DE102007010188A1

DE102007010188A1 - Optimiertes Rekuperationsverfahren für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102007010188A1
Application number: DE102007010188A
Authority: DE
Inventors: Matthias Leiblein; Andreas Tost
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-09-04
Also published as: WO2008107212A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rückgewinnen elektrischer Energien in einem Fahrzeug mittels einer elektrischen Maschine (20), wobei das Fahrzeug eine hydraulische Bremsanlage (17) mit mehreren Bremskreisen (19a, 19b) umfasst. Im Rekuperationsbetrieb kann ein Maximum an elektrischer Energie zurückgewonnen werden, wenn bei einem Bremsvorgang der Bremswunsch ermittelt, abhängig vom Bremswunsch wenigstens ein Bremskreis (19a, 19b) vom Haupt-Bremszylinder 4 abgesperrt und die elektrische Maschine (20) so betrieben wird, dass insgesamt das gewünschte Bremsmoment (M<SUB>Bsoll</SUB>) erzielt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rückgewinnen elektrischer Energie in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Steuergerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Um den Wirkungsgrad von Fahrzeugen zu steigern, ist es bekannt, die bei einem Bremsvorgang frei werdende kinetische Energie mittels eines Generators in elektrische Energie zu wandeln (so genannte Rekuperation). Die so gewonnene elektrische Energie wird in einem Energiespeicher, wie z. B. in einer Batterie oder einem Super-Cap gespeichert und kann in anderen Fahrsituationen zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Versorgung elektrischer Verbraucher genutzt werden. Der Wirkungsgrad des Fahrzeugs kann dadurch erheblich gesteigert werden. Bei Hybrid-Fahrzeugen wird üblicherweise die elektrische Maschine genutzt, die in einer Verzögerungsphase als Generator betrieben wird. Aber auch bei Fahrzeugen ohne Hybridantrieb kann der herkömmliche Fahrzeuggenerator zur Rückgewinnung elektrischer Energie genutzt werden (Mikro-Hybrid).
Im Rekuperationsbetrieb wird üblicherweise versucht, ein Maximum an Energie zurück zu gewinnen. Die Menge der vom Generator erzeugbaren Leistung ist jedoch anhängig von der Aufnahmefähigkeit des elektrischen Netzes und der Generator-Drehzahl. Die Energie, die vom Generator in das Bordnetz gespeist werden kann, ist daher sehr variabel. Im Rekuperationsbetrieb erzeugt der Generator ein Brems- bzw. Schleppmoment, das im Wesentlichen von der abgegebenen elektrischen Leistung abhängig ist. Das vom Generator erzeugte Bremsmoment ist daher auch sehr unstetig. Wenn der Fahrer die Betriebsbremse betätigt und die elektrische Maschine im Rekuperationsbetrieb zugeschaltet ist, variiert somit auch das Bremsverhalten des Fahrzeugs entsprechend. Dieses unstetige Verhalten kann das Bremsverhalten des Fahrzeugs erheblich beeinträchtigen und im schlimmsten Fall die Fahrsicherheit gefährden.
Hybrid-Fahrzeuge mit einer herkömmlichen hydraulischen oder pneumatischen Bremsanlage (bei der ein mechanischer Durchgriff zwischen dem Bremspedal und den einzelnen Radbremsen besteht) sind daher meist so ausgelegt, dass während der Rekuperation nur ein sehr geringer Betrag an Energie zurück gewonnen wird, um den Einfluss des Generators gering zu halten. Dies hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass die vom Generator erzeugbare Leistung nicht voll ausgenutzt und somit der Wirkungsgrad des Fahrzeugs nur wenig verbessert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad des Fahrzeugs weiter zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, bei einem Bremsvorgang, abhängig vom Bremswunsch des Fahrers, wenigstens eine der Radbremsen vom Hautbremszylinder abzusperren, so dass diese nicht bzw. nicht weiter mit Druck beaufschlagt werden kann. Derjenige Anteil am Gesamt-Bremsmoment, den die hydraulische Bremsanlage nun weniger ausübt, wird erfindungsgemäß von der elektrischen Maschine kompensiert. Die elektrische Maschine wird in diesem Fall derart angesteuert, dass sie ein höheres Bremsmoment erzeugt und insgesamt das vom Fahrer gewünschte Bremsmoment erreicht wird. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die elektrische Maschine insbesondere bei Bremsvorgängen mit geringer Verzögerung wesentlich stärker beteiligt werden und somit mehr elektrische Leistung zurück gewonnen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden nicht nur einzelne Radbremsen, sondern wenigstens ein gesamter Bremskreis vom Hauptbremszylinder abgetrennt.
