DE102006055799A1

DE102006055799A1 - Verfahren zum regenerativen Bremsen eines Fahrzeugs mit mehreren Bremssystemen

Info

Publication number: DE102006055799A1
Application number: DE102006055799A
Authority: DE
Inventors: Alexander Bareiss; Oliver Kriese
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: DE102006055799B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum regenerativen Bremsen eines Fahrzeugs, mittels eines hydraulischen oder pneumatischen Bremssystems (7, 9), eines elektromechanischen Bremssystems (6) und eines Generators, wobei jedes der Systeme (7, 9; 6; 2) einen bestimmten Anteil (R, E, H) einer gewünschten Gesamtverzögerung des Fahrzeugs beiträgt. Ein Bremsvorgang kann besonders einfach und mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden, wenn der Anteil der elektromechanischen Bremsvorrichtung 6 abhängig vom Anteil (R) des Generators 2 geregelt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Steuergerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Regeneratives Bremsen wird heute vor allem in Hybrid-Fahrzeugen durchgeführt, um den Wirkungsgrad des Fahrzeugs zu verbessern und Kraftstoff einzusparen. Hybrid-Fahrzeuge umfassen neben dem Verbrennungsmotor eine elektrische Maschine, die entweder im Motor- oder im Generatorbetrieb betrieben wird. Im Motorbetrieb erzeugt die elektrische Maschine ein zusätzliches Antriebsmoment, das den Verbrennungsmotor z. B. in einer Beschleunigungsphase unterstützt. Im Generatorbetrieb wird dagegen die bei der Verzögerung des Fahrzeugs frei werdende kinetische Energie in elektrische Energie gewandelt (Rekuperation). Die so gewonnene elektrische Energie wird in einem Energiespeicher, wie z. B. einer Batterie oder einem Super-Cap, gespeichert und kann in anderen Fahrsituationen z. B. zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Versorgung elektrischer Verbraucher genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Fahrzeugs kann dadurch erheblich gesteigert werden. Aber auch bei herkömmlichen Fahrzeugen, die nur einen Fahrzeuggenerator aufweisen, kann die Energiebilanz durch regeneratives Bremsen verbessert werden.
Beim regenerativen Bremsen erzeugt die elektrische Maschine bzw. der Generator ein Schleppmoment, das bremsend auf den Verbrennungsmotor wirkt. Das Schleppmoment ist dabei insbesondere von der aktuellen Drehzahl des Verbrennungsmotors abhängig. Darüber hinaus hängt das Schleppmoment vom Ladezustand bzw. der Aufnahmefähigkeit des elektrischen Bordnetzes ab. Bei einem voll aufgeladenen Energiespeicher kann z. B. nur sehr wenig bzw. gar keine elektrische Energie in das Bordnetz gespeist werden, da der Energiespeicher andernfalls überlastet oder spannungsempfindliche Verbraucher geschädigt werden könnten. Das Schleppmoment des Generators kann somit erheblich schwanken. Dadurch wird auch das Bremsverhalten des Fahrzeugs insgesamt beeinflusst. Um dies zu vermeiden, wird daher üblicherweise der hydraulische Bremsdruck in Abhängigkeit vom Generator-Schleppmoment moduliert. Dies ist jedoch hydraulisch sehr aufwändig, da während eines regenerativen Bremsvorgangs sehr viel Bremsflüssigkeit in den Bremskreisen hin- und hergepumpt werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum regenerativen Bremsen eines Fahrzeugs zu schaffen, bei dem der hydraulische bzw. pneumatische Aufwand wesentlich geringer ist.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1, sowie im Patentanspruch 11 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine elektromechanische Bremsvorrichtung, vorzugsweise eine elektromechanische Trommelbremse, zu nutzen und deren Bremsmoment zu modulieren, um das schwankende Schleppmoment des Generators auszugleichen. Eine hydraulische oder pneumatische Modulation ist nicht mehr erforderlich. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass Schwankungen des Generator-Schleppmoments wesentlich einfacher kompensiert werden können.
