Titel

Verfahren und Vorrichtung zum Berechnen des Kraftstoffverbrauches eines Kraftfahrzeuges

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen des

Kraftstoffverbrauches eines Kraftfahrzeuges. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes

Computerprogramm sowie ein entsprechendes maschinenlesbares

Speichermedium.

Stand der Technik

In der Kraftstofftechnik wird als Kraftstoffverbrauch diejenige Menge von

Kraftstoff bezeichnet, die beim Zurücklegen einer bestimmten Strecke durch ein Kraftfahrzeug verbraucht wird. Bei Straßenfahrzeugen wird in Europa gewöhnlich der Durchschnittsverbrauch auf einer Strecke von 100 Kilometern als

Vergleichsgröße herangezogen.

DE102010038539A1 betrifft ein Verbrauchsanzeigesystem für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Display zum Darstellen von Verbrauchsinformationen, mit Mitteln zum Erfassen des aktuellen

Energieverbrauchs des Fahrzeugs, mit einer Recheneinheit zum Erzeugen der auf dem Display darzustellenden Verbrauchsinformationen in Abhängigkeit des erfassten Energieverbrauchs sowie mit einem mit der Recheneinheit

verbundenen Navigationssystem. Dabei ist vorgesehen, dass die Recheneinheit wenigstens ein durch das Navigationssystem erfasstes Start- und Zielpunkt-Paar oder die jeweils gefahrene Strecke sowie mindestens einen jeweils zwischen Start- und Zielpunkt erfassten Verbrauchswert speichert und bei Bedarf auf dem Display anzeigt. Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Berechnen des Kraftstoffverbrauches eines Kraftfahrzeuges, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.

Ein Vorzug dieser Lösung besteht in der eröffneten Möglichkeit zur Berechnung realistischer, wahrheitsgemäßer Kraftstoffverbrauchswerte. Ein Grundgedanke liegt hierbei darin, den Kraftstoffstand des Kraftstofftanks des Fahrzeugs zu messen und solche Kraftstoffstand messwerte aus der Messreihe zu filtern, die zu stark von dem tatsächlichen Kraftstoffstand des Kraftstofftanks abweichen, um einen stabileren Mittelwert zu gewinnen.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen

Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann etwa eine

Regression anhand eines persistenten Puffers bereits gefilterter Messwerte vorgesehen sein. Auf diese Weise lässt sich die Genauigkeit der Berechnung steigern.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass anhand der

Intervallgrenzen und des Regressionspuffers eine Standardabweichung des Kraftstoffpegels berechnet und abhängig von dieser fallweise ein Neustart der Regression durchgeführt wird. Zudem kann vorgesehen sein, dass gemeinsam mit den Messwerten im Regressionspuffer jeweils diejenige Strecke gespeichert wird, welche das Kraftfahrzeug seit der letzten Löschung seines Fehlerspeichers zurückgelegt hat, und der Neustart ferner abhängig von dieser gespeicherten Strecke durchgeführt wird. Einer entsprechenden Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Brennstoffregression zwar in Fällen gut funktioniert, in denen das betrachtete Auto dauerhaft mit eingestecktem Dongle gefahren wird und der gefilterte Kraftstoffstand mit der Zeit fällt. Sobald jedoch der Tank leer ist und das Auto an der Tankstelle betankt wird, wird der gefilterte Kraftstoffstand schnell steigen. Dies ist ein Grenzfall, der zusätzlicher

Behandlung bedarf, um die Regressionswerte korrekt zu halten. Ein anderer Grenzfall liegt vor, wenn das Auto ohne Dongle betrieben wird. In diesem Fall wird der Start- Kraftstoffstand einer neuen Fahrt deutlich niedriger sein als der End- Kraftstoffstand der vorhergehenden Fahrt. In beiden Fällen kann die laufende Regression nicht ohne Weitere fortgeführt werden. Sie muss vielmehr zurückgesetzt und aus zukünftigen gefilterten Kraftstoffstandwerten erneut aufgebaut werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt kann schließlich vorgesehen sein, dass anhand von Fahrstrecke, Motorkühlmitteltemperatur und Motordrehzahl des

