DE102014108083A1

DE102014108083A1 - Bremsregelverfahren für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014108083A1
Application number: DE102014108083.1A
Authority: DE
Inventors: Clemens Satzger; Ricardo de Castro; Jonathan Brembeck
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-07
Also published as: DE102014108083B4

Abstract

Bremsregelverfahren für ein Fahrzeug mit wenigstens einem Fahrzeugrad und einem ersten Bremsaktuator (102) sowie wenigstens einem weiteren Bremsaktuator (102) zum Bremsen des wenigstens einen Fahrzeugrad, wobei an dem wenigstens einen Fahrzeugrad funktional kombiniert sowohl eine Schlupfregelung (112) als auch eine Momentaufteilung (110) zwischen dem ersten Bremsaktuator (102) und dem wenigstens einen weiteren Bremsaktuator (102) mithilfe eines modellprädiktiven Reglers (108) durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bremsregelverfahren für ein Fahrzeug mit wenigstens einem Fahrzeugrad und einem ersten Bremsaktuator sowie wenigstens einem weiteren Bremsaktuator zum Bremsen des wenigstens einen Fahrzeugrads.
Aus der DE 196 22 017 A1 ist ein Fahrzeug bekannt mit einem Vorderrad und einem damit verbundenen elektrischen Motor, einer Nutzbremssteuerung, um eine Nutzbremsung an den Vorderrädern auszuführen, und einem Antiblockierbremssystem, das auf einen übermäßigen Radschlupf des Vorderrades während des Bremsens reagiert, um das Reibungsbremsmoment zu modulieren und so den übermäßigen Radschlupf zu verringern, einer Steuerung, die auf eine Aktivierung des Antiblockiersystems reagiert, um die Ausführung einer Nutzbremsung während einer solchen Aktivierung zu verhindern.
Aus der DE 10 2010 054 452 A1 ist eine Bremsregelvorrichtung bekannt für ein Elektrofahrzeug, umfassend: einen Elektromotor, der ein elektrisches Bremsmoment für mit diesem über einen Antriebsstrang verbundene Räder basierend auf einem berechneten Motordrehmoment-Befehlswert bereitstellt; eine Reibbremsvorrichtung, die ein Reibbremsmoment für die Räder basierend auf einem berechneten Reibbremsmoment-Befehlswert bereitstellt; einen Soll-Bremsmoment-Befehlswert-Berechnungsabschnitt, der einen Soll-Bremsmoment-Befehlswert zumindest entweder basierend auf einem Zustand der Räder oder einer Bremsanforderung eines Fahrers des Fahrzeugs bereitstellt; einen Frequenzkomponenten-Zerlegungsabschnitt, der den Soll-Bremsmoment-Befehlswert in eine erste Frequenzkomponente, die niedriger als eine Resonanzfrequenz des Antriebsstrangs ist, und eine zweite Frequenzkomponente zerlegt, die gleichgroß oder größer als die erste Frequenzkomponente ist; und einen Bremskraft-Regelabschnitt, der das elektrische Bremsmoment für die Räder basierend auf dem Motordrehmoment-Befehlswert bereitstellt, der der ersten Frequenzkomponente entspricht, und das Reibbremsmoment für die Räder basierend auf dem zweiten Reibbremsmoment-Befehlswert bereitstellt, der der zweiten Frequenzkomponente entspricht.
Aus der DE 10 2012 001 546 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Zuteilen von Kräften auf die Ecken eines Fahrzeugs, das eine redundante Stellgliedsuite aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein Satz von Sollkräften am Schwerpunkt des Fahrzeugs ermittelt wird; der Satz von Sollkräften auf die Ecken des Fahrzeugs als virtuelle Steuerbefehle unter Verwendung eines Controllers zugeteilt wird; die virtuellen Steuerbefehle an den Ecken auf tatsächliche oder echte Steuerbefehle an den Ecken abgebildet werden; und mehrere Stellglieder an den Ecken unter Verwendung der tatsächlichen oder echten Steuerbefehle gesteuert werden.
Aus der DE 10 2010 003 076 A1 ist ein Verfahren bekannt zur Regelung eines Radbremsschlupfes für ein Fahrzeug mit einem Elektroantrieb, umfassend die folgenden Schritte: Erfassen eines Bremssignals mittels einer Schlupfregeleinrichtung, wobei die Schlupfregeleinrichtung zum Regeln eines vorbestimmten Schlupfwertes eines Rads des Fahrzeugs ein Elektroantriebssignal und ein Reibungsbremssignal erzeugt, Übermitteln des Elektroantriebssignals an eine Elektroantriebsregeleinrichtung und Übermitteln des Reibungsbremssignals an eine Reibungsbremsregeleinrichtung, wobei die Reibungsbremsregeleinrichtung eine Reibungsbremse des Rads entsprechend dem Reibungsbremssignal zum Erzeugen eines Reibungsbremsdrehmoments betätigt und die Elektroantriebsregeleinrichtung den Elektroantrieb entsprechend dem Elektroantriebssignal zum Erzeugen eines Elektroantriebsdrehmoments betätigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Bremsregelverfahren funktional zu verbessern und/oder ein alternatives Bremsregelverfahren bereit zu stellen. Insbesondere soll eine Regelgüte erhöht werden. Insbesondere soll eine Effizienz erhöht werden. Insbesondere soll eine Robustheit erhöht werden. Insbesondere soll eine Zuverlässigkeit erhöht werden. Insbesondere soll eine Leistungsfähigkeit eines Bremssystems erhöht werden. Insbesondere soll eine Möglichkeit, einen Radschlupf zu regeln verbessert werden. Insbesondere soll einen Momentantwort schneller bereitgestellt werden. Insbesondere sollen die Vorteile eines hybriden Bremssystems besser nutzbar werden. Insbesondere soll bei einer Radschlupfregelbremsung auf Basis des ersten Bremsaktuators und/oder wenigstens eines weiteren Bremsaktuators ermöglicht werden. Insbesondere soll ein Sollwert erzeugbar sein, der auf den ersten Bremsaktuator und einen weiteren Bremsaktuator aufgeteilt ist. Insbesondere soll eine individuelle Bremskraftbeschränkungen des ersten Bremsaktuators und/oder wenigstens eines weiteren Bremsaktuators berücksichtigbar sein. Insbesondere soll eine Berücksichtigung aktueller Dynamiken des ersten Bremsaktuators und/oder wenigstens eines weiteren Bremsaktuators ermöglicht werden. Insbesondere soll eine verbesserte Ausnutzung von Dynamiken einer redundanten Bremsaktuatorik ermöglicht werden. Insbesondere sollen veränderbare Dynamiken einer hybriden Bremse berücksichtigbar sein. Insbesondere soll eine Koppelung von Bremsaktuatoren zwischen mehreren Fahrzeugrädern ermöglicht werden. Insbesondere soll ein Radschlupf von Einzelrädern geregelt und dabei eine Energierückgewinnung maximiert werden. Insbesondere soll ein transientes Verhalten einer hybriden Bremse verbessert werden. Insbesondere sollen Beschränkungen und Dynamiken der Bremsaktuatoren und eines Rad-Boden-Kontakts berücksichtigt werden. Insbesondere soll eine Bremsenergierückgewinnung maximiert werden. Insbesondere soll ein Fehler einer Momentregelung reduziert werden. Insbesondere soll ein Fehler einer Radschlupfregelung reduziert werden. Insbesondere soll ein Verschleiß reduziert werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Bremsregelverfahren für ein Fahrzeug mit wenigstens einem Fahrzeugrad und einem ersten Bremsaktuator sowie wenigstens einem weiteren Bremsaktuator zum Bremsen des wenigstens einen Fahrzeugrads, wobei an dem wenigstens einen Fahrzeugrad funktional kombiniert sowohl eine Schlupfregelung als auch eine Momentaufteilung zwischen dem ersten Bremsaktuator und dem wenigstens einen weiteren Bremsaktuator mithilfe eines modellprädiktiven Reglers (Model Predictive Control, MPC).