Die Schwankung des regenerativen Anteils wird vorzugsweise zumindest am Ende eines Bremsvorgangs kompensiert. Der Anteil des Generators nimmt üblicherweise stark ab, wenn das Fahrzeug bis in den Stillstand gebremst wird und der Verbrennungsmotor in der letzten Phase des Bremsvorgangs nur noch mit Leerlaufdrehzahl läuft. Das abnehmende Generator-Schleppmoment wird dann durch ein zunehmendes elektromechanisches Bremsmoment ausgeglichen. Dagegen kann das Bremsmoment in der Anfangsphase eines Bremsvorgangs – wie bisher – auch hydraulisch oder pneumatisch moduliert werden. Eine wesentliche Verbesserung des technischen Aufwandes kann bereits erreicht werden, wenn das Bremsmoment zumindest in der Endphase des Bremsvorgangs mittels der elektromechanischen Bremsvorrichtung moduliert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird während des gesamten regenerativen Bremsvorgangs ausschließlich das Moment der elektromechanischen Bremsvorrichtung moduliert.
Außerdem wird vorzugsweise das Bremsmoment der hydraulischen bzw. pneumatischen Bremsvorrichtung auf einen vorgegebenen Wert begrenzt. Hierzu werden z. B. Ventile der Bremsanlage entsprechend angesteuert. Durch die Begrenzung des hydraulischen Anteils muss bei der Modulation des elektromechanischen Anteils nicht auch noch ein variierender hydraulischer Anteil berücksichtigt werden. Die Modulation kann somit wesentlich vereinfacht werden.
Der Generator wird grundsätzlich vorzugsweise derart betrieben, dass der Anteil der erzeugten elektrischen Generatorleistung maximal ist. Dadurch kann ein Maximum an elektrischer Energie zurück gewonnen werden.
Um einen im Bordnetz vorgesehenen Energiespeicher (z. B. eine Batterie oder einen Super-Cap) im Rekuperationsbetrieb nicht zu überladen, muss der Ladezustand des Energiespeichers bekannt sein. Es ist daher eine Einrichtung, wie z. B. eine aus dem Stand der Technik bekannte Ladezustandserkennung vorgesehen, die den Ladezustand des Energiespeichers überwacht. Die Zustandserkennung kann z. B. als Software in einem Steuergerät hinterlegt sein.
Wenn während eines regenerativen Bremsvorgangs eine fahrdynamische Grenzsituation auftritt, in der eine Schlupfregelung (z. B. ABS oder ESP) durchgeführt werden muss, wird der Generator vorzugsweise vollständig ausgeschaltet bzw. der Anteil des Generators zumindest stark reduziert. Dadurch soll eine Beeinträchtigung der Schlupfregelung durch den Generator ausgeschlossen werden.
Im Falle einer Schlupfregelung können bezüglich der notwendigen Modulation der Bremskraft verschiedene Strategien gefahren werden. Gemäß einer ersten Ausführungsform kann beispielsweise der Anteil der hydraulischen bzw. pneumatischen Bremsvorrichtung konstant gehalten und nur der elektromechanische Anteil moduliert werden. Der hydraulische Anteil kann dabei auch gegen Null zurückgefahren und die Modulation des Bremsmoments allein mittels der elektromechanischen Bremsvorrichtung durchgeführt werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann natürlich auch der elektromechanische Anteil auf einen vorgegebenen konstanten Wert gesetzt und die Schlupfregelung mittels der hydraulischen bzw. pneumatischen Bremsvorrichtung durchgeführt werden. Auch hier kann wiederum der elektromechanische Anteil gegen Null zurückgefahren und die Schlupfregelung ausschließlich mittels der hydraulischen bzw. pneumatischen Bremsvorrichtung durchgeführt werden.
Wahlweise könnte die Schlupfregelung auch mittels beider Bremsvorrichtungen, d. h. der hydraulischen bzw. pneumatischen und der elektromechanischen Bremsvorrichtung gleichzeitig durchgeführt werden.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist vorzugsweise Software basiert und wird von einem Steuergerät kontrolliert. Das Steuergerät umfasst vorzugsweise einen Koordinator (Software-Algorithmus), der u. a. die Aufteilung des gewünschten Gesamt-Bremsmoments auf die einzelnen Bremssysteme bzw. den Generator bestimmt.
