DE102011075609A1

DE102011075609A1 - Beschleunigungsbasierte Sicherheitsüberwachung eines Antriebs eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102011075609A1
Application number: DE102011075609A
Authority: DE
Inventors: Dr. Österreicher Florian; Jürgen Binder
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-11-15
Also published as: CN102774381A; US8548712B2; CN102774381B; US20120290187A1

Abstract

Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein beschleunigungsbasiertes Verfahren zur Sicherheitsüberwachung eines Antriebs. Bei dem Verfahren wird ein Soll-Moment in Abhängigkeit eines für die Stellung des Fahrpedals charakteristischen Fahrpedal-Signals in einer Sicherheitsfunktion berechnet. In Abhängigkeit des Soll-Moments wird eine erwartete Fahrzeugbeschleunigung in der Sicherheitsfunktion bestimmt. Außerdem wird eine Ist-Fahrzeugbeschleunigung bestimmt, vorzugsweise mittels eines Beschleunigungssensors. Eine Fehlersituation kann durch Vergleichen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung und der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung erkannt werden, beispielsweise wenn die Ist-Fahrzeugbeschleunigung die erwartete Fahrzeugbeschleunigung um ein bestimmtes Maß übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft die Sicherheitsüberwachung eines Antriebs in einem Kraftfahrzeug.
Fahrzeuge mit einer digitalen elektronischen Motorsteuerung verfügen typischerweise über eine Sicherheitsüberwachung des Antriebs, um Fehlersituationen des Antriebs zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Derartige Fehlersituationen können beispielsweise durch eine fehlerhafte Berechnung in der Motorsteuerung (insbesondere aufgrund eines zufälligen Hardwarefehlers) oder durch Sensorfehler hervorgerufen werden.
Eine Sicherheitsüberwachung dient häufig der Gewährleistung verschiedener Sicherheitsziele. Ein Sicherheitsziel ist die Verhinderung einer fahrerseitig ungewollten Beschleunigung des Fahrzeugs, beispielsweise weil das Soll-Antriebsmoment aufgrund eines Rechenfehlers deutlich von dem Fahrerwunsch abweicht.
Zur Motorsteuerung von Kraftfahrzeugen wird häufig in der Betriebsfunktion eine sogenannte Momentenstruktur verwendet, welche auch als Momentensteuerung bezeichnet wird. Die Momentenstruktur verarbeitet ein Fahrerwunschmoment, welches über eine Fahrpedal-Kennlinie bestimmt wird. In Abhängigkeit des Fahrerwunschmoments und zusätzlicher Momentenanforderungen (beispielsweise von Nebenaggregaten oder der Getriebesteuerung) wird ein Soll-Antriebsmoment (d. h. eine Momentenvorgabe) für den Antrieb berechnet. Aus dem Soll-Antriebsmoment bestimmt die Motorsteuerung dann mittels Motorfunktionen Soll-Motorparameter (beispielsweise Zündwinkel, Kraftstoffmenge, etc.) zur Ansteuerung des Motors.
Ein konventionelles Konzept zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung besteht im Wesentlichen darin, in einer Sicherheitsfunktion die Fahrerpedal-Kennlinie und die Momentenstruktur der Betriebsfunktion vereinfacht nachzubilden und parallel zu berechnen. Das Ergebnis der Parallelrechnung in dem Parallelpfad wird dann mit einer entsprechenden Größe aus dem Normalpfad des Fahrzeugs verglichen. Bei Abweichungen, die eine zulässige Toleranz überschreiten, wird beispielsweise nach einer Entprellzeit ein Fehler erkannt und eine Fehlerreaktion ausgelöst. Als Fehlerreaktion kommt beispielsweise das Abschalten der Kraftstoffversorgung bei höheren Drehzahlen in Frage.
Ein Beispiel für ein konventionelles momentenbasiertes Konzept einer Sicherheitsfunktion zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung ist in 1 dargestellt. In einem Soll-Pfad 1 der Betriebsfunktion wird ein die Auslenkung des Fahrpedals angebendes Fahrpedal-Signal über einen Fahrerpedal-Interpreter 2 (Fahrpedal-Kennlinie) in ein Fahrerwunschmoment M_FW umgerechnet. Das Fahrerwunschmoment M_FW kann alternativ auch von einem Fahrerassistenzsystem (beispielsweise Tempomat oder Abstandstempomat) bestimmt werden. In der Momentenstruktur 3 wird aus dem Fahrerwunschmoment M_FW unter zusätzlicher Berücksichtigung verschiedener Momentenanforderungen 4 (beispielsweise die Momentenanforderungen des Getriebes, der Fahrdynamikregelung, der Drehzahlregelung oder von Nebenaggregaten) ein Soll-Antriebsmoment M_i,soll berechnet.
Aus dem Soll-Antriebsmoment M_i,soll werden über Motorfunktionen 5 Aktor-Sollwerte 6 des Motors (beispielsweise Zündwinkel, Kraftstoffmenge, Luftmasse etc.) berechnet. Die Soll-Motorparameter 6 dienen zur Ansteuerung des Motors 7. Der Motor 7 erzeugt ein Ist-Antriebsmoment M_i,ist, aus welchem sich über das Fahrzeug eine Ist-Beschleunigung a_ist ergibt. In Abhängigkeit der Aktor-Sollwerte 6 (oder Aktor-Istwerte) und in Abhängigkeit von Signalwerten 9 von Sensoren am Motor wird das Ist-Antriebsmoment M_i,soll über ein geeignetes Modell im Rechenblock 10 rückgerechnet, da typischerweise kein Drehmomentsensor zur direkten Messung des Ist-Antriebsmoment M_i,ist vorhanden ist.
