-
Die vorliegende Erfindung betrifft
System und Verfahren zur Regelung des Bremsens eines Fahrzeuges
sowie ein mit einem derartigen System ausgestattetes Kraftfahrzeug.
-
Es ist die Notwendigkeit bekannt,
den Verbrauch fossiler Brennstoffe und die Abgase in Autos und anderen
Fahrzeugen, die überwiegend
von Verbrennungsmotoren (ICE) angetrieben werden, zu reduzieren.
Mit von Elektromotoren angetriebenen Fahrzeugen versucht man, sich
diesen Bedürfnissen
zu widmen. Eine andere alternative Lösung ist, einen kleineren Verbrennungsmotor
mit Elektromotoren in einem Fahrzeug zu kombinieren. Solche Fahrzeuge
verbinden die Vorteile eines Fahrzeuges mit Verbrennungsmotor und
eines Elektrofahrzeuges und werden typischerweise Hybridfahrzeuge
(HEV) genannt (US-Patentschrift 5 343 970).
-
Das HEV wird in vielfältigen Ausführungen
beschrieben. Viele Patente für
HEV offenbaren Systeme, bei denen eine Bedienperson erforderlich
ist, um zwischen elektrischem Betrieb und Betrieb mit Verbrennungsmotor
zu wählen.
In anderen Ausführungen
treibt der Elektromotor eine Gruppe und der Verbrennungsmotor eine
andere Gruppe von Rädern
an.
-
Es wurden andere Ausführungen
entwickelt, die nutzbarer sind. Zum Beispiel ist die Ausführung eines Reihen-Hybridfahrzeuges
(SHEV) ein Fahrzeug mit einem Motor (typischerweise meistens ein
Verbrennungsmotor), der mit einem Elektromotor, Generator genannt,
verbunden ist. Der Generator erzeugt wiederum Elektrizität für eine Batterie
und einen anderen Motor, Antriebsmotor genannt. Im SHEV ist der
Antriebsmotor die einzige Quelle für das Drehmoment am Rad. Zwischen Verbrennungsmotor
und Antriebsrädern
gibt es keine mechanische Verbindung. Die Ausführung eines Parallel-Hybridfahrzeuges
(PHEV) weist einen Motor (typischerweise meistens ein Verbrennungsmotor)
und einen Elektromotor auf, die in veränderlichem Grad zusammenarbeiten,
um das notwendige Raddrehmoment zum Antrieb des Fahrzeuges bereitzustellen.
Außerdem kann
der Motor in der PHEV-Ausführung
als Generator verwendet werden, um die Batterie aus der durch den Verbrennungsmotor
erzeugten Energie aufzuladen.
-
Ein Parallel-/Reihen-Hybridfahrzeug
(PSHEV) besitzt sowohl die Eigenschaften der PHEV- Ausführung als
auch der SHEV-Ausführung
und wird manchmal als Parallel-/Reihenausführung „mit Aufteilung" bezeichnet. In einer
von mehreren Typen der PSHEV-Ausführungen ist der Verbrennungsmotor
ICE mechanisch mit zwei Elektromotoren in einer Transaxle mit Planetengetriebe
gekoppelt. Ein erster Elektromotor, der Generator, ist mit einem
Sonnenrad verbunden. Der ICE ist mit einem Trägerrad verbunden. Ein zweiter
Elektromotor, der Antriebsmotor, ist über eine zusätzliche
Getriebeverzahnung in einer Transaxle mit einem (Abtriebs-)Tellerrad
verbunden. Das Motordrehmoment kann den Generator zum Aufladen der
Batterie antreiben. Der Generator kann außerdem zum notwendigen Raddrehmoment
(Abtriebswelle) beitragen, wenn das System eine Freilaufkupplung
besitzt. Der Antriebsmotor wird verwendet, um zum Raddrehmoment
beizutragen und Bremsenergie zurück
zu gewinnen, um die Batterie aufzuladen. In dieser Ausführung kann
der Generator selektiv ein Reaktionsmoment bewirken, das zur Regelung
der Motordrehzahl genutzt werden kann. Tatsächlich können Verbrennungsmotor, Generator
und Antriebsmotor den Effekt eines stufenlosen Getriebes (CVT) bewirken.
Das HEV stellt außerdem
eine Möglichkeit
dar, die Leerlaufdrehzahl des Motors gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen besser
zu regeln, indem der Generator zur Regelung der Motordrehzahl verwendet wird.
-
Klar ist die erstrebenswerte Kombination
eines Verbrennungsmotors (ICE) mit Elektromotoren. Es ist ein großes Potenzial
vorhanden, um den Kraftstoffverbrauch und Abgase eines Fahrzeuges
ohne nennenswerten Verlust der Leistung oder Lenkbarkeit des Fahrzeuges
zu verringern. Das HEV erlaubt die Verwendung kleinerer Verbrennungsmotore,
die Nutzbremsung, elektrische Verstärkung und selbst das Betreiben
des Fahrzeuges mit abgeschaltetem Verbrennungsmotor Trotzdem müssen neue
Möglichkeiten
entwickelt werden, um die potenziellen Nutzen des HEV zu optimieren.
-
Ein solcher Bereich der Entwicklung
von Hybridfahrzeugen ist die Optimierung des Brems- und Stabilitätssystems
des HEV oder eines beliebigen anderen Fahrzeugtyps mittels einer
Nutzbremstechnik. Nutzbremsung fängt
die kinetische Energie des Fahrzeuges auf, wenn es sich verlangsamt.