Das Vorliegen einer fahrdynamischen Grenzsituation wird üblicherweise von einem Fahrdynamikregelungs-Steuergerät überwacht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 die Bremsmomentenverteilung in einem Fahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 die Bremsmomentenverteilung in einem Fahrzeug gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 die Bremsmomentenverteilung vor und nach dem Eintreten einer fahrdynamischen Grenzsituation;
4 die Bremsmomentenverteilung in einer fahrdynamischen Grenzsituation gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
5 die Bremsmomentenverteilung in einer fahrdynamischen Grenzsituation gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
6 die Bremsmomentenverteilung in einer fahrdynamischen Grenzsituation gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
7 ein schematisches Blockschaltbild der wesentlichen Elemente eines Fahrzeugsystems zum regenerativen Bremsen; und
8 eine schematische Darstellung eines hydraulisch-elektrischen Radbremse.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Ansicht der Bremsmomentenverteilung bei einem typischen Bremsvorgang, jeweils an der Vorderachse VA und der Hinterachse HA eines Fahrzeugs. Das Fahrzeug ist an der Vorderachse mit hydraulischen Scheibenbremsen ausgestattet. Zum Bremsen der Hinterachse HA sind verschiedene Bremssysteme vorgesehen, die jeweils einen bestimmten Anteil H, E, R zum Gesamtbremsmoment beitragen. In diesem Ausführungsbeispiel umfassen die Hinterräder je eine kombinierte hydraulisch/elektromechanische Radbremse, wie sie beispielhaft in 8 dargestellt ist. Diese Art von Radbremsen wird auch als DIH-Bremsen (DIH: drum in head) bezeichnet und umfasst eine hydraulische Scheibenbremse 9 und eine elektromechanische Trommelbremse 6 in einer baulichen Einheit.
In 1 ist der Beitrag der hydraulischen Scheibenbremse 9 mit H und der Anteil der elektromechanischen Trommelbremse 6 mit E bezeichnet. Im Rekuperationsbetrieb erzeugt der Fahrzeuggenerator außerdem ein Schleppmoment, das zusätzlich zur Verzögerung des Fahrzeugs beiträgt. Der Anteil des Generators 2 ist hier mit R bezeichnet.
Der Generator wird vorzugsweise so betrieben, dass ein möglichst hoher Anteil der gewünschten Gesamtverzögerung (die der Fahrer durch Betätigung des Fuß-Bremspedals vorgibt) durch den Generator 2 bewirkt und somit ein Maximum an Energie zurück gewonnen werden kann. Der vom Generator erzeugte Anteil R ist im Verlauf eines Bremsvorgangs nicht konstant, sondern abhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und dem Ladezustand bzw. der Aufnahmefähigkeit des elektrischen Bordnetzes. Bei einer voll aufgeladenen Batterie bzw. Super-Cap kann nur sehr wenig bzw. gar keine elektrische Energie in das Bordnetz gespeist werden. Das vom Generator 2 erzeugte Schleppmoment kann daher relativ stark variieren.
Der schwankende Anteil R des Generators 2 wird hier allein durch die elektromechanische Trommelbremse kompensiert. Der Anteil H der hydraulischen Scheibenbremse 9 wird dagegen auf einen konstanten Wert begrenzt und auf diesem Wert gehalten. Zur Begrenzung des hydraulischen Bremsmoments H können beispielsweise Ventile in der hydraulischen Bremsanlage entsprechend angesteuert werden. Die Begrenzung erfolgt während der gesamten Dauer t₀ des Bremsvorgangs.
2 zeigt die Anteile H, E, R der einzelnen Bremssysteme gemäß einer zweiten Ausführungsform. An der Vorderachse VA erfolgt wiederum eine rein hydraulische Bremsung. An der Hinterachse HA wird zu Beginn des Bremsvorgangs hydraulisch und regenerativ gebremst. Der variierende Anteil R des Fahrzeuggenerators 2 wird dabei zunächst rein hydraulisch ausgeregelt. In der Anfangsphase liefert die elektrische Trommelbremse 6 keinen Beitrag. Wenn nach einiger Zeit der regenerative Anteil R des Generators 2 relativ konstant ist, wird der Anteil H der Scheibenbremse 9 auf einen festen Wert begrenzt. Erst in der Endphase t1 des Bremsvorgangs, in der der Anteil R des Generators 2 abfällt, wird der fallende Anteil R durch die elektrische Trommelbremse 6 kompensiert. Dieses Verfahren ist zwar etwas aufwändiger als die Strategie gemäß 1, aber dennoch wesentlich einfacher als eine rein hydraulische Modulation des Bremsmoments.
