DE102008024622A1

DE102008024622A1 - Triebstrangstruktur bei Hybrid-Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE102008024622A1
Application number: DE102008024622A
Authority: DE
Inventors: Norbert Weiss; Bernd Dr. Wolgast; Stefan Wohlenberg
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: DE102008024622B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Darstellen eines Summenradmomentes durch Momentquellen einer Triebstrangstruktur eines Hybrid-Kraftfahrzeugs bzw. einer derartigen Triebstrangstruktur, weist die Triebstrangstruktur ein Getriebe, eine Elektromaschine, eine Brennkraftmaschine und eine Bremsanlage auf, und es wird aus einer Sollbeschleunigung eines Fahrerassistenzsystems mittels eines fahrdynamischen Modells ein Summenradmoment für den Vortrieb bzw. für eine Verzögerung berechnet. Dabei wird ein negatives Summenradmoment durch eine Überlagerung des Motorschleppmoments, des Bremsmoments der Elektromaschine und des Bremsmoments der Bremsanlage dargestellt, wobei das Bremsmoment der Bremsanlage erst dann angefordert wird, wenn das Bremsmoment der Elektromaschine zur Darstellung des Summenradmoments nicht ausreichend ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Darstellen eines Summenradmomentes durch die in einer Triebstrangstruktur eines Hybrid-Kraftfahrzeugs vorhandenen Momentquellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Triebstrangstruktur eines Hybrid-Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Bei einer herkömmlichen Triebstrangstruktur eines Kraftfahrzeugs, wie sie zusammen mit einem adaptiven Fahrtregelungssystem, auch als adaptiv Cruise Control ACC bezeichnet, verwendet wird, wird aus einer von einem ACC-Sensor an das Motorsteuergerät gesendeten Sollbeschleunigung unter Berücksichtigung der Fahrdynamik des Fahrzeugs ein Summenradmoment für den Vortrieb bzw. die Verzögerung berechnet. Im Fall einer Anforderung eines negativen Summenradmoments, d. h. einer Verzögerung, kann der Motor als minimales Verzögerungsmoment sein Schlepp- bzw. Reibmoment an der Kurbelwelle einstellen. Radmomente, die negativer als dieses Schleppmoment des Motors gegebenenfalls multipliziert mit der Gesamtübersetzung angefordert werden, können nur über die hydraulische Bremse aufgebracht werden.
Ein derartiges System ist der DE 101 38 620 A1 zu entnehmen, die ein adaptives Fahrtregelungssystem und eine ACC-Beschleunigungsschnittstelle eines Kraftfahrzeugs mit konventionellem Triebstrang beschreibt. Aus einer Eingangsgröße Sollbeschleunigung werden die notwendigen Stellgrößen für die Antriebsmaschine und die Bremsanlage des Kraftfahrzeugs ermittelt, wobei zur Ermittlung dieser Stellgrößen unter Verwendung eines Modells der Fahrzeuglängsdynamik ein der Sollbeschleunigung entsprechendes Summenradmoment berechnet wird.
