DE19941481A1 - Elektrisch gesteuertes, dezentrales Steuersystem in einem Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Es wird ein elektrisch gesteuertes, dezentrales Steuersystem in einem Fahrzeug vorgeschlagen, welches wenigstens zwei voneinander unabhängige Energiequellen und wenigstens zwei Steuereinheiten aufweist. Ferner sind jeder Steuereinheit wenigstens ein Hochstromverbraucher zugeordnet. Der Hochstromverbraucher ist dabei fest einer der Energiequellen zugeordnet, während die Steuereinheiten wahlweise an die eine oder andere Energiequelle schaltbar sind.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein elektrisch gesteuertes, dezentra­ les Steuersystem in einem Fahrzeug, z. B. ein Bremssystem.

Bei derartigen Steuersystemen, die in der Regel nicht mit einem mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen back- up-System ausgestattet sind, welches im Fehlerfall die Funk­ tion des Steuersystems sicherstellt, ist besonderes Augen­ merk auf die Verfügbarkeit auch im Fehlerfall zu legen. Ein Beispiel für ein elektrisch gesteuertes, dezentrales Brems­ system, welches die gestellten Forderungen zufriedenstellend erfüllt, ist aus der DE 196 34 567 A1 (GB 2 316 726 B) be­ kannt. Dieses bekannte Bremssystem für ein Kraftfahrzeug (brake-by-wire) ist dezentral aufgebaut und besteht aus ver­ schiedenen Steuermodulen, wenigstens einem Steuermodul zur Ermittlung des Fahrerbremswunsches und einzelnen Fahrzeugrä­ dern zugeordneten Steuermodulen zur Bremskrafteinstellung. Ferner sind zur Sicherstellung der Energieversorgung zwei voneinander unabhängige Energiequellen bzw. Bordnetze vorge­ sehen. Um auch bei Ausfall eines dieser Energiequellen bzw. Bordnetzen die zumindest teilweise Funktionsfähigkeit des Steuersystems gewährleisten, ist vorgesehen, das zentrale Steuermodul zur Ermittlung des Fahrerwunsches aus beiden Energiequellen zu versorgen, die Steuermodule zur Brems­ krafteinstellung entweder der einen oder anderen Energie­ quelle zuzuordnen, wobei diese Zuordnung derart erfolgt, daß bei Ausfall der einen Energiequelle zumindest ein Teil der Radbremsen betätigbar bleibt. Die Zuordnung der Energiequel­ len zu den einzelnen Elementen ist dabei fest, wobei die Zu­ ordnung der Hochstromverbraucher (z. B. Aktuatoren der Rad­ bremsen) zu den Energiequellen nicht angesprochen ist.

Eine Lösung für die zuletzt genannte Problemstellung ist der DE 195 37 464 A1 zu entnehmen. Auch dort wird ein dezentra­ les Bremssystem vorgeschlagen, bei welchem wenigstens zwei voneinander unabhängige Energiequellen vorgesehen sind. Zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des Bremssystems bei Ausfall einer dieser Energiequellen ist vorgesehen, eine er­ ste Gruppe von Radbremsaktuatoren der ersten Energiequelle und eine zweite Gruppe von Radbremsaktuatoren der zweiten Energiequelle zuzuordnen. Auch hier wird eine feste Verdrah­ tung der Energiequellen zu den zu versorgenden Elementen vorgenommen.

Die aus dem Stand der Technik bekannte feste Verdrahtung zur Energieverteilung schränkt die Flexibilität des Systems ein, insbesondere bei Ausfall einer Energiequelle.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Verteilung der Ener­ gie in einem elektrisch gesteuerten, dezentralen Steuersy­ stem in einem Fahrzeug zu verbessern.

Dies wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprü­ che erreicht.

Vorteile der Erfindung

Es wird eine Trennung zwischen der Energieversorgung der Hochstromverbraucher (Aktuatoren und Leistungsendstufen) und den Steuereinheiten vorgenommen, wobei in vorteilhafter Wei­ se eine Entkopplung der Steuereinheiten von leitungsgebunde­ nen Störungen und Spannungsabfällen auf der Energieleitung, die durch die Leistungselektronik der Hochstromverbraucher verursacht werden, stattfindet.

In vorteilhafter Weise ist eine feste Verdrahtung der Hoch­ stromverbraucher vorgesehen, während die Steuereinheiten und Niedrigstromverbraucher (z. B. Haltebremse) über ein zentra­ les Schaltelement geschaltet werden. Dieses zentrale Schal­ telement ist mit beiden Energiequellen verbunden, so daß in vorteilhafter Weise bei Ausfall einer der Energiequellen ei­ ne Umschaltung der Energieversorgung der Steuereinheiten auf einen anderen Energiekreis ermöglicht ist. Dadurch wird eine Energieredundanz bereitgestellt, die Verfügbarkeit erhöht und die Flexibilität erweitert.