Die Sicherheitsfunktion weist eine Nachbildung 1* des Soll-Pfads 1 bis zur Momentenstruktur 3 auf. Der nachgebildete Soll-Pfad 1* umfasst eine Nachbildung 2* der Fahrpedal-Kennlinie 2 sowie eine Nachbildung 3* der Momentenstruktur 3. Ferner ist eine Nachbildung 10* der Ist-Momentenrückrechnung 10 vorgesehen. Bei den Nachbildungen handelt es sich typischerweise um vereinfachte Nachbildungen, die mit geringerer Genauigkeit rechnen, aber dafür besonders abgesichert werden.
In einem Vergleichsblock 11 werden das rückgerechnete Ist-Antriebsmoment M_i,ist* und das in der Sicherheitsfunktion berechnete Soll-Antriebsmoment M_i,soll* verglichen und bei einer bestimmten Abweichung von M_i,ist* und M_i,soll* nach einer gewissen Entprellzeit ein Fehler erkannt und eine passende Fehlerreaktion ausgelöst.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein hierzu alternatives Konzept zur Sicherheitsüberwachung eines Antriebs anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein beschleunigungsbasiertes Verfahren zur Sicherheitsüberwachung eines Antriebs. Bei dem Verfahren wird ein Soll-Moment in Abhängigkeit eines für die Stellung des Fahrpedals charakteristischen Fahrpedal-Signals in einer Sicherheitsfunktion berechnet.
Das Soll-Moment kann alternativ auch in Abhängigkeit eines Signals (beispielsweise eines Sollmoments) eines die Fahrzeuglängsbewegung beeinflussenden Fahrerassistenzsystems (beispielsweise eines Tempomats oder eines Abstandstempomats) bestimmt werden. In Abhängigkeit des Soll-Moments wird eine erwartete Fahrzeugbeschleunigung in der Sicherheitsfunktion bestimmt. Außerdem wird eine Ist-Fahrzeugbeschleunigung bestimmt, beispielsweise mittels eines Beschleunigungssensors oder durch Differenzieren einer Drehzahl (beispielsweise der Raddrehzahl). Eine Fehlersituation kann durch Vergleichen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung und der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung erkannt werden, beispielsweise wenn die Ist-Fahrzeugbeschleunigung die erwartete Fahrzeugbeschleunigung um ein bestimmtes Maß (und optional für eine gewisse Entprellzeit) übersteigt.
Bei einer Fehlersituation wird dann eine passende Fehlerreaktion ausgelöst. Beispielsweise kann als Fehlerreaktion die Drehzahl begrenzt werden, insbesondere durch Verhindern der Kraftstoff-Einspritzung oberhalb einer bestimmten Drehzahlschwelle.
Das vorstehend beschriebene Konzept hat den Vorteil, dass auf die Nachbildung der Rückrechnung des Ist-Antriebsmoments verzichtet werden kann, da der Vergleich auf Basis von Beschleunigungssignalen erfolgt. Dies ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Funktionsumfangs der Sicherheitsfunktion und spart damit Kosten bei der Umsetzung und Absicherung.
Vorzugsweise werden in der Sicherheitsfunktion in Signalrichtung nach der Nachbildung des Fahrpedal-Interpreters keine zusätzlichen Momentenanforderungen berücksichtigt und eine in der Betriebsfunktion vorhandene Momentenstruktur im Soll-Pfad entfällt in der Sicherheitsfunktion. Das von dem Fahrpedal-Interpreter erzeugte Fahrerwunschmoment wird vorzugsweise direkt in eine Fahrzeugbeschleunigung umgerechnet (vorher kann jedoch beispielsweise noch ein Bremsmoment berücksichtigt werden), ohne dass das Fahrerwunschmoment durch zusätzliche Momentenanforderungen bis zur Umrechnung in eine Fahrzeugbeschleunigung verändert wird. Dieser Vereinfachung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass jede der zusätzlichen Momentenanforderungen, wie z. B. ein das Soll-Moment erhöhender Eingriff einer Motor-Schleppmoment-Regelung, so gestaltet sein sollte, dass dieser nicht zu einer Verletzung des Sicherheitsziels führt. Eine solche Momentenanforderung führt nämlich trotz etwaiger Erhöhung des Moments typischerweise nicht zur merklichen Erhöhung der messbaren Ist-Fahrzeugbeschleunigung und kann daher auch im Signalpfad zur Bestimmung der erwarteten Fahrzeug-Beschleunigung unberücksichtigt bleiben.
Der Wegfall der Momentenanforderungen in der Sicherheitsfunktion ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Funktionsumfangs der Sicherheitsfunktion, wodurch sich eine Kostenersparnis bei der Umsetzung und Absicherung ergibt. Zudem wird durch den Wegfall eine Unabhängigkeit der Sicherheitsfunktion von der konkret verwendeten Betriebsfunktion erreicht. Änderungen in der Momentenstruktur der Betriebsfunktion erfordern keine entsprechenden Änderungen in der Sicherheitsfunktion, wodurch der Aufwand und die Kosten für die Umsetzung und Absicherung von Änderungen reduziert werden. Außerdem wird durch Verringerung des Änderungsbedarfs in der Sicherheitsfunktion die Gefahr reduziert, dass durch Änderungen der Sicherheitsfunktion Fehler entstehen, die die Sicherheit oder Verfügbarkeit des Systems beeinträchtigen könnten. Die Unabhängigkeit der Sicherheitsfunktion ermöglicht den breiten Einsatz der Sicherheitsfunktion. Dadurch findet eine intensive Erprobung der Funktion statt, wodurch die Robustheit und Zuverlässigkeit verbessert wird.
