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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Bremsanlage für Kraftfahrzeuge, mit einer
Pumpe zum Fördern
von Bremsflüssigkeit
in eine Bremsdruckleitung, einem an eine Bordspannungsquelle anschließbaren Motor zum
Antrieb der Pumpe, und einer Steuereinrichtung für den Motor.
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Die
Bremsdruckleitung einer solchen Bremsanlage dient dazu, an den einzelnen
Radzylindern den nötigen
Bremsdruck bereitzustellen. An den Radzylindern wird der Bremsdruck
zumeist mit Hilfe von Modulationsventilen, die Signale von einer
ABS- oder ESP-Steuereinrichtung
(Antiblockiersystem bzw. elektronisches Stabilitätsprogramm) erhalten, in Abhängigkeit
von den Dreh- und Schlupfzuständen der
Räder moduliert.
Dabei wird in bestimmten Intervallen Bremsdruck aus der Bremsdruckleitung
in die Radzylinder eingeleitet, der Bremsdruck gehalten oder Bremsflüssigkeit
in einen Sammelbehälter
abgelassen, um den Bremsdruck abzubauen. Die Pumpe hat den Zweck,
die Bremsflüssigkeit
aus dem Sammelbehälter
in die Bremsdruckleitung zurückzufördern, damit
der Bremsdruck in den Radzylindern jederzeit bei Bedarf aufgebaut
werden kann. Der Motor, der diese Pumpe antreibt, wird ebenfalls
von der Steuereinrichtung gesteuert und erhält seine Antriebsenergie von
der Bordspannungsquelle des Fahrzeugs.
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Kraftfahrzeuge
werden heute zunehmend mit aktiven Sicherheitssystemen ausgerüstet, die
mit einer geeigneten Sensorik, beispielsweise mit Radarsensoren,
das Verkehrsumfeld überwachen
und erforderlichenfalls aktiv in die Fahrzeugführung eingreifen, um eine bevorstehende
Kollision möglichst
noch abzuwenden oder zumindest die Folgen der Kollision zu mildern.
Ein Beispiel eines solchen Sicherheitssystems ist ein sogenannten
PEB-System (Predictive Emergency Breaking), mit dem eine aktive
Notbremsung eingeleitet werden kann, wenn von der Sensorik eine
unmittelbare Kollisionsgefahr erkannt wird.
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Ein
aktiver Bremseingriff mit starker Bremsverzögerung (aktive Notbremsung)
darf jedoch erst dann durchgeführt
werden, wenn andere Möglichkeiten
zur Unfallvermeidung, wie etwa ein Ausweichen, nicht mehr möglich sind.
Eine weitere Voraussetzung ist, daß die Bewertung der Verkehrssituation
anhand der Signale der Sensorik eine hohe Plausibilität hat, so
daß mit
hinreichend hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden kann,
daß die
Verkehrssituation zutreffend bewertet wurde und wirklich akute Kollisionsgefahr
besteht. Unter diesen Bedingungen bleibt zur Einleitung und Ausführung der
Notbremsung zumeist nur eine sehr kurze Zeitspanne. Es ist deshalb
wesentlich, daß im
Falle einer solchen Notbremsung der Druck in den Radbremszylindern
sehr schnell aufgebaut werden kann. Mit anderen Worten, es wird
eine hohe Druckaufbaudynamik benötigt,
damit die Bremsen mit möglichst
geringer Verzögerung ihre
maximale Wirksamkeit entfalten können.
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Zur
Verbesserung der Druckaufbaudynamik bzw. zur Verkürzung der
sogenannten Schwellzeiten in Notbremssituationen werden bisher hydraulische Verfahren
eingesetzt, insbesondere eine sogenannte Bremsvorbefüllung. Dabei
wird schon zu einem Zeitpunkt, an dem die Einleitung einer Notbremsung wahrscheinlich
ist, aber die letzte Entscheidung noch nicht getroffen ist, vorbeugend
der Bremsdruck erhöht,
jedoch nur bis zu der Schwelle, bei der tatsächlich eine Bremsverzögerung einsetzt.