In herkömmlichen Fahrzeugen
verbraucht sich kinetische Energie während einer Verzögerung normalerweise
als Wärme
in den Bremsen oder dem Motor eines Fahrzeuges. Nutzbremsung wandelt
die erfasste kinetische Energie durch einen Generator in elektrische
Energie in Form einer gespeicherten Ladung in der Batterie eines
Fahrzeuges um. Diese gespeicherte Energie wird später genutzt,
um den Elektromotor zu speisen. Folglich verringert Nutzbremsung
auch die Kraftstoffverwendung und Erzeugung von Abgasen. In bestimmten
Fahrzeugausführungen kann
der Verbrennungsmotor vom übrigen
Antriebsstrang getrennt sein, wodurch es ermöglicht wird, dass mehr kinetische
Energie in gespeicherte elektrische Energie umgewandelt wird.
-
Bei den meisten Fahrzeugen mit Nutzbremsung
wird das Nutzbremsmoment auf oder vorwiegend auf die Räder von
nur einer Achse aufgebracht. Wenn an den Rädern von nur einer Achse eine
Nutzbremsung angewandt wird, können
an den Rädern
der anderen Achsen nicht-regenerative Bremsverfahren genutzt werden.
Der Wunsch, Energie durch Nutzbremsung zurück zu gewinnen, kann zu unterschiedlichen
Bremsmomenten führen,
die auf die Räder
der verschiedenen Achsen aufgebracht werden. Der Unterschied zwischen den
Bremsmomenten kann unausgeglichenes Bremsen verursachen, das die
Steuerbarkeit des Fahrzeuges verschlechtern kann. Eine verschlechterte
Steuerbarkeit kann entweder in Form von reduzierter Stabilität oder verminderter
Lenkbarkeit sein. Zum Beispiel kann die Fähigkeit der Vorderräder das
Fahrzeug zu lenken, vermindert sein, wenn auf die Vorderachse, wie
in Fahrzeugen mit Frontantrieb, ein zu hohes Nutzbremsmoment aufgebracht
wird. Die verminderte Lenkbarkeit ist ein als Untersteuern bekannter
Zustand. Wenn auf die Hinterachse, wie bei Fahrzeugen mit Hinterradantrieb,
ein zu hohes Nutzbremsmoment aufgebracht wird, kann die seitliche
Reibung der Hinterreifen verringert sein. Die reduzierte Stabilität ist ein
als Übersteuern
bekannter Zustand. Beide dieser Wirkungen, das Untersteuern auf
Grund von zu hohen Intensitäten
der Nutzbremsung an der Vorderachse, und das Übersteuern auf Grund von zu
hohen Intensitäten
der. Nutzbremsung an der Hinterachse können auf Flächen mit geringer Reibung,
wie Eis und Schnee, größer werden.
Die Anforderung zur Steuerbarkeit auf Flächen mit geringer Reibung zwingt
typischerweise dazu, Nutzbremsgrößen zu reduzieren, was
zu einem entsprechenden Verlust der Energierückgewinnung führt.
-
Es gibt etliche US-Patentschriften
betreffend ein HEV, die auf die Steuerung von Nutzbremsfunktionen bei
verschiedenen Antriebsbedingungen gerichtet sind. In der US-Patentschrift
6 033 041 wird eine Nutzbremsregelung für ein Elektrofahrzeug beschrieben,
bei der sich die Nutzbremsung als Funktion der Fahrzeugneigung ändert. In
der US-A 4 335 337 wird eine Regelung für ein elektrisch angetriebenes
Fahrzeug beschrieben. Mit dieser Erfindung wird versucht, das Reifenhaftungsverhalten
zu verbessern, indem die Frequenz der Umdrehungen der Induktionsmotoren
auf Basis der Schlupffrequenz des Fahrzeuges ohne Rücksicht
auf Nutzbremsung eingestellt wird.
-
Gemäß der US-A 5 476 310 wird ebenfalls
versucht, das Bremsverhalten durch das Zusammenwirken von mechanischen
Antiblockierbremsen und Nutzbremsung zu verbessern. Mit dieser Erfindung
wird eine zu hohe Bremskraft und Schlupf mit einem Regler geregelt,
indem ein vorbestimmtes Schlupfverhältnis genutzt wird. In anderen
Erfindungen wird ebenfalls versucht, einen zu hohen Schlupf zu regeln
(Patentschriften US- A 5 654
887 und US-A 5 615 933). Während
diese Erfindungen zu hohen Schlupf wirklich verringern, stellen
sie leider kein ausreichendes Niveau an Stabilität bereit, weil sie sich hauptsächlich auf
die Maximierung von geradlinigem Stoppen konzentrieren.
-
Die US-A 5 318 355 beschreibt einen
Umschaltmodus von einer Nutzbrems- oder Reibungsbremsbetriebsart.
Leider ist diese Erfindung anfällig
für eine
falsche Aktivierung der Betriebsartumschaltung.
-
Von daher liegt der Erfindung das
Problem zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Regelung der Bremsung
und Verbesserung der Steuerbarkeit eines mit Nutzbremsung ausgerüsteten Fahrzeuges
bereitzustellen, insbesondere mit der Fähigkeit, ein Bremsmoment zwischen
Nutzbremsung und nicht-regenerativem Bremsen zu verteilen, während die
Energierückgewinnung
und Steuerbarkeit des Fahrzeuges optimiert wird.