Es kann vorzugsweise alternativ auch vorgesehen sein, dass in der Sicherheitsfunktion in Signalrichtung nach der Nachbildung des Fahrpedal-Interpreters ein oder mehrere zusätzliche Momentenanforderungen berücksichtigt werden, wobei aber nicht sämtliche Momentenanforderungen der Betriebsfunktion auch in der Sicherheitsfunktion berücksichtigt werden. Beispielsweise wird in der Sicherheitsfunktion lediglich der Eingriff einer elektronischen Getriebesteuerung berücksichtigt, andere Momentenanforderungen, die in der Betriebsfunktion berücksichtigt werden, werden in der Sicherheitsfunktion nicht berücksichtigt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Soll-Moment nicht nur in Abhängigkeit eines Fahrpedal-Signals, sondern auch in Abhängigkeit eines auf die Betriebsbremse bezogenen Bremssignals bestimmt. Vorzugsweise wird hierzu ein an der Betriebsbremse wirkendes Bremsmoment verwendet. Beispielsweise wird das Bremsmoment in der Sicherheitsfunktion in Signalrichtung vor der Berechnung der Soll-Beschleunigung mit einem vom Fahrpedal-Interpreter gelieferten Momentenwunsch überlagert. Durch die Berücksichtigung eines Bremssignals in der Sicherheitsfunktion kann beispielsweise der Fehlerfall erkannt werden, dass das Antriebsmoment des Motors aufgrund eines Fehlers zu hoch ist und der Fahrer versucht, diesen Fehler durch Betätigung der Bremse zu kompensieren. Wenn die Bremsinformation berücksichtigt wird, kann erkannt werden, wenn die Ist-Fahrzeugbeschleunigung während einer Bremsung unzulässig hoch ist. Außerdem kann durch Berücksichtigung des Bremsmoments überwacht werden, ob die Ist-Verzögerung des Fahrzeugs bei dem aktuellen Bremsmoment unzulässig groß ist.
Die Ist-Fahrzeugbeschleunigung kann beispielsweise durch Differenzieren einer Raddrehzahl berechnet werden. Diese Vorgehensweise weist jedoch den Nachteil auf, dass die Ist-Fahrzeugbeschleunigung dann je nach Grad der Steigung auch einen entsprechenden Anteil umfasst, der auf den Steigungswiderstand zurückzuführen ist. Zum Kompensieren dieses Steigungswiderstands müssten dann ein Steigungssignal bei der Bestimmung der Ist-Fahrzeugbeschleunigung berücksichtigt werden, was mit zusätzlichem Aufwand und Kosten verbunden ist. Um diesen Nachteil auszuräumen, wird vorzugsweise die Ist-Fahrzeugbeschleunigung unter Verwendung eines Signals mindestens eines Beschleunigungssensors bestimmt. Dadurch kann eine Einrechnung eines Steigungssignals entfallen. Durch das physikalische Messprinzip eines solchen Beschleunigungssensors wird nur eine antreibende oder verzögernde Ist-Beschleunigung, die nicht durch die Steigung verursacht wird, vom Sensor ausgegeben. Beschleunigungssensoren gehören zur Gruppe der Inertialsensoren und messen die Beschleunigung, welche durch eine auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft verursacht wird.
Beispielsweise zeigt ein Beschleunigungssensor bei einem am Hang festgebremst stehenden Fahrzeug den Anteil der Gravitationsbeschleunigung in Hangrichtung an, d. h. a = g·sinα mit der Erdbeschleunigung g und der Neigung α des Hanges. Dies entspricht nach F = m·a unter (Vernachlässigung der Reibung) genau der in Längsrichtung wirkenden Kraft auf das Fahrzeug, die nötig ist, um das Fahrzeug zu halten. Wenn das Fahrzeug jedoch nicht festgebremst ist und den Hang ohne Antrieb herunterrollt, wird prinzipiell keine Beschleunigung angezeigt. Es wird folglich durch das Messprinzip genau die Beschleunigung ermittelt, welche durch Antreiben oder Bremsen, nicht jedoch durch den Hangabtrieb verursacht wird.
Es ist von Vorteil, wenn neben einer Ist-Fahrzeuglängsbeschleunigung auch der Einfluss der Trägheitsmomente des Antriebs und/oder der Räder bei einer Drehzahländerung berücksichtigt wird, beispielsweise der Trägheitsmomente zweier Räder der durch den Motor angetriebenen Achse (oder sämtlicher vier Räder), des Motors und/oder der Kurbelwelle. Dadurch ist es beispielsweise möglich, bei Haftungsabriss auf einem Fahrbahnbelag mit niedrigem Reibwert ein fehlerhaft zu hoch gestelltes Motormoment zu erkennen, obwohl das Fahrzeug aufgrund durchdrehender Reifen keine auffällig erhöhte Fahrzeuglängsbeschleunigung aufweist. Vorzugsweise werden hierzu ein Drehmoment und/oder eine entsprechende rotatorisch wirkende Beschleunigung berechnet, welche durch der Trägheitsmomente des Antriebs und/oder eines oder mehrerer Räder verursacht werden.
Beispielsweise wird die Ist-Fahrzeugbeschleunigung in Abhängigkeit der Ist-Fahrzeuglängsbeschleunigung (welche insbesondere mittels eines Beschleunigungssensors bestimmt wird) sowie in Abhängigkeit einer Ist-Beschleunigung aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Rädern bestimmt. Zum Berechnen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung werden beispielsweise die Ist-Fahrzeuglängsbeschleunigung und die Ist-Beschleunigung aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Rädern summiert. Alternativ zur Berücksichtigung im Ist-Pfad kann die Ist-Beschleunigung aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Rädern im Soll-Pfad der Sicherheitsfunktion, in welchem die erwartete Beschleunigung bestimmt wird, berücksichtigt werden (hier wird diese dann subtrahiert),
Es kann neben der Längsbeschleunigung auch die Querbeschleunigung berücksichtigt werden, um Sensorfehler eines Beschleunigungssensors zum Bestimmen der Längsbeschleunigung bei hohem Schwimmwinkel zu kompensieren.