Wenn dann wirklich eine Notbremsung ausgelöst werden muß, kann
dann der maximale Bremsdruck schneller erreicht werden.
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Der
Druckaufbau erfolgt mit Hilfe der Pumpe des ESP-Aggregats und/oder
mit Hilfe aktiver Booster.
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Mit
diesen Maßnahmen
läßt sich
jedoch nur eine begrenzte Druckaufbaudynamik erreichen. Bessere
Resultate erreicht man durch den Einsatz von Systemen, bei denen
zusätzlicher
Bremsdruck mit Hilfe von hydraulischen Druckspeichern bereitgestellt werden
kann. Solche Systems sind jedoch sehr teuer und technisch sehr anspruchsvoll.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Bremsanlage zu schaffen, bei der mit
einfachen Mitteln eine höhere
Druckaufbaudynamik erreicht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß zusätzlich zu
der Bordspannungsquelle ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen ist
und daß die
Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, den Motor zeitweise an den
Energiespeicher anzuschließen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Bremsanlage wird
somit eine höhere
Druckaufbaudynamik dadurch erreicht, daß der die Pumpe antreibenden
Motor im Bedarfsfall an einen Energiespeicher angeschlossen wird,
so daß eine
höhere
Betriebsspannung für
den Motor zur Verfügung
steht und damit die Pumpenförderleistung
erhöht
wird.
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Insbesondere
wird dabei der Umstand ausgenutzt, daß bei einem elektrischen Antriebsmotor für eine Pumpe
die Nennspannung, die üblicherweise
mit der Spannung der Bordbatterie des Kraftfahrzeugs übereinstimmt,
kurzfristig deutlich überschritten
werden kann, was zu einer entsprechenden Steigerung der Antriebsleistung
führt,
ohne daß die
erhöhte
Spannung zu einer Zerstörung
oder Beschädigung
des Motors führt.
Da die hohe Druckaufbaudynamik nur in akuten Notsituationen benötigt wird, kann
es dabei auch gerechtfertigt sein, die Spannung auf Werte zu erhöhen, die
bei Dauerbetrieb zu einer deutlichen Abnahme der Lebensdauer des
Motors führen
würden.
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Die
Erfindung erfordert nur vergleichsweise geringe Modifikationen an
einer herkömmlichen Bremsanlage,
nämlich
im wesentlichen nur die Bereitstellung eines Energiespeichers sowie
eine entsprechende Modifikation der Steuereinrichtung. Kostspielige
Aggregate wie aktive Booster oder hydraulische Speicher und dergleichen
werden nicht benötigt.
Dies führt
nicht nur zu Kosteneinsparungen, sondern aufgrund der geringen Komplexität der Bremsanlage
auch zu einer höheren
Funktionssicherheit.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
dem Energiespeicher kann es sich um einen oder mehrere Kondensatoren
oder Zusatzbatterien oder Kombinationen von beidem handeln. Im Fall mehrerer
Kondensatoren und/oder Zusatzbatterien können diese parallel oder in
Serie geschaltet oder auch ein Netzwerk aus Parallel- und Serienschaltungen
bilden. Der Energiespeicher kann außerdem wahlweise in Reihe oder
parallel zu der Bordspannungsquelle geschaltet sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Bremsanlage;
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2 und 3 alternative
elektrische Schaltungen für
die Bremsanlage nach 1;
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4 eine
Schaltskizze für
eine Bremsanlage gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel;
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5 und 6 Schaltskizzen
einer Bremsanlage gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel in
unterschiedlichen Betriebszuständen;
und
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7 und 8 Schaltskizzen
für noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Bremsanlage in unterschiedlichen Betriebszuständen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die
in 1 gezeigte Bremsanlage weist eine Bremsdruckleitung 10 auf,
die über
jeweilige Modulationsventile 12 an einzelne Radbremszylinder 14 des
Fahrzeugs angeschlossen ist (in der Zeichnung ist nur ein einzelner
Radbremszylinder gezeigt).