Zur genaueren Information über die Merkmale der vorliegenden Erfindung wird ausdrücklich auf die am Anmeldetag der vorliegenden Patentanmeldung noch unveröffentlichte wissenschaftliche Arbeit mit dem Titel „Combined Wheel-Slip Control and Torque Blendung using MPC" der Autoren Clemens Satzger und Ricardo de Castro am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, Münchner Str. 20, 82234 Wessling, Deutschland, eingereicht für die Annual Conference on Decision and Control (CDC) 2014, verwiesen.
Das Fahrzeug kann mehrere Fahrzeugräder aufweisen. Das Fahrzeug kann wenigstens eine Achse aufweisen. Es kann/können jeweils ein Fahrzeugrad oder zwei Fahrzeugräder an einer Achse angeordnet sein. Das Fahrzeug kann vier Fahrzeugräder aufweisen. Das Fahrzeug kann zwei Achsen aufweisen. Das Fahrzeug kann eine Vorderachse aufweisen. Das Fahrzeug kann eine Hinterachse aufweisen.
Das Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Elektrofahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Hybridfahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Plug-In-Hybridfahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein PKW sein. Das Fahrzeug kann ein LKW sein. Das Fahrzeug kann ein Flurförderfahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Sonderfahrzeug sein. Das Fahrzeug kann eine Mobilitätshilfe sein. Das Fahrzeug kann ein mobiler Roboter sein. Das Fahrzeug kann ein autonomes Fahrzeug sein. Das Fahrzeug kann ein Zweirad sein. Das Fahrzeug kann ein Dreirad sein. Das Fahrzeug kann ein Leichtkraftrad sein. Das Fahrzeug kann ein Quad sein.
Das Fahrzeug kann einen Antriebsstrang aufweisen. Das Fahrzeug kann wenigstens eine elektrische Maschine aufweisen. Die wenigstens eine elektrische Maschine kann zum Antreiben des Fahrzeugs dienen. Die wenigstens eine elektrische Maschine kann zum Bremsen des Fahrzeugs dienen. Das Fahrzeug kann wenigstens eine zentrale elektrische Maschine aufweisen. Das Fahrzeug kann wenigstens eine elektrische Maschine aufweisen, die einer Achse zugeordnet ist. Das Fahrzeug kann zwei elektrische Maschinen aufweisen. Das Fahrzeug kann wenigstens eine elektrische Maschine aufweisen, die einem Fahrzeugrad zugeordnet ist. Das Fahrzeug kann vier elektrische Maschinen aufweisen. Die wenigstens eine elektrische Maschine kann ein Radnabenmotor sein. Das Fahrzeug kann wenigstens eine elektrische Energiespeicher aufweisen. Der wenigstens eine elektrische Energiespeicher kann ein Akku sein. Die wenigstens eine elektrische Maschine kann als Motor betreibbar sein. Der wenigstens eine elektrische Energiespeicher kann zur Energieversorgung der wenigstens einen elektrischen Maschine dienen. Die wenigstens eine elektrische Maschine kann als Generator betreibbar sein. Die wenigstens eine elektrische Maschine kann zum Rekuperieren dienen. Die wenigstens eine elektrische Maschine kann zum Laden des wenigstens einen elektrischen Energiespeichers dienen.
Das Fahrzeug kann wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand zum Aufnehmen von Bremsenergie aufweisen. Der Heizwiderstand kann auch als Brake-Chopper bezeichnet werden. Beim Bremsen kann dem wenigstens einen elektrischen Heizwiderstand Bremsenergie der wenigstens einen elektrischen Maschine zugeführt werden.
Das Fahrzeug kann wenigstens einen mechanischen Energiespeicher aufweisen, Das Fahrzeug kann wenigstens einen Schwungradspeicher aufweisen. Das Fahrzeug kann wenigstens eine Wirbelstrombremse aufweisen. Das Fahrzeug kann wenigstens einen Ölretarder aufweisen.
Das Fahrzeug kann wenigstens ein mechanisches Differentialgetriebe aufweisen. Das Fahrzeug kann ein mechanisches Differentialgetriebe an der wenigstens einen Achse aufweisen. Das Fahrzeug kann ein mechanisches Differentialgetriebe an der Vorderachse und/oder an der Hinterachse aufweisen.
Das Fahrzeug kann wenigstens eine Betriebsbremse aufweisen. Das Fahrzeug kann mehrere Betriebsbremsen aufweisen. Das Fahrzeug kann mehr Betriebsbremsen als Fahrzeugräder aufweisen. Das Fahrzeug kann ein redundantes Bremssystem aufweisen. Das Fahrzeug kann wenigstens eine Betriebsbremse aufweisen, die einer Achse zugeordnet ist. Das Fahrzeug kann zwei Betriebsbremsen aufweisen. Das Fahrzeug kann wenigstens eine Betriebsbremse aufweisen, die einem Fahrzeugrad zugeordnet ist. Das Fahrzeug kann vier Betriebsbremsen aufweisen. Die wenigstens eine Betriebsbremse kann eine Reibungsbremse sein. Die wenigstens eine Betriebsbremse kann eine Scheibenbremse sein. Die wenigstens eine Betriebsbremse kann eine Trommelbremse sein. Die wenigstens eine Betriebsbremse kann mechanisch, pneumatisch, hydraulisch, elektrisch und/oder magnetisch betätigbar sein.
Die wenigstens eine elektrische Maschine, der wenigstens eine elektrische Heizwiderstand, der wenigstens eine mechanische Energiespeicher, die wenigstens eine Wirbelstrombremse und/oder der wenigstens eine Ölretarder kann/können als Betriebsbremse dienen. Eine Betriebsbremse kann auch eine andere, hier nicht genannte, Bremse sein.
Der erste Bremsaktuator kann eine Betriebsbremse sein. Der weitere Bremsaktuator kann eine Betriebsbremse sein. Das wenigstens eine Fahrzeugrad kann mithilfe des erstens Bremsaktuators und/oder mithilfe des wenigstens einen weiteren Bremsaktuators bremsbar sein.
Das Fahrzeug kann eine elektrische Kontrolleinrichtung aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann zum Regeln und/oder Steuern dienen aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann zum Kontrollieren des ersten Bremsaktuators dienen. Die Steuereinrichtung kann zum Kontrollieren des wenigstens einen weiteren Bremsaktuators dienen. Die Kontrolleinrichtung kann wenigstens eine Recheneinrichtung aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann wenigstens eine Speichereinrichtung aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann wenigstens einen Signaleingang aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann wenigstens einen Signalausgang aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann mit dem ersten Bremsaktuator und/oder mit dem wenigstens einen weiteren Bremsaktuator signalleitend verbunden sein. Die Kontrolleinrichtung kann mit dem wenigstens einen Energiespeicher und/oder dem wenigstens eine elektrische Heizwiderstand signalleitend verbunden sein. Das Fahrzeug kann einen Signalbus, wie CAN-Bus, aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann mit dem ersten Bremsaktuator, mit dem wenigstens einen weiteren Bremsaktuator und/oder mit dem wenigstens einen Energiespeicher über den Signalbus verbunden sein.
