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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines Verzögerungssystems für ein Kraftfahrzeug mit einem elektrisch-regenerativen Antriebssystem und mit Reibbremsen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Insbesondere bei Hybridfahrzeugen oder bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen ist für den Antrieb des Fahrzeugs eine elektrische Maschine vorgesehen, die während bestimmter Betriebszustände des Fahrzeugs, in denen das Fahrzeug verzögert, als Generator zur Energierückgewinnung (Rekuperation) eingesetzt wird. Zweck eines derartigen elektrisch-regenerativen Systems bzw. eines Generators ist, zumindest einen Teil der beim Verzögern umgesetzten Energie im Fahrzeug zurückzugewinnen und zu speichern. Diese gespeicherte Energie kann dann für den Antrieb oder sonstige Systeme des Fahrzeugs verwendet werden.
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Derzeit sind verschiedene Betriebskonzepte denkbar, wann die elektrische Maschine als Generator betrieben wird. So kann dies bereits immer dann erfolgen, sobald das Fahrpedal gelöst wird (= Schubrekuperation). Alternativ kann der Rekuperationsbetrieb der elektrischen Maschine auch erst dann aktiviert werden, wenn ein Bremsvorgang eingeleitet wird, sei es aufgrund einer Fahrervorgabe über das Bremspedal oder einer systembedingten Bremsvorgabe, wie sie bspw. bei Fahrzeugen mit abstandsgeregelten Geschwindigkeitsregelsystemen angefordert werden. Außerdem kann eine Überlagerung der beschriebenen Schub- und Bremsrekuperation stattfinden.
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Die (zusätzliche) Verzögerungswirkung des elektrisch-regenerativen Systems und die damit verbundenen zusätzlichen Längskräfte können sich auf die Fahrdynamik des Fahrzeugs auswirken. So kann sich zwischen den Achsen durch die (zusätzliche) Bremswirkung der elektrisch-regenerativen Bremse, die nur auf die Antriebsachse wirkt, eine Längskraftverteilung einstellen, die deutlich von der durch die Auslegung der Bremsanlage bedingten, „installierten” Bremskraftverteilung abweicht. Dieser Effekt tritt auch bei konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor und ohne rekuperatives Antriebs-/Bremssystem auf und wird bedarfsgerecht durch ein vorhandenes Stabilisierungssystem korrigiert. Bei Fahrzeugen mit rekuperativen Antriebs- bzw. Bremssystem sind wegen des Wunsches, möglichst viel Bremsenergie zurückzugewinnen, stärkere Auswirkungen zu erwarten.
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Bei Fahrzeugen mit Frontantrieb kann dies zu Untersteuern des Fahrzeugs, und bei Fahrzeugen mit Heckantrieb zu Übersteuern führen. So offenbart die
DE 103 32 207 A1 ein Verfahren zur Steuerung eines Bremssystems mit einer Reibungsbremsanlage und einer Rekuperationsbremsanlage bzw. einer elektrisch-regenerativen Bremsanlage. Dabei wird bei einem angeforderten Bremseingriff (durch den Fahrer oder ein entsprechendes Fahrzeugsystem) ausschließlich die Reibungsbremsanlage zum Abbremsen des Fahrzeugs angesteuert, wenn eine vorgegebene Abschaltbedingung für die Rekuperationsbremsanlage erfüllt ist. Eine derartige Abschaltbedingung ist dann erfüllt, wenn eine die Fahrzeuglängsdynamik beschreibende Längsdynamikgröße außerhalb eines zulässigen Bereichs liegt, oder wenn die Raddrehzahldifferenz der angetriebenen Räder einer Fahrzeugachse größer als ein Drehzahlschwellwert ist.
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Aus der
DE 10 2007 016 515 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems in einem Kraftfahrfahrzeug, das ein elektrisch-regeneratives Teilsystem umfasst, im bremseingriffsfreien Schubbetrieb bekannt. Dabei wird im bremseingriffsfreien Schubbetrieb (Fahrpedal ist gelöst und kein Bremseingriff angefordert) aus einer Kennlinie ein das Schubverhalten des Kraftfahrzeugs repräsentierendes Gesamtschubdrehmoment ermittelt. Aus der Differenz zwischen Gesamtschubdrehmoment und dem von einem Verbrennungsmotor gelieferten Schubdrehmoment wird dann ein Schubrekuperationsmoment ermittelt und durch das elektrisch-regenerative Teilsystem eingestellt, so dass während der gesamten bremseingriffsfreien Schubbetriebsphase das gleiche Gesamtschubdrehmoment aufgebracht wird.