-
Das Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale der Ansprüche
1, 5, 6 und 7. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Die erfindungsgemäße Lösung weist ein System auf und
kann mit einem Verfahren betrieben werden, dass eine Nutzbremsung
bewirkt, wobei das Untersteuern und Übersteuern verringert wird,
während
die Rückgewinnung
von Energie selbst auf Flächen
mit geringer Reibung nicht erheblich reduziert wird. Die Erfindung erfasst
ständig
das Übersteuern
und Untersteuern und gleicht das Nutzbremsmoment mit einem normalen, nicht-regenerativen
Bremsmoment entsprechend aus, wenn die Steuerfähigkeit abnimmt.
-
Einer wichtigen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entsprechend, wird ein Nutzbremsmoment
auf die Räder
von mindestens einer Achse aufgebracht, wobei an sich bekannte mechanische
Reibungsbremsen oder andere nicht-regenerative Bremsen mit den Rädern der
anderen Achse verbunden sind. Gemäß der Erfindung werden die
Nutzbremskräfte
oder nicht-regenerativen Bremskräfte
auf das Rad unterschiedlicher Achsen aufgebracht. Das Fahrzeug besitzt
einen Regler mit der Hard- und Software eines Mikroprozessors, um
ein Sensoreingangssignal der Bremsenstellung und der Raddrehzahl
von jedem Rad aufzunehmen und zu bewerten sowie eine Generator zu
aktivieren, die nicht-regeneratives Bremsen und Nutzbremsung in optimalen
Verhältnissen
zwischen Vorderachse und Hinterachse zur maximalen Energierückgewinnung
und Steuerbarkeit des Fahrzeuges variiert. Die Steuerbarkeit des
Fahrzeuges wird auf der Basis von mindestens einem aktuellen Wert
der Steuerbarkeit des Fahrzeuges und mindestens einem vorbestimmten
Zielwert bestimmt. Nutzbremsung wird so eingestellt, um den aktuellen
Wert der Steuerbarkeit des Fahrzeuges innerhalb des vorgegebenen
Zielwertes beizubehalten. Der Regler kann ein einfacher PID-Regler
mit Rückführung sein.
-
Die vorliegende Erfindung kann das Übersteuern
in Fahrzeugausführungen,
in denen die Generator veränderliche
Größen eines
Nutzbremsmomentes den Rädern
der Hinterachse bereitstellt und bei denen die nicht-regenerativen
Bremsen mit den Rädern
der Vorderachse verbunden sind, verringern. Das Sensoreingangssignal
umfasst vorzugsweise Daten, die auf den Lenkwinkel, die Größe des Gierwinkels
und die seitliche Beschleunigung bezogen sind. Außerdem können die
Bestimmungen der Steuerbarkeit des Fahrzeuges, wie das Übersteuern,
auf Daten basieren, die auf das Verhältnis des Radschlupfes in Umfangsrichtung,
den Reifenschlupfwinkel und die Größe des Gierwinkels bezogen
sind. Der Lenkwinkel kann aus der Lenkradstellung, der Stellung
der lenkbaren Räder
oder einer zeitlich gefilterten Bestimmung des Lenkwinkels bestimmt
werden.
-
Die vorliegende Erfindung kann außerdem so
ausgeführt
werden, um das Untersteuern bei Fahrzeugen mit Frontantrieb zu verringern.
-
Letztlich umfasst eine weitere Lösung ein
Kraftfahrzeug, welches mit einem erfindungsgemäßen System ausgestattet ist.
-
Die vorgenannten Vorteile und Merkmale
werden mit Bezug auf die Beschreibung und die Zeichnung verdeutlicht.
-
Es zeigen:
-
1 die
allgemeine Ausführung
eines Hybridfahrzeuges (HEV); 2 eine
Steuerstrategie nach der vorliegenden Erfindung zum Bremsen und
zur Steuerbarkeit.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
elektrisch angetriebene Fahrzeuge wie Elektrofahrzeuge (ECV), Hybridfahrzeuge
(HEV) und Elektrofahrzeuge mit Brennstoffzellen (FCEV), die eine
Nutzbremsanlage aufweisen. Die vorliegende Erfindung ist ein System
zum ständigen
Regeln des Bremsens und der Steuerbarkeit eines Fahrzeuges mit Nutzbremsung.
-
1 stellt
nur eine mögliche
Ausführung,
speziell die Ausführung
eines Parallel- / Reihen-Hybridfahrzeuges (mit Aufteilung) dar.
-
In einem einfachen HEV kuppelt eine
Planetengetriebegruppe 20 mechanisch ein Zwischenrad 22 über eine
Freilaufkupplung 26 mit dem Verbrennungsmotor 24.
Die Planetengetriebegruppe 20 kuppelt auch mechanisch ein
Sonnerad 28 mit einem Generator 30 und einem Abtriebszahnkranz 32.
Der Generator 30 verbindet außerdem eine Generatorbremse 34 und
ist elektrisch an eine Batterie 36 angeschlossen. Ein Antriebsmotor 38 ist
mechanisch mit dem Zahnkranz 32 der Planetengetriebegruppe 20 über eine
zweite Getriebegruppe 40 gekuppelt und elektrisch an die
Batterie 36 angeschlossen. Der Zahnkranz 32 der
Planetengetriebegruppe 20 und der Antriebsmotor 38 sind
mechanisch mit den Antriebsrädern 42 über eine
Abtriebswelle 44, die mit einer die Antriebsräder 42 aufweisenden
Hinterachse 66 mechanisch gekuppelt ist, verbunden. Zum
Zweck der Darstellung kann das Fahrzeug außerdem ein getrenntes Paar
nicht angetriebener, lenkbarer Räder 64 aufweisen,
die durch eine Vorderachse 68 verbunden sind. Die nicht
angetriebenen, lenkbaren Räder 64 sind zur
Vorderseite des Fahrzeuges gerichtet, während die Antriebsräder 42 zur
Rückseite
des Fahrzeuges gerichtet sind.