Das gesamte Raddrehmoment kann beeinflusst werden durch die Summe eines auf den einen ersten Bremsaktuator zurückgehenden Drehmoments und weitere Drehmomente, die auf wenigstens einen zweiten Bremsaktuator zurückgehenden. Eine Momentaufteilung kann eine Aufteilung eines Raddrehmoments auf die verschiedenen vorhandenen Bremsaktuatoren sein, indem der Anteil der Summanden verändert wird.
Die Schlupfregelung und die Momentaufteilung kann integriert durchgeführt werden. Die Schlupfregelung und die Momentaufteilung kann mithilfe eines einzigen integrierten Reglers durchgeführt werden. Die Schlupfregelung und die Momentaufteilung können in einer Funktion kombiniert sein. Eine funktional kombinierte Schlupfregelung und Momentaufteilung kann in Abgrenzung zu einer kaskadierten Schlupfregelung und Momentaufteilung stehen. Das Bremsregelverfahren kann unter Verwendung eines zeitdiskreten dynamischen Modells durchgeführt werden. Das Bremsregelverfahren kann unter Verwendung eines zeitkontinuierlichen dynamischen Modells durchgeführt werden.
Der Regler kann eine Radschlupfregelungs-Funktionalität umfassen. In dem Regler kann ein Einzelradmodell verwendet werden, um eine Radschlupfdynamik zu repräsentieren. In dem Regler kann ein Modell des ersten Bremsaktuators verwendet werden. In dem Regler kann ein Modell des wenigstens einen weiteren Bremsaktuators verwendet werden.
Eine Momentregelung kann eine Regelung der Summe der auf den ersten Bremsaktuator und auf den wenigstens einen weiteren Bremsaktuator zurückgehenden Drehmomente auf ein Referenzmoment sein, sodass der Fehler zwischen Referenzmoment und der Summe der auf den einen ersten Bremsaktuator und auf den wenigstens einen zweiten Bremsaktuator zurückgehenden Drehmomente reduziert wird. Das Referenzmoment kann von einer hier nicht näher betrachteten Fahrdynamikregelung berechnet oder unmittelbar von einer Bedienperson vorgegeben sein.
Eine Radschlupfregelung kann eine Regelung der Raddrehzahl sein, sodass sich zwischen der Radumfangsgeschwindigkeit und der lokalen Fahrzeuggeschwindigkeit in Radlängsrichtung am Ort des Rades eine Differenzgeschwindigkeit gemäß eines Sollwerts einstellt. Dabei kann ein Beschleunigen und/oder ein Bremsen umfasst sein. Ziel der Einstellung eines Radschlupfs ist die Übertragung einer gewünschten Reifenlängskraft.
Eine Momentantwort kann das dynamische Verhalten eines Bremsaktuators sein bei der Umsetzung eines Referenzdrehmoments
Eine Schlupf-Regelbremsung kann eine Bremsung sein, darauf abzielt, dass die physikalisch maximal verfügbare Kraft eines Rad-Fahrbahnkontakts ausgeschöpft wird.
Dynamiken und/oder Bremskraftbeschränkungen sowohl des ersten Bremsaktuators als auch des wenigstens einen weiteren Bremsaktuators kann/können berücksichtigt werden. Damit kann eine Bandbreite der einzelnen Bremsaktuatoren optimal genutzt werden.
In jedem Zeitschritt können Bremskraftbeschränkungen des ersten Bremsaktuators und/oder des wenigstens einen weiteren Bremsaktuators dynamisch angepasst werden. Beispielsweise kann eine aktuelle Energieaufnahmefähigkeit eines elektrischen Energiespeichers und/oder eine aktuelle Belastungsfähigkeit einer elektrischen Maschine berücksichtigt werden. Bei einen vollen elektrischen Energiespeichers und/oder einer überhitzten elektrischen Maschine kann ein Bremsen mehr auf eine Reibbremse ausgelagert werden. Damit kann dynamisch auf einen Zustand eines Bremsaktuators, des Fahrzeugs und/oder einer Fahrzeugumgebung reagiert werden.
Eine Radschlupfdynamik kann in jedem Zeitschritt gesondert berücksichtigt werden. Damit kann dynamisch auf Änderungen eines Rad-Fahrbahnkontakts reagiert werden.
Es kann eine modellprädiktive Regelung durchgeführt werden, die auf einer vereinheitlichten Formulierung eines Gütefunktionals basiert. Der modellprädiktiven Regelung kann die Formulierung
zugrunde liegen, wobei R_Δ,k eine Gewichtung auf einen inkrementellen Sollwert zur Vermeidung eines schnellen Umschaltens (Chattering) des Bremsaktuator-Sollwerts und k = 0 ein aktueller Zeitschritt ist.
Die modellprädiktive Regelung kann mithilfe von Nebenbedingungen Δx_k+1 = AΔx_k + B ~Δu ~_k T ~_r,k+1 = T ~_r,k + C ~Δx_k+1 u ~_k = u ~_k-1 + Δu ~_k Δλ_k+1 = A_λΔλ_k + B ~_λC ~Δx_k λ ~_k+1 = λ ~_k + C ~_λΔλ_k+1 eine Bremsaktuatordynamik und eine Radschlupfdynamik berücksichtigen.
Es kann eine modellprädiktive Regelung mit einer ersten Gruppe von Regelparametern mit einem Prädiktionshorizont N_p und einem Regelungshorizont N_c durchgeführt werden. Es kann eine modellprädiktive Regelung mit einer zweiten Gruppe von Regelparametern mit einer Matrix R_E,k zum Reduzieren von Änderungen weg von einem energieoptimalen Sollwert und einer Matrix R_Δ,k zum Dämpfen von Bremsaktuator-Sollwertsprüngen durchgeführt werden. Es kann eine modellprädiktive Regelung mit einer dritten Gruppe von Regelparametern mit Gewichtungen Q_T,k, Q_λ,k durchgeführt werden.
Durch die Wahl eines Wertes für den Reglerparameter R_E,k kann ein gezielter Kompromiss zwischen energieoptimalem und fehlerminimalem Verhalten des Bremsregelverfahrens einstellbar sein. Der Reglerparameter R_E,k kann durch Auswertung einer Paretofront bestimmbar sein. Eine Auswahl des Reglerparameters R_E,k kann abhängig von Fahrbedingungen des Fahrzeugs erfolgen. Eine Auswahl des Reglerparameters R_E,k kann mithilfe eines Überwachers (114) ausgelöst werden.
In einer ersten Betriebsart können Q_T,k ≠ 0 und Q_λ,k = 0 gesetzt sein, um einen Momentregelungsmodus zu aktivieren. Die erste Betriebsart kann bei Bremsvorgängen mit geringem Radschlupf genutzt werden. In der ersten Betriebsart kann auf ein Radmoment geregelt werden.
In einer zweiten Betriebsart können Q_T,k = 0 und Q_λ,k ≠ 0 gesetzt sein, um einen Radschlupfregelungsmodus zu aktivieren. Die zweite Betriebsart kann bei starken Bremsvorgängen genutzt werden, bei denen ein originaler Sollwert der Radmomente T ~ * / r,k ein Reibungslimit eines Rad-Fahrbahn-Kontakts überschreitet und deshalb ein Radschlupf geregelt werden muss, um eine Bremskraft zu maximieren. In der zweiten Betriebsart kann auf einen Radschlupf geregelt werden. Ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart kann abhängig von Fahrbedingungen des Fahrzeugs erfolgen. Ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart kann mithilfe eines Überwachers ausgelöst werden.