Bezüglich des Absperrens von Bremskreisen sind im Wesentlichen drei Bremssituationen zu unterscheiden. Bei schwachen Bremsvorgängen, bei denen das vom Fahrer gewünschte Bremsmoment kleiner ist als das von der elektrischen Maschine maximal erzeugbare Schleppmoment, kann das gesamte Soll-Bremsmoment von der elektrischen Maschine erzeugt werden. In diesem Fall ist es möglich, sämtliche Bremskreise der Bremsanlage abzusperren und nur rein "elektrisch" zu bremsen. In diesem Fall wird also zunächst entschieden, ob das gewünschte Bremsmoment kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert, und falls ja, sämtliche Bremskreise abgesperrt. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die elektrische Maschine in maximalem Umfang genutzt werden kann, um elektrische Leistung zu erzeugen.
Bei mittelstarken Bremsvorgängen, bei denen das gewünschte Bremsmoment größer ist als das von der elektrischen Maschine maximal erzeugbare Schleppmoment, wird vorzugsweise wenigstens ein Bremskreis, aber weniger als alle Bremskreise abgesperrt. In diesem Fall übernimmt die hydraulische Bremsanlage einen Teil des gesamten Soll-Bremsmoments; der andere Teil wird von der elektrischen Maschine übernommen. Die elektrische Maschine wird dabei derart betrieben, dass insgesamt das gewünschte Soll-Bremsmoment erreicht wird.
Bei starken Bremsvorgängen, insbesondere Notbremsungen, bei denen der Bremswunsch eine vorgegebene hohe Schwelle überschreitet, wird aus Sicherheitsgründen vorzugsweise kein Bremskreis abgesperrt. Die hydraulische Bremsanlage arbeitet somit in vollem Umfang und wird durch den Generator unterstützt.
Damit sich das für den Fahrer gewohnte Pedalgefühl nicht ändert, wenn ein oder mehrere Bremskreise abgesperrt sind, ist vorzugsweise ein Pedalsimulator vorgesehenen, wie er beispielsweise aus verschiedenen Patentanmeldungen der Anmelderin bereits bekannt ist. Ein bestimmter Pedalweg bzw. eine bestimmte Pedalkraft entspricht damit immer einer vorgegebenen Verzögerung des Fahrzeugs.
Wenn im Rahmen eines Bremsvorgangs das gewünschte Bremsmoment steigt, weil der Fahrer beispielsweise die Bremse noch stärker betätigt, wird ein Bremskreis (bzw. eine Bremse), der (die) bislang abgesperrt war, vorzugsweise wieder geöffnet. Zunächst wird erfindungsgemäß versucht, den zusätzlichen Verzögerungswunsch mittels des Generators umzusetzen. Wenn dies nicht möglich ist, wird vorzugsweise wieder die hydraulische Bremsanlage zugeschaltet. Dadurch wird sichergestellt, dass das Fahrzeug in jedem Fall dem geforderten Verzögerungswunsch folgt.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann der Rad-Bremsdruck bei gleich bleibendem oder abnehmendem Verzögerungswunsch zugunsten des Generators reduziert werden. Dies ist insbesondere bei längeren Bremsvorgängen mit konstanter Verzögerung von Vorteil. In einer solchen Fahrsituation wird z. B. ein Auslassventil der betreffenden Radbremse geöffnet, um Druck abzubauen. Dadurch reduziert sich der Beitrag der hydraulischen Bremsanlage am Gesamt-Bremsmoment. Dieser Anteil kann wieder von der elektrischen Maschine übernommen und somit mehr Energie zurück gewonnen werden.