In vorteilhafter Weise bleibt durch die Trennung der Ener­ gieversorgung der Hochstromverbraucher und der Steuereinhei­ ten bzw. der Niedrigstromverbraucher bei Ausfall der Lei­ stungseinheit oder eines angeschlossenen Energiepfades die Steuereinheit voll funktionsfähig. Sie kann daher zur weite­ ren Auswertung von Sensorsignalen benutzt werden, für die Überwachung des Gesamtsystems und/oder für die Ansteuerung oder Energieversorgung von Niedrigstromverbrauchern, bei­ spielsweise einer Haltebremse.

In vorteilhafter Weise wird durch die nachfolgend beschrie­ bene Energieverteilung eine Trennung jedes einzelnen Ele­ ments von der Energieversorgung erlaubt, wenn dieses Element fehlerhafte Zustände aufweist bzw. verursacht.

Bei einem Bremssystem muß eine Haltebremse bei Ausfall einer der Energiekreise weiterhin betätigt werden können. Dies ist bei einem Bremssystem notwendig, um einen zugespannten Ak­ tuator zu lösen.

Besonders vorteilhaft ist, daß eine rechnergesteuerte Ein- und/oder Ausschaltstrategie des Gesamtsystems vorgesehen werden kann, die einfach zu implementieren ist. Dabei wird z. B. ein Nachlauf eingerichtet, um die Durchführung von Funktionen wie Lüftspieleinstellung, Datensicherung, etc. bis zum endgültigen Ausschalten zu erlauben. Beim Einschal­ ten erlaubt ein, die Energieversorgung zuschaltendes zentra­ les Schaltelement, ein zeitsynchrones, kontrolliertes Ein­ schalten der Steuereinheiten.

In vorteilhafter Weise wird diese Energieverteilung nicht nur bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines dezentra­ len Bremssystems, sondern auch bei anderen dezentralen Steu­ ersystemen im Bereich der Fahrzeugtechnik, wie Lenksysteme und Antriebssysteme, beispielsweise mit mehreren Elektromo­ toren oder bei Brennkraftmaschinen mit wenigstens zwei unab­ hängigen Zylinderbänken, etc. eingesetzt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele eines elektrisch gesteuerten dezentralen Bremssystems, an welchen die erfindungsgemäße Energieverteilung in zwei Ausführungsformen dargestellt ist.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Die erfindungsgemäße Energieverteilung eines dezentralen Steuersystems ist nachfolgend anhand eines elektrisch ge­ steuerten, dezentralen Bremssystems dargestellt, insbesonde­ re bei einem Bremssystem mit elektromotorischer Zuspannung der Radbremsen, bei welchen als Bremsaktuatoren Elektromoto­ ren eingesetzt werden. In entsprechender Weise ist, wobei die dargestellten Vorteile erreicht werden, die erfindungs­ gemäße Energieverteilung auch bei anderen dezentralen Steu­ ersystemen, beispielsweise bei Lenksystemen oder Antriebssy­ stemen, bei welchem Hochstromverbraucher als Stellelemente eingesetzt werden (Elektromotoren an mehreren Fahrzeugrädern als Antriebsaggregate, Stellmotoren bei einer Brennkraftma­ schine mit wenigstens zwei unabhängigen Zylinderbänken). Die dargestellte Energieverteilung wird auch bei dezentralen Bremssystemen eingesetzt, bei welchem hydraulische oder pneumatische Aktuatoren eingesetzt werden, die über Ventile betätigt werden, wobei pneumatische oder hydraulische back- up-Systeme vorgesehen sein können. Auch bei dezentralen Hy­ bridsystemen, bei denen beispielsweise an einer ersten Achse Aktuatoren mit elektromotorischer Zuspannung an einer ande­ ren Achse elektrohydraulische Aktuatoren mit oder ohne hy­ draulischen back-up-Kreis eingesetzt werden, ist die darge­ stellte Energieverteilung anzuwenden.

Das Steuersystem, für welches nachfolgend die Energieversor­ gung beschrieben wird, besteht aus mehreren Steuereinheiten mit den dazugehörigen Leistungsendstufen, an denen Hoch­ stromverbraucher angeschlossen sind. Die Steuereinheiten brauchen im allgemeinen kleine Ströme bis zu einigen Ampere, während die an die Leistungsendstufen angeschlossenen Hoch­ stromverbraucher unter Umständen über 100 Ampere Strom benö­ tigen können. Da die Leistungsendstufen und die Steuerein­ heiten nicht in einem Gehäuse untergebracht sein müssen, sondern getrennt werden können, ist Basis der Energieversor­ gung eine Trennung der Energieversorgung für die Hochstrom­ verbraucher und für die Steuereinheiten.