Das Fahrzeug kann wenigstens eine Achse mit einem Fahrzeugrad oder mit zwei Fahrzeugrädern aufweisen. Das Verfahren kann auf die zwei Fahrzeugräder der wenigstens einen Achse angewendet werden. Dabei können Beziehungen des ersten Bremsaktuators und/oder des wenigstens einen weiteren Bremsaktuators zwischen den Fahrzeugrädern berücksichtigt werden. An der wenigstens einen Achse können zwei Radmomente einstellbar sein. Die wenigstens eine Achse kann drei Bremsaktuatoren aufweisen. Die wenigstens eine Achse kann zwei Reibungsbremsen und eine elektrische Maschine aufweisen. Die wenigstens eine Achse kann eine Reibungsbremse und zwei Radnabenmotoren aufweisen. Die wenigstens eine Achse kann vier Bremsaktuatoren aufweisen. Die wenigstens eine Achse kann zwei elektrische Maschinen und zwei Reibungsbremsen aufweisen. Eine der elektrischen Maschinen kann ein Hilfsmotor sein. Die wenigstens eine Achse kann zwei Reibungsbremsen und zwei Radnabenmotoren aufweisen. Eine für das Fahrzeug zutreffende Achskonfiguration kann durch Verwendung der endsprechenden Nebenbedingungen in Form von Matrizen A, B, C berücksichtigt werden.
Das Fahrzeug kann einen Antriebsstrang aufweisen. Ein unerwünschtes dynamisches Verhalten des Antriebsstrangs kann kompensierend berücksichtigt werden.
Mit „kann” sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine erhöhte Regelgüte auf. Eine Effizienz wird erhöht. Eine Robustheit wird erhöht. Eine Zuverlässigkeit wird erhöht. Eine Leistungsfähigkeit eines Bremssystems wird erhöht. Eine Möglichkeit, einen Radschlupf zu regeln wird verbessert. Einen Momentantwort wird schneller bereitgestellt. Die Vorteile eines hybriden Bremssystems sind besser nutzbar. Bei einer Schlupf-Regelbremsung wird eine Radschlupfregelung auf Basis einer simultanen Nutzung des ersten Bremsaktuators und wenigstens eines weiteren Bremsaktuators ermöglicht. Ein Momentsollwert ist erzeugbar, der auf den ersten Bremsaktuator und wenigstens einen weiteren Bremsaktuator aufgeteilt ist. Eine individuelle Sättigung des ersten Bremsaktuators und/oder wenigstens eines weiteren Bremsaktuators kann berücksichtigt werden. Eine Berücksichtigung aktueller Dynamiken des ersten Bremsaktuators und/oder wenigstens eines weiteren Bremsaktuators wird ermöglicht. Eine verbesserte Ausnutzung von Dynamiken einer redundanten Bremsaktuatorik wird ermöglicht. Veränderbare Dynamiken einer hybriden Bremse können berücksichtigt werden. Eine Koppelung von Bremsaktuatoren zwischen mehreren Fahrzeugrädern wird ermöglicht. Ein Radschlupf von Einzelrädern kann geregelt und dabei kann eine Energierückgewinnung maximiert werden. Ein transientes Verhalten einer hybriden Bremse wird verbessert. Beschränkungen und Dynamiken der Bremsaktuatoren und eines Rad-Boden-Kontakts werden berücksichtigt. Eine Bremsenergierückgewinnung kann maximiert werden. Ein Regelfehler einer Momentregelung wird reduziert. Ein Regelfehler einer Radschlupfregelung wird reduziert.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile. Konkrete Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können allgemeine Merkmale der Erfindung darstellen. Mit anderen Merkmalen verbundene Merkmale dieser Ausführungsbeispiele können auch einzelne Merkmale der Erfindung darstellen.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:
1 eine integrierte modellprädiktive Radschlupfregelung mit einem energieoptimalen Sollwert,
2 ein Einzelradmodell,
3 Achskonfigurationen,
4 Matrizen eines integrierten modellprädiktiven Reglers für unterschiedliche Achskonfigurationen,
5 ein Diagramm zur Illustration einer Pareto-Front, die sich aus einer Momentregelung mithilfe eines integrierten modellprädiktiven Reglers ergibt,
6 ein Simulationsergebnis mit einer Momentregelung mithilfe eines integrierten modellprädiktiven Reglers,
7 ein Diagramm zur Illustration einer Pareto-Front, die sich aus einer Radschlupfregelung mithilfe eines integrierten modellprädiktiven Reglers ergibt, und
8 ein Simulationsergebnis mit einer Radschlupfregelung mithilfe eines integrierten modellprädiktiven Reglers.
1 zeigt eine integrierte modellprädiktive Radschlupfregelung mit einem energieoptimalen Sollwert u_e. Die Regelung erfolgt wie mit einer ersten Funktionsinstanz dargestellt für eine Achse 100 mit zwei Fahrzeugrädern. Jedes der Fahrzeugräder kann mithilfe einer Reibungsbremse und/oder einer elektrischen Maschine gebremst werden. Die Reibungsbremse und die elektrische Maschine dienen als redundante Bremsaktuatoren 102 zum Bremsen der Fahrzeugräder. Eine Regelung weiterer Achsen 104 kann in weiteren Funktionsinstanzen erfolgen. Die Regelung kann eine kaskadierte Regelungsstruktur ersetzen.
Die Regelung kann ausgehen von einem durch eine Fahrdynamikregelung oder einen Fahrerwunsch erzeugten Signal 106. Die Regelung erfolgt mithilfe eines einzelnen, vereinheitlichten Reglers 108. Der Regler 108 ist ein modellprädiktiver Regler. Die Regelung bietet sowohl eine Momentaufteilung 110 als auch eine Radschlupfregelungs-Funktionalität 112. Ein Überwacher 114 dient, wie weiter unten beschrieben, zum Umschalten zwischen Betriebsarten abhängig von Fahrbedingungen des Fahrzeugs. Mithilfe des Überwachers 114 können Terme im Gütefunktional unterschiedlich gewichtet werden. Der Regler 108 erzeugt für die redundanten Bremsaktuatoren 102 aufgeteilte Ausgangssignale. Damit werden die Bremsaktuatoren 102 derart angesteuert, dass sich ein gefordertes Raddrehmoment rechts T_rr und ein gefordertes Raddrehmoment links T_rl ergibt.
Mithilfe des Reglers 108 wird sowohl ein transientes Verhalten der hybriden Bremse verbessert, wobei sowohl die Beschränkungen und Dynamiken der Bremsaktuatoren 102 und eines Rad-Fahrbahn-Kontakts berücksichtigt werden, als auch eine Bremsenergierückgewinnung maximiert.
Um eine Radschlupfdynamik zu repräsentieren, wurde das in 2 gezeigte Einzelradmodell (single corner) verwendet mit: Jω . = –rμ(λ)F_z + T_r (1) mν . = μ(λ)F_z – F_V (2) λ = ωr – ν / ν = h(ω, ν) (3)
In 2 sind ein Fahrzeug mit 116 und ein Fahrzeugrad mit 118 bezeichnet. Der Parameter J steht für die Radmassenträgheit, ω ist die Radgeschwindigkeit, r der Radius des Rades und T_r ist das gesamt-Radmoment. Das Radmoment ist positiv wenn das Fahrzeug beschleunigt und negativ, wenn das Fahrzeug bremst. Die Fahrzeugdynamikgleichung (2) verbindet die translatorische Geschwindigkeit ν des Fahrzeugs, die Viertelfahrzeugmasse m und die Verluste F_V (auf Grund von Roll-, Lager- und Motor-Reibung). Die Verluste F_V sind eigentlich eine Leistung. Gleichung (3) definiert den Radschlupf λ als die normierte Geschwindigkeitsdifferenz der Rad und Fahrzeuggeschwindigkeit. Gleichung (4) ist die Definition der Reibung des Rad-Straße Kontaktes μ basierend auf der Längskraft F_x und der Vertikalkraft F_z. Durch die Ableitung von (3), das Einsetzen in (1) und (2) in die resultierende Gleichung, und Vernachlässigung der Verluste (F_V = 0), kann die Radschlupfdynamik so ausgedrückt werden: λ . = ∂h(ω, ν) / ∂t = r / Jν·(Γ(λ) + T_r) (5)
In (5) wird folgende Abkürzung verwendet: Γ(λ) = –(1 + (1 + λ) J / mr²)·rμ(λ)F_z (6)
Die Vereinfachung F_V = 0 ist gerechtfertigt, da regelmäßig die Reibkraft μ(λ)F_z viel größer ist als F_V.