Zur Durchführung dieses Verfahrens sind verschiedene Stellglieder der Bremsanlage, insbesondere Einlass- und Auslassventile mit einem Steuergerät verbunden, das den Bremsvorgang überwacht und steuert. Dieses Steuergerät ist vorzugsweise auch mit einem Generatorregler und/oder einem Umrichter, wie z. B. einem PWR (Pulswechselrichter) verbunden, der die vom Generator ausgegebene Wirkleistung regelt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung verschiedener Komponenten, die zum Gesamt-Bremsmoment beitragen;
2 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Bremsanlage, bei der beide Bremskreise abgekoppelt sind;
3 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Bremsanlage, bei der ein Bremskreis abgekoppelt ist;
4 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Bremsanlage, bei der beide Bremskreise abgekoppelt sind, der Bremsdruck jedoch an beiden Bremskreisen abgebaut wird; und
5 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Bremsanlage, bei der ein Bremskreis abgekoppelt ist, der Bremsdruck jedoch abgebaut wird.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung von Fahrzeug-Komponenten, die bei einem Bremsvorgang einen Beitrag zum Gesamt-Bremsmoment liefern. Dabei bezeichnet das Bezugszeichen 17 die hydraulische Bremsanlage, 20 eine elektrische Maschine und 21 den Verbrennungsmotor einschließlich Antriebsstrang. Die elektrische Maschine 20 erzeugt im Schubbetrieb, d. h. beim Ausrollen oder Bremsen des Fahrzeugs ein generatorisches Schleppmoment, das das Fahrzeug verzögert. Die Bremsanlage 17 wirkt über die Radbremsen, und der Verbrennungsmotor 21 über Reibungskräfte und Trägheit verzögernd auf das Fahrzeug.
Sämtliche Bremsmomente M_VM, M_G und M_B ergeben zusammen ein Gesamt-Bremsmoment M_BG.
2 zeigt eine im Wesentlichen bekannte hydraulische Bremsanlage 17, die zur Durchführung einer Fahrdynamikregelung (z. B. ESP) ausgelegt ist. Die Bremsanlage umfasst zwei Bremskreise 19a, 19b, die z. B. in X- oder II-Aufteilung angeordnet sein können.
Die Bremsanlage umfasst ferner ein Fuß-Bremspedal 1, einen Bremskraftverstärker 2 mit integriertem Pedalsimulator und einen Hauptbremszylinder 4, auf dem ein Bremsflüssigkeitsbehälter 3 angeordnet ist. Bei einer Betätigung des Fuß-Bremspedals 1 wird in den Hauptbremsleitungen 5a, 5b ein Bremsdruck erzeugt, der über ein Umschaltventil 8a, 8b und ein Einlassventil 10a–10d auf die Bremsbacken 11 der Räder wirkt. Der Pfad, in dem sich bei Betätigung des Fuß-Bremspedals 1 Druck aufbaut, ist durch Pfeile b gekennzeichnet. Ein Hochdruckschaltventil 7a, 7b ist in diesem Zustand geschlossen.