Bei der Sicherheitsüberwachung ist vorgesehen, dass die erwartete Fahrzeugbeschleunigung und die Ist-Fahrzeugbeschleunigung miteinander verglichen werden. Die Ist-Fahrzeugbeschleunigung kann aus der Fahrzeuglängsbeschleunigung und optional einer Beschleunigung aufgrund der Trägheiten von Antrieb und/oder Rädern abgeleitet sein.
Der Vergleich findet typischerweise in Richtung zu hoher Beschleunigung statt. Es wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung die erwartete Fahrzeugbeschleunigung in einer bestimmten Weise übersteigt, beispielsweise ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung von der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung um mehr als ein bestimmtes Toleranzmaß nach oben abweicht, beispielsweise um 1,5 m/s². Das Toleranzmaß muss nicht konstant sein und kann vom Betriebspunkt abhängig sein, beispielsweise von dem Wert des Fahrpedal-Signals und/oder des Bremssignals.
Vorzugsweise findet der Vergleich auch in Richtung zu hoher Verzögerung statt, um das Sicherheitsziel der ungewollten Verzögerung abzudecken. Dazu wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung die erwartete Fahrzeugbeschleunigung in einer bestimmten Weise unterschreitet, beispielsweise ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung von der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung um mehr als ein bestimmtes festes (beispielsweise 1,5 m/s²) oder variables Toleranzmaß nach unten abweicht. Das Toleranzmaß kann beispielsweise für einen Teilbereich des Fahrpedal-Signals mit zunehmender Fahrpedal-Betätigung in gleicher Weise wie die erwartete Beschleunigung zunehmen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Sicherheitsüberwachung ist vorgesehen, das Fehlen des Kraftschlusses im Antriebsstrang zu erkennen. Ein Kraftschluss im Antriebsstrang liegt beispielsweise dann nicht vor, wenn die Kupplung betätigt wird oder kein Gang eingelegt ist. Bei Erkennen des Fehlens des Kraftschlusses kann die Sicherheitsfunktion deaktiviert werden, beispielsweise indem die Fehlererkennung oder eine Fehlerreaktion deaktiviert werden (beispielsweise für eine bestimmte Zeit). Es kann auch vorgesehen sein, die Toleranz der Sicherheitsüberwachung zu vergrößern, beispielsweise die Toleranz der Fehlererkennung zu vergrößern. Diese Erweiterung dient dazu, bei Beschleunigung des Fahrzeugs durch eine fahrzeugexterne Kraft, beispielsweise beim Abschleppen oder beim Bewegen des Fahrzeugs in einer Waschstraße, eine in diesem Fall unsachgemäße Fehlererkennung oder Fehlerreaktion zu vermeiden.
Vorzugsweise ist eine Anschlepperkennung vorgesehen. Unter Anschleppen ist das Bewegen des Fahrzeugs durch fahrzeugexterne Kräfte mit dem Ziel des Anlassens des Verbrennungsmotors zu verstehen, beispielsweise durch Schleppen mit einem zweiten Fahrzeug. Bei Erkennen des Anschleppens kann die Sicherheitsüberwachung deaktiviert werden oder die Toleranz der Sicherheitsüberwachung vergrößert werden, beispielsweise für eine bestimmte Zeit. Zur Anschlepperkennung können die Fahrzeuggeschwindigkeit (oder die Raddrehzahl), die Motordrehzahl und die Ansteuerung der Startvorrichtung ausgewertet werden. Ein Anschleppen wird beispielsweise anhand der Zunahme der Motordrehzahl ausgehend von einer Nulldrehzahl ohne Ansteuerung eines Starters erkannt. Hierzu kann beispielsweise geprüft werden, ob ausgehend von einer Nulldrehzahl eine Selbstlaufschwelle (unterhalb der Leerlaufdrehzahl) erreicht oder überschritten wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Sicherheitsüberwachung. Diese kann Teil eines elektronischen Motorsteuergeräts sein. Die Einrichtung zur Sicherheitsüberwachung umfasst Mittel zum Bestimmen eines Soll-Moments in Abhängigkeit eines für die Stellung des Fahrpedals charakteristischen Fahrpedal-Signals. Ferner sind Mittel zum Bestimmen einer erwartete Fahrzeugbeschleunigung in Abhängigkeit des Soll-Moments vorgesehen. Außerdem umfasst die Einrichtung Mittel zum Bestimmen (oder nur zum Entgegennehmen) einer Ist-Fahrzeugbeschleunigung. Zum Bestimmen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung kann ein Beschleunigungssensor verwendet werden. Weiterhin sind Mittel zum Erkennen einer Fehlersituation durch Vergleichen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung und der erwartete Fahrzeugbeschleunigung vorgesehen.
Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Einrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesen zeigen:
1 eine konventionelle momentenbasierte Sicherheitsfunktion zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen beschleunigungsbasierten Sicherheitsfunktion zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung;
3 ein Ausführungsbeispiel einer Momentenstruktur; und
4 beispielhafte Verläufe der erwarteten Beschleunigung a_soll, der maximal zulässigen Beschleunigung a_zul,max und der minimal zulässigen Beschleunigung a_zul,min.
Das in 1 dargestellte Beispiel einer konventionellen momentenbasierten Sicherheitsfunktion wurde bereits vorstehend diskutiert.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen beschleunigungsbasierten Sicherheitsfunktion zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung. Mit gleichen Bezugszeichen versehene Signale und Blöcke in 1 und 2 entsprechen einander.
