EP4519113A2 - Fahrdynamiksystem, fahrzeug sowie verfahren zum betreiben eines fahrdynamiksystems - Google Patents

Fahrdynamiksystem, fahrzeug sowie verfahren zum betreiben eines fahrdynamiksystems

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EP4519113A2
EP4519113A2 EP23725589.8A EP23725589A EP4519113A2 EP 4519113 A2 EP4519113 A2 EP 4519113A2 EP 23725589 A EP23725589 A EP 23725589A EP 4519113 A2 EP4519113 A2 EP 4519113A2
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EP
European Patent Office
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brake
wheel
braking
ehb
braking torque
Prior art date
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Pending
Application number
EP23725589.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Leiber
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Ipgate AG
Original Assignee
Ipgate AG
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Filing date
Publication date
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Priority to EP25198798.8A priority patent/EP4631807A3/de
Priority to EP25198793.9A priority patent/EP4631805A3/de
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    • B60T2201/02—Active or adaptive cruise control system; Distance control
    • B60T2201/022—Collision avoidance systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
    • B60T2201/00—Particular use of vehicle brake systems; Special systems using also the brakes; Special software modules within the brake system controller
    • B60T2201/02—Active or adaptive cruise control system; Distance control
    • B60T2201/024—Collision mitigation systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60T2270/60—Regenerative braking
    • B60T2270/604—Merging friction therewith; Adjusting their repartition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60T2270/00—Further aspects of brake control systems not otherwise provided for
    • B60T2270/82—Brake-by-Wire, EHB

