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Die Erfindung betrifft eine Druckbereitstellungsanordnung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betrieb einer Druckbereitstellungsanordnung gemäß Anspruch 9 sowie eine Verwendung einer Druckbereitstellungsanordnung gemäß Anspruch 10.
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Bisherige Antriebe bestehen aus einem Elektromotor, zum Beispiel einem bürstenbehafteten Gleichstrommotor oder einem bürstenlosen, mehrphasigen Drehstrommotor, der eine Pumpe oder einen Plunger antreibt, welcher wiederum den hydraulischen Druck zur Aktivierung der Radbremsen zur Verfügung stellt. Insbesondere bei Bremssystemen, die ein Brake-by-Wire Konzept realisieren oder Funktionen für das autonome Fahren darstellen, ist hierbei die fehlende Redundanz nicht akzeptabel. Sobald der Elektromotor oder seine Ansteuerung ausfällt, kann keine Bremskraft mehr zur Verfügung gestellt und die Bremse nur noch in der Rückfallebene durch Fußkraft des Fahrers betätigt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, den Antrieb für eine Pumpe zur Bereitstellung hydraulischen Drucks für die Aktivierung von Radbremsen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Ansprüche. Die Erfindung stellt dabei eine Druckbereitstellungsanordnung vor, welche eine Pumpe und einen ersten Elektromotor zum Antreiben der Pumpe umfasst. Insbesondere kann die Pumpe als Pumpenkolben ausgebildet sein. Zusätzlich stellt die Druckbereitstellungsanordnung einen zweiten Elektromotor bereit, mittels welchem die Pumpe, insbesondere der Pumpenkolben, ebenfalls betreibbar ist. Durch das Vorsehen von zwei Elektromotoren zum Antreiben der Pumpe ist vorteilhaft eine Redundanz vorgesehen.
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Dadurch wird die Druckbereitstellungsanordnung ausfallsicherer und somit verbessert.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind der erste Elektromotor und/oder der zweite Elektromotor bürstenlos ausgebildet. Bürstenlose Motoren arbeiten praktisch verschleißfrei, wodurch eine lange Lebensdauer bei den steigenden Betriebszeiten des Bremsregelsystems durch viele Komfortfunktionen gegeben ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Druckbereitstellungsanordnung ein Umlaufrädergetriebe, wobei das Umlaufrädergetriebe mit dem ersten Elektromotor, dem zweiten Elektromotor und der Pumpe verbunden ist. Dabei kann die Verbindung zwischen der Pumpe und dem Umlaufrädergetriebe insbesondere eine Verbindung zwischen dem Umlaufrädergetriebe und dem Pumpenkolben betreffen. Der Vorteil der Verwendung eines Umlaufrädergetriebes liegt in der Leistungsaddition der beiden Elektromotoren. Es wird dadurch ein redundanter Antrieb möglich, ohne die Leistung unnötigerweise doppelt vorhalten zu müssen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Umlaufrädergetriebe als Planetengetriebe ausgebildet, welches ein Sonnenrad und ein Hohlrad aufweist, wobei mittels des ersten Elektromotors das Hohlrad und mittels des zweiten Elektromotors das Sonnenrad antreibbar ist. Mit dem Einsatz eines Planetengetriebes wird es möglich, Elektromotoren mit unterschiedlichen Drehmomenten einzusetzen. Die Elektromotoren können unterschiedlich gebaut sein und die Wahrscheinlichkeit, dass sie gleichzeitig wegen eines gemeinsamen Konstruktions- oder Produktionsfehlers ausfallen, ist minimiert.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der erste Elektromotor als Hohlwellenmotor ausgebildet und ist um das Hohlrad herum angeordnet und/oder der zweite Elektromotor ist als Außenläufer ausgebildet und in das Sonnenrad integriert. Durch einen derartigen Aufbau wird vorteilhaft eine kompakte Einheit bereitgestellt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Druckbereitstellungsanordnung mindestens eine erste Energieversorgung für den ersten Elektromotor und mindestens eine zweite Energieversorgung für den zweiten Elektromotor. Dabei weist die Druckbereitstellungsanordnung einen Querverbindungsschalter auf, welcher die erste Energieversorgung und die zweite Energieversorgung miteinander verbindet. Im Normalbetrieb wird der Querverbindungsschalter über eine Steuereinheit