Bei dem in 2 dargestellten Beispiel kann im Soll-Pfad 1 der Betriebsfunktion eine beliebige Momentenstruktur 3 verwendet werden; vorzugsweise wird jedoch eine Momentenstruktur 3 verwendet, welche als Fahrerwunschmoment M_FW ein auf ein oder mehrere Räder bezogenes Radmoment verarbeitet, beispielsweise das gemeinsame Moment aller antreibenden Räder (beim Standardantrieb zwei Räder, beim Allradantrieb vier Räder). Ein Beispiel hierfür ist in 3 dargestellt. Die Momentenstruktur 3 umfasst ein Triebstrangmodell 50, welches in Abhängigkeit von Momentenanforderungen 4 (beispielsweise aufgrund eines Getriebeeingriffs) ein Kupplungsmoment M_kup bestimmt. In dem nachfolgenden Block 51 werden die Momentenanforderungen 4 der Nebenaggregate (beispielsweise des Klimakompressors) berücksichtigt und ein auf die Kurbelwelle bezogenes Moment M_kw berechnet. Mittels eines Reibmodells 52 des Motors wird aus dem auf die Kurbelwelle bezogenen Moment M_kw ein inneres Motormoment M_i,soll berechnet, aus welchem die Aktor-Stellparameter 6 des Motors bestimmt werden.
Die in 2 dargestellte Sicherheitsfunktion umfasst einen Soll-Pfad 20 zur Bestimmung einer erwarteten Fahrzeugbeschleunigung a_soll in Abhängigkeit eines für die Stellung des Fahrpedals charakteristischen Fahrpedal-Signals 12. Ferner sind ein Ist-Pfad 21 zur Bestimmung einer Ist-Fahrzeugbeschleunigung a sowie ein Vergleichsblock 22 zum Vergleichen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung a und der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung a_soll vorgesehen.
Soll-Pfad 20
Die Sicherheitsfunktion in 2 enthält einen Soll-Pfad 20, der aus dem Fahrpedal-Signal 12 oder eines alternativen nicht dargestellten Signal für einen Fahrerwunsch (wie dem Signal eines Tempomaten oder eines Abstandstempomaten) einen Gesamtantriebswunschmoment M_soll (Soll-Moment) des Fahrzeugs ermittelt. Hier bestimmt ein Fahrpedal-Interpreter 2* in Abhängigkeit des Fahrpedal-Signals 12 ein Fahrerwunschmoment M_FW. Bei dem Fahrerwunschmoment M_FW handelt es sich vorzugsweise um ein radbezogenes Moment, beispielsweise das gemeinsame Antriebsmoment aller antreibenden Räder (Standardantrieb zwei Räder, Allradantrieb vier Räder).
Vorzugsweise wird zur Bestimmung des Soll-Moments M_soll das an der Betriebsbremse wirkende Bremsmoment M_b berücksichtigt, wobei das Bremsmoment M_b von dem Fahrerwunschmoment M_FW zur Bestimmung des Soll-Moments M_soll subtrahiert wird (einer Subtraktion entspricht auch eine Addition mit einem negativ notierten Bremsmoment). Hierdurch wird der Einsatzbereich der Sicherheitsfunktion auch auf den Bremsfall ausgedehnt. Es kann beispielsweise die Fehlersituation detektiert werden, dass aufgrund eines Fehlers ein zu hohes Motormoment eingestellt wird und der Fahrer diese Erhöhung durch Betätigung des Bremspedals versucht zu kompensieren. Das Bremsmoment M_b wird im Block 45 in Abhängigkeit eines Bremspedal-Signals 46 bestimmt.
Vorzugsweise wird im Soll-Pfad 20 das zeitlich verzögerte Verhalten des Drehmomentabbaus bei der Rücknahme des Fahrspedals nachgebildet, indem das Soll-Moment M_soll mit einem entsprechenden Filter (nicht dargestellt) zeitlich verzögert wird. Außerdem könnte auch das zeitlich verzögerte Verhalten des Drehmomentaufbaus nachgebildet werden.
Es werden im Gegensatz zu konventionellen Sicherheitsfunktionen und im Unterschied zum Soll-Pfad 1 der Betriebsfunktion vorzugsweise keine weiteren Momentenanforderungen (siehe die Momentenanforderungen 4 im Soll-Pfad 1) im Soll-Pfad 20 berücksichtigt, weil jeder der zusätzlichen Momenteneingriffe, wie beispielsweise ein momentenerhöhender Getriebeeingriff während einer Schaltung oder ein momentenerhöhender Eingriff eines Fahrzeugstabilisierungssystems, vorzugsweise so gestaltet sein sollte, dass dieser nicht zu einer Verletzung des Sicherheitsziels einer ungewollten Beschleunigung führt. Die Momentenstruktur 3 kann daher in der Sicherheitsfunktion wegfallen oder zumindest deutlich in ihrem Umfang reduziert werden (beispielsweise kann lediglich die Momentenanforderung 4 des Getriebes berücksichtigt werden). In der Sicherheitsfunktion kann neben dem in 3 dargestellten Triebstrangmodell 50 und den Block 51 zur Berücksichtigung der Momentenanforderungen von Nebenaggregaten auch auf das Reibmodell 52 des Motors zum Berechnen eines inneren Motormoments verzichtet werden. Da die Fahrpedal-Kennlinie des Fahrpedal-Interpreters 2* vorzugsweise den Fahrerwunsch M_FW* als radbezogenes Moment (statt als Moment beispielsweise an der Kurbelwelle) liefert, kann aus dem Radmoment M_FW* leicht die Fahrzeugbeschleunigung a_soll berechnet werden, ohne dass das Fahrerwunschmoment erst auf den Bezugspunkt der Räder umgerechnet werden muss.
Diese Vereinfachungen ermöglichen eine deutliche Reduzierung des Funktionsumfangs der Sicherheitsfunktion und sparen damit Kosten bei der Umsetzung und Absicherung. Zudem wird eine Unabhängigkeit der Sicherheitsfunktion von der Betriebsfunktion erreicht, wodurch die Änderungshäufigkeit der Sicherheitsfunktion reduziert wird.