Hybrid-Kraftfahrzeuge zeichnen sich durch eine weitere Momentenquelle im Triebstrang aus, wobei die weitere Momentenquelle durch eine Elektromaschine gebildet wird, die sowohl als Motor als auch als Generator arbeiten kann. Unterschieden wird bei den Hybrid-Fahrzeugen zwischen Mild-Hybrid-Fahrzeugen und Voll-Hybrid-Fahrzeugen. Dabei dient die Elektromaschine des Mild-Hybrid-Fahrzeugs zum Unterstützen des Fahrens durch die Brennkraftmaschine, während beim Voll-Hybrid-Fahrzeug ein elektrisches Fahren nur mit der Elektromaschine vorgesehen ist. Beide Varianten werden derzeit bereits als Serienfahrzeuge angeboten oder sind als Prototypen in der Erprobung. Gemeinsam ist, dass ein Rekuperieren von Bremsenergie möglich ist. Werden Triebstränge eines Hybridfahrzeuges mit einem Fahrerassistenzsystem, beispielsweise einem ACC-System, verwendet, so erfolgt die Abstimmung der Triebstrangstruktur auf Anforderungen eines ACC-Fahrerassistenzsystems derzeit in einer suboptimalen Weise, d. h. es wird die bekannte Abstimmung des ACC-Systems mit einer herkömmlichen Triebstrangstruktur auf die Abstimmung des Hybrid-Systems übertragen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Triebstrangstruktur für ein Hybridfahrzeug zu schaffen, wobei ein seitens eines Fahrerassistenzsystems angefordertes Summenradmoment durch die Momentquellen des Triebstrangs so dargestellt wird, dass ein verbessertes Abstimmung der Triebstrangstruktur auf das Fahrerassistenzsystem erzielt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Triebstrangstruktur eines Hybrid-Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 5 sowie durch ein Hybrid-Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Darstellen eines Summenradmomentes durch die in einer Triebsstrangstruktur eines Hybrid-Kraftfahrzeugs vorhandenen Momentquellen, wobei die Triebstrangstruktur ein Getriebe, eine Elektromaschine, eine Brennkraftmaschine und eine Bremsanlage aufweist, und wobei aus einer Sollbeschleunigung eines Fahrerassistenzsystems mittels eines fahrdynamischen Modells ein Summenradmoment für den Vortrieb bzw. für eine Verzögerung berechnet wird, wird ein negatives Summenradmoment durch eine Überlagerung des Motorschleppmoments der Brennkraftmaschine, des Bremsmoments der Elektromaschine und des Bremsmoments der Bremsanlage dargestellt, wobei das Bremsmoment der Bremsanlage erst dann angefordert wird, wenn das Bremsmoment der Elektromaschine zur Darstellung des Summenradmoments nicht ausreichend ist.
Vorzugsweise wird das negative Summenradmoment von dem Schleppmoment der Brennkraftmaschine bereitgestellt wird, wenn das Summenradmoment kleiner oder gleich dem Schleppmoment bzw. dem Schleppmoment multipliziert mit der Gesamtübersetzung ist. Dies wird insbesondere bei der Variante der Mild-Hybrid-Fahrzeuge eingesetzt.
Weiter bevorzugt wird, dass das negative Summenradmoment von dem Bremsmoment der Elektromaschine bereitgestellt wird, wenn der Betrag des negativen Summenradmoment kleiner oder gleich dem Bremsmoment der Elektromaschine ist. Dies bedingt das Vorhandensein einer Trennkupplung, um die Brennkraftmaschine vom Antriebsstrang abkoppeln zu können und kommt daher bei der Variante Voll-Hybrid-Fahrzeug zum Einsatz.
Vorzugsweise ist das Fahrerassistenzsystem durch ein ACC-System, d. h. ein adaptives Fahrregelungssystem, und/oder ein GRA+-System, d. h. eine Geschwindigkeitsregelanlage mit Bremseingriff.
Bei der erfindungsgemäßen Triebstrangstruktur bei Hybridkraftfahrzeugen zur Durchführung des oben erläuterten Verfahrens, weist die Triebstrangstruktur eine Brennkraftmaschine, eine Elektromaschine, eine Bremsanlage, ein Getriebe, einen Triebstrangkoordinator zur Berechnung des Summenradmoments und zur Umsetzung des Summenradmoments durch die Momentquellen Brennkraftmaschine, Elektromaschine und Bremsanlage auf, wobei der Triebstrangkoordinator das Summenradmoment aufgrund der Übermittlung einer Sollbeschleunigung durch ein Fahrerassistenzsystem berechnet, und der Triebstrangkoordinator bei einem negativen Summenradmoment das Bremsmoment der Bremsanlage erst dann anfordert, wenn das Bremsmoment der Elektromaschine das Summenradmoment nicht darstellen kann.