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Im
gezeigten Beispiel ist an die Bremsdruckleitung 10 außerdem ein
Ausgleichsbehälter 16 zum Ausgleich
von Druckschwankungen angeschlossen.
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Über das
Modulationsventil 12 kann die Bremsdruckleitung 10 mit
dem Radbremszylinder 14 verbunden werden, so daß Bremsdruck
im Bremszylinder aufgebaut wird. Ebenso kann die Verbindung getrennt
werden, so daß der
Bremsdruck im Bremszylinder gehalten wird, oder der Radbremszylinder 14 kann
mit einer Rücklaufleitung 18 verbunden
werden, so daß Bremsflüssigkeit über die
Rücklaufleitung
in einen Sammelbehälter 20 abgelassen
wird und somit der Bremsdruck im Radzylinder abgebaut wird.
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Eine
Pumpe 22 wird durch einen elektrischen Motor 24 angetrieben
und dient dazu, die Bremsflüssigkeit
aus dem Sammelbehälter 20 in
die Bremsdruckleitung 10 zurückzufördern, so daß in dieser Bremsdruckleitung
stets der nötige
Druck aufrechterhalten wird. In der Praxis wird die Pumpe 22 nur
intervallweise betrieben, um während
eines Bremsvorgangs die in die Radbremszylinder eingeleitete Flüssigkeit
oder nach einem Bremsvorgang die über die Rücklaufleitung 18 abgelassene
Bremsflüssigkeit
zu ersetzen.
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Eine
elektronische Steuereinrichtung 26 umfaßt im gezeigten Beispiel ein
elektronisches Fahrstabilisierungs- und Antiblockiersystem (ESP/ABS) 28,
das anhand der Signale von nicht gezeigten Raddrehzahlfühlern und
anderen Meßaufnehmern
die Modulationsventile 12 ansteuert. Zu der Steuereinrichtung 26 gehört weiterhin
ein Schalter 30, der vom ESP/ABS-System 28 gesteuert
wird und dazu dient, den Motor 24 an eine Bordspannungsquelle 32 (die Fahrzeugbatterie)
anzuschließen,
um die Pumpe 22 in Betrieb zu setzen (Schaltstellung ”b” in 1)
oder den Motor von der Bordspannungsquelle zu trennen und damit
die Pumpe abzuschalten (Schaltstellung ”a”).
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Im
Normalfall wird die Bremsanlage vom Fahrer des Fahrzeugs über das
Bremspedal aktiviert. Dazu ist die Bremsdruckleitung 10 in
bekannter Weise an einen hier nicht gezeigten Bremszylinder oder Bremskraftverstärker angeschlossen.
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Im
hier gezeigten Beispiel ist die Steuereinrichtung 26 jedoch
um ein sogenanntes PEB-System 34 (Predictive Emergency
Breaking) ergänzt,
das in der Lage ist, in bestimmten Verkehrssituationen, die von
einer nicht gezeigten Sensorik erkannt werden, automatisch eine
Notbremsung auszulösen.
Dazu gibt das PEB-System
einen Befehl an das ESP/ABS-System 28, das daraufhin die
Pumpe 22 aktiviert und die Modulationsventile 12 öffnet, um
die Radbremszylinder 14 mit Druck zu beaufschlagen. Da
in einer Notsituation die Bremskraft möglichst rasch wirksam werden
sollte, ist es wichtig, daß die Radbremszylinder 14 sehr
schnell mit Bremsflüssigkeit
gefüllt
werden können
und somit der Bremsdruck sehr rasch aufgebaut werden kann. Dazu
wird die normale Leistung des Motors 24 und der Pumpe 22 oft
nicht ausreichen. Aus diesem Grund weist die hier beschriebene Bremsanlage
zusätzlich
einen elektrischen Energiespeicher auf, der in 1 durch
eine Zusatzbatterie 36 gebildet wird.
