DE102014017464B4 - System und Verfahren zur Regelung der Radbremsmomente mit gleichzeitiger Störkompensation in Elektrofahrzeugen - Google Patents

Abstract

System zur Regelung der Radbremsmomente mit gleichzeitiger Störungskompensation für entkoppelte Bremssysteme von Elektrofahrzeugen, welches• eine Speichereinheit zum Be- oder Entladen mit elektrischer Energie und• für jedes anzutreibende Rad (101 - 104) jeweils einen Elektromotor (109 - 112) zur Erzeugung eines elektrischen Antriebs- oder Bremsmomentes sowie eine Reibungsbremse (117 - 120) zur Erzeugung eines Reibbremsmomentes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das System• Sensoreinheiten zum Erfassen des Zustandes der Speichereinheit (129), der Position eines Bremspedals (122), der Drehgeschwindigkeiten der einzelnen Räder (105 - 108) sowie der Beschleunigung des Fahrzeugaufbaus (126) in Fahrtrichtung;• eine Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125) für jedes einzelne Rad (101 - 104), mit der externe Störungen im Bremsverhalten des Elektrofahrzeugs kontinuierlich kompensierbar sind und• eine Bremssteuereinheit (124) zum Ermitteln des Reibbremsmomentes und des elektrischen Bremsmoments auf das jeweilige Rad (101 - 104) aufweist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bremssystem in Elektrofahrzeugen, in denen das Bremspedal keine mechanische, hydraulische oder pneumatische Kopplung mit den Radbremsen aufweist, und ein Verfahren zur Regelung der Raddrehmomente mit gleichzeitiger Kompensation externer Störungen.
• Während des Fahrbetriebs von Elektrofahrzeugen treten Störungen unterschiedlicher Art, wie beispielsweise eine Fahrbahnsteigung oder der Verschleiß von Reifen und Bremsbelägen usw., auf. Durch diese Störungen werden zusätzliche Kräfte erzeugt, die die Fahrzeugdynamik beeinflussen (z.B. die Fahrzeugverzögerung bei einer Fahrzeugbremsung). Ebenso wird auch die Fahrerwahrnehmung aufgrund eines veränderten Bremspedalgefühls (jede Pedalposition entspricht einem bestimmten Grad der gewünschten Fahrzeugverzögerung) beeinträchtigt. Derartige externe Störungen verursachen eine unerwünschte Belastung des Fahrers, weil das Bremspedal zusätzlich betätigt werden muss, um die gewünschte Verzögerung zu erreichen.
• Die aus der Patent- und technischen Literatur bekannten Regelungsansätze hinsichtlich aktiver Fahrsicherheitssysteme berücksichtigen bereits den Einfluss derartiger Störungen. So wird z.B. in der Publikation [E. Liebemann, T. Führer, P. Kröger, „Light commercial vehicles: challenges for vehicle stability control“ in Proceedings of the 20th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles (ESV), Lyon, France, 2007] gezeigt, dass die Lastverteilung zwischen der Vorder- und Hinterachse eine Verzerrung der Bremsregelfunktionen verursacht. Deshalb wurde vorgeschlagen, diese Lastverteilung bei der Radschlupfregelung zu berücksichtigen. Jedoch sind die in der Publikation beschriebenen Maßnahmen keine Störungskompensation, mit der stets gleichartige Bremspedalkennlinien realisiert werden können.
• In der US 4 336 592 A wird weiter ein Antiblockier-Steuersystem angegeben, welche eine veränderliche Verstärkung umfasst, um Bremsen auszugleichen, welche starke Veränderungen im Reibungskoeffizient des Belages zeigen. Grundsätzlich umfasst die Erfindung einen Druckwandler und einen zugehörigen Verstärker, welcher ein Ausgangssignal entsprechend dem Bremsdruck liefert. Diese zwei Signale werden in einer Summenschaltung summiert und die von dieser Schaltung erhaltene Funktion wird dazu verwendet, das Steuersignal von der Antiblockier-Steuerschaltung zu verändern.
• Aus der US 6 663 197 B2 ist bekannt, dass in Elektrofahrzeugen ein konstantes Bremspedalgefühl mit Berücksichtigung von externen Störungen realisiert werden kann. Dazu wird zuerst das tatsächliche Bremsmoment durch den Fahrzeugbeschleunigungsmesser ermittelt. Das vom Fahrer gewünschte Bremsmoment wird anschließend aus der aufgebrachten Bremskraft und dem Bremspedalweg ermittelt. Schließlich wird die Differenz zwischen dem gewünschten Bremsmoment und dem tatsächlichen Bremsmoment mit der vorgeschlagenen Regelstrategie ausgeglichen, so dass während einer Bremsung gleichartige Bremspedalkennlinien gewährleistet werden können.