Vorzugsweise weist die Triebstrangstruktur eine Trennkupplung zur Abtrennung der Brennkraftmaschine vom Antriebsstrang auf. Mit dieser Trennkupplung kann dann vorteilhafterweise die Brennkraftmaschine vom Antriebstrang genommen werden, so dass die Anforderung negativer Radmomente innerhalb eines gewissen Bereichs vollständig von der in diesem Bereich als Generator arbeitenden Elektromaschine abgedeckt werden kann, was zu einer optimalen Rekuperation der Bremsenergie führt.
Weiter bevorzugt weist der Triebstrangkoordinator eine Einheit zur Berechnung des Summenradmoments und eine Koordinationseinheit zur Umsetzung des Summenradmoments durch die Momentquellen auf. in einer bevorzugten Ausführungsform wird der Triebstrangkoordinator bzw. dessen beiden Bestandteile in dem Motorsteuergerät realisiert.
In der neuen Triebstrangstruktur von Hybrid-Fahrzeugen bzw. dem oben erläuterten Verfahren wird das Rekuperationsvermögen und damit das Aufbringen von negativen Radbremsmomenten bei Fahrerassistenzsystemen optimal ausgenutzt. Werden von dem Fahrerassistenzsystem wie beispielsweise einen ACC-System (ACC = Adaptive Cruise Control) negative Beschleunigungen und damit negative Radmomente angefordert, so wird zunächst der Verbrennungsmotor in den Schubbetrieb gebracht und, falls technisch vorgesehen, vom Antriebsstrang über eine Trennkupplung getrennt, wie sie bei Voll-Hybriden vorhanden ist. Unter Berücksichtigung der Grenzen des elektrischen Energiesystems, mit anderen Worten des maximalen und minimalen Elektromaschinenmoments, wird ein negatives Elektromaschinenmoment von der Leistungselektronik angefordert. Erst wenn die negative Grenze des möglichen Elektromaschinenmoments weiter überschritten wird, wird das restliche Bremsmoment von der Bremsanlage, d. h. der hydraulischen Bremse, aufgebracht.
Da gerade bei einem ACC-System im Folgebetrieb, d. h. das Eigenfahrzeug folgt einem vorausfahrenden Fahrzeug, häufig nur geringe Verzögerungen angefordert werden, kann besonderes komfortabel mit dem Elektromaschinenmoment gebremst werden. Da die Elektromaschine im Bremsfall als Generator wirkt, kann die in der Batterie der Elektromaschine rekuperierte Energie des Bremsvorgangs später zum elektrischen Fahren oder Boosten bei Volllastbeschleunigungen eingesetzt werden. Damit erfolgt eine optimale Rekuperierung der notwendigen Bremsenergie und deren Speicherung in der Batterie der Elektromaschine.
Ein erfindungsgemäßes Hybrid-Kraftfahrzeug weist die oben erläuterte Triebstrangstruktur sowie ein adaptives Fahrtregelungssystem zur Abstands- und Geschwindigkeitsregelung, d. h. ein ACC-System, und/oder eine Geschwindigkeitsregelanlage mit Bremseingriff, d. h. ein GRA+-System, auf.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
1 eine herkömmliche Treibstrangstruktur,
2 eine erfindungsgemäße Triebstrangstruktur einer Hybrid-Kraftfahrzeugs, und
3 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Momentenüberlagerung in dm Triebstrang eines Hybridfahrzeugs.