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Der
bereits erwähnte
Schalter 30 hat eine dritte Schaltstellung ”c”, in der
er den Motor 24 mit der Zusatzbatterie 36 verbindet.
Wenn das PEB-System 34 den Befehl für eine Notbremsung gibt, stellt
daher das ESP/ABS-System 28 den Schalter 30 in
die Schaltstellung ”c”, so daß der Motor 24 aus
der Zusatzbatterie 36 gespeist wird. In dem hier gezeigten Beispiel
ist der Motor dann von der regulären
Fahrzeugbatterie, also der Bordspannungsquelle 32 getrennt.
Die Zusatzbatterie 36 hat jedoch eine höhere Spannung, so daß der Motor 24 mit
einer höheren Spannung
beaufschlagt wird, beispielsweise mit 18 V statt mit den üblichen
12 V, und dementsprechend die Pumpe 22 mit höherer Leistung
antreibt. Auf diese Weise kann der Druck in dem Radbremszylinder 14 mit
beträchtlich
höherer
Dynamik aufgebaut werden.
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Da
der Notbremsvorgang im allgemeinen nur wenige Sekunden dauern wird,
kann alsbald in die Schaltstellung ”b” oder ”a” zurückgeschaltet werden, so daß trotz
der erhöhten
Spannung keine Schädigung
des Motors 24 eintritt.
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Da
bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
der Motor 24 entweder nur aus der Bordspannungsquelle 32 oder
nur aus der Zusatzbatterie 36 gespeist wird, kann die Spannung
der Zusatzbatterie 36 höher
gewählt
werden als die der Bordspannungsquelle. Außerdem ist bei dieser Anlage
die Spannungsversorgung des Motors 24 während des Notbremsvorgangs
unabhängig
von etwaigen Schwankungen der Bordnetzspannung.
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2 zeigt
eine Schaltung für
eine modifizierte Ausführungsform,
bei der während
des Notbremsvorgangs, wenn sich der Schalter 30 in der
hier dargestellten Schaltstellung ”c” befindet, die Bordspannungsquelle 32 und
die Zusatzbatterie 36 parallel zueinander geschaltet sind.
In diesem Fall sollte zwar die Ausgangsspannung der Zusatzbatterie 36 nicht
höher sein
als die der Bordspannungsquelle, doch wird durch die Parallelschaltung
der Innenwiderstand der Spannungsversorgung als ganzes gesenkt,
so daß sich
bei gegebenem Stromfluß durch den
Motor 24, insbesondere bei niedrigem Ladezustand der Fahrzeugbatterie,
ein höherer
Spannungsabfall am Motor ergibt.
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3 zeigt
ein Beispiel, bei dem während des
Notbremsvorgangs, in der Stellung ”c” des Schalters 30,
die Bordspannungsquelle 32 und die Zusatzbatterie 36 in
Serie geschaltet sind. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung
der Zusatzbatterie 36 niedriger oder höher sein als die der Bordspannungsquelle.
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In 2 und 3 ist
in der Schaltstellung ”b” der Motor 24 nur
mit der Bordspannungsquelle 32 verbunden, und in der Schaltstellung ”a” ist der
Motor 24 ganz abgeschaltet.
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In 4 bis 8 sind
Ausführungsformen dargestellt,
bei denen der Energiespeicher nicht durch eine Zusatzbatterie, sondern
durch einen Kondensator 38 gebildet wird, vorzugsweise
einen Doppelschichtkondensator (DLC; Double Layer Capacitor).
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In
dem in 4 gezeigten Beispiel ist der Motor 24 über den
Schalter 30 entweder mit der Bordspannungsquelle 32 verbunden
(Schaltstellung ”b”) oder
mit dem Kondensator 38 (Schaltstellung ”c”). Die Ausschaltstellung ”a” ist hier
der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der Schalter 30 hat
in diesem Fall zwei miteinander gekoppelte Schaltglieder 30(a) und 30(b).