-
Die Planetengetriebegruppe 20 teilt
die von dem Verbrennungsmotor 24 abgegebene Energie auf
in einen Reihenweg vom Verbrennungsmotor 24 zum Generator 30 und
einen parallelen Weg vom Verbrennungsmotor 24 zu den Antriebsrädern 42.
Die Drehzahl des Verbrennungsmotors 24 kann gesteuert werden, indem
die Aufteilung auf den Reihenweg verändert wird, während die
mechanische Verbindung über
den parallelen Weg aufrechterhalten wird. Der Antriebsmotor 38 verbessert
die Leistung des Verbrennungsmotors 24 auf die Antriebsräder 42 im
parallelen Weg durch die zweite Getriebegruppe 40. Der
Antriebsmotor 38 schafft außerdem die Möglichkeit,
Energie, im Wesentlichen die von dem Generator 30 erzeugte,
ablaufende Leistung direkt aus dem Reihenweg zu nutzen. Dies reduziert
die Verluste, die mit der Umwandlung von Energie in chemische Energie
und umgekehrt in der Batterie 36 verbunden sind und ermöglicht es,
dass die gesamte Leistung des Verbrennungsmotors 24 abzüglich der
Umwandlungsverluste die Antriebsräder 42 erreicht.
-
Ein Systemregler 46 des
Fahrzeuges (VSC) steuert in dieser HEV- Ausführung viele Komponenten durch
Verbindung mit dem Regler jeder Komponente. Eine Motorsteuereinheit 48 (ECU)
kann mit dem Verbrennungsmotor 24 über eine drahtgebundene Schnittstelle
verbunden sein. Alle Fahrzeugregler können in einer beliebigen Kombination
physikalisch kombiniert werden oder können als getrennte Einheiten
stehen. Sie werden hier als getrennte Einheiten beschrieben, weil
sie jeweils eine deutlich ausgeprägte Funktionstüchtigkeit
besitzen. Die Fahrzeugregler weisen die Hardware und Software eines
Mikroprozessors auf, um ein Sensoreingangssignal aufzunehmen und
zu bewerten und entsprechend diesem Eingangssignal zu reagieren.
Der VSC 46 steht sowohl mit der ECU 48 als auch
der Batteriesteuereinheit 50 (BCU) und einer Transaxle-Steuereinheit 52 (TMU)
durch ein Übertragungsnetzwerk
wie das Reglerbereichsnetzwerk 54 (CAN) in Verbindung. In
dieser Darstellung ist die BCU 50 über eine drahtgebundene Schnittstelle
an die Batterie 36 angeschlossen. Die TMU 52 steuert
der Generator 30 und den Antriebsmotor 38 über eine
drahtgebundene Schnittstelle.
-
Ferner kann der VSC 46 durch
das CAN 54 mit einer elektrohydraulischen Bremseinheit 56 (EHBU)
in Verbindung stehen. Die EHBU 56 ist mit den nicht-regenerativen
Bremsen 58 (z.B. mechanische Bremsen) verbunden, die schließlich mit
den nicht angetriebenen, lenkbaren Rädern 64 verbunden
sind. Die EHBU 56 kann Antiblockiersysteme (ABS), Nutzbremsung,
Antriebssteuerung und nicht-regeneratives Bremsen steuern. In der
vorliegenden Erfindung ist eine Bremsregelung für jedes Antriebsrad 42 und
jedes nicht angetriebene, lenkbare Rad 64 unabhängig voneinander
vorhanden.
-
Der VSC 46 kann von verschiedenen
Komponentensensoren des Fahrzeuges ein Eingangssignal empfangen.
Nach einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden Eingangssignale durch einen Bremsenstellungssensor 62 (wie
ein Bremspedal), Raddrehzahlsensoren 70, Positionssensoren 72 der lenkbaren
Räder und
Trägheitssensoren 74 erzeugt.
Die Trägheitssensoren 74 können zum
Beispiel die seitliche Beschleunigung und / oder die Größe des Gierwinkels
messen. Das Ausgangssignal des Bremsenstellungssensors 62 kann
in Abhängigkeit
von der Ausführung
des Fahrzeuges zu dem VSC 46 oder der EHBU 56 gesendet
werden. Für
die vorliegende Darstellung wird das Ausgangssignal des Bremsenstellungssensors 62 an
die EHBU 56 gesendet. Die Raddrehzahlsensoren 70 sind
an jedem Fahrzeugrad angeordnet. Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren und ein System zum ständigen Einstellen der Bremsung
zwischen den Vorder- und Hinterachsen bereit, um eine regenerative
Energierückgewinnung
zu optimieren, während
die Steuerbarkeit des Fahrzeuges aufrechterhalten wird. Eine Regelung
für ein
mit Nutzbremsung ausgerüstetes Fahrzeug
ist in einer möglichen
Ausführung
in 1 veranschaulicht.
Die Erfindung kann Nutzbremsung bewirken, während das Untersteuern und Übersteuern
des Fahrzeuges selbst bei Flächen
mit geringer Reibung verringert wird, obwohl die Energierückgewinnung
auf Flächen
mit hoher Reibung nicht erheblich reduziert wird.
