DE19742988C1 - Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Neue Anforderungen an die Bremssysteme von Kraftfahrzeugen - wie Antiblockiersysteme, Fahrstabilitätssysteme, Antriebs­ schlupfsysteme oder Traktionskontrollen, sogenannte intelli­ gente Tempomaten, Bremsassistenten usw. - haben zusammen mit der Forderung nach einer Verringerung der Montage- und War­ tungskosten, die bei den derzeitigen hydraulischen Bremssy­ stemen recht erheblich sind, zu der Entwicklung neuer, rein elektrischer Bremssysteme (auch unter der Bezeichnung Brake-by-wire bekannt) geführt, wie sie zum Beispiel in der gat­ tungsbildenden Druckschrift DE 196 15 186 C1 beschrieben sind.

Bei einem solchen elektrischen Bremssystem ist der Fahrer kraftmäßig von der Bremse abgetrennt, das heißt die von dem Fahrer ausgehende Bremsmomentanforderung wird nicht mehr di­ rekt als Kraft über ein hydraulisches System übertragen, son­ dern nur noch als Signal über eine elektrische Leitung. Mit diesem Signal wird ein elektrischer Bremsaktuator oder -aktor gesteuert, der mit Hilfe einer elektrischen Energieversorgung eine Kraft an einer Bremse erzeugt, welche über ein Reibele­ ment das gewünschte Bremsmoment erzeugt. Im Falle einer Scheibenbremse wird die das Bremsmoment über Reibung erzeu­ gende Kraft als Zuspannkraft bezeichnet.

Der Bremsaktor (oder Bremskraftstellglied) ist direkt an dem jeweiligen Rad des Kraftfahrzeugs angebracht, so daß dessen Zuspannkraft zweckmäßigerweise nicht über weite Strecken im Fahrzeug übertragen wird, während die Einrichtungen zum Er­ fassen der Bremsmomentanforderung durch den Fahrer und die Bremssteuerung an zentraler Stelle, zum Beispiel in der Nähe des Bremspedals, angeordnet sind. Das Bremssystem ist somit über das gesamte Kraftfahrzeug verteilt.

Das Ermitteln der Fahrer-Bremsmomentenanforderung und die Sy­ stemsteuerung sind als zentrale Elemente von hoher Bedeutung für die Sicherheit der Bremsanlage. Das Bremspedal mit den Sensoren stellt die einzige Quelle zum Erfassen des Bremswun­ sches des Fahrers dar. Daraus wird die Fahrer-Bremsanforder­ ung berechnet, indem die Sensorwerte, um deren Gültigkeit festzustellen, miteinander verglichen werden und indem mit Hilfe von vorgegebenen Regeln und Kennlinien ein Bremssoll­ wert zum Steuern der Bremsaktoren errechnet wird.

ABS-Steuergeräte in hydraulischen Bremssystemen erfüllen die Aufgabe einer Bremsenzentralsteuerung, die die vom Fahrer kommenden Bremsanforderungen verändern kann (ABS, TCS-Funk­ tion usw.). Eine derartige Änderung muß hohen Sicherheitsan­ forderungen genügen, da sie den Gebrauch der Bremse direkt beeinflussen kann. Deshalb sind ABS-Steuergeräte in der Regel mit zwei Mikrorechnern ausgestattet, die sich gegenseitig überprüfen (US 4 745 542). Da diese Steuergeräte ausschließ­ lich zusätzliche Funktionen des Bremssystems ausführen, die nicht für die Grundbremsung durch den Fahrer erforderlich sind, hat dieses Steuergerät einen sicheren Zustand, d. h. es kann bei Auftreten eines relevanten Fehlers in diesen siche­ ren Zustand, nämlich den "AUS"-Zustand, überführt werden. Da­ zu muß nur bekannt sein, daß ein solcher Fehler vorliegt, über die Art des Fehlers ist keine Information nötig.