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Die
Bordspannungsquelle 32 wird wie üblich durch die Fahrzeugbatterie
gebildet, die mit Hilfe einer Lichtmaschine 40 des Fahrzeugs
aufgeladen wird. In der Schaltstellung ”b” ist der Kondensator 38 ist
mit der Bordspannungsquelle 32 über das Schaltglied 30(b) und
einen DC/DC-Wandler 42 verbunden, der die Ausgangsspannung
der Fahrzeugbatterie in eine höhere
Ladespannung des Kondensators 38 umsetzt. Wenn bei einem
Notbremsvorgang der Schalter 30 auf die Stellung ”c” umgeschaltet
wird, so entlädt
sich der Kondensator 38, so daß eine höhere Betriebsspannung für den Motor 24 zur
Verfügung steht.
Die Kapazität
des Kondensators 38 sollte so groß sein, daß die Spannung dieses Kondensators, während er
sich über
den Motor 24 entlädt, über die Dauer
des Notbremsvorgangs nicht zu stark abnimmt oder jedenfalls erst
dann deutlicher abnimmt, wenn der volle Bremsdruck aufgebaut ist.
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5 und 6 zeigen
eine Ausführungsform,
bei der der Kondensator 38 während des Notbremsvorgangs
in Reihe mit der Bordspannungsquelle 32 geschaltet ist
und bei der kein DC/DC-Wandler
benötigt
wird. Der Schalter 30 hat in diesem Fall drei miteinander
gekoppelte Schaltglieder 30(a), 30(b) und 30(c).
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In 5 befindet
sich der Schalter in der Schaltstellung ”b”, in der der Motor 24 über das Schaltglied 30(a) nur
mit der Bordspannungsquelle 32 verbunden ist. Der Kondensator 38 ist
in dieser Schaltstellung über
das Schaltglied 30b parallel zum Motor 24 mit
der Bordspannungsquelle 32 verbunden, und seine andere
Elektrode ist über
das Schaltglied 30(c) geerdet, so daß der Kondensator auf die Spannung
der Bordspannungsquelle 32 aufgeladen und dann auf dieser
Spannung gehalten wird.
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Wenn
in die in 6 gezeigte Schaltstellung ”c” umgeschaltet
wird, so ist das Schaltglied 30(b) geöffnet, und das Schaltglied 30(c) verbindet
den Kondensator 38 nicht mehr mit Masse, sondern mit der
Bordspannungsquelle 32, so daß das Potential des Kondensators 38 insgesamt
um die Spannung der Bordspannungsquelle 32 angehoben wird. Über das
Schaltglied 30(a) liegt deshalb am Motor 24 nun das
Zweifache der Ausgangsspannung der Bordspannungsquelle 32 an.
Der durch den Motor 24 fließende Strom ist der Entladestrom
des Kondensators 38. Deshalb sollte auch hier der Kondensator
eine relativ hohe Kapazität
haben.
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7 und 8 zeigen
ein Beispiel, bei dem die Bordspannungsquelle 32 und der
Kondensator 38 während
des Notbremsvorgangs ebenfalls in Reihe geschaltet sind, bei dem
jedoch die Ladespannung des Kondensators 38 mit Hilfe des DC/DC-Wandlers 42 zusätzlich erhöht werden
kann. In der in 7 gezeigten Schaltstellung ”b” ist der Motor 24 über das
Schaltglied 30(a) nur mit der Bordspannungsquelle 32 verbunden,
während
der Kondensator 38 über
das Schaltglied 30(c) geerdet ist und über den DC/DC-Wandler 42 und
das das Schaltglied 30(b) aufgeladen wird.
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In
der Schaltstellung ”c” gemäß 8 entlädt sich
der Kondensator 38 über
das Schaltglied 30(a), während sein Potential durch
das Schaltglied 30(c) auf die Ausgangsspannung der Bordspannungsquelle 32 angehoben
wird.