-
Der Regler der vorliegenden Erfindung
kann physikalisch entweder innerhalb des VSC 46 oder als
allein stehende Einheit, wie die EHBU 56, angeordnet sein.
Der Regler überwacht
ständig
die Steuerbarkeit des Fahrzeuges und weist entsprechend eine Änderung
der Nutzbremsung in Echtzeit immer dann an, wenn die Steuerbarkeit
des Fahrzeuges verringert ist. Das System bestimmt die Steuerbarkeit
des Fahrzeuges auf der Basis mindestens eines vorgegebenen Zielwertes.
-
Wie es oben angegeben ist, wird bei
den meisten Fahrzeugausführungen
mit Nutzbremsung ein Bremsmoment auf die Räder einer Achse (oder überwiegend
auf die Räder
einer Achse) aufgebracht. Wenn eine Nutzbremsung nur auf die Räder von
einer Achse aufgebracht wird, können
normale, nicht-regenerative Bremsverfahren an den Rädern der
anderen Achsen genutzt werden, um das gesamte Bremsmoment des Fahrzeuges
auszugleichen. Um dies in der Fahrzeugausführung von 1 zu demonstrieren, könnte die EHBU 56 eine
Aktivierung der Nutzbremsung an den Antriebsrädern 42 der Hinterachse 66 (d.h.
eine Ausführung
mit Hinterradantrieb) anweisen. Die EHBU 56 könnte gleichzeitig
eine Anwendung der normalen, nicht-regenerativen Bremsen 58 auf
die nicht angetriebenen, lenkbaren Räder 64 der Vorderachse 68 anweisen.
In diesem Beispiel wird optimale regenerative Energie nicht realisiert,
weil jedes Bremsmoment mittels normaler, nicht-regenerativer Bremsen 58 zu
kinetischer Energie führt,
die als Wärme
vergeudet wird. Idealerweise würde
eine maximale Energierückgewinnung
bei vollständiger
Nutzbremsung auftreten.
-
Eine Herausforderung zur Erzielung
einer maximalen Energierückgewinnung
durch Nutzbremsung besteht auf Grund von unausgeglichenen Bremsmomenten
zwischen Vorder- und Hinterrädern,
die die Steuerbarkeit des Fahrzeuges beeinflussen können. Wenn
zum Beispiel in einem Fahrzeug mit Frontantrieb (nicht gezeigt)
beim Versuch, Energierückgewinnung
auf ein Maximum zu bringen, d.h. es wird wenig normale Nutzbremskraft
auf die Räder
der Hinterachse aufgebracht, ein zu hohes Bremsmoment auf die lenkbaren
Vorderräder
der Vorderachse aufgebracht wird, dann wird die Fähigkeit
zum Steuern der lenkbaren Räder 64 verringert
(Untersteuern). In einem Fahrzeug mit Hinterradantrieb wird die
seitliche Reibung der Antriebsräder 42 verringert
(Übersteuern),
wenn beim Versuch, Energierückgewinnung
auf ein Maximum zu bringen, z.B. wird weniger normale Nutzbremskraft
auf die vorderen, nicht angetriebenen, lenkbaren Räder 64 aufgebracht,
ein zu hohes Bremsmoment auf die Antriebsräder 42 der Hinterachse 66 aufgebracht
wird. Diese Probleme der Steuerbarkeit können auf Flächen mit geringer Reibung,
wie Eis und Schnee, ernsthafter werden. Die vorliegende Erfindung
stellt somit ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, um die Energierückgewinnung
auf ein Maximum zu bringen, während
die Steuerbarkeit des Fahrzeuges aufrechterhalten wird.
-
Während
eines Bremsereignisses wird sich die vorliegende Erfindung zu Anfang
auf Nutzbremsung stützen,
während
ständig
die Steuerbarkeit des Fahrzeuges überwacht wird, und wird dementsprechend
das Bremsen einstellen. Das System versucht, Steuerprobleme zu korrigieren,
indem die Steuerbarkeit des Fahrzeuges innerhalb eines vorgegebenen
Zielwertes aufrechterhalten wird. Dies bedeutet, dass das System
der vorliegenden Erfindung reagieren sollte, bevor herkömmliche
Steuersysteme der Fahrzeugstabilität eingreifen.
-
Um das Ziel der Steuerbarkeit eines
Fahrzeuges zu erreichen, bestehen die Aufgaben der vorliegenden
Erfindung darin, die Entwicklung einer beliebigen seitlichen Instabilität (wie Übersteuern
oder ein zu hohes Verhältnis
des Radschlupfes in Umfangsrichtung) zu überwachen und Nutzbremsung
zu reduzieren, um eine mäßigere Bremskraftverteilung
zu erzielen. Das Verhältnis
des Radschlupfes in Umfangsrichtung wird durch Messen der Drehzahl
der Vorderräder
und der Drehzahl der Hinterräder
mittels der Raddrehzahlsensoren
70 bestimmt. Eine Formel
für das
Verhältnis
des Radschlupfes in Umfangsrichtung ist:
Als ein erster Näherungswert
der Fahrzeuggeschwindigkeit kann die Raddrehzahl der Vorderräder für ein Fahrzeug
mit Hinterradantrieb und die Radrehzahl der Hinterräder für ein Fahrzeug
mit Frontantrieb verwendet werden. Wenn mit den Hinterradbremsen
gebremst wird, erfolgt die Verzögerung
des Fahrzeuges von den Hinterrädern
aus. Zum Beispiel bedeutet ein Verhältnis des Radschlupfes in Umfangsrichtung
von zehn Prozent (10%), dass die Hinterräder zehn Prozent (10%) langsamer
als das Fahrzeug laufen. Wenn sich das Verhältnis des Radschlupfes in Umfangsrichtung
für die
Hinterräder
erhöht,
nimmt die seitliche Stabilität
ab.