Ein bekanntes elektrisch regelbares Bremssystem weist dezen­ tral angeordnete Prozessoren für jeden Bremsaktor auf, wobei alle Prozessoren dreifach redundante Bremspedalsignale emp­ fangen (DE 195 21 175 C1). Das Bremssystem weist zwei Brems­ kreise auf, wobei Zusatzfunktionen, wie zum Beispiel ABS, nur in dem Hinterradbremskreis realisiert sind. Die Hinterrad-Prozessoren überwachen sich gegenseitig und schalten sich im Fehlerfall ab.

Eine Mikroprozessoranordnung für ein Fahrzeug-Regelungssystem ist mit drei Mikroprozessoren versehen (DE 44 39 060 A1). Ein erster und ein zweiter Mikroprozessor steuern und überwachen gemeinsam eine ABS- und eine ASR-Funktion, ein dritter und der zweite Mikroprozessor steuern und überwachen gemeinsam eine weitere rechenaufwendige Regelfunktion, wie zum Beispiel eine Giermomentenregelung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegen einen Ausfall besonders sichere elektrische Bremsanlage zu schaf­ fen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Bremsanlage nach Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß die vorhandenen Ressourcen der Zentralsteuerung (für ABS usw.) für diese Aufgabe mitbenutzt werden können und so der Bautei­ laufwand für die Berechnung Fahrer-Bremsanforderungs erheb­ lich reduziert wird. Dadurch wird nicht nur eine wirtschaft­ liche Lösung erreicht, sondern auch eine - wegen der geringe­ ren Anzahl an benötigten Bauteilen - sicherere Lösung. Die hohen Sicherheitsanforderungen bei der Fahrerwunschermittlung erstrecken sich dabei nicht auf die Zusatzfunktionen (für ABS usw.), die nach wie vor einen sicheren Zustand ("AUS") auf­ weisen und für die deshalb ein zweikanaliger Aufbau genügt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit einer Bremsanlage gemäß der Erfindung, in schematischer Darstellung, und

Fig. 2 eine Zentralsteuerung der Bremsanlage nach Fig. 1 samt einer Pedaleinheit.

Ein Kraftfahrzeug, das in Fig. 1 nur schematisch dargestellt ist, ist mit einer Bremsanlage 1 versehen, die an jedem sei­ ner vier Räder 2 eine (hier nicht dargestellte) Bremse ein­ schließt, die von jeweils einem elektrisch gesteuerten Bremsaktor (auch: Bremsaktuator) oder Stellglied 4 betätigt wird. Die Bremsen werden von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs betätigt, indem er über ein Bremspedal 5, das mit einer Pe­ daleinheit 6 verbunden ist, eine Bremsmomentanforderung ab­ gibt. Die Pedaleinheit 6 wirkt als Pedalkraftsimulator, sie ist mit einer Feder 7 und mit mehreren Sensoren, zum Beispiel zwei Kraftsensoren und mindestens einem Wegsensor (siehe Fig. 2) versehen, die die Betätigung des Bremspedals 5 durch den Fahrer erfassen und in elektrische Signale umsetzen. Die­ se Sensoren sind zusammengefaßt durch einen Block 8 "Fahrer­ wunschermittlung" dargestellt.

Der Block 8 ist mit einer Zentralsteuerung 10 verbunden, und diese ist ihrerseits durch einen ersten Datenübertragungska­ nal oder Datenbus 12 und einen zweiten Datenübertragungskanal oder Datenbus 13 mit den Bremsaktoren (oder -aktuatoren) 4 verbunden.