Durch die Linearisierung im Arbeitspunkt, (T_AP, λ_AP), können die Änderungen zwischen Eingangs- und Ausgangs-Größe bestimmt werden, d. h., δλ und δT_r, mit Bezug auf den Arbeitspunkt. δλ = λ – λ_AP, δT_r = T_r – T_r,AP (7)
Sowie auch die linearisierte Radschlupfdynamik
Im Folgenden wird die Fahrzeuggeschwindigkeit ν als ein langsam veränderlicher Parameter betrachtet, was dadurch begründet ist, dass die Radschlupfdynamik normalerweise viel schneller ist als die Fahrzeugdynamik. Das bedeutet, dass Gleichung (8) nur einen unsicheren Parameter besitzt, θ, von dem angenommen wird, dass er begrenzt ist im Bereich [θ^min, θ^max] ⊂
. Aus der praktischen Sicht repräsentiert θ die Sensitivität des Reibkoeffizienten gegenüber dem Radschlupf.
Weiterhin wird der Regler in einer diskreten Form für die Verwendung auf Steuergeräten benötigt, daher ist es notwendig in eine diskrete Darstellung für die Radschlupfdynamik zu wechseln. Um das zu erreichen, wurde Gleichung (8) mit der Vorwärtsintegrationsmethode (Euler-Methode) differenziert und normiert:
Wobei T_norm den Skalierungsfaktor des Radmoments darstellt, und Δ_T die Abtastzeit des Reglers. Im Folgenden bedeuten alle Variablen mit Tilde, dass sie normiert sind.
Im Fall einer Achse liegen ein Vektor von zwei Radschlupfen und zwei Radmomente als Eingangsgrößen vor. Deshalb wird für den allgemeinen Fall A_λ, B_λ und C_λ statt a_λ, b_λ und c_λ für die Systembeschreibung verwendet.
Um die Bremsaktuatoren zu modellieren, wird die Antwort der Reibbremse als ein System erster Ordnung mit einer Totzeit betrachtet. Beim Elektromotor ist die Dynamik des Stromregelkreises höher als die Totzeit der Übertragung des CAN-Busses, daher wird die Dynamik im Modell vernachlässigt und der Motor mit einem reinen Totzeitglied zweiter Ordnung angenähert. Mit diesen Vereinfachungen kann ein diskretes Zustandsraummodell erstellt werden: x_k+1 = Ax_k + B ~u ~_k T ~_r,k = C ~x_k u ~^min ≤ u ~_k ≤ u ~^max (12)
x_k sind die Zustände des Aktuatormodells, u ~_k der normierte Eingang des Aktuators, u ~^min, u ~^max die Limits des Aktuator und T ~_r,k das normierte Radmoment. Das Triplet (A, B ~, C ~) beschreibt die Momentantwort der Aktuatoren folgendermaßen:
In den oben angegebenen Gleichungen steht der Index m für den Motor und b für die Bremse, und τ_b repräsentiert die dominante Zeitkonstante der Reibbremse. Die Totzeit der Aktuatoren wurde mit zwei Zeitschritten aufgrund der Kommunikation sowohl für den Motor als auch für die Reibbremse veranschlagt.
Das Bremsregelsystem eines Fahrzeuges mit redundanter Bremsaktuatorik sollte im generellen Fall zwei Hauptfunktionalitäten bieten: Momentregelung und Radschlupfregelung. In beiden dieser Modi ist es notwendig das Moment auf die Aktuatorik aufzuteilen, um das vorgegebene Raddrehmoment T_r* (generiert durch den Fahrer oder durch den Fahrdynamikregler) zu erreichen. Diese Allokation zielt darauf ab, die Energierückgewinnung durch den Elektromotor zu maximieren und dabei eine möglichst hohe Bandbreite der Momentregelung zu erreichen. Die zweite Hauptfunktionalität, die Radschlupfregelung/ABS, limitiert das Raddrehmoment, wenn ein übermäßiger Radschlupf auftritt.
Eine Kostenfunktion der vorliegenden MPC-Formulierung besteht aus primären und sekundären Optimierungskriterien. Die primäre Zielvorgabe liegt darin entweder die gewünschten Radmomente T ~_r* zu erzeugen oder auf die Radschlupfsollwerte λ ~* zu regeln. Diese beiden Optimierungsziele können in der folgenden Kostenfunktion kombiniert werden:
wobei Q_T,k und Q_λ,k die Gewichtungen sind, die entweder den Fehler der Radmomentregelung oder den Radschlupf-Regelfehler zum Zeitpunkt k beschreiben.
Ferner, um die Redundanz der Aktuatorik des hybriden Bremssystems vorteilhaft zu nützen – dabei sei festgestellt, dass das Bremsmoment von mehr als einem Aktuator erzeugt werden kann, zum Beispiel der elektrischen Maschine und der Reibbremse – wird die Energierückgewinnung maximiert als ein Sekundärziel. Dies wird erreicht durch eine Erweiterung der MPC-Kostenfunktion durch einen weiteren Term, der die Referenzvorgabe der Aktuatoren in Richtung eines energieoptimalen Sollwertes zieht, dessen Wert so gewählt wird, dass dieser die Energierückgewinnung der elektrischen Maschine maximiert. Das bedeutet mathematisch: J_E,k = (u ~_k – u ~_e,k)^TR_E,k(u ~_k – u ~_e,k) (19) wobei R_E,k eine Gewichtung und u ~_e,k den energieoptimalen Sollwert darstellt. Es wird festgestellt, dass die Energierückgewinnung eines hybriden Bremssystems dann maximiert ist, wenn der oder die Motoren (u ~_m) während des Bremsmanövers maximal genützt werden. Im stationären Fall ist dies die serielle Lösung. Das heißt, zunächst wird immer der Elektromotor genützt, bis dieser in Sättigung ist. Falls dies der Fall ist, dann wird das Differenzmoment durch die Reibbremse(n) erzeugt.
Um im stationären Fall Regelfehler zu vermeiden, wird die MPC inkrementell mit den Aktuator-Sollwerten Δu ~_k = u ~_k – u ~_k-1 , Zuständen Δx_k = x_k – x_k-1 und dem/den Radschlupf(en) Δλ_k = λ_k – λ_k-1 formuliert.