• In der US 2010 / 0 049 415 A1 wird ein Steuerungssystem für eine Fahrzeugbremse beschrieben, die ein Kompensationsmodul umfasst, das einen kompensierten Bremswert auf der Grundlage einer Fahrzeugmasse und einer Pedalkraft und/oder eines Pedalversatzes ermittelt, und ein Bremssteuerungsmodul, das einen Fluiddruck, der an die Fahrzeugbremse geliefert wird, auf der Grundlage des kompensierten Bremswerts selektiv einstellt. Das Kompensationsmodul ermittelt den kompensierten Bremswert auf der Grundlage eines Vergleichs der Fahrzeugmasse und eines vorbestimmten Massenwertes. Ein zugehöriges Verfahren zum Steuern der Fahrzeugbremse auf der Grundlage der Fahrzeugmasse wird ebenfalls beschrieben.
• In der US 2013 / 0 085 650 A1 wird ein weiteres Steuerungssystem für die Fahrzeugbremse eines Elektrofahrzeugs dargestellt, welches bei einer Bremsung die Frequenzschwankungen des regenerativen Bremsmoments berücksichtigt und den Bremsbetriebs entsprechend anpasst, um das gewünschte Bremspedalgefühl zu erreichen. Als Regelstörung identifiziert die Erfindung nur die Schwankungen des regenerativen Bremsmoments und verarbeitet diese Schwankungen mittels eines Filters.
• Aus dem Stand der Technik sind lediglich Lösungen bekannt, mit denen die externen Störungen unterschiedlicher Art gleichzeitig kompensiert werden können, wobei jedoch das eigentliche Kompensationsverfahren nicht vollständig offenbart wird und die konkrete Auslegung der Bremssysteme und die Fahrzeugart nicht berücksichtigt werden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die aufgezeigten Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein System und ein dazugehöriges Verfahren zur Regelung der Radbremsmomente mit gleichzeitiger Störungskompensation bereitzustellen, die insbesondere für entkoppelte Bremssysteme von Elektrofahrzeugen einsetzbar sind.
• Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und vierten Patentanspruches.
  Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems sind in den Patentansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet, während bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Patentansprüchen 5 bis 8 angegeben sind.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:
• 1 - prinzipieller Aufbau eines erfindungsgemäßen entkoppelten Bremssystems für ein Elektrofahrzeug
• 2 - ein Blockdiagramm der Einheit zum Regeln der Bremsmomente
• 3 - ein Blockdiagramm der Einheit zum Regeln der Basisbremsmomente
• In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen entkoppelten Bremssystems für ein Elektrofahrzeug mit einem elektrischen und einem Reibbremssystem dargestellt. Es umfasst insbesondere eine Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125), mit der eine Kompensation externer Störungen realisiert werden kann. Jedes anzutreibende Rad (101 - 104) ist mit einem der Elektromotoren (109 - 112) über Antriebsstrangelemente (113 - 116) gekoppelt. Außerdem sind die Elektromotoren (109 ... 112) mit einer Speichereinheit (128) elektrisch verbunden. In Abhängigkeit vom Betriebsmodus des Fahrzeugs (Antrieb oder Bremsung) wird die elektrische Leistung entweder von der Speichereinheit (128) zu den Elektromotoren (109 - 112) oder von den Elektromotoren (109 - 112) zur Speichereinheit (128) entsprechend übertragen.
• Die Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125) sendet an die Motorsteuereinheit (123) und die Bremssteuereinheit (124) Signale zur Erzeugung eines Moments auf die jeweiligen Räder (101 - 104). Dabei ermittelt die Bremssteuereinheit (124) aus dem Bremspedalweg die gewünschte Fahrzeugverzögerung und verteilt das für die gewünschte Fahrzeugverzögerung erforderliche Bedarfsmoment für jedes Rad (101-104) zwischen dem jeweiligen Elektromotor und dem jeweiligen Reibbremssystem.
• Während dieser Prozedur misst der Sensor (129) den Ladezustand der Speichereinheit (128), um in Abhängigkeit von den vorhandenen batteriebedingten Einschränkungen den für die Elektromoren festgelegten Anteil des Bedarfsmoments T_{i_em} zu saturieren. Anschließend wird in der Bremssteuereinheit (124) ein zusätzliches Kompensationsmoment generiert, mit dem während der Bremsung eine konstante Bremspedalkennlinie gewährleistet werden kann.