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Insbesondere kann jedoch auf glatten Straßen und in der Nähe des fahrdynamischen Grenzbereichs der Fall eintreten, dass die Antriebsräder (auf die das elektrisch-regenerative System einwirkt) die aufgrund des aktuellen Schubrekuperationsmoments geforderte rekuperative Verzögerung nicht ausreichend übertragen können. Damit das Fahrzeug nicht instabil wird und lenkbar bleibt, muss bei drohender Destabilisierung des Fahrzeugs die Bremswirkung bzw. das Schubrekuperationsmoment rechtzeitig verringert bzw. zwischen den Achsen fahrdynamisch günstiger aufgeteilt werden.
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Bei konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor können solche Destabilisierungen durch das Antriebsschleppmoment ebenfalls auftreten. Hier greift die sog. Motorschleppmomentregelung ein und reduziert das Schleppmoment. Eine derartige Regelung kann bei Fahrzeugen mit elektrifizierten Antrieben ebenfalls zum Einsatz kommen.
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Neben einer aus Fahrdynamiksicht notwendigen Reduzierung des Rekuperationsmoments können auch andere Ursachen, wie Systemzustände dazu führen, dass die rekuperative Verzögerung nicht im gewohnten Maß aufrecht erhalten werden kann. Bspw. können das ein voller Energiespeicher/Batterie oder das Erreichen der Leistungsgrenzen bzw. das Eingreifen von Selbstschutzmechanismen der Fahrzeugkomponenten (wie etwa bei Übertemperatur des Generators oder anderer Komponenten) sein.
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Durch das aus energetischer Sicht möglichst hoch anzusetzende Rekuperationsmoment erlebt der Fahrer die verringerte Verzögerungswirkung durch Ausbleiben bzw. Abschwächung der Rekuperation aufgrund der o. g. Situationen deutlicher spürbar. Der Fahrer hat zwar prinzipiell die Möglichkeit durch Betätigung des Bremspedals einen Bremseingriff anzufordern und so die im bremseingriffsfreien Schubbetrieb reduzierte Verzögerungswirkung zu kompensieren, allerdings wird der Fahrer diese Situation vermutlich als unangenehm empfinden, da er sich auf die Verzögerungswirkung des (erhöhten) Schleppmoments auf griffiger Straße adaptiert hat und möglicherweise gewohnt ist, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs mit Hilfe des Schubmoments im Wesentlichen über das Fahrpedal zu regulieren.
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Aufgabe der Erfindung ist nun, das Fahrzeug derart anzusteuern, dass für den Fahrer auch bei reduzierter Höhe des regenerativen Schubmoments eine ihm bekannte Verzögerungswirkung eintritt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Gegenständen der abhängigen Patentansprüche.
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Bei der Erfindung wird von einem Kraftfahrzeug mit einem im Schubbetrieb betreibbaren elektrisch-regenerativen Antriebssystems (bzw.
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Verzögerungssystems) und einem Reibbremsensystem ausgegangen, wobei das elektrisch-regenerative System als Generator ausgebildet sein kann und zum Abbremsen bzw. Verzögern des Fahrzeugs durch Aufbringen eines Rekuperationsmoments dient. Der Angriffspunkt des elektrisch-regenerativen Systems ist die Antriebsachse des Fahrzeugs, d. h. durch Aufbringen des Rekuperationsmoments wird das Fahrzeug durch Einwirken auf die Antriebsräder verzögert. Im Gegensatz dazu können Reibbremsen jedem Rad zugeordnet sein (was in der Regel auch der Fall ist) und radindividuell (oder zumindest achsenindividuell) angesteuert werden.
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Im Schubbetrieb des Kraftfahrzeugs (d. h. weder das Gaspedal noch das Bremspedal ist betätigt und auch kein sonstiger Bremseingriff wird angefordert) wird anhand vorgegebener Kennlinien und/oder Kenngrößen ein Soll-Schubrekuperationsmoment ermittelt und – wenn möglich – (zumindest anfänglich) durch das elektrisch-regenerative System aufgebracht.