Das Soll-Moment M_soll wird in Block 23 in eine erwartete Beschleunigung a_soll umgerechnet. Beispielsweise wird das Soll-Moment M_soll anhand eines Radradius in eine auf das Fahrzeug wirkende Soll-Längskraft umgerechnet. Von dieser Soll-Längskraft wird eine Fahrwiderstandskraft subtrahiert, welche beispielsweise den Luftwiderstand und den Reibungswidertand nachbildet. Die Fahrwiderstandskraft wird beispielsweise in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt.
Die Beschleunigung errechnet sich beispielsweise aus dem Quotienten von resultierender Längskraft (Soll-Längskraft minus Fahrwiderstandskraft) und einer Fahrzeugmasse. Hierbei kann beispielsweise mit einer Worst-Case-Fahrzeugmasse gearbeitet werden. Beispielsweise kann mit minimalen Fahrzeugmasse und/oder einer maximalen Fahrzeugmasse gerechnet werden.
Ist-Pfad 21
Im Ist-Pfad 1 wird eine Ist-Fahrzeugbeschleunigung a bestimmt. Eine Fahrzeugbeschleunigung kann beispielsweise durch Differenzieren der Raddrehzahl berechnet werden, beispielsweise durch Differenzieren der nicht mit dem Antrieb verbundenen Räder. Diese Vorgehensweise weist jedoch den Nachteil auf, dass die Fahrzeugbeschleunigung dann je nach Grad der Steigung auch einen entsprechenden Anteil umfasst, der auf den Steigungswiderstand zurückzuführen ist. Zum Kompensieren dieses Steigungswiderstands müssten dann ein Steigungssignal bei der Bestimmung der Fahrzeugbeschleunigung berücksichtigt werden, was mit zusätzlichem Aufwand und Kosten verbunden ist. Um diesen Nachteil auszuräumen, wird vorzugsweise die Fahrzeugbeschleunigung unter Verwendung eines Beschleunigungssensors 30 bestimmt, der die Längsbeschleunigung a_l des Kraftfahrzeugs ermittelt. Da eine durch eine Steigung hervorgerufen Beschleunigungskomponente vom Sensor 30 nicht ausgegeben wird, kann eine Einrechnung eines Steigungssignals entfallen.
Vorzugsweise wird neben der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs auch der Einfluss der Trägheitsmomente von Antrieb und/oder Rädern bei einer Drehzahländerung berücksichtigt. Wie in 2 angedeutet, umfasst das Drehmoment M_i,ist des Motors 7 einen Anteil M_Antrieb,ist, der zur (Längs-)Beschleunigung des Fahrzeugs 8 dient, und einen dynamischen Anteil M_{Trägheit,ist}, der eine rotatorische wirkende Beschleunigung a_r,ist der Trägheitsmomente 50 des Antriebs und/oder der Räder bewirkt. Ein dynamisches Moment M_Trägheit und/oder eine entsprechende Beschleunigung a_r, welche durch die Trägheit 50 des Antriebs und/oder der Räder verursacht werden, lassen sich in folgender Weise berechnen:
Hierbei beschreiben m_FZG die Fahrzeugmasse, J_Gesamt das Trägheitsmoment von Antrieb und Rädern, J_Rad(k) das Trägheitmoment des k-ten Rads, n(k) die Raddrehzahl des k-ten Rades, n die Motordrehzahl, J_Mot das Trägheitsmoment des Antriebs (beispielsweise von Motor und Kurbelwelle) und i die Gesamtgetriebeübersetzung von der Kurbelwelle bis zum Rad. Die Größe kmax beschreibt die Anzahl der berücksichtigten Räder (2 oder 4 Räder).
In Block 32 wird gemäß der obigen Gleichung das dynamische Drehmoment M_Trägheit aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Rädern bei einer Drehzahländerung berechnet. In Block 31 wird – wie vorstehend angegeben – aus dem Drehmoment M_Trägheit die korrespondierende Beschleunigung a_r berechnet. Zur Bestimmung der Beschleunigung a werden die rotatorisch wirkende Beschleunigung a_r der Trägheitsmomente und die Längsbeschleunigung a_l addiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass zur Berücksichtigung des Einfluss des Trägheitsmomentes der Antriebs und/oder der Räder bei Drehzahländerung nicht zwingend die entsprechende Beschleunigung a_r berechnet werden muss. Beispielsweise kann der Einfluss des Trägheitsmoments auch nur durch Berechnung eines entsprechenden Drehmoments berücksichtigt werden, ohne dass das entsprechende Drehmoment tatsächlich berechnet wird (s. unten).
Die Berücksichtigung des Trägheitsmomentes des Antriebs und/oder der Räder ermöglicht es, im Fall geringer oder nicht vorhandener Längsbeschleunigung a_l (beispielsweise bei Haftungsabriss auf Fahrbahnbelag mit niedrigem Reibwert) oder im Fall hoher Längsbeschleunigung und Haftungsabriss eine Fehlersituation mit zu hoch eingestelltem Motormoment zu erkennen. Wenn ohne Berücksichtigung der Trägheit bei einem fehlerhaft zu hoch eingestelltem Motormoment und gleichzeitigem Haftungsabriss keine oder nur eine geringe Längsbeschleunigung a_l gemessen wird, greift die Sicherheitsfunktion nicht und der Fehler wird nicht detektiert. Bei Berücksichtigung der Trägheit hingegen wird in einem solchen Fall eine ungewöhnlich hohe Beschleunigung a_r festgestellt, die deutlich größer als die erwartete Beschleunigung a_soll ist. In 2 ist die Längsbeschleunigung a_l vorzugsweise mit einem Beschleunigungssensor statt durch Differenzieren der Raddrehzahl der angetriebenen Räder berechnet worden. Zusätzlich wird der Einfluss des Trägheitsmoments berechnet. Damit ist die Sicherheitsfunktion sensitiv sowohl in Bezug auf die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs als auch in Bezug auf die Beschleunigung aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Räder
In 2 wird der Einfluss der Trägheit des Antriebs und/oder der Räder bei einer Drehzahländerung im Ist-Pfad 21 berücksichtigt. Hier wird die entsprechende Beschleunigung a_r auf die Längsbeschleunigung a_l addiert. Stattdessen ist es auch möglich, den Einfluss der Trägheit im Soll-Pfad 20 zu berücksichtigen, beispielsweise kann eine durch die Trägheit hervorgerufen Beschleunigung a_r von der Soll-Beschleunigung a_soll subtrahiert werden oder das Drehmoment M_Trägheit von dem Drehmoment M_soll subtrahiert werden.