1 zeigt eine herkömmliche Triebstrangstruktur eines Kraftfahrzeugs. Ein ACC-System 1 fordert über einen nicht dargestellten CAN-Bus eine Sollbeschleunigung a_soll bei der Triebstrangstruktur an, wobei die Sollbeschleunigung a_soll einer Beschleunigung oder eine Verzögerung sein kann. Aus der Sollbeschleunigung a_soll ermittelt eine Berechnungseinheit 2 zur Berechnung eines Summenradmoments mittels eines Fahrzeugmodells, das durch fahrdynamische Gleichungen realisiert ist, das der angeforderten Sollbeschleunigung a_soll entsprechende Summenradmoment M_Rad und übergibt den errechneten Wert einer Koordinationseinheit 3, die zur Darstellung des Summenradmoments M_Rad durch die Momentenquellen Brennkraftmaschine 4 sowie Bremsanlage 5 dient. Dabei wird die Berechnungseinheit 2 und die Koordinationseinheit zur Vereinfachung als Triebstrangkoordinator bezeichnet und ist üblicherweise im Motorsteuergerät realisiert. Die Koordinationseinheit 3 fordert daher das entsprechende Motormoment M_M von der Momentenquelle Brennkraftmaschine und gegebenenfalls das Bremsmoment M_B von der hydraulischen Bremse bzw. Bremsanlage 6 an. Ferner wird die angeforderte Sollbeschleunigung a_soll einem Schaltprogramm 7 zugeführt, welches die geeignete Übersetzung Ü dem Getriebe 5 übermittelt. Diese Übersetzung Ü wird weiter auch der Koordinationseinheit 3 zugeführt, um das entsprechende Motormoment M_M bestimmen zu können.
2 zeigt die erfindungsgemäße Triebstrangstruktur eines Hybridkraftfahrzeugs mit einer weiteren Momentenquelle Elektromaschine. Auch hier fordert ein ACC-System 1 eine Sollbeschleunigung a_soll von der Triebstrangstruktur an. Aus der Sollbeschleunigung a_soll wird durch eine Berechnungseinheit 2 ein dazu notwendiges Summenradmoment M_Rad unter Zugrundelegung eines dynamischen Fahrzeugmodells wie bei der bekannten Triebstrangstruktur nach 1 errechnet. Das errechnete notwendige Summenradmoment M_Rad wird einer Koordinationseinheit 3 zugeführt, die für die Darstellung dieses Radmoments durch das Motormoment M_M der Brennkraftmaschine 4, das Bremsmoment M_B der hydraulische Bremsanlage 6 sowie das Elektromaschinenmoment M_EL der Elektromaschine 8 sorgt.
Weiterhin wird die angeforderte Sollbeschleunigung a_soll einem Schaltprogramm 7 zugeführt, die eine geeignete Übersetzung Ü für das Getriebe 5 auswählt. Die Übersetzung wird ferner der Koordinationseinheit 3 zur Bestimmung entsprechender Momente zugeführt.
Zum Betrieb der Elektromaschine 8 wird eine Leistungselektronik 9 sowie eine Batterie 10 benötigt. Aus der Batterie kann ein minimaler Strom I_min und eine maximaler Strom I_max entnommen bzw. im Generatorbetrieb zugeführt werden, was zu einem minimalen Elektromaschinenmoment M_min und zu einem maximalen Elektromaschinenmoment M_max führt. Letztere minimalen und maximalen Elektromaschinenmomente M_min und M_max werden ebenfalls der Koordinationseinheit 3 zur Bestimmung notwendiger Moment zugeführt.
3 zeigt eine Prinzipdarstellung der Zusammensetzung bzw. Darstellung eines angeforderten Soll-Radmomentes M_soll(t) als Funktion der Zeit durch die drei vorhandenen Momentenquellen eines Hybrid-Fahrzeugs. Dargestellt ist das Summenradmoment M_Rad über der Zeit t. Dabei ermittelt die in 2 dargestellte Berechnungseinheit 2 zur Berechnung des aus der Beschleunigungsanforderung sich ergebenden Summenradmoments in dem hier beispielhaft dargestellten Fall die Kurve M_soll(t), die den zeitlichen Verlauf des angeforderten Radmoments darstellt. Es ist die Aufgabe der Koordinationseinheit 3, diese Kurve M_soll(t) durch die zur Verfügung stehenden Momentenquellen darzustellen, wobei im Folgenden die Abschnitte zwischen den Übergangspunkten A, B, C, D, E und F erläutert werden.