Kraftfahrzeuges dessen kumulativer Energiebedarf simuliert und als

unabhängige Variable zur Regression herangezogen wird. Diese Variante trägt dem Umstand Rechnung, dass der eingangs beschriebene Ansatz von der vereinfachenden Vorstellung ausgeht, dass das Auto mit einer konstanten Nutzlast, bei konstanter Geschwindigkeit und konstanter Beschleunigung, mit einem warmen Motor, deaktivierter Start- Stopp-Automatik, ohne Schaltvorgänge, mit konstantem internem Stromverbrauch (für Klimatisierung usw.), in einer

Umgebung mit einer konstanten Höhe, konstanten Temperatur, konstantem Luftdruck, konstanten anderweitigen Wetterbedingungen und konstanten Straßeneigenschaften betrieben wird. In realen Situationen ändern sich alle diese Faktoren mit der Zeit, was zu einer nichtlinearen Kraftstoffniveau- Regressionskurve führt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 die Anwendung eines Intervallgrenzen- Filters. Figur 2 die Verwendung von Regression.

Figur 3 die Behandlung von Grenzfällen im Rahmen der Regression.

Figur 4 die Berechnung des simulierten Energiebedarfes. Figur 5 die Beziehung zwischen Fahrgeschwindigkeit und Kraftstoffverbrauch pro 100 km Fahrstrecke.

Figur 6 die Beziehung zwischen Fahrgeschwindigkeit und Kraftstoffverbrauch pro Stunde. Figur 7 die Verwendung der durchschnittlichen Steigung, wenn die Regression nicht ausreichend genau ist.

Figur 8 den Übergang zwischen durchschnittlicher Steigung und Regression. Figur 9 ein erfindungsgemäßes Steuergerät.

Ausführungsformen der Erfindung Zur Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs für eine bestimmte Fahrt kann der

Kraftstoffpegel (11) des betreffenden Kraftfahrzeuges verwendet werden. Eine Grundidee besteht hierbei darin, den Kraftstoffstand V _A am Startpunkt A und den Kraftstoffstand V _B am Endpunkt B der Fahrt zu ermitteln. Das Delta zwischen beiden Werten sollte dem verbrauchten Kraftstoff entsprechen. Kombiniert mit der Fahrstrecke AB kann dieses Delta gemäß folgender Formel zur Berechnung des durchschnittlichen Kraftstoffverbrauchs B g während der Fahrt von A nach B verwendet werden: VA W] - VB W]

B AB 100

100 km AB [km]

Für den Fall, dass das Auto keinen Kraftstoffstand in Litern, sondern

entsprechende Prozentwerte p _A bzw. p _B liefert, benötigt man zusätzlich das

Tankvolumen V des Autos, um das absolute Brennstoffdelta in Litern für die Fahrt zu berechnen. In diesem Fall lässt sich folgende Formel verwenden, um den durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch für die Fahrt von A nach B zu berechnen:

B AB 100

100 km] Die obigen Formeln sind vergleichsweise einfach und überschaubar. Die Berechnung liefert anhand von lediglich drei Messungen direkt den

durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch. Die Genauigkeit des berechneten Wertes hängt linear von der Genauigkeit der Eingangswerte ab. Um einen genauen Kraftstoffstand zu erhalten, ist daher sicherstellen, dass die Eingabewerte genau genug sind. Dies wird erstens dadurch erschwert, dass Messungen bei verschiedenen Autos ein unterschiedliches Verhalten bezüglich Fehlerrate und sporadischer„Ausreißer“ aufweisen. Zweitens ist zu beachten, dass die

Sensorablesungen im Auto Messwerte nur innerhalb eines bestimmten

Genauigkeitsbereichs liefern. Insbesondere kann der Kraftstoffstand deutlich vom tatsächlichen Kraftstoffniveau des Tanks abweichen. Der Betrag der Abweichung wird oft von der aktuellen Position des Autos (oben oder unten), der

Fahrbahnbeschaffenheit (Steine oder Stöße), der Beschleunigung bzw.

Verzögerung, etwaigen Abbiegemanövern (links oder rechts), der

Außentemperatur oder ähnlichen Faktoren beeinflusst. Im Durchschnitt weisen die von handelsüblichen Autos gelieferten Messwerte eine Abweichung von ± 3 Litern auf. Im besten Fall liegt die Abweichung unter 1 Liter. Im Extremfall für einige Autos kann die Abweichung 10 Liter überschreiten.

Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, dass ein Auto bei einer

Geschwindigkeit von 50 km/h durchschnittlich 6 Liter pro 100 km Fahrleistung verbraucht. Wenn das Auto eine Stunde mit der genannten Geschwindigkeit gefahren wird, verbraucht es somit 3 Liter Kraftstoff. Ferner sei angenommen, dass dieses Auto Kraftstoffstand messungen mit einer Abweichung von ± 3 Litern liefert. Versucht man, den durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch mit der obigen „Grundformel“ zu berechnen, wird das Ergebnis höchstwahrscheinlich stark vom realen Durchschnittsverbrauch abweichen.

Im ungünstigsten Fall kann der Kraftstoffstand unter diesen Annahmen bei Fahrtantritt 3 Liter über und bei Fahrtende 3 Liter unter dem richtigen Wert liegen. Insgesamt ergäbe sich so ein um 6 Liter zu hoher Verbrauch. Für eine einstündige Fahrt betrüge das berechnete Kraftstoffniveau- Delta somit 9 Liter, was 300 % des korrekten Wertes entspräche. Der durchschnittliche

Kraftstoffverbrauch würde in diesem Fall mit 18 I /100 km beziffert. Bei kürzeren Fahrten wäre der relative Fehler noch höher. Das Hauptproblem, das diese Abweichung verursacht, ist die unzureichende Genauigkeit des Kraftstoffstandes, welcher der Verbrauchsberechnung zugrunde gelegt wurde. Die Beispielrechnung macht deutlich, dass eine sehr genaue Kenntnis des Kraftstoffstandes für eine akkurate Angabe des

Kraftstoffverbrauches von großer Wichtigkeit ist. Um dieses Ziel zu erreichen, gibt es verschiedene Techniken, die im Rahmen der Erfindung angewendet werden können.

Ein in Figur 1 illustrierter Grundgedanke besteht hierbei darin, mehrere aufeinanderfolgende Messwerte des Kraftstoffpegels (11) zu erfassen und die Werte außerhalb bestimmter Intervallgrenzen (12) um den berechneten

Mittelwert herauszufiltern. In den meisten Fällen liegt der Durchschnitt der auf diese Weise gefilterten Werte näher am tatsächlichen Kraftstoffstand. Anhand der so berechneten Pegeldifferenz (13) und der vom Kraftfahrzeug bei der Fahrt zurückgelegten Fahrstrecke (14) lässt sich nach obiger Vorschrift der

Kraftstoffverbrauch (15) berechnen.

Eine Herausforderung bei der Implementierung dieses Algorithmus besteht darin, die Anzahl und den Zeitpunkt der Messungen des Kraftstoffpegels (11) sowie Intervallgrenzen (12), die verwendet werden, um die Kraftstoffpegelwerte zu filtern, geeignet zu wählen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung liest den Kraftstoffpegel (11) dabei periodisch im Abstand von 10 Sekunden und speichert die Messwerte in einer Liste, deren Länge auf 24 Werte begrenzt ist. Diese Einstellung führt zu einem„Lesefenster“ von 4 Minuten. Experimente haben gezeigt, dass bei Heranziehung von 6 Werten (über 1 Minute) zur

Durchschnittsberechnung die Ergebnisgenauigkeit nicht signifikant verbessert wird, wohingegen mit 12 Werten (2 Minuten) gewisse Verbesserungen zu verzeichnen sind. Mit 18 Werten ergibt sich eine signifikante Verbesserung der Genauigkeit. 24 Werte erweisen sich auch für Autos mit höherer Abweichung als ausreichend.

Wenn man, bevor man den ersten Durchschnitt berechnet, die Liste zunächst vervollständigt, liegen erste Ergebnisse mit einer Verzögerung von 4 Minuten vor. Um die Zeit zu reduzieren, die benötigt wird, um die Intervallgrenzen (12) zu initialisieren, beginnt eine verbesserte Ausführungsform bereits damit, die Liste zu verwenden, wenn 12 Messwerte (nach 2 Minuten) vorliegen. Die

nachfolgenden Berechnungen erfolgen einmal pro Minute. Nach jeder

Berechnung eines gefilterten Mittelwertes werden die ältesten 6 Werte aus der Liste entfernt, sodass während der kommenden Minute 6 neue Werte

gespeichert werden können.