3 zeigt die Bremsmomentenverteilung im Falle einer fahrdynamischen Grenzsituation, in der eine Schlupfregelung durchgeführt werden muss. An der Vorderachse VA erfolgt eine rein hydraulische Modulation. An der Hinterachse HA wird, sobald die kritische Fahrsituation erkannt wurde, der regenerative Anteil R reduziert und der Generator 2 vollständig deaktiviert (s. Zeitpunkt t₂). Der hydraulische Anteil H wird ebenfalls auf Null reduziert. Es verbleibt also nur noch der Anteil E der elektromechanischen Trommelbremse 6, der im Folgenden moduliert wird. Wahlweise könnte der hydraulische Anteil H auch konstant gehalten oder auf einem geringeren konstanten Wert gehalten werden.
4 zeigt die Bremsmomentenverteilung im Falle einer Schlupfregelung gemäß einer anderen Ausführungsform. Die Grafik beschreibt dabei einen Bremsvorgang ohne regeneratives Bremsen, also ohne Beteiligung des Generators 2. An der Vorderachse VA erfolgt wiederum eine rein hydraulische Modulation. An der Hinterachse HA werden der Anteil E der elektromechanischen Trommelbremse 6 moduliert und der hydraulische Anteil H konstant gehalten. Im Falle einer Schlupfregelung (ab dem Zeitpunkt t₂) wird nur der elektromechanische Anteil E moduliert. Der hydraulische Anteil H bleibt konstant, solange das Bremsmoment der elektromechanischen Bremse 6 größer als Null ist.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Bremsmomentenverteilung im Falle einer kritischen Fahrsituation. Die Verteilung von 5 ist dabei komplementär zu derjenigen von 4. Wie zu erkennen ist, wird hier das hydraulische Bremsmoment H geregelt, während der elektromechanische Anteil E konstant bleibt.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Bremsmomentenverteilung im Falle einer kritischen Fahrsituation. Im Unterschied zu den Ausführungsformen von 4 und 5 werden hier beide Anteile E und H an der Hinterachse HA synchron moduliert. Der technische Aufwand ist in diesem Ausführungsbeispiel naturgemäß etwas höher als bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen.
7 zeigt eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten eines Kfz-Bremssystems, das für regeneratives Bremsen ausgelegt ist. Das Gesamtsystem umfasst hier drei Teil-Bremssysteme, nämlich eine hydraulische Bremsanlage mit den Komponenten 7 (Hydroaggregat) und 9 (Scheibenbremsen), eine elektromechanische Trommelbremse 6 und einen Generator 2, der im Rekuperationsbetrieb zugeschaltet werden kann. Jedes der Teil-Bremssysteme ist mit einer zentralen Steuereinheit 1 verbunden, die die Höhe der Anteile der einzelnen Teil-Bremssysteme am Gesamt-Bremsmoment bestimmt und die Teil- Bremssysteme entsprechend steuert bzw. regelt. Das Steuergerät 1 umfasst hierzu eine spezielle Software 8 (Koordinator).
Bei einem Bremsvorgang, wie er beispielhaft in den 1 bis 6 dargestellt wurde, wird zunächst die gewünschte Soll-Verzögerung bzw. eine dazu proportionale Größe ermittelt. Hierzu ist eine Sensorik 5, wie beispielsweise ein Pedalwertgeber, vorgesehen, der den Fahrerwunsch in Form einer Sollgröße, wie z. B. eines Soll-Moments M_soll oder einer Soll-Verzögerung a_soll an das Steuergerät 1 ausgibt. Bei einer automatisch initiierten Bremsung, wie sie z. B. von einem Bremsassistenz-System angefordert werden kann, wird die Sollgröße z. B. von einem anderen Steuergerät (nicht gezeigt) bereitgestellt. Der Koordinations-Algorithmus entscheidet dann, welcher Anteil des Gesamt-Bremsmoments jeweils von den einzelnen Teil-Bremssystemen 6, 9, 2 bewirkt und ob gegebenenfalls ein regenerativer Bremsvorgang unter Beteiligung des Generators 2 durchgeführt werden soll.