Bei einem Eingriff einer Fahrdynamikregelung wird der Bremsdruck automatisch aufgebaut und auf vorgegebene Bremsen 11,12 verteilt. Die Bremsanlage 17 umfasst zu diesem Zweck eine Hydraulikpumpe 9a, 9b, die von einem Steuergerät (nicht gezeigt) entsprechend angesteuert wird. Die Hydraulikpumpe 9a, 9b fördert das Hydraulikfluid dann entlang der Pfade a zu den Bremsbacken 11. Das Hydraulikfluid strömt in diesem Fall aus dem Bremsflüssigkeitsbehälter 3, durch die Hauptbremsleitung 5a bzw. 5b, das Hochdruckschaltventil 7a, 7b, eine Ansaugleitung 6a, 6b, durch die Hydraulikpumpe 9a, 9b und weiter durch die Einlassventile 10a–10d zu den Bremsbacken 11. Die Modulation des Bremsdrucks erfolgt mittels der Einlassventile 10a–10d und der Auslassventile 13a–13d, wobei kurzzeitige Druckspitzen in einen Ausgleichsbehälter 14a, 14b gepuffert werden.
Bei einem Bremsvorgang mit einer herkömmlichen Bremsanlage würden die Radbremsen 11 aktiv werden, sobald der Fahrer am Fuß-Bremspedal einen bestimmten Druckpunkt überwunden hat. Die Radbremsen 11,12 würden somit, auch wenn der Fahrer das Fuß-Bremspedal 1 nur sehr schwach betätigt, einen Beitrag zum Gesamt-Bremsmoment M_G liefern. Um dies zu vermeiden wird hier, wenn ein Bremswunsch erkannt wurde, das hydraulische Bremsmoment zugunsten des Generators 20 reduziert. Zu diesem Zweck wird wenigstens einer der Bremskreise 19a, 19b vom Hauptbremszylinder 4 abgetrennt.
2 zeigt einen Zustand der Bremsanlage bei einer sehr schwachen Bremsung, bei der das vom Fahrer am Pedal 1 vorgegebene Soll-Bremsmoment vollständig mittels der elektrischen Maschine 20 umgesetzt werden kann. Beide Bremskreise 19a, 19b sind in diesem Zustand vom Haupt-Bremszylinder 4 entkoppelt. Dies ist daran zu erkennen, dass sämtliche Einlassventile 10a–10d geschlossen sind und somit kein Druckaufbau an den Radbremsen 11, 12 erfolgen kann. Die Einlassventile 10a–10d werden von einem Steuergerät (nicht gezeigt) entsprechend angesteuert.
Die elektrische Maschine 20 wird in diesem Zustand derart betrieben, dass das geforderte Gesamtbremsmoment größtenteils vom Generator bewirkt wird. Der Generatorregler und/oder ein Umrichter werden in diesem Fall entsprechend betrieben.
Durch das Schließen der Einlassventile 10a–10d würde sich das Pedalgefühl für den Fahrer stark verändern und vergleichsweise hart werden, da ein großer Teil des Bremssystems abgeriegelt ist. Um zu vermeiden, dass sich das Bremsverhalten aus Sicht des Fahrers ändert, ist hier ein Pedalsimulator im Bremskraftverstärker 2 integriert, der das unterschiedliche Verhalten der Bremsanlage 19 kompensiert.
3 zeigt einen Zustand der Bremsanlage 19 für den Fall einer mittelstarken Bremsung. In diesem Fall kann das vom Fahrer gewünschte Bremsmoment nicht mehr vollständig vom Generator 20 umgesetzt werden; es handelt sich jedoch auch nicht um eine Notbremsung.
In diesem Zustand ist nur der linke Bremskreis 19a abgesperrt, wie an der Stellung der Einlassventile 10a, 10b zu erkennen ist. Die Einlassventile 10c, 10d des rechten Bremskreises 19b sind dagegen geöffnet. Das vom Fahrer geforderte Bremsmoment wird somit teilweise vom Generator 20 und teilweise durch die hydraulische Bremsanlage (hier Bremskreis 19b) umgesetzt. Der im Bremskraftverstärker 2 integrierte Pedalsimulator sorgt wiederum für ein stetiges Bremsverhalten.