Eine ungleich größere Herausforderung besteht darin, die zu verwendenden Intervallgrenzen (12) zu bestimmen. In Bezug auf die Abweichung vom korrekten Kraftstoffstand verhalten sich verschiedene Automodelle stark unterschiedlich. Dies bedeutet insbesondere, dass die am besten geeigneten

Intervallgrenzen (12) für ein bestimmtes Auto zu völlig unterschiedlichen

Ergebnissen führen, wenn sie bei einem anderen Auto angewendet werden. Diese Erwägung lässt die Notwendigkeit dynamisch berechneter

Intervallgrenzen (12) für die Filterung der Werte erkennen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung berechnet die Standardabweichung s der Werte aus der oben beschriebenen Liste. Der Algorithmus verwendet hierbei 3 s als Intervallbreite.

Im Falle des oben beschriebenen Referenzfahrzeuges lässt sich die

hinzunehmende Abweichung auf diesem Wege von ± 3 Litern auf ± 0,75 Liter verringern. Während dieser Ansatz die Genauigkeit des Verfahrens (10) somit bereits deutlich verbessert, erweist er sich dennoch nicht immer als ausreichend, um auch für kürzere Fahrten gute Ergebnisse zu erzielen. Bei einer 20-minütigen Fahrt, bei welcher das Auto 1 Liter Kraftstoff verbraucht, beträgt der mögliche Fehler mehr als 50 %. Ein weiteres Problem besteht darin, dass auch die gefilterten Werte steigen können, während das Auto fährt. Ist dies der Fall, so scheint der Gesamtverbrauch während der Fahrt zu sinken, was praktisch unmöglich ist. Diese Überlegungen machen deutlich, dass eine noch höhere Genauigkeit von Vorteil ist.

Um die Genauigkeit der Kraftstoffverbrauchsberechnung weiter zu verbessern, skizziert Figur 2 daher einen zusätzlichen Filter, der auf einer linearen

Regression (16) basiert. Der Zweck dieser Kraftstoff- Regression (16) ist es, den berechneten Kraftstoffstand zu stabilisieren und sicherzustellen, dass er während der Fahrt kontinuierlich abnimmt. Zusätzlich kann die Regression (16) zur Interpolation der Messwerte verwendet werden.

Aus Gründen der Einfachheit sei hierbei angenommen, dass das Auto für eine bestimmte Zeit Kraftstoff mit einer konstanten Kraftstoffrate verbraucht. (Durch äußere Umstände bedingte Abweichungen von dieser Annahme bilden den Gegenstand späterer Ausführungen.) Gemäß dieser modellhaften Vereinfachung kann die seit Fahrtantritt verstrichene Zeit als unabhängige und der

Kraftstoffpegel (11) als abhängige Variable der Regression (16) dienen. Deren Genauigkeit steigt somit mit der Anzahl verfügbarer Messwerte. Eine bevorzugte Ausführungsform setzt hierbei mindestens 1,5 bis 2 Liter Pegeldifferenz zwischen dem ersten und letzten Datenpunkt voraus, um Werte zu liefern, die stabil genug sind. Wenn diese Differenz 3 Liter erreicht, weisen die geschätzten

Kraftstoffpegelwerte eine Abweichung von +/- 0,05 Litern auf.

Unter der Annahme, dass eine erfindungsgemäße App verwendet wird, um aufeinanderfolgende Fahrten mit demselben Auto lückenlos aufzuzeichnen, kann ein persistenter Regressionspuffer (17) oder -cache wiederverwendet werden, um die Regression (16) für nachfolgende Fahrten zu initialisieren. Bei einem Fehler von 0,1 Liter sollte ein entsprechender Algorithmus in der Lage sein, den realistischen Verbrauch bereits für Fahrten einer Länge von lediglich 10 Minuten zu liefern. Dies gilt unter der weiteren Annahme, dass das betreffende Auto für 10 Minuten etwa 0,5 Liter verbraucht, was zu einer Mindestabweichung von ± 20 % führt.