eingeschaltet (also geschlossen) und beide Antriebe werden von der jeweils größeren Versorgungsspannung versorgt. Diese Betriebsart bietet den Vorteil, dass die benötigte Pulsweitenmodulation der beiden Wechselrichter synchron, aber phasenverschoben zueinander betrieben werden kann, was die gleichspannungsseitige Stromwelligkeit vermindert oder geringere Filtermaßnahmen bei gleicher Welligkeit zulässt. Sollte eine Versorgungsspannung komplett ausfallen, so steht automatisch die andere zur Verfügung. Sollte ein Wechselrichter intern einen Kurzschluss verursachen, der die betreffende Spannungsversorgung ebenfalls in Mitleidenschaft zieht, so kann durch Abschalten der Querverbindungstransistoren zumindest der Betrieb des verbleibenden Wechselrichters mit der verbleibenden Versorgungsspannung aufrechterhalten bleiben.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Druckbereitstellungsanordnung mindestens eine Hilfsbremsvorrichtung, welche bei Ausfall der ersten Energieversorgung oder der zweiten Energieversorgung über die jeweils andere, fehlerfreie Energieversorgung betreibbar ist. Vorteilhaft ist dadurch die Situation gegeben, dass das an dem entsprechenden Motor maximal auftretende Drehmoment bei Drehzahl null oder einer sehr geringen Drehzahl durch die Hilfsbremsvorrichtung abstützbar ist. Dafür ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung diese Hilfsbremsvorrichtung vorteilhaft als elektromagnetisch betätigte Bremse ausgebildet, die durch einen möglichst kleinen Strom unter minimal auftretender Betriebsspannung noch funktionsfähig ist und über eine elektronische Schaltung versorgt wird. Alternativ kann die Hilfsbremsvorrichtung auch unterstützen, wenn ein Fehler in einem der Elektromotoren oder in der Ansteuerung einer der Elektromotoren (Halbleiterbrückenschaltung) auftritt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Hilfsbremsvorrichtung als elektromagnetisch betätigte Bremse ausgebildet. Damit ist sie völlig unabhängig von den Elektromotoren und wird somit nicht gemeinsam mit einem der Motoren ausfallen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Druckbereitstellungsanordnung mindestens eine erste Halbleiterbrückenschaltung zur Ansteuerung des ersten Elektromotors und eine zweite Halbleiterbrückenschaltung zur Ansteuerung des zweiten Elektromotors auf.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Druckbereitstellungsanordnung derart ausgebildet, dass der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor positionssensorlos betreibbar sind. Dadurch, dass kein Positionssensor eingesetzt wird, ist die Druckbereitstellungsanordnung kostengünstiger herstellbar.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist am Getriebeantrieb ein Winkelsensor vorgesehen, um eine genaue Positionierung und Dosierung der Bremsflüssigkeitsmenge zu ermöglichen.
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Die Pumpe als hydraulischer Druckerzeuger kann in unterschiedlichen Ausführungen aufgebaut sein und ist besonders bevorzugt den geometrischen Gegebenheiten der Motoren, des Getriebes und der gesamten Einbausituation angepasst. Beispielsweise werden als Pumpe ein Schraubenverdichter, Zahnrad- oder Flügelpumpen als kontinuierlich fördernde Pumpen oder ein über ein Kugelgewinde angetriebener Plunger vorgesehen. Bei dem über ein Kugelgewinde angetriebenen Plunger handelt es sich bevorzugt um einen Plunger, der reversierend verfahren werden kann und über geeignete Ventilschaltungen auch das mehrfache seines Hubraums an Volumen fördern kann.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind der erste Elektromotor und der zweite Elektromotor derart ausgelegt, dass sie unterschiedliche Leistung erbringen können. Dabei ist besonders bevorzugt der leistungsschwächere Elektromotor im Sonnenrad befestigt und der leistungsstärkere Elektromotor im Hohlrad. Dadurch kann die gesamte Antriebsanordnung für die Pumpe sehr flach ausgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb der Druckbereitstellungsanordnung sowie eine Verwendung der Druckbereitstellungsanordnung in einem Kraftfahrzeug zur Bereitstellung hydraulischer Energie für den Betrieb eines Bremssystems des Kraftfahrzeugs.