Die Bremsanlage 1 gewährleistet in jedem Fall die Übermitt­ lung des Fahrerwunsches an die Stellglieder 4. Ein Ausfall der Bremsanlage ist nicht zulässig, da dann keine Abbremsung des Fahrzeuges mehr möglich wäre. Außer dem Ausfall der Bremswirkung ist auch eine unerwünschte Bremsung eine gefähr­ liche Fehlerart. Auch diese muß in jedem Fall vermieden wer­ den. Eine dreikanalige Struktur der Bremsanlage bietet die höchste Sicherheit, da ein Fehler hier nicht nur festgestellt wird, sondern der richtige Wert auch erkannt wird. Nach einem relevanten Fehler ist noch eine weitgehendste Verfügbarkeit der Bremsanlage gewährleistet. Darüber hinaus soll diese Ver­ fügbarkeit möglichst lange gewährleistet sein, d. h. nach ei­ nem weiteren Fehler muß zumindest noch eine Notbremsung mög­ lich sein. Ein davon betroffenes Fahrzeug muß deshalb nicht sofort stillgelegt werden, sondern kann noch einige Zeit bis zu einer Wartung betrieben werden. Dazu müssen Fehler sicher erkannt werden und ein Ersatzkanal muß zur Verfügung stehen.

Aus Fig. 2 ist der Aufbau einer Zentralsteuerung 10 ersicht­ lich. Der sich in dem Niederdrücken des Bremspedals 5 manife­ stierende Fahrerwunsch wird an dem Bremspedal 5 mit minde­ stens drei Sensoren - zum Beispiel einem Kraftsensor 15 und zwei Wegsensoren 16, 17 - gemessen, die die Pedalkraft und den Pedalweg erfassen. Die von diesen Sensoren erfaßten Werte werden als Sensorsignale an mindestens drei Recheneinheiten (oder CPUs) 18, 19 und 20 übermittelt. Alle drei Rechenein­ heiten 18 bis 20 berechnen aus den Sensorsignalen nach den gleichen Regeln und abgespeicherten Kennlinien die Bremsan­ forderung des Fahrers.

Die berechneten Werte werden in den drei Recheneinheiten mit­ einander verglichen. Sind sie innerhalb vorgegebener enger Toleranzen untereinander gleich, so stellen sie das von dem Fahrer angeforderte Bremsmoment, das zum Beispiel einer Bremszangenzuspannkraft entspricht, dar.

Die Recheneinheit 18 berechnet außerdem aus weiteren Sensor­ signalen, die sie über einen Kraftfahrzeugbus 22 und eine Busschnittstelle 23, oder von direkt angeschlossene Sensoren 28, oder über den Datenübertragungskanal 12 empfängt, zusätz­ liche elektronische Bremsanforderungen oder Bremssteuersi­ gnale für zum Beispiel folgende Funktionen: ABS, Traktions­ kontrolle (TCS), Fahrstabilitätsregelung (VSC = Vehicle Sta­ bility Control), Panikbremse (PBA) usw. Die zusätzlichen Bremssteuersignale verändern gegebenenfalls das von dem Fah­ rer angeforderte Bremsmoment (bei ABS reduzieren sie es) oder ersetzen es (bei der Funktion TCS erzeugen sie ein von dem Fahrerwunsch unabhängiges Bremsmoment). Die empfangenen Sen­ sorsignale geben in erster Linie die Raddrehzahlen und gege­ benenfalls andere Meßwerte, wie zum Beispiel den Lenkwinkel, die Querbeschleunigung, die Giergeschwindigkeit usw., wieder.

Die in der Zentralsteuerung 10 in Form von Stellsignalen er­ zeugten Bremsmomente werden im Falle des normalen, ungestör­ ten Bremsbetriebs über einen Bustreiber 24 und den ersten Da­ tenübertragungskanal 12 an die Bremsaktoren 4 übertragen. Der unveränderte Fahrerwunsch wird über den Datenübertragungska­ nal 13 an die Bremsaktoren 4 übertragen. Der erste Datenüber­ tragungskanal 12 wird dabei im Normalfall von der ersten Re­ cheneinheit 18 bedient, das heißt mit Steuersignalen ver­ sorgt, er kann aber auch von der zweiten Recheneinheit 19 be­ dient werden. Die auf dem Datenübertragungskanal 12 ankommen­ den Daten werden durch die zweite Recheneinheit 19 ausgele­ sen. Der zweite Übertragungskanal 13 wird von der dritten Re­ cheneinheit 20 bedient, der auf ihm übertragene Inhalt wird durch die Recheneinheiten 18 und 19 ausgelesen.