-
Die vorliegende Erfindung nutzt Steueralgorithmen
mit Rückkopplung
zum Überwachen
und dynamischen Modifizieren des entsprechenden vorderen und hinteren
Bremsmomentes, um Bremsen auf der Basis einer Fahreranforderung
einzuleiten, anfänglich
eine Nutzbremsung mehr zu favorisieren, als die normale Bremskraftverteilung
anzeigen würde,
während
die Steuerbarkeit des Fahrzeuges überwacht und aufrechterhalten
wird. Für
ein Fahrzeug mit Hinterradantrieb kann das Übersteuern und für ein Fahrzeug
mit Frontantrieb das Untersteuern verringert werden.
-
2 veranschaulicht
eine mögliche
Ausführung
der vorliegenden Erfindung durch das Blockbild eines Nutzbremsreglers,
die die Merkmale der vorliegenden Erfindung nutzt. Wie es oben angegeben
ist, kann dieser Regler in dem VSC 46 oder einem getrennten
Regler, wie der EHBU 56, aufgenommen sein. Dieser Regler
kann generell einen einfachen PID-Regler mit Rückführung enthalten. Die in 2 veranschaulichte Strategie
kann verwendet werden für
ein Fahrzeug mit Zweiradantrieb, Hinterradantrieb mit Nutzbremsung,
die auf die Hinterräder
oder vorwiegend die Hinterräder
aufgebracht wird, um Situationen der Übersteuerung zu verringern.
Es wird angegeben, dass eine Fahrzeugausführung mit Vorderradantrieb
die vorliegende Erfindung ebenfalls nutzen kann, um Untersteuern
zu reduzieren. Zur Bestimmung und Verminderung von Problemen der
Steuerbarkeit des Fahrzeuges, wie das Übersteuern und Untersteuern,
kann die Strategie Verhältnisse
des Radschlupfes in Umfangsrichtung, den Reifenschlupfwinkel und
die Größe des Gierwinkels
einzeln oder in einer beliebigen Kombination ständig überwachen. Zum Zweck der Darstellung
nutzt die in 2 dargestellte Strategie
alle drei Verfahren, um das Übersteuern
und Untersteuern eines Fahrzeuges zu überwachen. Die Strategie von 2 kann außerdem ständig das
Verhältnis
von Nutzbremsung und nicht-regenerativem Bremsen einstellen, um
die Energierückgewinnung
zu optimieren, während
die aktuelle Steuerbarkeit des Fahrzeuges innerhalb von vorbestimmten
Zielwerten der Steuerbarkeit beibehalten wird.
-
In 2 beginnt
die Strategie jeweils mit einem Ereignis „Schlüssel ein" (SE) und endet jeweils mit einem Ereignis „Schlüssel aus" (SA). Die einmal
beim Schritt 90 eingeleitete Strategie kann mehrere Fahrzeug-Eingangssignale von
den Raddrehzahlsensoren 70, den Sensoren 72 der
Stellung der lenkbaren Räder und
dem Sensor 62 der Bremsenstellung überwachen.
-
Nach dem Schritt 90 schreitet
die Strategie weiter zum Schritt 92 und bestimmt, ob die
Bedienperson des Fahrzeuges einen Lenkwinkel angefordert hat, der
von der Totpunktstellung abweicht (Kurve). Mit anderen Worten, die
Strategie bestimmt den Grad der Abweichung des Lenkwinkels durch
das Fahrzeug nach links oder rechts von einer Fahrtrichtung geradeaus
nach vorn. Falls „Nein" (No) im Schritt 92 schreitet
die Strategie zum Schritt 88 weiter und stellt den angestrebten
Reifenschlupfwinkel und die Größe des Gierwinkels
auf „0" ein und schreitet
anschließend
weiter zum Schritt 96. Falls „Ja" (Yes) im Schritt 92 schreitet
die Strategie weiter zum Schritt 94. Beim Schritt 94 berechnet
die Strategie einen angestrebten Reifenschlupfwinkel und eine angestrebte
Größe des Gierwinkels
(Kurvenverhältnis)
und schreitet weiter zum Schritt 96.
-
Beim Schritt 96 bestimmt
die Strategie, ob eine Bremskraft angewiesen worden ist. Die Anweisung
einer Bremskraft kann von der Bedienperson des Fahrzeuges oder von
dem VSC 46 kommen. Eine Bremskraft kann von der Bedienperson
des Fahrzeuges angefordert werden, wobei die auf die Fahrzeugräder aufzubringende
Bremskraft mittels eines Eingangssignals vom Bremsenpositionssensor 62 festgestellt
wird und das Fahrzeug die Bremskraft im Verhältnis zur Stellung des Bremspositionssensors 62 aufbringt.
Eine Bremskraft kann außerdem
durch den VSC 46 angefordert werden, um das Motorbremsen
beim Fahren im Leerlauf eines normalen Fahrzeuges nur mit Verbrennungsmotor
zu simulieren. Bei Feststellung „Nein" (No) rückt die Strategie zum Schritt 90 zurück. Bei „Ja" (Yes) schreitet
die Strategie weiter zum Schritt 98.