  Mit dem Sensor (122) wird die Position des Bremspedals (121) erfasst. Dabei wird das Bremspedal (121) von einer Betätigungskraft F_ped (128) angesteuert, um die gewünschte Fahrzeugverzögerung zu erreichen. Die gewünschte Fahrzeugverzögerung wird in der Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125) aus dem Verhältnis der Referenzverzögerung und der Position des Bremspedals s_ped berechnet.
  Der Beschleunigungssensor (126) generiert für die Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125) ein Signal der Beschleunigung des Fahrzeugaufbaus (127) in Fahrtrichtung.
  An den Rädern (101 - 104) sind jeweils Sensoren (105 - 108) positioniert, die für die Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125) jeweils ein Signal der Drehgeschwindigkeit des entsprechenden Rades (101 - 104) generieren.
• 2 zeigt ein Blockdiagramm der Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125), in welcher die Basisbremsung für das elektrische und hydraulische Bremssystem sowie auch die Störungskompensation funktionalisiert sind.
  Die Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125) generiert für die Elektromotoren (Subsystem 203) das Bedarfsmoment T_{i_em} und für die Reibbremse (Subsystem 202) das Bedarfsmoment T_{i_fric}. Die Energiemanagement-Einheit (205) definiert aus den Signalen der Sensoren (105 - 108, 129) das verfügbare Bedarfsmoment T_{i_lim} für jeden Elektromotor.
  Mit der Einheit zur Ermittlung des Fahrzeugzustands (207) wird aus den Sensorsignalen der Radgeschwindigkeiten ω_i, der Beschleunigung des Fahrzeugaufbaus a_{x_act}, den Motorströmen i_i und den Reibbremsdrücken P_i der Fahrzeugzustand ermittelt, wobei die Sensorsignale an die Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125) mit Hilfe eines Kommunikationsbusses (201) übermittelt werden.
• Die so ermittelten Parameter des Fahrzeugzustands, wie die allgemeinen Widerstandskräfte Fres (Rollwiderstand, aerodynamischer Widerstand), die tatsächliche Fahrzeugmasse m_{a_act} und die Widerstandskraft bei einer Fahrt mit Fahrbahnsteigung F_grad, werden in der Einheit zum Regeln der Basisbremsmomente (206) weiter verarbeitet. Insbesondere wird daraus das Gesamtbremsmoment T_total ermittelt und die externen Störungen unter Berücksichtigung der Parameter des Fahrzeugzustands und der gewünschten Fahrzeugverzögerung kompensiert. Die gewünschte Fahrzeugverzögerung wird mit einer Datenbank (209), welche die Abhängigkeit der Referenzverzögerung a_{x_ref} vom Bremspedalweg s_ped beschreibt, berechnet.
  Anschließend wird das Gesamtbremsmoment T_total in der Einheit zur Aufteilung des Bremsmoments (204) in die Bremsmomente für die Vorderachse T_front und für die Hinterachse T_rear des Fahrzeugs aufgeteilt. Die Einheit zur Erzeugung eines kombinierten Bremsmoments (208) realisiert die Aufteilung jedes der Bremsmomente T_front und T_rear zwischen dem Subsystem (203) (Elektromotoren) und dem Subsystem (202)
  (Bremssystem) und generiert entsprechende individuelle Bremsmomente T_{i_em} und T_{i_fric} für jedes Rad. Bei der Aufteilung der Bremsmomente berücksichtigt die Einheit zur Erzeugung eines kombinierten Bremsmoments (208) das Signal von der Energiemanagement-Einheit (205) über die limitierenden Momente T_{i­_lim} der Elektromotoren.
  In Abhängigkeit von den individuellen Bremsmomenten T_{i_em} werden die Elektromotoren (Subsystem 203) durch die Motorsteuereinheit (123) angesteuert. In Abhängigkeit von den individuellen Bremsmomenten T_{i_fric} wird die Reibbremse des Bremssystems (Subsystem 202) durch die Bremssteuereinheit (124) angesteuert.
• 3 zeigt das Blockdiagramm der Einheit zum Regeln der Basisbremsmomente (206). Die Einheit zur Generierung des Bedarfsmoments (301) berechnet aus dem Signal der gewünschten Fahrzeugverzögerung a_{x_ref} das Bedarfsmoment T_dem. Die Berechnung schließt auch die Kompensationsprozedur basierend auf dem Signal der beobachteten aktuellen Fahrzeugmasse m_{a_act} ein: $$T_{dem}=m_{a\_act}{a}_{x\_ref}{r}_w$$