Zwischen allen drei Recheneinheiten können über Datenleitun­ gen 25 und 26 Funktionsnachrichten ausgetauscht werden, die es ermöglichen, eine als fehlerhaft erkannte Recheneinheit durch die beiden anderen Recheneinheiten abzuschalten. Über eine weitere Datenleitung 27 werden zwischen den Rechenein­ heiten 18 und 19 Daten ausgetauscht, die es ermöglichen, die in der ersten Recheneinheit 18 berechneten elektronischen Bremsmomentanforderungen und außerdem den Zustand der Rechen­ einheit 18 durch die zweite Recheneinheit 19 zu überwachen.

Die Zentralsteuerung 8 ist somit in der Lage, eine dreifach redundante Bestimmung der Fahrer-Bremsanforderungen, eine doppeltredundante Berechnung der elektronischen Zusatzbrems­ anforderungen und eine Übertragung über zwei voneinander völlig unabhängige Datenübertragungskanäle durchzuführen. Über den Datenübertragungskanal 12 erfolgt eine sichere bidi­ rektionale Übertragung, die zum Beispiel als CAN-Datenbus mit gesichertem Protokoll ausgebildet ist. Über den Datenübertra­ gungskanal 13 erfolgt zumindest eine störsichere unidirektio­ nale Datenübertragung, zum Beispiel in Form von PWM(pulswei­ ten)-modulierten Signalen.

Eine Ermittlung der elektronisch bestimmten zusätzlichen Bremsmomente hingegen muß nicht immer gewährleistet sein, die Funktionen können beim Auftreten eines Fehlers in einen si­ cheren Zustand gebracht werden. In diesem Zustand sind diese Funktionen ausgeschaltet. Es muß also nur das Auftreten eines Fehlers zuverlässig festgestellt werden, um als Reaktion dar­ auf in den sicheren Zustand überzugehen. Dazu ist ein zweika­ naliger Aufbau der Bremsanlage, insbesondere der Zentral­ steuerung 10, ausreichend. Die unter dem Bezugszeichen 28 zu­ sammengefaßten Sensoren erfassen Meßgrößen, die mit der Fahr­ dynamik des Kraftfahrzeugs zusammenhängen, wie die Raddreh­ zahlen, Fahrzeuggeschwindigkeit, Giergeschwindigkeit usw.

Die Arbeitsweise der Zentralsteuerung 10 wird nachfolgend an­ hand eines Funktionsablaufs bei Störungen (mit Fehlererken­ nung und -reaktion) geschildert. Da eine vollständige Be­ trachtung aller denkbaren Fehler zu umfangreich wäre, werden hier nur Gesamtfehler von Untereinheiten dargestellt, die als Ergebnis von Einzelfehlern entstehen.