Das in Fig. 1 dargestellte elektromechanische Bremssystem eines Kraftfahrzeugs ist ein typisches Beispiel für ein de­ zentrales Steuersystem. Im dargestellten Beispiel besteht dieses Steuersystem aus vier Steuereinheiten (Radmodule RM1 bis RM4) und diesen zugeordneten vier Leistungsendstufen (LE1 bis LE4), mit denen vier elektrische Aktuatoren zum Zu- und Aufspannen der zugeordneten Radbremse betrieben werden. Jedes Paar aus Radmodul und Leistungsendstufe betätigt dabei eine Radbremse. Die Radmodule und die Leistungsendstufe sind über elektrische Steuer- und Datenleitungen 10 bis 16 mit­ einander verbunden, wobei auch Rückmeldungen aus den Lei­ stungsendstufen zu den Radmodulen über diese Leitungsverbin­ dung übertragen werden. Die elektrischen Aktuatoren, die in Fig. 1 nicht dargestellt sind, sind Hochstromverbraucher und werden über Leistungsschalter (z. B. Vollbrückenendstu­ fen) angesteuert. Um die Aktuatoren bei statischen Brems­ kräften thermisch und das Bordnetz energetisch zu entlasten, sind in jeder Radbremse Haltebremsen (HB1 bis HB4) einge­ baut. Die vom Aktuator ausgeübte Bremskraft wird dann von der Haltebremse aufrechterhalten, ohne daß eine ständige An­ steuerung des Aktuators notwendig ist. Diese Haltebremsen sind so dimensioniert, daß sie nicht zu den Hochstromver­ brauchern zählen, d. h. das sie bereits mit geringeren Strö­ men geschlossen bzw. geöffnet werden. Eine derartige Halte­ bremse ist für jeden Bremsaktuator vorgesehen. Dabei wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel die Haltebremse eines Aktua­ tors aus der den Aktuator steuernden Steuereinheit sowie ei­ ner weiteren Steuereinheit mit Energie versorgt. So führen in Fig. 1 Energieleitungen 18 und 20 von den Radmodulen RM1 und RM2 zur Haltebremse HB1 des ersten Bremsaktuators, Lei­ tungen 22 und 24 von den Radmodulen RM2 und RM3 zur Halte­ bremse HB2, Leitungen 26 und 28 von den Radmodulen RM3 und RM4 zur Haltebremse HB3 und Leitungen 30 und 32 von den Rad­ modulen RM4 und RM1 zur Haltebremse HB4. Betätigt werden die Haltebremsen vom jeweils dem Aktuator zugeordneten Radmodul. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Haltebremse bei Bestromen geschlossen oder geöffnet wird, bei Nichtbestromen in dem letzten Zustand verharrt. Es ist sichergestellt, daß auch bei Ausfall eines Energiekreis durch die nachfolgend beschriebene Umschaltung ein Lösen der Bremsen ermöglicht wird.

Bei dem gezeigten Steuersystem handelt es sich um eine Fremdkraftbremse, so daß die vom Gesetzgeber geforderten zwei unabhängigen Energiequellen vorhanden sein müssen, da­ mit bei Ausfall eines Energiekreises kein Totalausfall der Radbremse nachfolgt. Eine diese Norm erfüllende Energiever­ teilung bei einem derartigen System wird nachfolgend darge­ stellt.

Die Steuereinheiten RM1 bis RM4 sind über ein Kommunikati­ onssystem K1 miteinander zum Datenaustausch verbunden. Fer­ ner führt das Kommunikationssystem zu einem Zentralmodul Z, und zu einer Schnittstelle S, welche die Kommunikation mit anderen Steuersystemen aufrechterhält. Über diese Schnitt­ stelle empfangen die Elemente des Bremssystems Daten von an­ deren Steuersystemen, beispielsweise der Antriebseinheit, etc. bzw. geben Daten an diese anderen Steuersysteme ab. Über diese Schnittstelle oder vom Zentralmodul Z oder von den Radmodulen selbst wird wenigstens ein Bremspedalbetäti­ gungssignal eingelesen, aus welchem ein Fahrerbremswunsch abgeleitet wird. Dieser wird ggf. achsindividuell und/oder radindividuell korrigiert und als Sollwert zur Einstellung der Bremskraft an den einzelnen Radbremsen im Rahmen von Re­ gelkreisen herangezogen. Diese werden durch die Steuerein­ heiten RM1 bis RM4 realisiert, die entsprechende Ansteuersi­ gnale für die Leistungselektroniken LE1 bis LE4 zur Betäti­ gung der Aktuatoren ausgeben. Dabei kann es sich um Brems­ kraft- oder Bremsmomentenregelkreise handeln.