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Das Verfahren kann derart ausgebildet sein, dass es folgende Schritte aufweist, sofern sich die Druckbereitstellungsanordnung in einem Normalbetrieb (fehlerfreier Betrieb) befindet:
- - Antreiben einer Pumpe mittels eines ersten Elektromotors gemäß dem Stand der Technik, wobei gemäß der Erfindung bevorzugt ein oder mehrere der folgenden Schritte durchgeführt werden:
- - Antreiben der Pumpe mittels eines zweiten Elektromotors, wobei das Antreiben der Pumpe folgendermaßen ausgestaltet ist:
- - Antreiben eines Hohlrades eines Umlaufrädergetriebes mittels des ersten Elektromotors und
- - Antreiben eines Sonnenrades des Umlaufrädergetriebes mittels eines zweiten Elektromotors, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
- - Schließen des Querverbindungsschalters mittels Ansteuerung durch die Steuereinheit,
- - Anschließen des ersten Elektromotors an eine erste Energieversorgung und
- - Anschließen des zweiten Elektromotors an eine zweite Energieversorgung,
- - Bestimmen ob die erste Energieversorgung oder die zweite Energieversorgung die größere Versorgungsspannung liefert,
- - Versorgen des ersten und des zweiten Elektromotors mittels der Energieversorgung mit der größeren Versorgungsspannung.
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Das Verfahren ist weiterhin derart ausgebildet, dass es im Notbetrieb bzw. Fehlerbetrieb folgende Schritte ausführt:
- - Erkennung des Ausfalls einer der Energieversorgungen, eines Elektromotors und/oder der Ansteuerung eines Elektromotors (Halbleiterbrückenschaltung),
- - Öffnen des Querverbindungsschalters mittels Ansteuerung durch die Steuereinheit,
- - Versorgen mindestens einer der Hilfsbremsvorrichtungen mittels der funktionsfähigen Energieversorgungsleitung sowie
- - Abstützen des Motormoments des Elektromotors mit Anschluss an die nicht funktionsfähige Energieversorgung durch die Hilfsbremsvorrichtung.
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Somit wird der Elektromotor, der an die nicht funktionsfähige Energieversorgung angeschlossen ist, durch die Hilfsbremsvorrichtung unterstützt, welche an die funktionsfähige Energieversorgung angeschlossen ist. Ebenfalls kann der verbleibende Motor die Pumpe mit voller Drehzahl alleine weiter antreiben, wobei durch die Untersetzung des Planetengetriebes ein Abtrieb entsteht und somit am Plunger nur eine verminderte Drehzahl zur Verfügung steht. Die Hilfsbremsvorrichtung kann dann das fehlende Drehmoment des ausgefallenen Motors erzeugen („auffangen“ bzw. „abstützen“).
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Figur.
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In schematischer Darstellung zeigt:
- 1 eine erfindungsgemäße Druckbereitstellungsanordnung.