  
• Der Radradius r_w wird dabei als konstanter Wert betrachtet und das Signal der beobachteten aktuellen Fahrzeugmasse m_{a_act} in der Einheit zur Ermittlung des Fahrzeugzustands (207) berechnet. Die gewünschte Fahrzeugverzögerung a_{x_ref} wird aus der Datenbank (209) abgeleitet. Die Einheit zur Ermittlung des Fahrzeugzustands (207) ermittelt aus den Sensorsignalen der Radgeschwindigkeiten ω_j, der Beschleunigung des Fahrzeugaufbaus a_{x_act}, den Motorströmen i_i und den Reibbremsdrücken P_i den Fahrzeugzustand.
• Der Kompensator 2 (303) dient der Kompensation von momentanen Störungen, wie eine Fahrbahnsteigung F_grad, und / oder eine Änderung der tatsächlichen Fahrzeugmasse m_{a_act}. Das entsprechende Kompensationsmoment wird als Reaktionsmoment T_react bezeichnet und wie folgt berechnet: $$T_{react}=\left(m_{a\_act}\text{sin }\alpha \right)r_w$$

  
• Gleichung 2 beschreibt den Einzelfall der Kompensation einer Fahrbahnsteigung. Andere momentan wirkende Kräfte können auf ähnliche Weise kompensiert werden, wobei die Kraft F_grad mit Hilfe der Einheit zur Ermittlung des Fahrzeugzustands (207) ermittelt wird.
• Der Kompensator 1 (302) realisiert eine schrittweise Kompensation von permanenten Störungen. Dazu gehören z.B. der Verschleiß von Reifen und Bremsbelägen oder eine thermisch bedingte Reduktion der Bremsreibkraft. Sie ändern sich zunehmend während eines relativ langen Zeitraums und können deshalb als permanente Störungen betrachtet werden. Um den nicht vorhersehbaren Änderungen im Bremspedalgefühl aufgrund dieser permanenten Störungen vorzubeugen, generiert der Kompensator 1 (302) ein entsprechendes Kompensationsmoment T_{long_term} schrittweise. Das Moment T_{long_term} wird im Laufe jeder Bremsung mit Hilfe eines Korrekturfaktors f_cor berechnet: $$m_a{a}_{x\_ref}{f}_{cor}=F_{x\_act}-F_{roll}\pm F_{grad}$$

  
• Die aerodynamische Widerstandskraft F_aero und Rollwiderstandskraft F_roll werden in der Einheit zur Ermittlung des Fahrzeugzustands (207) ermittelt und zu der Widerstandskraft Fres summiert. Die tatsächliche Brems- und Schubkraft des Fahrzeugs F_{x_act} wird ebenfalls werden in der Einheit zur Ermittlung des Fahrzeugzustands (207) ermittelt.
• Zur Bestimmung des Korrekturfaktors f_cor können verschiedene indirekte Verfahren verwendet werden. Um die Robustheit der Korrektur zu gewährleisten, ist die Änderung des Korrekturfaktors durch einen bestimmten Wert fup begrenzt: $$f_{cor\_lim}\{\begin{array}{ll}\mathrm{1,}\hfill & f_{cor}\hfill \\ f_{cor},\hfill & 1\le f_{cor}\le f_{up}\hfill \\ f_{up},\hfill & f_{cor}>f_{up}\hfill \end{array}$$

  
• Der begrenzte Korrekturfaktor f_{cor_lim} wird weiter verwendet, um den Momentanteil T_{long_term} des Kompensators 1 (302) zu definieren: $$T_{long\_term}=\left(f_{cor\_lim}-1\right)T_{dem},$$

  

  wobei der Wert des Bedarfsmoments T_demaus der Einheit zur Generierung des Bedarfsmoments (301) übernommen wird.
• Das finale Moment T_total, welches für die Einheit zur Aufteilung des Bremsmoments (204) erforderlich ist, wird schließlich wie folgt berechnet: $$T_{total}=T_{dem}+T_{react}+T_{long\_term}$$

  
• Bezugszeichenliste

101 - 104

Rad

105 - 108

Sensor zum Erfassen der Drehgeschwindigkeiten der Räder

109 - 112

Elektromotoren

113 - 116

Antriebsstrangelemente

117 - 120

Reibungsbremsen

121

Bremspedal

122

Sensor zum Erfassen der Position des Bremspedals

123

Motorsteuereinheit

124

Bremssteuereinheit

125

Einheit zum Regeln der Bremsmomente

126

Sensor zum Erfassen der Beschleunigung des Fahrzeugaufbaus

127

Fahrzeugaufbau

128

Betätigungskraft

129

Sensor zur Erfassung des Zustandes der Speichereinheit

201

Kommunikationsbus

202

Subsystem (Bremssystem)