Ausgehend von den Zielen (18) und (19) kann jetzt eine vereinheitlichte MPC Formulierung für die Radschlupfregelung/ABS und die Momentaufteilung gebildet werden:
wobei R_Δ,k die Gewichtung auf den inkrementellen Sollwert ist, welche ein schnelles Umschalten (Chattering) des Aktuator Sollwertes reduziert, und k = 0 ist der aktuelle Zeitschritt. Mit den Nebenbedingungen die sowohl die Aktuatordynamik (12), als auch die Radschlupfdynamik (10) berücksichtigen: Unter der Bedingung: Δx_k+1 = AΔx_k + B ~Δu ~_k (21) T ~_r,k+1 = T ~_r,k + C ~Δx_k+1 (22) u ~_k = u ~_k-1 + Δu ~_k (23) Δλ_k+1 = A_λΔλ_k + B ~_λC ~Δx_k (24) λ ~_k+1 = λ ~_k + C ~_λΔλ_k+1 (25) u ~^min ≤ u ~_k ≤ u ~^max (26)
Diese MPC-Formulierung besitzt drei hauptsächliche Sets von Tuningparametern. Das erste Set besteht aus dem Prädiktionshorizont N_p und dem Regelungshorizont N_c. Das zweite Set besteht aus den Matrizen R_E,k (reduziert Änderungen weg vom energieoptimalen Sollwert) und R_Δ,k (dämpft Aktuator Sollwertsprünge). Das letzte Set von Tuningparametern wird repräsentiert von den Gewichtungen (Q_T,k, Q_λ,k). In der Praxis wird die MPC so verwendet, dass einer dieser beiden Parameter gleich Null ist, was zwei grundsätzliche Betriebsarten für den Regler ergibt:
Bemerkung 1: Mit der Auswahl von Q_T,k ≠ 0, Q_λ,k = 0 wird der Momentregelungsmodus (Momentregelung und -Aufteilung) aktiviert, der normalerweise geeignet ist für Bremsmanöver mit geringem Radschlupf.
Bemerkung 2: Mit der Auswahl Q_T,k = 0, Q_λ,k ≠ 0 wird der Radschlupf-Regelungsmodus aktiviert. Dieser Modus ist normalerweise gedacht für starke Bremsmanöver, in denen der originale Sollwert der Radmomente T ~ * / r,k das Reibungslimit des Rad-Fahrbahn-Kontakts überschreitet und deshalb der Radschlupf geregelt werden muss.
Die Umschaltung zwischen diesen Betriebsarten und den entsprechenden Gewichtungen der MPC hängt von den Fahrbedingungen des Fahrzeuges ab. Vorliegend wird diese Umschaltung von einem Überwacher 114 bestehend aus zwei Zuständen, gezeigt in 1, ausgelöst. Der erste Zustand ist die Betriebsart des normalen Bremsens (MPC-N), in der auf ein Radmoment geregelt wird, der zweite Zustand ist die Notfallbremssituation (MPC-Nbs), in der auf den Radschlupf geregelt wird.
Die hier angewandte MPC-Formulierung folgt der Strategie eines prädizierten Horizonts, d. h. in jedem Zeitschritt wird (20)–(26) gelöst und dann wird nur das erste Element des Sollwertvektors u ~₀ auf die Aktuatoren angewandt, dieser Prozess wiederholt sich bei jedem Zeitschritt. Die Rückführung wird über eine erneute Initialisierung von Δx₀, Δλ₀ und u₀ mit den gemessenen oder prädizierten Werten des inkremeniellen Aktuatorzustands, Radschlupfs und Aktuatorsollwerts erreicht. Es werden Schätzer basierend auf linearen Funktionen verwendet, um die Fälle zu behandeln, in denen die Aktuatorzustände nicht durch Messungen verfügbar sind. In diesem Fall sind die Referenzwerte der Radmomente T ~ * / r,k für k > 0 normalerweise nicht bekannt. Um dieses Problem zu lösen werden T ~ * / r,k über den kompletten Prädiktionshorizont konstant gehalten.
Die Lösungsmethode einer vereinheitlichten MPC ist ohne weiteres anwendbar auf eine beliebige Achskonstruktion bestehend aus redundanten Aktuatoren (mehr Aktuatoren als Räder). 3 zeigt unterschiedliche Achskonfigurationen 200, 202, 204, 206. Jede der Achskonfigurationen 200, 202, 204, 206 weist zwei Räder, wie 207, auf. Die Achskonfiguration 200 weist eine elektrische Maschine 208 mit offenem Differenzial 210 und radindividuellen Reibbremsen 212, 214 auf. Das bedeutet, dass die Achse mit drei Aktuatoren ausgestattet ist, aber nur zwei Radmomente (linkes und rechtes Rad) gestellt werden müssen. Im Falle dieser Achskonfigurationen 200 wird von einem Redundanzlevel von eins gesprochen. 4 zeigt Matrizen A, B, C eines integrierten modellprädiktiven Reglers, wie Regler 108 gemäß 1, für die Achskonfigurationen 200, 202, 204, 206 gemäß 3.
Die Achskonfiguration 204 weist eine Reibbremse 216 und je einen elektrische Maschine 218, 220 auf. In diesem Fall ist das von der Reibbremse 216 erzeugte Radbremsmoment auf beiden Seiten gleich, jedoch können die elektrischen Maschinen 218, 220 im Falle einer Bremsung in der Kurve ein Differenzmoment aufbringen, siehe 4, Spalte 204. In diesem Fall würde die elektrischen Maschinen 218, 220 eventuell sogar komplett gegen die Reibbremse 216 arbeiten. Auch diese Beziehung kann in den Nebenbedingungen abgebildet werden.
Eine höheres Redundanzlevel bietet die Achskonfiguration 202 mit einem aktiven Differenzial 222 und radindividuellen Reibbremsen 224, 226. In diesem Fall kann das Drehmoment einer elektrischen Maschine 228 über einen Hilfsmotor 230 zwischen dem linken und rechten Rad beliebig verteilt werden. Dies ist ein ähnlicher Fall wie im oben genannten Fall einer radindividuellen elektrischen Maschine und Reibbremse. Der Unterschied hier liegt in der Zwischenschaltung des Differenzials und der mechanischen Verlängerung des Antriebsstrangs. Das aktive Differenzial 222 mit langem mechanischem Schaft kann mit einer Steifigkeit, einer Effizienz und sogar Spiel (Totzeit im Modell) in den Nebenbedingungen (A_diff, C_diff1, C_diff2) berücksichtigt werden, siehe 4, Spalte 202. Es ist folglich möglich, die mechanische Übertragung (A_hmd, A_emd) komplett in die Lösung mit einzubeziehen und in der Momentregelung des Radmoments und in der Schlupfregelung der Einzelräder zu berücksichtigen. Im Falle dieser Achskonfiguration 202 wird vorliegend von einem Redundanzlevel von zwei gesprochen.
Die mathematisch einfachste Achskonstruktion ist mit der Achskonfiguration 206 gegeben. Die Achskonfiguration 204 weist für jede Rad eine Teilachse auf. Jede Teilachse weist eine Reibbremse 232, 234 und einen elektrische Maschine 236, 238 auf. Damit kann das Problem radindividuell gelöst werden. Daher sind auch die in 4, Spalte 206, dargestellten Matrizen A, B, C überaus einfach.
Eine Achskonstruktion mit elektrischer Maschine und Reibbremse pro Rad, wie Achskonfiguration gemäß 3, wurde zu Evaluierungszwecken simuliert. Dazu wurde eine Co-Simulation von Dymola und Matlab aufgebaut. Die Aktuatoren und Fahrzeugdynamiken wurden mit Dymola und der MPC-Regler und der Schätzer für die Aktuatorenzustände wurden in Matlab Simulink modelliert. Das Fahrzeugmodell wurde unter Verwendung der Powertrain Bibliothek aus Dymola erstellt. Es wurde wie der ROboMObil-Prototyp parametriert. Bezüglich des MPC-Reglers wurde Hildreths Quadratic Programming Algorithmus verwendet, um das quadratische Problem von (20)–(26) zu lösen. Die MPC wurde parametriert mit einem Prädiktionshorizont N_p = 16 und einem Regelungshorizont N_c = 5. Dieser Algorithmus wurde auf Echtzeithardware evaluiert und das Problem von (20)–(26) konnte mit einer dSpace Autobox (Prozessor: ds1006) innerhalb von 0.25 ms gelöst werden.