Es kann auch die Querbeschleunigung (nicht dargestellt) bestimmt werden (beispielsweise mittels eines weiteren Beschleunigungssensors). Hierdurch kann ein Sensorfehler des Längsbeschleunigungssensors 30 bei hohem Schwimmwinkel oder hoher Querbeschleunigung korrigiert werden. Beispielsweise kann in Abhängigkeit der Querbeschleunigung die Längsbeschleunigung a_l korrigiert werden, beispielsweise über eine Kennlinie, die einen Korrekturwert (insbesondere einen additiven Korrekturwert) für die Längsbeschleunigung in Abhängigkeit der Querbeschleunigung liefert. Alternativ kann in Abhängigkeit der Querbeschleunigung auch die die Toleranz der Sicherheitsfunktion erhöht werden.
Vergleichsblock 22
Im Vergleichsblock 22 wird die im Soll-Pfad 20 bestimmte erwartete Beschleunigung a_soll mit der im Ist-Pfad 21 bestimmte Ist-Beschleunigung a verglichen.
Der Vergleichsblock 22 ist eingerichtet, mittels Vergleich eine unzulässige Erhöhung der Ist-Beschleunigung a zu detektieren. Es wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung a die erwartete Fahrzeugbeschleunigung a_soll um mehr als einen bestimmten Toleranzwert tol_pos (beispielsweise 1,5 m/s²) übersteigt.
Dazu wird durch Addition der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung a_soll und des Toleranzwerts tol_pos eine maximal zulässige Fahrzeugbeschleunigung a_zul,max bestimmt. Über die Vergleichsoperation 40 wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung a größer als die maximal zulässige Fahrzeugbeschleunigung a_zul,max ist. Wenn dies der Fall ist, wird ein Fehler erkannt (das Ausgangssignal des Blocks 40 geht beispielsweise auf den binären Wert +1) und eine entsprechende Fehlerreaktion wird ausgelöst.
Der Vergleichsblock 22 ist optional außerdem eingerichtet, mittels Vergleich eine unzulässige Verringerung der Ist-Beschleunigung a zu detektieren, um das Sicherheitsziel einer ungewollten Verzögerung abzudecken. Es wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung a die erwartete Fahrzeugbeschleunigung a_soll um mehr als einen bestimmten Toleranzwert tol_neg (beispielsweise 1,5 m/s²) unterschreitet. Dazu wird durch Subtraktion des Toleranzwerts tol_neg von der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung a_soll eine minimal zulässige Fahrzeugbeschleunigung a_zul,min bestimmt. Über die Vergleichsoperation 41 wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung a kleiner als die minimal zulässige Fahrzeugbeschleunigung a_zul,max ist. Wenn dies der Fall ist, wird ein Fehler erkannt (das Ausgangssignal des Blocks 41 geht beispielsweise auf den binären Wert +1) und eine entsprechende Fehlerreaktion wird ausgelöst.
Die Toleranzwerte tol_pos, tol_neg können grundsätzlich konstant sein, in 2 sind diese jedoch vorzugsweise variabel und sind beispielsweise von dem Betriebspunkt abhängig, beispielsweise von dem Wert des Fahrpedal-Signals 12 und/oder von dem Wert des Bremspedal-Signals 46. Die Toleranzwerte tol_pos, tol_neg werden dazu in dem Block 42 in Abhängigkeit des Fahrpedal-Signals und des Bremssignals M_b bestimmt.
Ferner werden die Toleranzwerte tol_pos, tol_neg in bestimmten Situationen optional deutlich erhöht, damit die Sicherheitsfunktion nicht fehlerhaft anspricht.
Dazu ist beispielsweise ein Block 43 vorgesehen, welcher das Fehlen des Kraftschlusses im Antriebsstrang erkennt, beispielsweise bei Auskuppeln oder bei Nichteinlegen des Gangs. Bei Erkennen des Fehlens des Kraftschlusses wird im Block 42 die Fehlertoleranz zur Erkennung eines Fehlers daraufhin aufgeweitet (d. h. die Toleranzwerte tol_pos, tol_neg werden deutlich erhöht). Dies dient dazu, bei Beschleunigung des Fahrzeugs durch eine fahrzeugexterne Kraft, beispielsweise beim Abschleppen oder beim Bewegen des Fahrzeugs in einer Waschstraße, eine in diesem Fall unsachgemäße Fehlerreaktion zu vermeiden.
Vorzugsweise ist außerdem eine Anschlepperkennung 44 vorgesehen. Zur Anschlepperkennung können die Fahrzeuggeschwindigkeit (oder die Raddrehzahl), die Motordrehzahl und die Ansteuerung der Startvorrichtung ausgewertet werden. Ein Anschleppen wird beispielsweise anhand der Zunahme der Motordrehzahl ausgehend von einer Nulldrehzahl ohne Ansteuerung eines Starters erkannt. Bei Erkennen einer Anschleppsituation wird die Fehlertoleranz zur Erkennung eines Fehlers daraufhin für eine definierte Zeit aufgeweiet (d. h. die Toleranzwerte tol_pos, tol_neg werden deutlich erhöht).