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Die Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass bei Vorliegen vorgegebener Reduzierungsbedingungen im Schubbetrieb ein gegenüber dem ursprünglich ermittelten (und ggf. anfänglich aufgebrachten) Soll-Rekuperationsmoment reduziertes Rekuperationsmoment aufgebracht wird. Um die nun fehlende Verzögerungswirkung zumindest teilweise kompensieren zu können, wird (gleichzeitig) zumindest an den Rädern einer Achse, ggf. auch an beiden Achsen ein Bremsmoment durch die entsprechenden Reibbremsen aufgebracht, so dass die aufgrund dem eingestellten reduzierten Rekuperationsmoment prinzipiell eintretende reduzierte Verzögerungswirkung zumindest teilweise kompensiert bzw. bilanziert wird. Somit kann bspw. erreicht werden, dass trotz verringertem Rekuperationsmoment noch die gewohnte Verzögerungswirkung erzielt wird.
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Vorteilhafterweise wird die Bremswirkung bzw. Verzögerungswirkung in Abhängigkeit von der bei Aufbringen des ursprünglich ermittelten Soll-Rekuperationsmoments zu erwartenden Verzögerungswirkung vorgegeben, insbesondere derart, dass trotz reduziertem Rekuperationsmoment eine nahezu identische Bremswirkung wie bei Aufbringen des ursprünglich ermittelten Soll-Rekuperationsmoments erzielt wird. Dadurch wird der Fahrer nicht oder kaum wahrnehmen, dass die Verzögerung des Fahrzeugs nicht aufgrund des elektrisch-regenerativen Systems, sondern durch das Reibbremsensystem erfolgt, da sie zumindest nahezu gleich ist.
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Für die Ermittlung der Verzögerungswirkung entsprechend dem Soll-Rekuperationsmoment und dem tatsächlich umgesetzten Ist-Rekuperationsmoment des elektrisch-regenerativen Systems sowie der erfindungsgemäß über die Reibbremse zu bilanzierenden Differenz der beiden Größen können verschiedene gemessene, geschätzte oder modellbasiert berechnete Größen dienen. Beispielsweise können hierfür verwendet werden:
- – Soll- und Ist-Ströme des Generators,
- – Kennlinien, die das tatsächliche oder das gewünschte Betriebsverhalten des Generators beschreiben,
- – Fahrzeugbeschleunigungen, z. B. gemessen mit einem Beschleunigungssensor oder berechnet aus anderen Größen wie den Drehgeschwindigkeiten der Räder,
- – Soll- und Ist-Bremsdrücke in den Radbremsen bzw. daraus berechnete Größen wie radbezogene oder fahrzeugbezogen Bremsmomente bzw. -kräfte, oder
- – modellbasiert geschätzte bzw. konstant angenommene Fahrzeugmasse.
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Ist aufgrund zumindest einer Reduzierungsbedingung nur ein reduziertes Rekuperationsmoment einstellbar, wird das nun erforderliche Bremsmoment vorteilhafterweise an den Rädern der nicht angetriebenen Achse aufgebracht bzw. auf die Bremsen der beiden Achsen verteilt. Insbesondere wenn aufgrund vorgegebener Stabilitäts-Reduzierungsbedingungen eine Reduzierung des Rekuperationsmoments vorgenommen werden muss, kann durch den Bremseingriff an der nicht angetriebenen Achse ein stabilerer Zustand des Fahrzeugs erreicht werden.