4 zeigt einen Zustand der Bremsanlage ähnlich 2. Die Einlassventile 10a–10d sind wiederum alle geschlossen und sämtliche Bremsen 11, 12 vom Hauptbremszylinder 4 abgekoppelt. Im Unterschied zu 2 sind jedoch die Auslassventile 13a–13d geöffnet, so dass sich der an den Bremsen 11, 12 wirkende Bremsdruck abbauen kann. Dies kann beispielsweise in Situationen sinnvoll sein, in denen das Fahrzeug von einer hohen Geschwindigkeit mit konstanter Verzögerung heruntergebremst wird. Mit abnehmender Fahrzeug-Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Generators 20 kann dieser mehr elektrische Leistung erzeugen. Die Verteilung des gewünschten Soll-Bremsmoments zwischen Generator 20 und Bremsanlage 17 wird in diesem Fall zugunsten des Generators 20 verschoben. Dabei wird der an den Bremsen 11, 12 wirkende Bremsdruck abgebaut und gleichzeitig das Generator-Bremsmoment erhöht. Auf diese Weise kann mehr Energie zurück gewonnen werden.
Gemäß der Erfindung werden im Rahmen dieses Verfahrens der Fahrer-Bremswunsch und die Generator-Drehzahl (oder eine proportionale Größe) überwacht. Wenn diese Größen eine vorgegebene Bedingung erfüllen, wird wenigstens eines der Auslassventile 13a–13d geöffnet. In dem Maße, in dem der Beitrag des zugehörigen Bremskreises 19a abnimmt, wird der Beitrag des Generators 20 erhöht. Diese Prozedur wird von einem Steuergerät (nicht gezeigt) überwacht und gesteuert.
5 zeigt einen Zustand der Bremsanlage 17 ähnlich 3. In diesem Zustand ist wiederum der Bremskreis 19a entkoppelt und der andere 19b aktiv. Dies ist an der Stellung der Einlassventile 10a–10d zu erkennen.
Die Auslassventile 13a, 13b sind geöffnet, so dass sich der an den Bremsen 11, 12 anliegende Bremsdruck langsam abbaut. In dem Maße, in dem der Beitrag des Bremskreises 19a abnimmt, wird der Beitrag des Generators 20 wiederum erhöht. Somit kann mehr elektrische Leistung zurück gewonnen werden.

Claims

Verfahren zum Rückgewinnen elektrischer Energie in einem Fahrzeug mittels einer elektrischen Maschine (20), wobei das Fahrzeug eine hydraulische Bremsanlage (17) mit mehreren Radbremsen (10, 11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – bei einem Bremsvorgang wenigstens eine der Radbremsen (10, 11) mittels eines Ventils (10a–10d) abgesperrt, und – die elektrische Maschine (20) so betrieben wird, dass das fehlende Bremsmoment der Bremsanlage (17) von der elektrischen Maschine (20) kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Bremskreise (19a, 19b) abgesperrt werden, wenn das Soll-Bremsmoment (M_Bsoll) kleiner ist als ein vorgegebener erster Schwellenwert (SW1).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein, aber weniger als alle Bremskreise (19a, 19b) abgesperrt werden, wenn das Soll-Bremsmoment (M_Bsoll) größer ist als der erste Schwellenwert (SW1),.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass keiner der Bremskreis (19a, 19b) abgesperrt wird, wenn das Soll-Bremsmoment (M_Bsoll) größer ist als ein vorgegebener zweiter Schwellenwert (SW2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Zunahme des Soll-Bremsmoments (M_Bsoll) während des Bremsvorgangs die wenigstens eine abgesperrte Radbremse (10, 11) wieder geöffnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Bremsvorgangs mit abnehmendem oder gleich bleibendem Soll-Bremsmoment (M_Bsoll) der an einer Radbremse (10, 11) wirkende Bremsdruck reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Bremskreis (19a, 19b) angeordnetes Auslassventil (13) geöffnet wird, um den an der Radbremse (11) wirkenden Bremsdruck zu reduzieren.
Steuergerät, gekennzeichnet durch Mittel zum Durchführen eines der vorstehend genannten Verfahren.