-
Beim Schritt 98 weist die
Strategie ein Bremsmoment an, indem die verfügbare Nutzbremsung in dem Ausmaß genutzt
wird, das möglich
ist. Zur vorliegenden Darstellung würde eine Nutzbremsung an den
Antriebsrädern 42 der
Hinterachse angewandt werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel
mit der Ausführung
eines Vorderradantriebes würde
die Strategie Nutzbremsung auf die Vorderräder anwenden. Als nächstes schreitet
die Strategie weiter zum Schritt 100, um die Raddrehzahl
für die
Antriebsräder 42 auf
der Hinterachse 66 und die nicht angetriebenen, lenkbaren
Räder 64 auf
der Vorderachse 68, die seitliche Beschleunigung und die
Größe des Gierwinkels
zu bestimmen. Diese Bestimmungen können mittels verschiedener
Fahrzeug-Eingangssignale erreicht werden wie die, die von den Raddrehzahlsensoren 70 und
den Trägheitssensoren 74 eines
an sich bekannten Typs erhalten werden. Die Strategie schreitet
anschließend
weiter zum Schritt 102.
-
Beim Schritt 102 berechnet
die Strategie aus der Differenz von Raddrehzahlen und der Fahrzeuggeschwindigkeit
(wie oben beschrieben) ein Verhältnis
des Radschlupfes in Umfangsrichtung und schreitet anschließend weiter
zum Schritt 104, um Bestimmungen vorzunehmen, ob die Anzeigeeinrichtungen
zur Steuerbarkeit des Fahrzeuges innerhalb vorgegebener Ansprechwerte
liegen.
-
Beim Schritt 104 prüft die Strategie,
ob das berechnete Verhältnis
des Radschlupfes in Umfangsrichtung von Schritt 102 einen
vorgegebenen Wert des Verhältnisses
des Radschlupfes in Umfangsrichtung überschreitet. Für diese
Darstellung wird ein Verhältnis
des Radschlupfes in Umfangsrichtung von zehn Prozent (10%) genutzt,
wobei ein bevorzugtes Verhältnis
des Radschlupfes in Umfangsrichtung fünf Prozent (5%) beträgt. Das
vorgegebene Verhältnis
des Radschlupfes in Umfangsrichtung kann auch eine dynamische Variable sein,
die von den Betriebszuständen
des Fahrzeuges abhängig
ist.
-
Bei Prüfergebnis „Ja" (Yes) im Schritt 104 schreitet
die Strategie weiter zum Schritt 106 und weist eine Anwendung
der nicht-regenerativen Bremsen 58 auf die Räder der
Vorderachse 58 und eine verhältnismäßige Reduzierung von Nutzbremsung
auf die Räder
der Hinterachse 66 an, um das Bremsmoment auszugleichen, bis
sich das Fahrzeug innerhalb vorgegebener Ansprechwerte für die Steuerbarkeit
befindet. Die gesamte Bremskraft bleibt die gleiche oder befindet
sich in Übereinstimmung
mit der angewiesenen Bremskraft. Nur das Verhältnis der Nutzbremsung ist
reduziert. Bei Ergebnis „Nein" (No) im Schritt 104 schreitet
die Strategie weiter zum Schritt 108.
-
Beim Schritt 108 prüft die Strategie,
ob der aktuelle Reifenschlupfwinkel den beabsichtigten Reifenschlupfwinkel überschreitet.
Bei Ergebnis „Ja" (Yes) schreitet
die Strategie weiter zum Schritt 106, bei „Nein" (No) schreitet die
Strategie weiter zum Schritt 110.
-
Beim Schritt 110 prüft die Strategie,
ob die aktuelle Größe des Gierwinkels
die angestrebte Größe des Gierwinkels überschreitet.
Bei „Ja" (Yes) schreitet
die Strategie weiter zum Schritt 106, bei „Nein" (No) kehrt sie zum
Schritt 90 zurück.
-
Wie es in der in 2 dargestellten Strategie beschrieben
ist, müssen
spezielle Berechnungen entwickelt werden, um angestrebte und aktuelle
Werte für
Verhältnisse
des Radschlupfes in Umfangsrichtung, den Reifenschlupfwinkel oder
Größen des
Gierwinkels zur praktischen Ausführung
der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Für eine erste Berechnung kann
die oben dargestellte Formel für
das Verhältnis
des Radschlupfes in Umfangsrichtung verwendet werden.
-
Für
eine zweite Berechnung wird der Reifenschlupfwinkel in Faktoren
zerlegt, um einen modifizierten Reifenschlupfwinkel zu bestimmen.
Der modifizierte Reifenschlupfwinkel kann auch genutzt werden, um
eine akzeptable Steuerbarkeit des Fahrzeuges zu bestimmen, indem
ein Winkel α,
der Reifenschlupfwinkel und sein Änderungsverhältnis abgeschätzt wird,
ein Zielwert von α aus
der Bestimmung des Reifenschlupfwinkels bestimmt wird und ein geschlossener
Regelkreis genutzt wird, um die Höhe von Nutzbremsung auf die
erforderliche Größe zu reduzieren.
-
Der Winkel α und seine zeitliche Ableitung α_dot kann
durch bekannte Berechnungsverfahren mittels Trägheitssensoren 74 abgeschätzt werden.