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Die Reduzierungsbedingungen können aufgrund verschiedener Ursachen erfüllt sein. Wie bereits oben erwähnt, kann eine Reduzierungsbedingung dann vorliegen, wenn eine Destabilisierung des Fahrzeugs ermittelt wird oder bevorsteht. Dies kann bspw. durch Auswerten des sich einstellenden Schlupfes an den Antriebsrädern oder die Überwachung anderer Fahrdynamikgrößen bzw. Fahrervorgaben festgestellt werden. Wird bspw. ein negativer Schlupf an zumindest einem Antriebsrad detektiert, muss das Rekuperationsmoment reduziert werden. Um die vom Fahrer zu erwartende bzw. gewohnte Fahrzeugverzögerung erreichen zu können, wird die fehlende Verzögerungswirkung durch eine Ansteuerung der Betriebs- bzw. Reibbremsen vorzugsweise an den nicht angetriebenen Rädern kompensiert. Je nach Höhe der Reduktion des Rekuperationsmoments ist situativ auch eine Ansteuerung der Bremsen der angetriebenen Achse sinnvoll. Somit kann trotz stabilitätsbedingter Rekuperationsmomenten-Reduktion die Verzögerungswirkung erhalten bleiben, da diese verzögerungsneutral von zwei Rädern fahrdynamisch günstiger auf alle Räder verteilt wird. Eine Reduzierung des Rekuperationsmoments kann auch dann notwendig sein, wenn der Energiespeicher, der durch das elektrisch-regenerative Bremssystem geladen wird, einen bestimmten Ladezustand erreicht oder überschritten hat. Ist der Energiespeicher nahezu vollständig aufgeladen, muss das Rekuperationsmoment reduziert werden, um ein Überladen des Speichers zu verhindern. Entsprechendes gilt bei einer zu starken Erwärmung der Komponenten des elektrisch-regenerativen Systems. In diesem Fall muss die Höhe der Rekuperation reduziert werden, um eine Überhitzung temperaturkritischer Bauteile zu umgehen.
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Anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine vereinfachte Steueranordnung zur Darstellung der Erfindung, und
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2 ein Kennfeld zur Darstellung der Umverteilung der Längskräfte.
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Die 1 zeigt eine vereinfachte Steueranordnung mit einer Steuereinheit SE zur Ansteuerung eines als Generator G ausgestalteten elektrisch-regenerativen Systems und eines Reibbremsensystems R während eines Schubbetriebs eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Das elektrisch-regenerative System wirkt auf die Räder der Antriebsachse (im dargestellten Beispiel die Hinterachse) ein, wohingegen an jedem Rad des Fahrzeugs eine Reibbremse (Bv1, Bv2, Bh1 und Bh2) zum individuellen Abbremsen jedes Rades angeordnet ist.
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Die Steuereinheit SE empfängt ein Betätigungssignal gp vom Gaspedal GP sowie ein Betätigungssignal bp vom Bremspedal BP. Neben der Schleppmomentanforderung über das Fahrpedal kann auch ein Längsführungssystem (z. B. Fahrgeschwindigkeitsregelung) ein Schleppmoment anfordern. Vereinfachend wird die Verarbeitung analog zur Fahrpedalvorgabe angenommen. Automatische Bremseingriffe z. B. durch Fahrzeugführungssysteme haben im Rahmen dieser Ausführungsform keinen Einfluss auf die Rekuperationsfunktion und können somit unberücksichtigt bleiben. Weiter empfängt die Steuereinheit SE von einem Sensor bzw. einer Ermittlungseinheit S ein Signal s, das Aufschluss über eine aktuelle bzw. sich ankündigende Fahrzeuginstabilität gibt. Schließlich empfängt die Steuereinheit auch noch ein Signal l über den Ladezustand eines durch das elektrisch-regenerative System aufladbaren Energiespeicher, sowie ein Temperatursignal t aus der Komponentenschutz-Überwachung.
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Die Steuereinheit ermittelt nun anhand der Signale gp und bp ob Schubbetrieb des Fahrzeugs vorliegt. Ist dies der Fall, ermittelt die Steuereinheit SE anhand hinterlegter Kennlinien und/oder Kenngrößen ein Soll-Rekuperationsmoment. Gleichzeitig wird das Signal s dahin gehend ausgewertet, ob eine Destabilisierung des Fahrzeugs zu erkennen ist, bspw. ob an zumindest einem Rad der Antriebsachse ein negativer Schlupf detektiert wird. Solange dies nicht der Fall ist, sendet die Steuereinheit SE an den Generator G einen Befehl r zum Aufbringen des Soll-Rekuperationsmoments. Das Reibbremsensystem R wird nicht angesteuert. Ebenso werden die Signale l und t dahin gehend ausgewertet, ob der aktuelle Ladezustand l der Speichereinheit einen vorgegebenen Ladezustandgrenzwert überschritten hat oder die Komponentenschutzüberwachung eine Reduzierung der Rekuperation zum Komponentenschutz anfordert.
