von dem dritten Sensormittel gewonnenen Informationen,

zum Berechnen einer Schätzung der zum Bewegen eines Fahrzeugs benötigten Kraft unter Einbeziehung von Verlusten aufgrund der zum Drehen der Räder des Fahrzeugs benötigten Kräfte auf der Basis einer Schätzung bezüglich der momentanen Anzahl an Rädern,

zum Berechnen einer Schätzung der Kraft, die das Fahrzeug bewegt, mittels Subtrahieren der zum Bewegen des Fahrzeugs benötigten Kraft von der von dem Fahrzeug gewonnenen geschätzten Kraft und zum Berechnen einer Schätzung des Gewichts des Fahrzeugs auf der Basis der mathematischen Beziehung, dass das Gewicht des Fahrzeugs der Quotient aus der das Fahrzeug bewegenden Kraft und der geschätzten Beschleunigung ist.
System nach Anspruch 6, wobei das dritte Sensormittel (34), das zum Gewinnen von Informationen bezüglich der momentanen Anzahl an Rädern geeignet ist, so eingerichtet ist, dass es erfasst, ob das Fahrzeug einen Anhänger aufweist. System nach Anspruch 6, wobei das dritte Sensormittel (32), das zum Gewinnen von Informationen bezüglich der momentanen Anzahl an Rädern geeignet ist, so eingerichtet ist, dass es eine Position einer anhebbaren und absenkbaren Achse (30) des Fahrzeugs erfasst. System nach Anspruch 6, das Speichermittel (22) zum Speichern von Informationen bezüglich der Anzahl an Rädern des Fahrzeugs, die konstant sind, aufweist. System nach Anspruch 6, das Mittel (23, 26) zum Übertragen des geschätzten Gewichts an das Steuersystem des Fahrzeugmotors aufweist. Computerprogramm zum Schätzen des Gewichts eines Fahrzeugs, wobei das Programm Befehle aufweist, die bewirken, dass eine elektronische Steuereinheit die Schritte ausführt:

– Gewinnen oder Berechnen einer Schätzung der Beschleunigung des Fahrzeugs auf der Basis von Informationen, die von einem ersten Sensormittel (23) bezüglich der Beschleunigung des Fahrzeugs gewonnen werden,

– Gewinnen oder Berechnen einer Schätzung der Kraft, die von dem Motor gewonnen wird, auf der Basis von Informationen, die mittels des zweiten Sensormittel (25) bezüglich der von dem Motor des Fahrzeugs gewonnenen Kraft gewonnen werden,

– Gewinnen von Informationen, die von dem dritten Sensormittel (32, 34) gewonnen werden,

– Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern an dem Fahrzeug, die in Kontakt mit dem Untergrund stehen, auf der Basis von Informationen, die mittels des dritten Sensormittels gewonnen werden,

– Schätzen der zum Bewegen des Fahrzeugs benötigten Kraft unter Einbeziehung der Verluste aufgrund der Kräfte, die zum Drehen der Räder des Fahrzeugs benötigt werden, auf der Basis der Schätzung bezüglich der momentanen Anzahl an Rädern, die in Kontakt mit dem Untergrund stehen,

– Schätzen der Kraft, die das Fahrzeug bewegt, mittels Subtrahieren der zum Bewegen des Fahrzeugs benötigten geschätzten Kraft von der von dem Motor gewonnenen geschätzten Kraft, und

– Schätzen des Gewichts des Fahrzeugs auf der Basis der mathematischen Beziehung, dass das Gewicht des Fahrzeugs der Quotient aus der das Fahrzeug bewegenden Kraft und der geschätzten Beschleunigung ist, durchführt.
Computerlesbares Medium, das ein Computerprogramm nach Anspruch 11 umfasst. Elektronische Steuereinheit (20), wobei die elektronische Steuereinheit so eingerichtet ist, dass sie mittels eines ersten Sensormittels (23) bezüglich der Beschleunigung des Fahrzeugs gewonnene Information und mittels eines zweiten Sensormittels (25) bezüglich der von dem Motor des Fahrzeugs gewonnenen Kraft gewonnene Informationen und mittels eines dritten Sensormittels (32, 34) zum Schätzen der momentanen Anzahl an Rädern an dem Fahrzeug, die in Kontakt mit dem Untergrund stehen, gewonnene Informationen empfängt, und ein Verarbeitungsmittel (24) und ein Speichermittel (22) zum Speichern von Befehlen und Parametern zum Schätzen des Gewichts eines Fahrzeugs aufweist, wobei das Speichermittel der Steuereinheit ein Computerprogramm nach Anspruch 11 aufweist.






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