Die Messsignale der Aktuatorik wurden mit weißem Rauschen versehen. Die Fahrzeuggeschwindigkeit wurde mit einer Standardabweichung von Δν = ±0.1 m/s und die Radgeschwindigkeit mit einer Abweichung von Δω = ±0.02 rad/s verrauscht. Das Rauschen auf den Aktuatoren ΔT_m = ±0.5 Nm für den Einzelradantrieb und ΔTb = ±1 Nm für die Reibbremse.
Das erste Set von Simulationen stellt die Performance der MPC-basierenden Momentregelung dar. Dazu wurden Bremsmoment-Sprünge als Referenzraddrehmoment vorgegeben und die verbrauchte Energie sowie der Fehler der Momentregelung als integraler absoluter Fehler (IAE) gemessen. 5 zeigt dazu in einem ein Diagramm 300 eine Pareto Front für die Variation von R_E,m mit dem integralen absoluten Fehler (IAE) bezüglich der Momentregelung (x-Achse) definiert als ∫|T_r(t) – T_r*(t)|dt, und der verbrauchten Energie (y-Achse) = ∫T_m(t)ω(t)dt, beide normiert auf eine serielle Lösung S.
Basierend auf diesem Manöver wurde die Performance der MPC für unterschiedliche Werte von R_E,m mit einem seriellen Algorithmus verglichen. 5 zeigt die Tuningergebnisse der MPC in Form einer Pareto Front. Die Pareto Front wird dafür verwendet, zu zeigen, dass bei der Aufteilung auf Ressourcen das eine Optimierungsziel nicht weiter verbessert werden kann, ohne das andere zu verschlechtern. In unserem konkreten Fall ist es nicht möglich die Energierückgewinnung weiter zu erhöhen, ohne den Regelfehler weiter zu erhöhen. Anhand dieser Pareto Front kann man sehen, dass sich mit einer Erhöhung von R_E,m der Energieverbrauch, der auf MPC basierenden Momentaufteilung, an den Energieverbrauch der seriellen Momentaufteilung annähert (Bemerkung: Ein negativer Energieverbrauch bedeutet, dass der Motor Energie rückgewinnt). Qualitativ gesprochen sind diese Resultate wie erwartet: Eine Erhöhung von R_E,m zieht die MPC Lösung in Richtung des energieoptimalen Eingangs u ~_e , der von der seriellen Momentaufteilung erzeugt wird. Andersherum, wenn wir R_E,m reduzieren, dann kann eine Verbesserung des Regelfehlers bezüglich des Radreferenzmomentes gesehen werden, der einhergeht mit einem geringen Verlust in der Energierückgewinnung. Wenn R_E,m = 0.025 ausgewählt wird, kann der Momentregelfehler um ungefähr 20% reduzieren werden, aber es werden dabei nur 5% der maximal möglichen Energierückgewinnung verloren. Diese Resultate zeigen, dass ein Kompromiss zwischen Energierückgewinnung und Regelfehler gefunden werden muss. Auch wenn vorliegend nur ein einzelner Momentaufteilungsmodus in 5 gezeigt ist, können dennoch viele unterschiedliche Tunings einführt werden. Zum Beispiel ist es in der Praxis interessant einen ökologischen Sub-Modus zu haben, der die Energierückgewinnung maximiert (jedoch mit einer Verschlechterung der Momentregelung), oder aber einen Hochleistungs-Sub-Modus (jedoch mit einem gewissen Energieverlust).
Im Folgenden wird das Verhalten für eine ausgewählte Konfiguration (R_E,m 0.025), mit einer der besten Momentregelungsperformance der MPC im Zeitbereich analysiert.
6 zeigt ein Ergebnis einer Momentregelung mithilfe eines integrierten modellprädiktiven Reglers. Das Diagramm 400 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Radmoments. Das Diagramm 402 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Moments einer elektrischen Maschine. Das Diagramm 404 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Moments einer Reibungsbremse. Dabei ist jeweils auf den x-Achsen die Zeit in s und auf den y-Achsen das Moment in Nm aufgetragen.
Die Momentantwort des hybriden Bremssystems in 6 zeigt, dass die Konfiguration (R_E,m = 0.025) und die serielle Momentaufteilung eine ähnliche Performance/Leistung im stationären Zustand ohne Regelfehler aufweisen. Dennoch, während der Transienten (z. B. dem Momentsprung bei 0.8 s) hat die MPC eine schnellere Momentantwort als die serielle Aufteilung. Der Hauptgrund für diese Unterschiede liegt in der prädiktiven Natur der MPC.
Genauer gesagt bezieht die MPC das Modell der Bremsaktuatoren mit ein, damit ist es möglich anhand des Sollwertsignales die Dynamiken des Aktuators zu kompensieren. Ein anderer Faktor, der hier aufgezeigt werden soll, ist die Interaktion zwischen dem primären und sekundären Ziel der MPC, d. h. zwischen der Momentregelung und der Energierückgewinnung. Zum Beispiel zeigt die Momentverteilung zwischen [1.2, 1.6] s, dass direkt nach dem Momentsprung der Referenz die elektrische Maschine die langsame Reaktion der Reibbremse kompensiert. Später, wenn der Regelfehler wieder zurückgeht, also der Kostenterm des Regelfehlers sinkt, dann fokussiert die MPC auf das Sekundärziel, d. h. die Energierückgewinnung. Zuletzt ist ersichtlich, dass das Motorenmoment von 1.3 s angefangen bis 1.6 s wieder auf das Maximalmoment zurücksinkt. Es lassen sich folglich zwei Schlüsseleigenschaften festhalten: i) Die Dynamik der kombinierten Momentregelung kann deutlich verbessert werden im Vergleich zur seriellen Aufteilung; und ii) die Energierückgewinnung wird im stationären Zustand maximiert.
7 zeigt ein Diagramm 500 zu einer Radschlupfregelung mithilfe eines integrierten modellprädiktiven Reglers mit einer Pareto Front für die Variation von R_E,m mit dem integralen absoluten Fehler (IAE) bezüglich der Radschlupfregelung (x-Achse) definiert als ∫|λ(t) – λ*(t)| über die verbrauchte Energie (y-Achse) ∫T_m(t)ω(t)dt, beide normiert auf die serielle Lösung PI + S.
Das MPC-Tuning für die Radschlupfregelung, auch wenn es ähnlich ist, wie bei der Momentaufteilung, hat es dennoch drei wichtige Unterschiede. Erstens ist der Fokus hier nicht mehr den Fehler der Momentregelung zu minimieren, sondern den der Radschlupfregelung, siehe 7. Zweitens wurde während des Bremsmanövers ein Sprung im Reibungskoeffizienten – von Nass zu Eis – durchgeführt, um die Robustheit der MPC-Regelung zu zeigen. Drittens wurde zum Vergleich ein Linearregler für den Radschlupf in Kaskade mit einer seriellen Momentaufteilung verwendet (PI + S).
Ähnliche Ergebnisse wie bei der Momentaufteilung in Form einer Pareto Front sind in 7 gezeigt. Auch hier steigt die Energierückgewinnung mit steigendem R_E,m und damit wird auch hier der Regelfehler erhöht. Während einer Schlupf-Regelbremsung ist allerdings die Sicherheit (was indirekt abhängig ist von dem Radschlupfregelfehler) wichtiger als die Energierückgewinnung. Aus der Pareto Front kann erkannt werden, dass die MPC mit R_E,m = 0.0021 die beste Performance bezüglich der Radschlupfregelung aufweist. Im Vergleich mit der Variante PI + S ermöglicht es die MPC mit R_E,m = 0.0021 den Schlupfregelfehler (IAE) um mehr als 25% zu reduzieren, wobei die Energierückgewinnung um sinkt.