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1 zeigt eine Druckbereitstellungsanordnung 1 mit einer ersten Energieversorgung 3 und einer zweiten Energieversorgung 5. Die erste Energieversorgung 3 und die zweite Energieversorgung 5 sind über einen Querverbindungsschalter 7 miteinander verbunden. Die erste Energieversorgung 3 versorgt eine erste Hilfsbremsvorrichtung 9 sowie eine erste Halbleiterbrückenschaltung 11. Die erste Halbleiterbrückenschaltung 11 ist mit einem ersten Elektromotor 13 verbunden und kann über diese Verbindung den ersten Elektromotor 13 ansteuern. Die zweite Energieversorgung 5 ist mit einer zweiten Hilfsbremsvorrichtung 15 und einer zweiten Halbleiterbrückenschaltung 17 verbunden. Die zweite Halbleiterbrückenschaltung 17 ist mit einem zweiten Elektromotor 19 verbunden und kann den zweiten Elektromotor 19 über diese Verbindung ansteuern. Der erste Elektromotor 13 und der zweite Elektromotor 19 sind mit einem Umlaufrädergetriebe 21 verbunden bzw. sind in ein Umlaufrädergetriebe 21 integriert. Das Umlaufrädergetriebe 21 ist mit einer Pumpe 23 verbunden. Die Verbindung vom Umlaufrädergetriebe 21 kann insbesondere zu dem Pumpenkolben (nicht dargestellt) bestehen. Die Pumpe 23 ist insbesondere dafür vorgesehen, hydraulischen Druck zur Aktivierung der Radbremsen zur Verfügung zu stellen.
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In der Druckbereitstellungsanordnung 1 ist vorzugsweise ebenfalls eine Steuereinheit 25 vorgesehen, welche Steuerbefehle an die Halbleiterbrückenschaltungen 11, 17 und an die Hilfsbremsvorrichtungen 9, 11 ausgeben kann. Die Steuereinheit 25 kann zudem den Querverbindungsschalter 7 sowie einen Winkelsensor 27 ansteuern. Vom Winkelsensor 27 kann die Steuereinheit 25 beispielsweise Daten empfangen, um sie dann auszuwerten. Die Hilfsbremsvorrichtungen 9 und 15 sind bevorzugt mit den Elektromotoren 13 und 19 verbunden, so dass bei Ausfall einer der Energieversorgungen 3, 5 eine der Hilfsbremsvorrichtungen 9, 15 betätigt werden kann, um das Drehmoment des mit der ausgefallenen Energieversorgung 3,5 verbundenen Elektromotors 13, 19 bei Drehzahl Null aufzunehmen. Weiterhin bevorzugt sind in der Druckbereitstellungsanordnung 1 ein oder mehrere Dioden 29 und ein oder mehrere Kondensatoren 31, insbesondere Elektrolytkondensatoren, vorgesehen. Ganz besonders bevorzugt sind ist jeweils eine Diode 29 in der Energieversorgungsleitung 3, 5 positioniert. Ebenso bevorzugt ist insbesondere jeweils ein Elektrolytkondensator 31 für jede Hilfsbremsvorrichtung 9, 15 vorgesehen.
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Die Druckbereitstellungsanordnung 1 ist bevorzugt somit zweiseitig aufgebaut, wobei mehrere Komponenten in beiden Seiten gespiegelt vorhanden sind. Die doppelt vorhandenen Komponenten betreffen insbesondere die Energieversorgungsleitungen 3, 5, die Hilfsbremsvorrichtungen 9, 15, die Halbleiterbrückenschaltungen 11, 17, die Elektromotoren 13, 19, die Dioden 29 und die Elektrolytkondensatoren 31. Nur jeweils einmal vorhanden ist bevorzugt der Querverbindungsschalter 7, die Steuereinheit 25, das Umlaufrädergetriebe 21, der Winkelsensor 27 und die Pumpe 23.