In der weiter verbesserten Ausgestaltung gemäß Figur 3 wird eine Erkennung von Diskrepanzen des Kraftstoffpegels (11) auf der Grundlage der Abweichung, die zwischen dem erwarteten und dem aktuellen Kraftstoffniveau oder der ohne Dongle zurückgelegten Strecke (19) festgestellt wird, implementiert. Wenn eine dieser beiden Bedingungen erkannt wird, wird die Regression (16) zurückgesetzt. Die am besten geeignete Schwelle für die Erkennung einer derartigen

Fehlanpassung hängt von der Stabilität der gefilterten Kraftstoffniveauwerte ab. Wenn diese Schwelle zu niedrig gewählt ist, könnte bei einigen Fahrzeugen, deren gemessener Kraftstoffpegel (11) eine hohe Abweichung aufweist, ein entsprechender Algorithmus die Regression (16) ungerechtfertigt zurücksetzen. Ist die Schwelle dagegen zu hoch gewählt, so wird die Kraftstoffniveau- Fehlanpassungserfassung im Falle geringfügiger Nachbetankungen (z. B. 2 bis 3 Liter) oder kleiner„Messlücken“ (z. B. Fahrten einer Länge unter 30 bis 40 km) nicht zurückgesetzt. Eine bevorzugte Implementierung verwendet daher die Standardabweichung (18), die aus den Intervallgrenzen (12) und der aktuellen Größe des Regressionspuffers (17) berechnet wird, um die beschriebene Kraftstofffehlanpassungsschwelle zu adaptieren. Auf diese Weise wird das Intervall für kleinere Datenmengen und Autos mit höherer Abweichung hinreichend breit und für größere Datenmengen und Autos mit geringerer Abweichung schmaler gehalten.

Die Grenzwerte der beschriebenen Erkennung liegen bei 2 bis 3 Litern unter günstigen Annahmen (große Datenbasis und ein Auto mit niedrigerer

Kraftstoffstand-Messabweichung). Diskrepanzen unterhalb dieser Schwelle werden anhand eines zweiten Kriteriums erkannt: der ohne Dongle

zurückgelegten Strecke (19). Es handelt sich dabei um diejenige Strecke (19), welche das Kraftfahrzeug seit der letzten Löschung seiner gespeicherten Fehlerkodes ( diagnostic trouble codes, DTC) zurückgelegt hat ( distance since DTC cleared). Gemeinsam mit jedem Messwert wird hierzu im

Regressionspuffer (17) eben diese Strecke (19) gespeichert. Der entsprechende Wert bei Fahrtantritt kann somit auf einfache Weise mit den hinterlegten Daten verglichen werden. Wenn die Differenz 2 km überschreitet, wird die

Regression (16) zurückgesetzt.

Die Ausführungsform der Figur 4 verwendet Fahrstrecke (14),

Motorkühlmitteltemperatur (21) und Motordrehzahl (22) des Kraftfahrzeuges, um dessen kumulativen Energiebedarf (20) zu simulieren. Ein Grundgedanke hierbei ist, dass die Verwendung dieses Energiebedarfes (20) als unabhängige Variable der Regression (16) genauere Ergebnisse liefert als die zurückgelegte

Fahrstrecke (14) allein. Jeder zusätzliche Gesichtspunkt, der diese

„Energiesimulation“ optimiert, trägt dazu bei, die Genauigkeit der Berechnung des Kraftstoffverbrauches (15) zu verbessern.

So hat etwa die Fahrzeuggeschwindigkeit großen Einfluss auf den

Energiebedarf (20) eines bestimmten Fahrzeugs. Die Beziehung zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit in km/h und Kraftstoffverbrauch (15) wird in den Figuren 5 und 6 visualisiert, wobei Figur 5 den Verbrauch in Liter pro 100 km und Figur 6 in Liter pro Stunde Fahrzeit darstellt.

Die Figuren 7 und 8 verdeutlichen in ihrer Zusammenschau eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens (10). Hier wird die durchschnittliche

Steigung (24) des Kraftstoffpegels (1 1 ) anhand eines Steigungspuffers (25) berechnet und einer Schätzung (23) der Pegeldifferenz (13) zugrunde gelegt. Somit kann die Pegeldifferenz (13) übergangsweise durch diese Schätzung (23) angenähert werden, bis die Güte der Regression (16) einen vollständigen Übergang erlaubt.

Dieses Verfahren (10) kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem

Steuergerät (30) implementiert sein, wie die schematische Darstellung der Figur 9 verdeutlicht.