Schließlich wird im Detail das zeitliche Verhalten der MPC im Vergleich zu PI + S während der Radschlupfregelung dargestellt. 8 zeigt ein Ergebnis einer Radschlupfregelung mithilfe eines integrierten modellprädiktiven Reglers. Das Diagramm 500 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Geschwindigkeit. Das Diagramm 502 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Radschlupfs. Das Diagramm 504 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Radmoments. Das Diagramm 506 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Moments einer elektrischen Maschine. Das Diagramm 508 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Moments einer Reibungsbremse. Dabei ist jeweils auf den x-Achsen die Zeit in s und auf den y-Achsen die Geschwindigkeit in m/s, der Radschlupfs mit λ und das Moment in Nm aufgetragen.
Anhand dieser Ergebnisse ist ersichtlich, dass die MPC-Variante mit R_E,m = 0.0021 eine bessere Performance als die PI + S-Variante liefert. Das Überschwingen wurde deutlich reduziert, und das System regelt sich schneller auf den Referenzschlupf ein. Es ist ebenfalls deutlich ersichtlich, dass die MPC eine höhere Robustheit gegenüber einer Änderung des Reibungskoeffizienten μ aufweist. Dies geht einher mit den vorherigen Analysen.
Bezugszeichenliste

100: Achse
102: Achse
104: redundante Bremsaktuatoren
106: Signal einer Fahrdynamikregelung/Fahrerwunsch
108: Regler
110: Momentaufteilung
112: Radschlupfregelungs-Funktionalität
114: Überwacher
116: Fahrzeug
118: Fahrzeugrad
200: Achskonfiguration
202: Achskonfiguration
204: Achskonfiguration
206: Achskonfiguration
207: Rad
208: elektrische Maschine
210: Differenzial
212: Reibbremse
214: Reibbremse
216: Reibbremse
218: elektrische Maschine
220: elektrische Maschine
222: Differenzial
224: Reibbremse
226: Reibbremse
228: elektrische Maschine
230: Hilfsmotor
232: Reibbremse
234: Reibbremse
236: elektrische Maschine
238: elektrische Maschine
300: Diagramm
400: Diagramm
402: Diagramm
404: Diagramm
500: Diagramm
502: Diagramm
504: Diagramm
506: Diagramm
508: Diagramm

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19622017 A1 [0002]
DE 102010054452 A1 [0003]
DE 102012001546 A1 [0004]
DE 102010003076 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Combined Wheel-Slip Control and Torque Blendung using MPC” der Autoren Clemens Satzger und Ricardo de Castro am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, Münchner Str. 20, 82234 Wessling, Deutschland, eingereicht für die Annual Conference on Decision and Control (CDC) 2014 [0008]

Claims

Bremsregelverfahren für ein Fahrzeug (116) mit wenigstens einem Fahrzeugrad (118, 207) und einem ersten Bremsaktuator (102, 208, 218, 220, 228, 236, 238) sowie wenigstens einem weiteren Bremsaktuator (102, 212, 214, 216, 224, 226, 232, 234) zum Bremsen des wenigstens einen Fahrzeugrads (118, 207), dadurch gekennzeichnet, dass an dem wenigstens einen Fahrzeugrad (118, 207) funktional kombiniert sowohl eine Schlupfregelung (112) als auch eine Momentaufteilung (110) zwischen dem ersten Bremsaktuator (102, 208, 218, 220, 228, 236, 238) und dem wenigstens einen weiteren Bremsaktuator (102, 212, 214, 216, 224, 226, 232, 234) mithilfe eines modellprädiktiven Reglers (108) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Dynamiken und/oder Bremskraftbeschränkungen sowohl des ersten Bremsaktuators (102, 208, 218, 220, 228, 236, 238) als auch des wenigstens einen weiteren Bremsaktuators (102, 212, 214, 216, 224, 226, 232, 234) berücksichtigt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Zeitschritt Bremskraftbeschränkungen des ersten Bremsaktuators (102, 208, 218, 220, 228, 236, 238) und/oder des wenigstens einen weiteren Bremsaktuators (102, 212, 214, 216, 224, 226, 232, 234) dynamisch angepasst werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Radschlupfdynamik in jedem Zeitschritt gesondert berücksichtigt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine modellprädiktive Regelung durchgeführt wird, die auf einer vereinheitlichten Formulierung eines Gütefunktionals basiert.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine modellprädiktive Regelung durchgeführt wird, der die Formulierung
zugrunde liegt, wobei R_Δ,k eine Gewichtung auf einen inkrementellen Sollwert zur Vermeidung eines schnellen Umschaltens des Bremsaktuator-Sollwerts und k = 0 ein aktueller Zeitschritt ist.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine modellprädiktive Regelung durchgeführt wird, wobei mithilfe von Nebenbedingungen Δx_k+1 = AΔX_k + B ~Δu ~_k T ~_r,k+1 = T ~_r,k + C ~Δx_k+1 u ~_k = u ~_k-1 + Δu ~_k Δλ_k+1 = A_λΔλ_k + B ~_λC ~Δx_k λ ~_k+1 = λ ~_k + C ~_λΔλ_k+1 eine Bremsaktuatordynamik und eine Radschlupfdynamik berücksichtigt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine modellprädiktive Regelung mit einer ersten Gruppe von Regelparametern mit einem Prädiktionshorizont N_p und einem Regelungshorizont N_c, einer zweiten Gruppe von Regelparametern mit einer Matrix R_E,k zum Reduzieren von Änderungen weg von einem energieoptimalen Sollwert und einer Matrix R_Δ,k zum Dämpfen von Bremsaktuator-Sollwertsprüngen, und einer dritten Gruppe von Regelparametern mit Gewichtungen Q_T,k, Q_λ,k durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch die Wahl eines bestimmbaren Wertes für den Reglerparameter R_E,k beispielsweise anhand einer Auswertung einer zu einer Paretofront gehörigen Parametrierung ein gezielter Kompromiss zwischen energieoptimalem und fehlerminimalem Verhalten des Bremsregelverfahrens einstellen lässt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8–9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswahl des Reglerparameters R_E,k abhängig von Fahrbedingungen des Fahrzeugs erfolgt und mithilfe eines Überwachers (114) ausgelöst wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Betriebsart Q_T,k ≠ 0, Q_λ,k = 0 gesetzt ist, um einen Momentregelungsmodus zu aktivieren.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8–11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Betriebsart Q_T,k = 0, Q_λ,k ≠ 0 gesetzt ist, um einen Radschlupfregelungsmodus zu aktivieren.
Verfahren nach den Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen der ersten Betriebsart und der zweiten Betriebsart abhängig von Fahrbedingungen des Fahrzeugs erfolgt und mithilfe eines Überwachers (114) ausgelöst wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (116) wenigstens eine Achse mit einem Fahrzeugrad oder mit zwei Fahrzeugrädern (118, 207) aufweist und das Verfahren auf die zwei Fahrzeugräder (118, 207) der wenigstens einen Achse angewendet wird, wobei Beziehungen des ersten Bremsaktuators (102, 208, 218, 220, 228, 236, 238) und/oder des wenigstens einen weiteren Bremsaktuators (102, 212, 214, 216, 224, 226, 232, 234) zwischen den Fahrzeugrädern (118, 207) berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine für das Fahrzeug (116) zutreffende Achskonfiguration (200, 202, 204, 206) durch Verwendung der endsprechenden Nebenbedingungen in Form von Matrizen A, B, C berücksichtigt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (116) einen Antriebsstrang aufweist und unerwünschtes dynamisches Verhalten des Antriebsstrangs kompensierend berücksichtigt wird.