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Das Umlaufrädergetriebe 21 weist insbesondere ein Sonnenrad und ein Hohlrad auf (nicht gezeigt) und ist als Planetengetriebe ausgebildet. Dabei ist bevorzugt einer der Elektromotoren 13, 19 in dem Sonnenrad und der jeweils andere Elektromotor 13, 19 in dem Hohlrad platziert. Der Elektromotor 13, 19, insbesondere der erste Elektromotor 13, der das Sonnenrad antreibt, kann als Ausläufer ausgebildet sein und damit in das Sonnenrad integriert werden. Ebenso kann der Elektromotor 13, 19, insbesondere der zweite Elektromotor 19, der das Hohlrad antreibt, als Hohlwellenmotor ausgebildet sein und um das Getriebe herum angeordnet werden. Durch den größeren Umfang kann der zweite Elektromotor 19 bevorzugt mehr Drehmoment zur Verfügung stellen, was bevorzugt dem Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes entspricht, da dieses am Hohlrad entsprechend mehr Drehmoment benötigt als am Sonnenrad. Bevorzugt ist der erste Elektromotor 13, der im Sonnenrad platziert ist, leistungsschwächer ausgebildet und der leistungsstärkere zweite Elektromotor 19 umschließt das Hohlrad. Die gesamte Anordnung kann so relativ flach ausfallen und zum Beispiel mit einer Zahnradpumpe zu einer kompakten Einheit kombiniert werden. Im Fall, dass das Umlaufrädergetriebe 21 als symmetrisches Differenzial ausgeführt wird, sind die Elektromotoren 13, 19 bevorzugt als zwei lange, dünne Motoren ausgeführt, die dem Durchmesser des Differenzials entsprechen, so dass die ganze Einheit aus Umlaufrädergetriebe 21 und Elektromotoren 13, 19 rohrförmige Dimensionen annimmt. Bei Ausführung als symmetrisches Differential (auch Kegelrad-Differential) ist das Umlaufrädergetriebe bevorzugt mit einer Standübersetzung von -1 ausgebildet.
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Um eine volle Redundanz des Antriebs zu gewährleisten, ist die Energieversorgung mit elektrischer Energieredundanz vorgenommen, indem die beiden Energieversorgungen 1 und 2 vorgesehen sind. Im Normalbetrieb wird der Querverbindungsschalter 7 eingeschaltet und beide Antriebe werden von der jeweils größeren Versorgungsspannung 3, 5 versorgt. Diese Betriebsart bietet den Vorteil, dass die benötigte Pulsweitenmodulation der beiden Wechselrichter synchron, aber phasenverschoben zueinander betrieben werden kann, was die gleichspannungsseitige Stromwelligkeit vermindert oder geringere Filtermaßnahmen bei gleicher Welligkeit zulässt. Sollte eine Versorgungsspannung komplett ausfallen, so steht automatisch die andere zur Verfügung. Sollte hingegen ein Wechselrichter intern einen Kurzschluss verursachen, der die betreffende Spannungsversorgung ebenfalls in Mitleidenschaft zieht, so kann durch Abschalten der Querverbindungstransistoren im Querverbindungsschalter 7 zumindest der Betrieb des verbleibenden Wechselrichter mit der verbleibenden Versorgungsspannung aufrechterhalten bleiben.
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Zum Anlauf der Motoren können diese lastfrei in unterschiedliche Drehrichtungen gestartet werden, was den positionssensorlosen Betrieb begünstigt oder erst ermöglicht. Hierdurch ergeben sich deutliche finanzielle Einsparungen gegenüber einer Ausführung mit Positionssensoren. Durch eine feine Variation der Drehzahl eines oder beider Motoren 13, 19 entsteht eine niedrige und gut regelbare Abtriebsdrehzahl an der hydraulischen Druckerzeugungseinheit (der Pumpe 23).
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Wenn eine genaue Dosierung der hydraulisch geförderten Menge Bremsflüssigkeit notwendig ist, so wird hierfür der Positions- bzw. Winkelsensor 27 am Abtrieb des Getriebes angebracht.
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Die Elektromotoren 13, 19 sind bevorzugt bürstenlos ausgebildet und dreiphasig ausgestaltet. Jeder Motor 13, 19 wird dabei über eine unabhängige dreiphasige Halbleiterbrückenschaltung 11, 17 angesteuert. Im Normalbetrieb werden beide Motoren 13, 19 synchron angesteuert, so dass alle drei Drehzahlen und Drehrichtungen identisch sind. Das Abtriebsdrehmoment an der hydraulischen Druckerzeugungseinheit (Pumpe 23) setzt sich aus der Summe der beiden Motordrehmomente zusammen, die jedoch unterschiedlich groß sein können. Somit muss jeder einzelne Elektromotor 13, 19 nur einen Teil des gesamten maximal benötigten Drehmoments aufbringen und kann kleiner gebaut und mit weniger Magnetmaterial bestückt werden als ein vergleichbarer Motor, der den Antrieb alleine bewerkstelligen muss.