Im ersten Übergangspunkt A ändert die Soll-Radmomentkurve M_soll(t) ihr Vorzeichen und verläuft ab dem Nullpunktdurchgang A im Negativen. Mit anderen Worten, es wird eine Verzögerung angefordert. Zwischen den Punkten A und B, wobei der zweite Übergangspunkt B das maximal mögliche Schleppmoment SM_max der Brennkraftmaschine wiedergibt, kann das angeforderte Verzögerungsmoment durch das Schleppmoment oder negatives Motormoment M_M der Brennkraftmaschine aufgebracht werden, wie dies bei den Mild-Hybriden der Fall ist. Bei Voll-Hybriden kann auch der Motor durch die vorhandene Trennkupplung vom Antriebsstrang abgetrennt werden und der Verlauf der Soll-Radmomentkurve M_soll(t) kann bereits in diesem Bereich zwischen den Punkten A und B von dem Moment der Elektromaschine M_EM dargestellt werden. Dies hat bei Voll-Hybriden den Vorteil, dass bereits im Bereich zwischen Punkt A und Punkt B ein Rekuperation der Bremsenergie stattfindet.
Zwischen dem zweiten Übergangspunkt B und dem dritten Übergangspunkt C kann das angeforderte Soll-Radmoment M_soll(t) nicht mehr von dem Schleppmoment M_M der Brennkraftmaschine allein dargestellt werden. Daher wird dieser Bereich zwischen A und B entweder durch eine Überlagerung des Schleppmoments M_M der Brennkraftmaschine und des Bremsmoments M_EM der Elektromaschine dargestellt, wie dies bei den Mild-Hybriden der Fall ist, oder bei Voll-Hybriden wird dieser Bereich durch das negative Elektromoment M_EM der Elektromaschine allein dargestellt, da die Brennkraftmaschine durch die Trennkupplung vom Antriebsstrang abgekoppelt ist. In beiden Fällen führt dies zu einer Rekuperation der Bremsenergie, jedoch ist die Rekuperation im Fall der Abtrennung der Brennkraftmaschine vom Antriebsstrang vollständiger.
Am dritten Übergangspunkt C ist die Grenze des maximal darstellbaren negativen Elektromaschinenmoments EM_max erreicht, was durch den zeitlichen Verlauf der Kurve EM_max(t) wiedergegeben ist. Das maximal darstellbare negative Elektromaschinenmoment EM_max(t) ist aufgrund schwankender Batterieleistung zeitlich abhängig. Ab dem dritten Übergangspunkt C muss daher das hydraulische Bremsmoment M_B hinzugeschaltet werden, welches in 3 durch die Kurve M_B(t) dargestellt ist. Eine Superposition des hydraulischen Bremsmoments M_B(t) sowie des durch die Kurve EM_max(t) maximal darstellbaren Elektromaschinenmoments M_EM führt zur Darstellung des angeforderten Sollradmomants M_soll(t) in dem Bereich zwischen den Punkten C und D.
Ab dem vierten Übergangspunkt D wird die Anforderung eines negativen Radmoments wieder durch die Elektromaschine allein oder in Kombination mit dem Schleppmoment der Brennkraftmaschine darstellbar. Ab dem fünften Übergangspunkt E kann beim Mild-Hybrid das Schleppmoment der Brennkraftmaschine allein die Anforderung übernehmen, während beim Voll-Hybriden auch dieser Bereich von der Elektromaschine abgedeckt wird, um eine bessere Rekuperation der Bremsenergie zu erzielen. Der sechste Übergangspunkt F markiert den Übergang zu einer Anforderung eines positiven Soll-Radmoments M_soll(t), d. h. einer Beschleunigung.

