Styrstrategi för prediktiva inbromsningar i farthållare

Styrstrategi för prediktiva
inbromsningar i farthållare
Populärvetenskaplig beskrivning av
examensarbete utfört vid Institutionen för
Reglerteknik vid Lunds Universitet.
Vid bilkörning orsakas en väsentlig del av
bränsleförbrukningen av energiförluster vid
inbromsningar. Att föraren behöver bromsa innebär
att bränsle har använts för att bibehålla en hastighet
som är för hög i den nuvarande situationen. I
konventionella bilar omvandlas bilens rörelseenergi
till värme i bromsarna och bromsning innebär därför
fullständig energiförlust. Genom att sakta in i god tid
innan en hastighetssänkning går det att spara mycket
bränsle utan att körtiden ökar speciellt mycket.
Inbromsningen sker då genom mindre aktiv
bromsning. Istället bromsas bilen av luft- och
rullmotstånd som alltid måste övervinnas för att
driva ett fordon framåt. Det innebär att bilens
rörelseenergi kommer till användning istället för att
bli värme i bromsarna. För en förare är det
emellertid svårt att veta i tillräckligt god tid när en
hastighetssänkning närmar sig, och även om föraren
känner till en hastighetssänkning är det svårt att veta
när det är dags att sluta gasa och börja sakta in.
I en konventionell bil finns det tre sätt att sakta in.
Det går att rulla i neutralläge, med motorn
frikopplad från hjulen. Det ger minst bromskraft och
därmed minst förluster i rörelseenergi, men bensin
går åt för att hålla motorn igång. Nästa möjlighet är
motorbromsning, vilket innebär att bilen rullar med
Neutralläge Maximal rullsträcka
Motorbroms
Bromsning
Bromslinje
Hastighetsgräns
en växel ilagd. På moderna bilar går det då inte åt
någon bensin, men å andra sidan blir förlusterna i
rörelseenergi större eftersom motorn måste dras runt.
Motorns varvtal under motorbromsningen beror på
vilken växel som ligger i, vilket därmed även avgör
hur stora förlusterna blir. Den tredje
insaktningsmöjligheten är som redan diskuterats att
trycka på bromsen. I en bil med en automatisk
växellåda är det möjligt att styra omkopplingen
mellan neutralläge och motorbroms automatiskt.
Moderna farthållare har även möjlighet att styra
bilens bromsar. Dessa egenskaper i förening ger
möjlighet att bygga en förbättrad farthållare som
automatiskt genomför insaktningar genom att
kombinera de tre olika inbromsningslägena. Ett
exempel på ett inbromsningsförlopp från 110 km/h
till 70 km/h visas i Figur 1. Den maximala sträckan
som bilen skulle kunna rulla från 110 km/h till 70
km/h, i detta fall 820 m, är också markerad i figuren.
En sådan inbromsning sker genom att rulla i
urkopplat läge hela sträckan, och är det mest
bränslesnåla sättet att sakta in.
Med ett navigatinssystem som känner till vilken väg
föraren kommer att köra, går det att förutse var
hastighetssänkningar kommer att krävas på grund av
sänkningar i hastighetsbegränsning eller skarpa
kurvor. Genom att använda information om vägens
lutning går det att räkna ut hur bilen kommer att
sakta in för olika kombinationer av de tre
inbromsningslägena. Det är möjligt att räkna ut dels
hur lång tid en viss kombination kommer att ta, och
dels hur mycket bränsle som kommer att gå åt.
Genom att jämföra olika kombinationer är det
-900 -820 -640 -300 -250 -70 0
Figur 2 – Bränsleinsparning med olika inbromsningsstrategier
v[km/h]
110
70
s[m]

möjligt för en styrdator i bilen att räkna ut vilka
inbromsningar som sparar så mycket bränsle som
möjligt och samtidigt gör att tidsförlusten blir så
liten som möjligt. Om detta görs en bit innan en
hastighetssänkning kommer, kan styrdatorn
automatiskt genomföra den uträknade insaktningen
genom att växla mellan neutralläge, motorbroms och
vanlig bromsning om det skulle behövas.
En viktig sak att tänka på är att det inte går att spara
bränsle utan en viss tidsförlust. Vad som är den
bästa möjliga inbromsningen avgörs av hur man
värderar förlorad tid i förhållande till mängden
sparat bränsle. I uträkningen av den optimala
inbromsningen ingår därför en viktning av
tidsförlust gentemot bränsleinsparning. Längden av
insaktningsförloppen beror på viktningen, och det
går inte att ge något entydigt svar på vad som
egentligen är den ’bästa’ inbromsningen. Däremot
har alla de optimala inbsaktningarna egenskapen att
det inte är möjligt att spara mera bränsle utan att
samtidigt öka tidsförlusten.
Examensarbetet som presenteras i den här artikeln
utfördes vid BMW’s utvecklingscentrum i München.
En insaktningsalgoritm enligt strategin ovan
utecklades och byggdes in i farthållaren på en
försöksbil. Körtester i försöksbilen visade att
algoritmen fungerade bra tekniskt och var behaglig
att köra med. För att få en uppfattning om
möjligheterna till bränsleinsparning utfördes också
datorsimulering av körning med den nya
farthållaren. Som körsträcka valdes en blandning av
stadskörning, landsvägskörning och körning på
motorväg vilken representerar den dagliga
körningen för en bilist som bilpendlar från stadsnära
landsbygd in till någon större tysk stad. Som basfall
Bränsleinsparning [%]
12
10
8
6
4
2
0
användes körning enligt en normalinbromsning,
vilken togs fram från testkörningar av andra
funktioner för den aktuella sträckan.
Insaktningsstrategien simulerades sedan för tre olika
viktningar av tid gentemot bränsleförbrukning.
Maximala inbromsningar i urkopplat läge och i
motorbroms simulerades också. Resultatet finns
redovisade i Figur 2. Den procentuella
bränsleinsparningen jömfört med basfallet ’Normal
körning’ är avbildad mot den totala körtiden för
sträckan. Det är tydligt att mycket finns att vinna
genom prediktiva inbromsningar. Med en körtid som
är bara 0,2 minuter längre än basfallet uppnås en
bränsleinsparning på 5%. Längre insaktningar ger
större bränsleinsparning men tidsförlusterna blir
gradvis högre. Inbromsning genom maximal
urkopplad rullning är ändläget för
inbromsningsstrategin då man vill uppnå maximal
bränsleinsparning. Inbromsning genom enbart
motorbromsning är däremot en dålig strategi.
Genom en kombination av urkopplad rullning och
motorbromsning kan man alltid uppnå antingen
samma bränsleinsparning med mindre tidsförlust
eller större bränsleinsparning med samma
tidsförlust.
Slutsatserna av arbetet är att det med tillgänglig
teknik är möjligt att bygga en farthållare som
genomför automatiska insaktningar och därigenom
sparar ansenliga mängder bränsle, samtidigt som
körkomforten med farthållaren ökar eftersom föraren
inte måste justera hastigheten manuallt så snart
hastighetsbegränsningen ändras.
Normal körning
Korta inbromsningar
Måttliga inbromsningar
Långa inbromsningar
Maximal urkopplad rullning
Maximal rullning med motorbroms
35.2 35.4 35.6 35.8 36
Restid [min]
36.2 36.4 36.6 36.8
Figur 2 – Bränsleinsparning med olika inbromsningsstrategier