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel kann vereinfacht werden, indem beispielsweise auf

– die Kraftschlussunterbrechungserkennung 43,
– die Anschlepperkennung 44,
– den Vergleichsblock 41 und den Toleranzwert tol_neg,
– die Bestimmung der Rotationsbeschleunigung a_r in Block 31 und/oder
– die Berücksichtigung des Bremsmoments M_b bei der Bestimmung des Soll-Moments

4 zeigt einen beispielhaften Verlauf der erwarteten Beschleunigung a_soll in Abhängigkeit von der Betätigung des Fahrpedals und der Bremse. Außerdem ist ein beispielhafter Verlauf der maximal zulässigen Beschleunigung a_zul,max und der minimal zulässigen Beschleunigung a_zul,min dargestellt, der sich durch Addition des Toleranzmaßes tol_pos bzw. Subtraktion des Toleranzmaßes tol_neg ergibt. Beide Toleranzmaße tol_pos und tol_neg sind nicht über dem gesamten Betriebsbereich konstant, sondern variabel. Die minimal zulässige Beschleunigung a_zul,min dient der Verzögerungsüberwachung. Die obere Grenze der minimal zulässigen Beschleunigung a_zul,min entspricht beispielsweise der Beschleunigung im Schubbetrieb mit Schleppmoment. Das Toleranzmaß tol_neg nimmt ab der gestrichelten senkrechten Linie mit zunehmender Fahrpedal-Betätigung in gleicher Weise wie die erwartete Beschleunigung a_soll zu, so dass sich für diesen Teilbereich eine feste minimal zulässige Beschleunigung a_zul,min ergibt.

Claims

Verfahren zur Sicherheitsüberwachung eines Antriebs in einem Kraftfahrzeug, mit den Schritten: – Bestimmen eines Soll-Moments (M_soll) in Abhängigkeit eines für die Stellung des Fahrpedals charakteristischen Fahrpedal-Signals (12) oder in Abhängigkeit eines Signals eines die Fahrzeuglängsbewegung beeinflussenden Fahrerassistenzsystems; – Bestimmen einer erwarteten Fahrzeugbeschleunigung (a_soll) in Abhängigkeit des Soll-Moments (M_soll); – Bestimmen einer Ist-Fahrzeugbeschleunigung (a); und – Erkennen einer Fehlersituation durch Vergleichen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung (a) und der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung (a_soll).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Soll-Moment (M_soll) ferner in Abhängigkeit eines auf die Betriebsbremse des Kraftfahrzeugs bezogenen Bremssignals (M_b) bestimmt wird, insbesondere in Abhängigkeit eines an der Betriebsbremse wirkenden Bremsmoments.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ist-Fahrzeugbeschleunigung (a) unter Verwendung eines Beschleunigungssensors (30) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einfluss der Trägheitsmomente des Antriebs und/oder eines oder mehrerer Räder bei Drehzahländerung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Drehmoment (M_Trägheit) und/oder eine Beschleunigung (a_r) berechnet werden, welche durch die Trägheitsmomente des Antriebs und/oder eines oder mehrerer Räder verursacht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Vergleichens umfasst: – Prüfen, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung (a) die erwartete Fahrzeugbeschleunigung (a_soll) in einer bestimmten Weise übersteigt; und – Prüfen, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung (a) die erwartete Fahrzeugbeschleunigung (a_soll) in einer bestimmten Weise unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: – Erkennen des Fehlens eines Kraftschlusses im Antriebsstrang; und – bei Erkennen des Fehlens des Kraftschlusses, Deaktivieren der Sicherheitsüberwachung oder Vergrößern einer Toleranz der Sicherheitsüberwachung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt: – Erkennen des Anschleppens des Kraftfahrzeugs; und – bei Erkennen des Anschleppens des Kraftfahrzeugs, Deaktivieren der Sicherheitsüberwachung oder Vergrößern einer Toleranz der Sicherheitsüberwachung.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Anschleppen des Kraftfahrzeugs anhand der Zunahme der Motordrehzahl ausgehend von einer Nulldrehzahl ohne Ansteuerung eines Starters erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Bestimmung des Soll-Moments ein Fahrpedal-Interpreter (2*) verwendet wird und ausgangsseitig des Fahrpedal-Interpreters (2*) bis zur Berechnung der zu erwartenden Beschleunigung (a_soll) keine Momentenanforderungen berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – bei der Bestimmung des Soll-Moments ein Fahrpedal-Interpreter (2*) verwendet wird und – der Fahrpedal-Interpreter (2*) ein radbezogenes Fahrerwunschmoment (M_FW*) bestimmt, welches auf ein oder mehrere Räder bezogen ist.
Einrichtung zur Sicherheitsüberwachung des Antriebs in einem Kraftfahrzeug, umfassend: – Mittel (2*) zum Bestimmen eines Soll-Moments (M_soll) in Abhängigkeit eines für die Stellung des Fahrpedals charakteristischen Fahrpedal-Signals (12) oder in Abhängigkeit eines Signals eines die Fahrzeuglängsbewegung beeinflussenden Fahrerassistenzsystems; – Mittel (23) zum Bestimmen einer erwarteten Fahrzeugbeschleunigung (a_soll) in Abhängigkeit des Soll-Moments (M_soll); – Mittel (30, 31) zum Bestimmen oder Entgegennehmen einer Ist-Fahrzeugbeschleunigung (a); und – Mittel (40, 41) zum Erkennen einer Fehlersituation durch Vergleichen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung (a) und der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung (a_soll).