• - Die Recheneinheit 18 (im folgenden als CPU 1 bezeichnet, siehe auch Fig. 2) fällt aus: die CPU 2 (Recheneinheit 19) erkennt den Ausfall mit Hilfe der Prozeßüberwachung; die elektronischen oder Zusatzbremsfunktionen werden abgeschal­ tet, die CPU 2 übernimmt die Übertragung des Fahrerwunsches auf dem Datenübertragungskanal 12.
• - Die CPU 1 erzeugt eine fehlerhafte elektronische Bremsan­ forderungen: die CPU 2 erkennt den Unterschied an Hand ei­ gener Berechnungen; die Zusatzbremsfunktionen werden abge­ schaltet, es wird nur der Fahrerwunsch auf dem Datenüber­ tragungskanal 12 gesendet (ein fehlerhafte Berechnung in der CPU 2 wirkt sich gleich aus).
• - Die CPU 2 fällt aus: die CPU 1 erkennt den Ausfall an fehlendem Datenaustausch: die Zusatzbremsfunktionen werden abgeschaltet.
• - Die CPU 2 berechnet die Zusatzbremsfunktionen fehlerhaft: die CPU 1 erkennt den Unterschied an Hand eigener Berech­ nungen; die Zusatzbremsfunktionen werden abgeschaltet, es wird nur der Fahrerwunsch auf dem Datenübertragungskanal 13 gesendet (eine fehlerhafte Berechnung in der CPU 1 wirkt sich gleich aus).
• - Die CPU 1 berechnet eine falsche Fahrer-Bremsanforderung aus den eingehenden Sensorsignalen; dies wird aus einem Vergleich mit dem Ergebnis der CPU 2 (durch Datenaustausch) und der CPU 3 (am Eingang des Datenübertragungskanals 13) erkannt: die CPU 1 wird abgeschaltet (per Funktionskontrol­ le durch die CPU 2), die Zusatzbremsfunktionen werden stillgelegt, die CPU 2 sendet den Fahrerwunsch über den Da­ tenübertragungskanal 12 aus.
• - Die CPU 2 berechnet eine falsche Fahrer-Bremsanforderung aus den eingehenden Sensorsignalen; dies wird aus einem Vergleich mit dem Ergebnis der CPU 1 (durch Datenaustausch) und der CPU 3 (am Eingang des Datenübertragungskanals 13) erkannt: die CPU 2 wird abgeschaltet (per Funktionskon­ trolle durch die CPU 1), die Zusatzbremsfunktionen werden stillgelegt, die CPU 1 sendet den Fahrerwunsch über den Da­ tenübertragungskanal 12 aus.

Hieraus wird ersichtlich, daß durch die Bremsanlage alle mög­ lichen Fehler erkannt und erforderlichenfalls adäquate Reak­ tionen eingeleitet werden können, die einen gefährlichen Feh­ ler im Bremssystem (Ausfall, unerwünschte Bremsung) vermei­ den. Die erfindungsgemäße Bremsanlage erfüllt bezüglich der Fahrerwunschermittlung die Aufgabe eines redundanten Aufbaus mit einer Zwei-aus-drei-Charakteristik gemäß der DIN-Norm V VDE 0801 (Kap. B. 1.3.2, Seite 73), und bezüglich der Er­ mittlung von elektronischen Bremsanforderungen die Aufgabe eines zweikanaligen Aufbaus mit sicherem Zustand ("AUS").

Um zu klären, wie hoch die Verfügbarkeit einer solchen Brem­ sanlage nach Auftreten eines ersten Fehlers ist, d. h. wie lange eine Bremsanlage also noch mit vertretbarem Risiko be­ trieben werden kann, muß die Gefährdung durch einen zweiten Fehler betrachtet werden. Ein solcher darf nicht zu einer er­ heblichen unerwünschten Bremsanforderung führen und nicht zu einem Zustand, in dem keine Notbremsung mehr möglich ist. Hierzu muß nur die Erfassung und die Weiterleitung des Fah­ rerwunsches an die Datenübertragungskanäle und an die Stell­ glieder betrachtet werden. Aufgrund der nach einem Fehler verbleibenden zweikanaligen Struktur ist das Auftreten eines weiteren Fehlers einfach zu erkennen. Das Problem liegt in der Identifizierung des ungestörten Wertes. Hierzu sind feh­ lererkennende Maßnahmen nötig, die zum Beispiel nach den Vor­ schriften der DIN V VDE 0801 (Kapitel B.1.1.2, S. 68; Kapitel B.2.1.1.3, S. 79-80) durchgeführt werden können. Nach Auftre­ ten eines Fehlers wird von einem Zwei-aus-drei-Entscheid­ ungsverfahren zu einem Eins-aus-drei-Entscheidungsverfahren umgeschaltet.

Bei einem Ausfall oder einem Fehler einer weiteren CPU erge­ ben Kontrollberechnungen und Vergleiche der Ergebnisse der verbleibenden Recheneinheiten eine Aussage darüber, welche CPU fehlerhafte Werte berechnet (bei der Fahrerwunschermitt­ lung handelt es sich um vergleichsweise einfache Berechnun­ gen). Bei Fällen die hier keine Entscheidung zulassen, wird entweder über eine zusätzliche Steuereingabe des Fahrers (z. B. durch Betätigen der Handbremse) oder selbständig eine Notbremsung eingeleitet. Ein solcher Fall ist allerdings bei der beschriebenen Struktur hinreichend unwahrscheinlich, um einen Betrieb für einen begrenzten Zeitraum noch zuzulassen.