203

Subsystem (Elektromotoren)

204

Einheit zur Aufteilung des Bremsmoments

205

Energiemanagement-Einheit

206

Einheit zum Regeln der Basisbremsmomente

207

Einheit zur Ermittlung des Fahrzeugszustands

208

Einheit zur Erzeugung eines kombinierten Bremsmoments

209

Datenbank

301

Einheit zur Generierung des Bedarfsmoments

302

Kompensator 1

303

Kompensator 2

304

Sensoren zum Erfassen des Bremsdrucks

305

Sensoren zum Erfassen des Stroms

Claims (8)

1. System zur Regelung der Radbremsmomente mit gleichzeitiger Störungskompensation für entkoppelte Bremssysteme von Elektrofahrzeugen, welches • eine Speichereinheit zum Be- oder Entladen mit elektrischer Energie und • für jedes anzutreibende Rad (101 - 104) jeweils einen Elektromotor (109 - 112) zur Erzeugung eines elektrischen Antriebs- oder Bremsmomentes sowie eine Reibungsbremse (117 - 120) zur Erzeugung eines Reibbremsmomentes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das System • Sensoreinheiten zum Erfassen des Zustandes der Speichereinheit (129), der Position eines Bremspedals (122), der Drehgeschwindigkeiten der einzelnen Räder (105 - 108) sowie der Beschleunigung des Fahrzeugaufbaus (126) in Fahrtrichtung; • eine Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125) für jedes einzelne Rad (101 - 104), mit der externe Störungen im Bremsverhalten des Elektrofahrzeugs kontinuierlich kompensierbar sind und • eine Bremssteuereinheit (124) zum Ermitteln des Reibbremsmomentes und des elektrischen Bremsmoments auf das jeweilige Rad (101 - 104) aufweist.
2. System nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zum Regeln der Bremsmomente (125) eine Einheit zur Ermittlung des Fahrzeugzustands (207), eine Datenbank (209), eine Energiemanagement-Einheit (205), eine Einheit zur Regelung der Basisbremsmomente (206), eine Einheit zur Aufteilung des Bremsmomentes (204) und eine Einheit zur Erzeugung eines kombinierten Bremsmomentes (208) aufweist.
3. System nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zur Regelung der Basisbremsmomente (206) eine Einheit zur Generierung des Bedarfsmomentes (301), eine Einheit zur Kompensation momentaner Störungen des Bremsverhaltens (303) und eine Einheit zur Kompensation permanenter Störungen des Bremsverhaltens (302) aufweist.
4. Verfahren zur Regelung der Radbremsmomente mit gleichzeitiger Störungskompensation für entkoppelte Bremssysteme von Elektrofahrzeugen mit einem System nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfassend die Schritte: • Erfassung der Bedarfsmomente T_dem, die von den Elektromotoren (109 - 112) und den Reibungsbremsen (117 - 120) an jedem Rad (101 - 104) generiert werden sollen; • Ermittlung von Störungen im Bremsverhalten des Elektrofahrzeugs; • Sortieren der ermittelten Störungen im Bremsverhalten des Elektrofahrzeugs nach momentanen und permanenten Störungen; • Berechnung des Kompensationsbremsmomentes T_react für die momentanen Störungen und des Kompensationsbremsmomentes T_{long_term} für die permanenten Störungen; • Ermittlung eines korrigierten Bremsmomentes T_total für jedes Rad (101 - 104) durch Summierung des jeweiligen Bedarfsmomentes T_dem und der jeweiligen Kompensationsmomente T_react und T_{long_term}. • Aufteilung des korrigierten Bremsmomentes T_total in die Bremsmomente für die Vorderachse T_front und für die Hinterachse T_rear des Elektrofahrzeugs und in die radindividuellen elektrischen Bremsmomente T_{i_em} und radindividuellen Reibbremsmomente T_{i_em} und T_{j_fric}.
5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Kompensationsmomente die Widerstandskraft F_grad bei einer Fahrt mit Fahrbahnsteigung, die tatsächliche Fahrzeugmasse m_{a_act}, der Rollwiderstandskraft F_roll und der aerodynamischen Widerstandskraft F_aero ermittelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung des Kompensationsbremsmomentes T_{long_term} für die permanenten Störungen ein Korrekturfaktor f_cor verwendet wird, der durch einen vorbestimmten Wert fup begrenzt ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsbremsmoment T_react für die momentanen Störungen bei der Ermittlung des korrigierten Bremsmomentes T_total kontinuierlich berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsbremsmoment T_{long_term} für die permanenten Störungen schrittweise berücksichtigt wird.

Images