Die aus Leistungseinheit (LE1 bis LE4) für den Aktuator, aus einer Haltebremse (HB1 bis HB4) und aus einer Steuereinheit (RM1 bis RM4) zur Signalverarbeitung und Regelung gebildeten Radeinheiten werden aus mindestens zwei Energiequellen (E1 und E2) gespeist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Hochstromverbraucher für eine Achse des Fahrzeugs oder für die Diagonale eine feste Verbindung aufweisen. So sind in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels die Leistungs­ einheiten LE1 und LE2 mit der Energiequelle E1 fest verbun­ den, während die Leistungseinheiten LE3 und LE4 aus der Energiequelle E2 versorgt werden. Diese feste Verbindung mit den Energiequellen wird bei den Steuereinheiten nicht vorge­ nommen. Dort wird die Energie über das Zentralmodul Z ge­ schaltet. Dieses enthält für jedes mit Energie zu versorgen­ de Element ein Schaltelement und ist selbst mit beiden Ener­ giequellen E1 und E2 verbunden. Das Zentralmodul schaltet die Energie für jede Steuereinheit individuell ein und aus und/oder weist die Möglichkeit auf, die Energiequelle für jede Steuereinheit von der einen Energiequelle zur anderen umzuschalten. Dies wird in einem in dem Zentralmodul Z ent­ haltenen Rechnereinheit koordiniert. Durch die Umschaltmög­ lichkeit ist die Energieversorgung der Steuereinheiten red­ undant ausgelegt. Wird erkannt, daß beispielsweise die Ener­ giequelle E1 ausgefallen ist, so führt das Rechnerelement im Zentralmodul Z Umschaltvorgänge durch, welche die bisher aus der Energiequelle E1 versorgten Steuerelemente zur Energie­ quelle E2 schalten.

Die Energieversorgung der Steuereinheiten erfolgt dabei über Energieleitungen 34 bis 40, die vom Zentralmodul Z zu der jeweiligen Steuereinheit RM1 bis RM4 führen.

Die Haltebremsen HB1 bis HB4 werden über die Energieleitun­ gen 18 bis 32 redundant mit Energie aus den Steuereinheiten versorgt, da sie einen geringeren Strom benötigen.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Rechnereinheit des Zen­ tralmoduls Z nicht nur im Fehlerfall Energiequellen umschal­ tet, sondern die Energieversorgung für jede Steuereinheit individuell ein- und ausschaltet. Dadurch ist es ermöglicht, spezielle Ein- und/oder Ausschaltstrategien der einzelnen Steuereinheiten bzw. des Gesamtsystems zu realisieren. So wird in einem Ausführungsbeispiel beispielsweise eine zeit­ synchrone, kontrollierte Zuschaltung der Steuereinheiten bei Einschalten des Gesamtsystems durch die zentrale Einheit Z realisiert, in dem beispielsweise alle Steuereinheiten gleichzeitig mit dem vorgesehenen Bordnetz zugeschaltet wer­ den. Entsprechendes gilt beim Ausschalten. Hier wird vor­ zugsweise die Abschaltung der Energie für die Steuereinhei­ ten verzögert, bis diese wesentliche Arbeitsschritte beendet und/oder wesentliche Daten gesichert haben (Nachlauf). Ein Abschalten einzelnen Steuereinheit im Fehlerfall wird eben­ falls von dem Zentralmodul Z vorgenommen.

Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei werden die bereits in Fig. 1 beschriebenen Elemente und Leitungen mit den gleichen Bezeichnungen dargestellt. Sie erfüllen auch die dort dargestellte Funktion. Die Lei­ stungseinheiten LE1 bis LE4 und die Haltebremsen HB1 bis HB4 sind entsprechend der Ausführung von Fig. 1 mit Energie versorgt. Wesentlicher Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist, daß mindestens zwei Energiequellen E1 und E2 direkt mit jeder Steuereinheit RM1 bis RM4 verbunden sind. In jeder Steuereinheit sind Schaltelemente vorgesehen, die zur Energieversorgung die im Normalfall vorgesehene Energiequelle einschalten bzw. im Fehler auf eine andere Energiequelle umschalten. Die Funktionsweise dieser Schalt­ elemente entspricht für jede Steuereinheit der in Fig. 1 im zentralen Modul Z implementierten Mittel. Um die Steuerein­ heiten RM1 bis RM4 aus dem stromlosen Zustand einzuschalten, ist eine Information notwendig, welche den Einschaltvorgang in jeder Steuereinheit auslöst. Dieses Signal (Wecksignal) wird über die Leitungen 34 bis 40 von dem Zentralmodul bei Einschalten des Systems bereitgestellt. Über diese Leitungen wird in einem Ausführungsbeispiel die Energieversorgung der Steuereinheiten RM1 bis RM4 solange sichergestellt, bis die fest verbundenen Energiequellen die Energieversorgung der Steuereinheiten übernehmen. Bei Einschalten des Gesamtsy­ stems schaltet somit das Zentralmodul Z nach einer entspre­ chenden Einschaltstrategie über die Leitungen 34 bis 40 die Steuereinheiten RM1 bis RM4 zu. Diese werden durch die Zu­ schaltung über die beabsichtigte Inbetriebnahme des Gesamt­ systems informiert und wählen dann nach der in ihnen imple­ mentierten Strategie eine der Energiequellen E1 oder E2 aus. Durch entsprechende Schaltung wird dann die Energieversor­ gung der Steuereinheiten durch die ausgewählte Energiequelle vorgenommen, während die über die Leitungen 34 bis 40 zuge­ führte Energie vorzugsweise durch das Zentralmodul Z abge­ schaltet wird. Im Fehlerfall der eine Steuereinheit versor­ genden Energiequelle erfolgt bei Erkennen der Fehlfunktion ein Umschalten von dieser Energiequelle auf die andere. Da­ bei arbeitet jede Steuereinheit individuell für sich ohne Berücksichtigung der Vorgänge in anderen Steuereinheiten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß, wenn eine Steuereinheit eine Fehlfunktion einer Energiequel­ le erkennt, diese Information über das Kommunikationssystem K1 den anderen Steuereinheiten zur Verfügung gestellt wird, die dann Maßnahmen zur Überprüfung einleiten und/oder eine Umschaltung vornehmen.

Claims (9)

1. Elektrisch gesteuertes, dezentrales Steuersystem in einem Fahrzeug, welches über wenigstens eine Steuereinheit (RM1 bis RM4) verfügt, die dezentral angeordnet sind, wobei wenigstens zwei voneinander unabhängige Energiequellen (E1, E2) vorgesehen sind, von denen wenigstens eine die wenigstens eine Steuereinheit mit Energie versorgt, wobei der wenigstens einen Steuereinheit wenigstens ein Hoch­ stromverbraucher (LE1 bis LE4) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Hochstromverbrau­ cher einer der Energiequellen fest zugeordnet ist, wäh­ rend die wenigstens eine Steuereinheit schaltbar mit ei­ ner der wenigstens zwei Energiequellen verbindbar ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens eine der Steuereinheiten mit beiden Energiequel­ len fest verbunden ist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Steuereinheit Schaltelemente enthält, mit deren Hilfe die Energieversorgung der Steuereinheit aus wenigstens einer der Energiequellen aktiviert wird und/oder zwischen den beiden Energiequellen umgeschaltet wird.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zentralmodul (Z) vorgesehen ist, welches mit den wenigstens zwei Energiequellen verbunden ist und welches die Energieversorgung zu wenigstens einer Steuereinheit schaltet.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralmodul Schaltelemente enthält, mit deren Hilfe die wenigstens eine Steuereinheit mit wenigstens einer der Energiequellen verbindbar ist und/oder von der einen auf die andere Energiequelle umgeschaltet wird.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem eine elektromotori­ sche Bremsanlage ist, welche neben dem Bremsaktuator eine elektrisch betätigbare Haltebremse aufweist, die aus der zugeordneten Steuereinheit und/oder wenigstens einer wei­ teren Steuereinheit mit Energie versorgt wird.

7. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei fester Verbindung wenigstens einer Steuereinheit zu bei­ den Energiequelle ferner eine Verbindung zum Zentralmodul besteht, über welches bei Inbetriebnahme des Gesamtsy­ stems zunächst die Energieversorgung der wenigstens einen Steuereinheit durchgeführt wird.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralmodul die zugeordneten Steuereinheiten individuell mit den Energiequellen ver­ bindet bzw. individuell von einer auf die andere Energie­ quelle umschaltet.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralmodul den Einschaltvorgang und/oder den Ausschaltvorgang der Steuereinheiten steuert und/oder eine fehlerhafte Steuereinheit von der Energie­ versorgung trennt.