Um auf den Reifenschlupfwinkel zu schließen, können auch andere, an sich bekannte
Verfahren wie GPS-Sensoren (nicht gezeigt,), optische Sensoren (nicht
gezeigt), Radar (nicht gezeigt) und andere ähnliche Technologien genutzt
werden. Wenn das Nutzbremsmoment auf die Räder der Hinterachse 66 (oder
in erster Linie auf die Hinterräder)
aufzubringen wäre
und es deshalb das Übersteuern
beträfe,
dann würde
der Winkel α und
seine Ableitung für
die Räder
der Hinterachse 66 abgeschätzt werden. Wenn das Nutzbremsmoment
auf die Räder
der Vorderachse 68 (oder in erster Linie auf die Vorderräder) aufzubringen
wäre und
es deshalb das Untersteuern beträfe,
dann würde α und seine
Ableitung für
die Räder der
Vorderachse 68 abgeschätzt
werden. Da die Räder
der Vorderachse 68 lenkbar sind, ist anzumerken, dass die
Berechnung des Schätzwertes
von α auch
die Stellung des lenkbaren Rades einschließen würde. Dies würde auch für die Räder der Hinterachse 66 zutreffen,
wenn sie gelenkt wären.
-
Die seitliche Beschleunigung AY des Fahrzeuges kann an einer Stelle gemessen
oder abgeschätzt werden,
die der Stelle von α entspricht.
Der Zielwert für α, α_ziel, wird
im Verhältnis
zu dem absoluten Wert von AY nach der folgenden
Gleichung berechnet:
A ziel = CC·abs (AY )
+ α versetzt,
wobei CC die Kurvennachgiebigkeit der Reifen an der Stelle des Schätzwertes
von α ist
und α versetzt
eine Konstante darstellt, die den Schätzfehler für α kompensiert.
-
Die Gleichung ergibt einen Wert für α_ziel, der
immer positiv ist. In der obigen Gleichung könnte der gemessene Wert von
AY durch einen in einer etwas anderen Art
und Weise bestimmten Wert ersetzt werden, der die Grenze der seitlichen
Beschleunigung entsprechend der vorhandenen Oberflächenreibung
darstellte.
-
Der geschlossene Regelkreis des Reifenschlupfwinkels α kann mittels
Nutzbremsmoment T_regen wie folgt realisiert werden:
wobei kp und kd kalibrierbare
Werte sind;
-
Die obigen Gleichungen sind die Realisierung
eines einfachen PID-Reglers mit Rückführung basierend auf der Annahme,
dass T_regen und T_gewünscht
regen immer positive Werte sind. Die Korrektur des Drehmomentes
T_korrektur_r entspricht einem Reifenschlupfwinkel in einer Richtung
(eine Rechtskurve), während
T_korrektur_l der anderen Richtung entspricht. Diese Gleichungen
werden so wirksam sein, dass die Höhe des Nutzbremsmomentes reduziert
wird, wenn der Reifenschlupfwinkel die angestrebte Höhe überschreitet.
-
Für
das dritte Verfahren wird die Größe des Fahrzeuggierwinkels
YR als Anzeige der Steuerbarkeit des Fahrzeuges
genutzt. Eine akzeptable Steuerbarkeit des Fahrzeuges wird aufrechterhalten
durch Messen der Größe des Gierwinkels,
Berechnen eines Zielwinkels und die Verwendung eines geschlossenen
Regelkreises, um die Höhe
der Nutzbremsung bei Bedarf zu reduzieren, um zu gewährleisten,
dass die Größe des Gierwinkels
den Zielwert nicht überschreitet.
-
Die Größe des Fahrzeuggierwinkels
YR wäre
ein Wert mit Vorzeichen. Der Zielwert der Größe des Gierwinkels YR_ziel wäre
ein Wert mit Vorzeichen, der mittels der Verfahren berechnet wird,
die in der Praxis der Regelung von Fahrzeugstabilität gut nachgewiesen
sind. Der geschlossene Regelkreis der Größe des Gierwinkels YR würde
realisiert werden, indem das Nutzbremsmoment mit einem Korrekturterm
T_korrektur wie folgt reduziert wird:
T_korrektur_r = max (kp·(YR–YR_ziel)
+ kd·YR_dot
+ ki·YR_int,
0);
T korrektur_l = max (–kp·(YR–YR_ziel)–kd·YR_dot
+ ki·YR_int, 0);
T_korrektur = max (T_korrektur
r, T-korrektur_l); und
T-regen = T_gewünscht_regen–T_korrektur,
wobei kp,
kd und ki kalibrierbare Werte sind, YR_dot
die Ableitung von YR oder (YR–YR_ziel) und YR_int
das Integral von (YR–YR_ziel)
ist.
-
Die obigen Gleichungen sind die Realisierung
eines einfachen PID-Reglers mit Rückführung.
-
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind nur für
beispielhafte Zwecke vorgesehen. Es können viele andere Änderungen,
Modifizierungen und Anwendungen der Erfindung vorgenommen werden. Änderungen
könnten
die Anwendung der Erfindung auf Fahrzeuge mit Frontantrieb, Hinterradantrieb und
Allradantrieb einschließen,
sind aber nicht darauf beschränkt.
Zusätzliche Änderungen
könnten
die Anwendung der Erfindung auf Fahrzeuge mit Vorderradlenkung,
Fahrzeuge mit Hinterradlenkung und Fahrzeuge mit Allradlenkung einbeziehen,
wobei sie aber nicht darauf beschränkt sind.