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Wird jedoch eine Destabilisierung detektiert oder eine Überschreitung des Ladezustands des Energiespeichers erkannt oder schlägt die Komponentenschutzüberwachung zu, sendet die Steuereinheit SE an den Generator G einen Befehlt r–, so dass das elektrisch-regenerative System nur noch ein reduziertes Rekuperationsmoment aufbringt, welches auch Null sein kann. Gleichzeitig ermittelt die Steuereinheit SE auf Basis des Soll-Rekuperationsmoments und des reduzierten Rekuperationsmoment oder auf der Basis der aufgrund des Soll-Rekuperationsmoments und des reduzierten Rekuperationsmoment zu erwartenden Verzögerungswirkung ein Soll-Bremsmoment und sendet ein entsprechendes Signal b1, b2, b3 und/oder b4 an das Reibbremsensystem zum Aufbringen des ermittelten Bremsmoments an den Rädern Bv1 und Bv2 bzw. Bv1, Bv2, Bh1 und Bh2. Das ermittelte und aufgebrachte Bremsmoment führt dazu, dass das Fahrzeug mit gleicher Verzögerung abgebremst wird, als wenn nur das Soll-Rekuperationsmoment aufgebracht werden würde.
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In der 2 ist ein Kennfeld, indem der Zusammenhang zwischen der Verzögerungswirkung der Vorderachse und der Hinterachse aufgetragen ist. Die schräg verlaufenden Linien zeigen die Linien mit konstanter Verzögerung an. Die dickere schwarze Linie zeigt die installierte Bremskraftverteilung, die dickere hellere Linie zeigt die ideale Bremskraftverteilung.
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Im Punkt 1a erfolgt eine Verzögerung des als heckgetriebenen angenommenen Fahrzeugs im Schubbetrieb durch eine Rekuperationsverzögerung durch das elektrisch-regenerative System, wobei der Verzögerungsanteil der Reibbremsbremsen Null ist. Das Fahrzeug neigt hier tendenziell zum übersteuern. Ist aus Gründen der Fahrstabilität oder wegen bestimmten Systemzuständen eine Reduktion des Rekuperationsmoments nötig, erfolgt eine verzögerungsneutrale Bilanzierung, indem gleichzeitig durch entsprechende Ansteuerung der Reibbremsen das Bremsmoment (an der Vorderachse) erhöht wird. Dadurch stellt sich eine Bremskraftverteilung gemäß Punkt 1b ein.
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Im Punkt 1b wird zunächst also der Verzögerungsanteil an der angetriebenen Achse durch das elektrisch-regenerative System umgesetzt, wobei der Verzögerungsanteil an der nicht angetriebenen Achse durch das Reibbremssystem umgesetzt wird. Ist es darüberhinaus nötig, die Höhe der Rekuperation weiter zu reduzieren, kann sinnvollerweise für die weitere Bilanzierung auch die Reibbremse der angetriebenen Achse angesteuert werden. Die Verteilung der Längskräfte gemäß Punkt 1b bleibt erhalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist ebenfalls anwendbar auf Fahrzeuge mit Front- und Allradantrieb. Im Beispiel eines frontgetriebenen Fahrzeugs erfolgt analog zu 1a die Verzögerung des Fahrzeugs im Schubbetrieb durch ein Rekuperationsmoment an der Vorderachse (1c). Bei Reduktion des Rekuperationsmoments an der Vorderachse wird die fehlende Verzögerung bis zum Erreichen des Punktes 1b durch eine Ansteuerung der Reibbremse an der nicht angetriebenen Achse (hier die Hinterachse) bilanziert. Ist es darüberhinaus nötig, die Höhe der Rekuperation weiter zu reduzieren, kann sinnvollerweise für die weitere Bilanzierung auch die Reibbremse der angetriebenen Achse (hier die Vorderachse) angesteuert werden. Die Verteilung der Längskräfte gemäß Punkt 1b bleibt erhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10332207 A1 [0005]
- DE 102007016515 A1 [0006]