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Aus Sicherheitsgründen ist es vorteilhaft, dass das Bremssystemen über zwei unabhängige Energieversorgungen 3, 5 verfügt. Sollte eine davon oder der zugeordnete Elektromotor 13, 19 oder dessen Ansteuerung durch die Halbleiterbrückenschaltungen 11, 17 ausfallen, so wird die über die verbleibende Energieversorgung 3, 5 betreibbare Hilfsbremsvorrichtung 9, 15 betätigt, um das anfallende Drehmoment abzustützen. Die hydraulische Druckerzeugungseinheit (Pumpe 23) kann dann weiterhin mit verminderter Drehzahl durch den verbleibenden Elektromotor 13, 19 betrieben werden. Dabei kann das volle Lastmoment erzeugt werden, was vorteilhaft für das Bremssystem ist. Selbst, wenn einer der Elektromotoren 13, 19 stark beschädigt wäre, so dass er mechanisch blockieren würde (zum Beispiel durch das Aufschmelzen der Isolation bei Überhitzung) ist der Betrieb durch den anderen Motor 13, 19 weiterhin möglich.
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Die Hilfsbremsvorrichtung 9, 15 ist bevorzugt in der Lage, das an dem entsprechenden Elektromotor 13, 19 maximal auftretende Drehmoment bei Drehzahl null oder einer sehr geringen Drehzahl abzustützen. Hierzu ist eine elektromagnetisch betätigte Bremse geeignet, die durch einen möglichst kleinen Strom und bei minimal auftretender Betriebsspannung noch funktionsfähig ist und über eine elektronische Schaltung versorgt wird. Die Hilfsbremsvorrichtungen 9, 15 sind somit bevorzugt als elektromagnetisch betätigbare Bremsen ausgebildet. Sofern ein Fehler aus einem kurzgeschlossen Halbleiter innerhalb eines Wechselrichters besteht, so ist dies nicht weiter störend, da der Motor idealerweise dreiphasig kurzgeschlossen werden soll. Eine gewisse Schlupf-Drehzahl in diesem Notbetrieb wird dabei bevorzugt von der Steuerung akzeptiert. Vorteilhaft ist in diesem Fall auch die Anwesenheit des Winkelsensors 27 am Getriebeabtrieb, um weiterhin eine genaue Positionierung und Dosierung der Bremsflüssigkeitsmenge zu ermöglichen.
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Die Pumpe 23 kann in verschiedenen Ausführungen aufgebaut sein und passt sich bevorzugt den geometrischen Gegebenheiten der Elektromotoren 13, 19 des Getriebes 21 und der gesamten Einbausituation an. Beispielsweise können hier Schraubenverdichteter, Zahnrad- oder Flügelpumpen oder ein über ein Kugelgewinde angetriebener Plunger als Pumpe 23 vorgesehen sein.
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Insgesamt zeigt die Erfindung eine vorteilhafte Verbindung von zwei insbesondere bürstenlosen Motoren zu einem redundanten Antrieb eines hydraulischen Druckerzeugers, der im Fehlerfall einen Betrieb mit verminderter Leistung zulässt und im Normalbetrieb einige Vorteile bei Ansteuerung und Regelung zeigt, ohne den Aufwand für die Redundanz gegenüber eine einfachen Antrieb zu verdoppeln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckbereitstellungsanordnung
- 3
- erste Energieversorgung
- 5
- zweite Energieversorgung
- 7
- Querverbindungsschalter
- 9
- erste Hilfsbremsvorrichtung
- 11
- erste Halbleiterbrückenschaltung
- 13
- erster Elektromotor
- 15
- zweite Hilfsbremsvorrichtung
- 17
- zweite Halbleiterbrückenschaltung
- 19
- zweiter Elektromotor
- 21
- Umlaufrädergetriebe
- 23
- Pumpe
- 25
- Steuereinheit
- 27
- Winkelsensor
- 29
- Diode
- 31
- Kondensator