1: ACC-System
2: Berechnungseinheit Summenradmoment
3: Koordinationseinheit
4: Brennkraftmaschine
5: Getriebe
6: Bremsanlage
7: Schaltprogramm
8: Elektromaschine
9: Leistungselektronik
10: Batterie
a_soll: ollbeschleunigung
M_rad: Summenradmoment
M_M: Motormoment
M_B: Bremsmoment Bremsanlage
M_EM: Moment Elektromaschine
M_max: maximales Moment Elektromaschine
M_min: minimales Moment Elektromaschine
I_max: maximaler Strom Batterie
I_min: minimaler Strom Batterie
Ü: Übersetzung Triebstrang
M_soll: darzustellendes Sollradmoment
SM_max: maximales Schleppmoment der Brennkraftmaschine
EM_max: maximales negatives Elektromaschinenmoment
A: erster Übergangspunkt
B: zweiter Übergangspunkt
C: dritter Übergangspunkt
D: vierter Übergangspunkt
E: fünfter Übergangspunkt
F: sechster Übergangspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10138620 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Darstellen eines Summenradmomentes durch Momentquellen einer Triebsstrangstruktur eines Hybrid-Kraftfahrzeugs, wobei die Triebstrangstruktur ein Getriebe (5), eine Elektromaschine (8), eine Brennkraftmaschine (4) und eine Bremsanlage (6) aufweist, und wobei aus einer Sollbeschleunigung eines Fahrerassistenzsystems mittels eines fahrdynamischen Modells eine Summenradmoment für den Vortrieb bzw. für eine Verzögerung berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein negatives Summenradmoment durch eine Überlagerung des Motorschleppmoments der Brennkraftmaschine (4), des Bremsmoments der Elektromaschine (8) und des Bremsmoments der Bremsanlage (6) erfolgt, wobei das Bremsmoment der Bremsanlage (6) erst dann angefordert wird, wenn das Bremsmoment der Elektromaschine (8) zur Darstellung des Summenradmoments nicht ausreichend ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das negative Summenradmoment von dem Schleppmoment der Brennkraftmaschine (4) bereitgestellt wird, wenn das Summenradmoment kleiner oder gleich dem Schleppmoment ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das negative Summenradmoment von dem Bremsmoment der Elektromaschine (8) bereitgestellt wird, wenn das Summenradmoment kleiner oder gleich dem Bremsmoment der Elektromaschine (8) ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrerassistenzsystem ein ACC-System (1) und/oder ein GRA+-System aufweist.
Triebstrangstruktur bei Hybridkraftfahrzeugen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche mit einer Brennkraftmaschine (4), einer Elektromaschine (8), einer Bremsanlage (6), einem Getriebe (5), einem Triebstrangkoordinator (2, 3) zur Berechnung des Summenradmoments und zur Umsetzung des Summenradmoments durch die Momentquellen Brennkraftmaschine (4), Elektromaschine (8) und Bremsanlage (6), wobei der Triebstrangkoordinator (2, 3) das Summenradmoment aufgrund der Übermittlung einer Sollbeschleunigung durch ein Fahrerassistenzsystem (1) berechnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebstrangkoordinator (2, 3) bei einem negativen Summenradmoment das Bremsmoment der Bremsanlage (6) erst dann anfordert, wenn das Bremsmoment der Elektromaschine (8) das Summenradmoment nicht darstellen kann.
Triebstrangstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Triebstrangstruktur eine Trennkupplung zur Abtrennung der Brennkraftmaschine (4) vom Antriebsstrang aufweist.
Triebstrangstruktur nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebstrangkoordinator (2, 3) eine Einheit (2) zur Berechnung des Summenradmoments und eine Koordinationseinheit (3) zur Umsetzung des Summenradmoments durch die Momentquellen aufweist.
Triebstrangstruktur nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Elektromaschine (8) durch das Bremsmoment rekuperierte Energie einer Batterie (10) zugeführt wird.
Hybrid-Kraftfahrzeug mit einer Triebstrangstruktur nach einem der Ansprüche 5 bis 8 und mit einem adaptiven Fahrtregelungssystem (1) zur Abstands- und Geschwindigkeitsregelung und/oder einer Geschwindigkeitsregelanlage mit Bremseingriff.