Der Anteil R, E, H ist abhängig von der aktuellen Fahrsituation, dem gewünschten Gesamt-Bremsmoment und – bei regenerativem Bremsen – der Aufnahmefähigkeit des elektrischen Bordnetzes, insbesondere der Batterie bzw. eines Super-Caps. Die Information über die Art des Bremsvorgangs (mit oder ohne Schlupfregelung) wird dem Steuergerät 1 von einem externen ESP- bzw. ABS-Steuergerät 10 zugeführt. Der aktuelle Ladezustand bzw. die Aufnahmefähigkeit der Batterie 4 wird dem Steuergerät von einer Batterie-Zustandserkennungseinrichtung zugeführt.
Der Betriebszustand des Generators 2 und insbesondere die abgegebene Wirkleistung werden mittels eines Pulswechselrichters 3 (PWR) eingesellt.
8 zeigt ein Beispiel einer kombinierten hydraulisch/elektrischen Bremse, die auch als DIH-Bremse (DIH: drum in had) bezeichnet wird. Die DIH-Bremse umfasst eine hydraulische Scheibenbremse mit einer Bremsscheibe 11 und Bremsbacken 15, die beispielsweise nach dem Schwimmsattelprinzip arbeiten können.
Die dargestellte Bremse umfasst ferner eine elektromechanische Trommelbremse, die hier insgesamt mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet ist. Die elektromechanische Trommelbremse 6 umfasst Bremsbacken 13, die mittels eines elektrischen Antriebs 14 betätigt werden. Die Bremsbacken 13 wirken mit der Reibfläche einer Bremstrommel 12 zusammen, die als bauliche Einheit mit der Bremsscheibe 11 verbunden ist.
Die elektromechanische Trommelbremse 6 wird vorzugsweise auch als automatische Parkbremse genutzt.

Claims

Verfahren zum regenerativen Bremsen eines Fahrzeugs, bei dem eine Sollgröße (M_soll, a_soll), die ein gewünschtes Gesamt-Bremsmoment repräsentiert, ermittelt und anteilig auf wenigstens eine elektromechanische Bremsvorrichtung (6) und einen Generator (2) verteilt wird, die jeweils einen Anteil (H, E, R) des Gesamt-Bremsmoments umsetzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil (E) der elektromechanischen Bremsvorrichtung (6) abhängig vom Anteil (R) des Generators (2) moduliert wird, um Schwankungen des Generator-Anteils (R) zu kompensieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil (E) der elektromechanischen Bremsvorrichtung (6) zumindest in einer Endphase (t₁) eines Bremsvorgangs geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil (E) der elektromechanischen Bremsvorrichtung (6) während des gesamten Bremsvorgangs (t₀) geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine hydraulische oder pneumatische Bremsvorrichtung (7, 9) aufweist, die ebenfalls einen Anteil (H) am Gesamt-Bremsmoment bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische bzw. pneumatische Anteil (H) auf einen vorgegebenen konstanten Wert begrenzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der generatorische Anteil (R) bei Auftreten einer fahrdynamischen Grenzsituation reduziert und vorzugsweise ganz auf Null zurückgefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische bzw. pneumatische Anteil (H) bei Auftreten einer fahrdynamischen Grenzsituation konstant gehalten und der elektromechanische Anteil (E) moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Anteil (E) bei Auftreten einer fahrdynamischen Grenzsituation konstant gehalten und der hydraulische bzw. pneumatische Anteil (H) moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Auftreten einer fahrdynamischen Grenzsituation der elektromechanische Anteil (E) als auch der hydraulische bzw. pneumatische Anteil (H) geregelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der gewünschten Gesamtverzögerung (M_soll, a_soll) auf die einzelnen Bremssysteme (2, 6, 7, 9) mittels eines Koordinators (8) durchgeführt wird.
Steuergerät, umfassend Mittel zum Durchführen eines der vorhergehend beanspruchten Verfahren.