Das bedeutet, das weitere Verhalten der Bremssteuerung hängt von der Art des ersten Fehlers ab. Bei einigen Fehlern ist eine weitere Verfügbarkeit nur schwer zu gewährleisten. Das Ziel, diese Fälle so gering und unwahrscheinlich wie möglich zu halten, wird durch die erfindungsgemäßen Bremsanlage auf wirtschaftliche Art und Weise erfüllt. Zusätzlich begrenzt die geringe Anzahl der benötigten Komponenten die Fehlerwahr­ scheinlichkeit.

Claims (7)

1. Bremsanlage (1) für ein Kraftfahrzeug, die aufweist:

• - eine Pedaleinheit (6), durch die Betätigungen des Bremspe­ dals (5) des Kraftfahrzeugs mit mehreren Sensoren (15, 16, 17) als Fahrer-Bremsanforderung erfaßt werden,
• - mindestens ein die Sensorsignale auswertendes und Sollwerte für die Bremsbetätigungskraft erzeugendes elektronisches Steuergerät,
• - den Rädern (2) des Kraftfahrzeugs zugeordnete, elektrisch betätigte Bremsaktoren (4),
• - mindestens einen die Pedaleinheit (6), die Bremsaktoren (4) und das Steuergerät miteinander verbindenden Übertragungs­ kanal (12), dadurch gekennzeichnet,
• - daß das Steuergerät als Zentralsteuerung (10) ausgebildet ist und drei Recheneinheiten (18, 19, 20) enthält, durch die aus den Sensorsignalen nach gleichartigen Regeln die Sollwerte für die Bremsbetätigungskraft berechnet werden;
• - daß in den Recheneinheiten (18, 19, 20) die berechneten Sollwerte miteinander verglichen werden und der Wert von mindestens zwei übereinstimmenden Sollwerten als Rad-Brems­ anforderung ausgegeben wird;
• - daß in zwei der Recheneinheiten (18, 19) anhand weiterer Sensorsignale bei Bedarf Zusatzbremssignale erzeugt und miteinander verglichen werden, und
• - daß bei Übereinstimmung der Zusatzbremssignale mit diesen die Rad-Bremsanforderung korrigiert und als Steuersignal an die Bremsaktoren (4) übermittelt wird.

2. Bremsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit zwei Übertragungskanälen (12, 13) versehen ist, von denen jeder an jeweils zwei Recheneinheiten (18-20) ange­ schlossen ist.

3. Bremsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pedaleinheit (6) mindestens drei Sensoren (15, 16, 17) aufweist, mit denen die Fahrer-Brems­ anforderung nach zwei unterschiedlichen Meßprinzipien erfaßt wird.

4. Bremsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Recheneinheiten (18-20) eine Schnittstelle (23) zu einem Kraftfahrzeug-Daten­ bus (22) aufweist, über den sie Daten mit anderen Steu­ ergeräten austauscht.

5. Bremsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Übertragungskanal (12) als bidi­ rektionaler Datenbus und der zweite Übertragungskanal (13) als eine mit den Bremsaktoren (4) verbundene unidirektionale Leitung mit pulsweitenmodulierter Signalübertragung ausgebil­ det ist.

6. Bremsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß über den ersten Übertragungskanal (12) das korrigierte Steu­ ersignal an die Bremsaktoren (4) zusammen mit einer es als korrigiert kenntlich machenden Kennung übertragen wird, und daß über den zweiten Übertragungskanal (13) die unveränderte Rad-Bremsanforderung als Steuersignal übermittelt wird.

7. Bremsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Ausfall einer der drei Rechen­ einheiten (18-20) durch die jeweils beiden anderen Rechenein­ heiten die Steuersignale für die Bremsaktoren (4) erzeugt werden.