Definitions

  • Driving dynamics system vehicle and method for operating a driving dynamics system
  • the present invention relates to a vehicle dynamics system (FDS) with one or more electric traction motor(s) and a powerful central computer, with electric traction motor(s) and brake modules (EMB, EHB) being controlled in a synchronized manner via the central computer, such that with traction motor(s ) and brake module(s) (EMB, EHB) are controlled together in the basic brake and control operating function. It also relates to a vehicle with a driving dynamics system and a method for operating the driving dynamics system.
  • FDS vehicle dynamics system
  • EMB, EHB electric traction motor(s) and brake modules
  • the brake and electric traction motors are combined as wheel modules or electric vehicle axle modules, with the wheel brake and electric traction motor being controlled synchronously via another wheel or axle module control unit.
  • HAD Level 3 - Highly Automated Driving
  • FAD Fully Automated Driving
  • AD Level 5 - Autonomous Driving
  • level 4 From level 4 (FAD), at least 2-fold, and preferably 3-fold redundancies are expected for sufficient system availability, e.g. B. with the pedal sensors with the rule "2 out of 3". Furthermore, for automated driving from level 3, especially from level 4, a redundant wheel-specific braking torque control is required.
  • level 5 the steering wheel as well as the brake and accelerator pedals may be included. completely gone and the vehicle is controlled exclusively via a central computer. Since the driver can no longer intervene using a brake pedal or steering wheel if systems fail, a fail-safe 2-fold or 3-fold redundancy with degrading of all core functions of the brake (brake booster, ABS, vehicle stabilization) and steering is required .
  • the domain structure is introduced with control devices/domains for chassis control, which includes the brakes, electric drive, steering and optionally also damping.
  • chassis control which includes the brakes, electric drive, steering and optionally also damping.
  • the vehicle manufacturer assumes responsibility for the above-mentioned units and can therefore optimally exploit synergies. At the same time, however, he must ensure the necessary redundancies because new requirements must be met due to the transfer of liability from the driver of the vehicle to the manufacturer of the vehicle.
  • level 3-5 autonomous driving vehicles should not be parked on the shoulder of the road; At least a limp home mode is more than desired, more likely even a continuation of operation in the event of a partial failure, since autonomous vehicles strive for a long service life.
  • Electro-hydraulic brake systems EHB for short
  • electromechanical brakes EMB for short
  • foundation brakes with brake shoes and brake discs are available as friction brake systems.
  • EMB Electro-hydraulic brake systems
  • the EMB has the disadvantage of higher costs, as an EMB is required for each wheel;
  • FDS with ABS and ESP functions can be developed without dependencies on brake manufacturers and the integration into the domain and application of an electromechanical brake is much easier than one electro-hydraulic brake. This is particularly true in comparison to standard ABS systems with open brake circuits, where very complex and adaptively learning pressure estimation models are required.
  • the increasing spread of EMB is therefore not primarily motivated by unit costs, but is driven by lower application effort and easier integration.
  • FIG. la A typical vehicle architecture with electric drives for SAE levels 3-4 is shown in Fig. la ( Figure la was taken from here: https://www.lsp-ias.com/our-world/chassis-control).
  • a brake booster and an ESP unit is used.
  • the brake can be controlled as a pressure actuator, centrally controlled via a central computer, namely a domain, so that the braking torques are determined in the central computer and the electro-hydraulic brake only as a pressure actuator to execute a target braking torque or a target pressure.
  • an electro-hydraulic brake system is known from WO 2020/165255 A1, in which, in the event of failure or partial failure of the pressure supply device, braking is carried out or supported via an electric traction motor and/or an electric parking brake.
  • EHB electro-hydraulic brake
  • EMB electromechanical brake
  • H-EMB hydraulically supported electromechanical brake
  • WO 2018/215397 Al the idea of central control of the electric motor and electro-hydraulic brake is pursued, with the focus being on a minimum time to reach the blocking pressure (time-to-lock, TTL for short).
  • a braking function is introduced exclusively via the electric traction motor depending on the driving situation by using a vehicle model.
  • the object of the invention is to provide a vehicle dynamics system (FDS) with a central domain control via a vehicle dynamics domain or a central computer as well as with wheel modules or vehicle axle modules with several brake units (electric traction motor, electro-hydraulic pressure actuators (EHB) and / or electromechanical brake actuators (EMB)), whereby the Synergies between the individual brake modules can be maximized to implement a braking task.
  • the aim is to minimize the overall costs, weight and thermal load on the components of the braking system. At the same time, the braking distance should be minimized and driving stability ensured.
  • the wheel or axle modules should preferably be controlled in such a way that the respective wheel or vehicle axle only executes target braking torques and the distribution of the braking torque to the wheels or axles is calculated in a central computer, where the core functions of the anti-lock braking system ABS, anti-slip control ASR, electrical stability program/Electronic Stability Control ESP/ESC, electrical brake force distribution EBV and regenerative brake management are implemented.
  • the task of the control electronics of the wheel or axle module is to distribute the target braking torques to the various braking units of the wheels or vehicle axle.
  • a method for controlling the vehicle in highly dynamic braking operation (emergency braking function AEB, and in particular subsequent ABS control operation) should be provided, which is optimized with regard to the braking distance and through which the controllability is critical Driving situations (ABS operation on snow or ice) can be optimized.
  • the brake modules should be designed in such a way that rapid application is possible and, in particular, the application can be automated.
  • the brake modules are advantageously to be designed in such a way that an interruption in regular operation by replenishing hydraulic volume, as taught by EP 2 580 095 B1 and implemented in two integrated brake systems on the market (DE 10 2018 212 905 Al, DE 10 2019 204 016 Al). , or is either avoided or prevented by dead times in a multiplex control process or is compensated for by control interventions via electric traction motors.
  • a check valve (referred to as inlet valve 88 and check valve 92 in EP 3 036 136 B1, FIG. 1) is provided in a parallel connection to the wheel inlet valve, which is required to be in In any situation, especially if the ECU or the energy supply fails, the pressure in the wheel brake can still be safely reduced.
  • the central computer records measurement data during vehicle operation, evaluates it and applies various functions, in particular the safety-critical functions ABS, ESP and AEB, during vehicle operation or when the vehicle is stationary, when the vehicle is not moving and therefore the adjustment is not time-critical.
  • the adjustment therefore takes place in particular after vehicle operation when the vehicle is parked.
  • the preferred version as a closed hydraulic system in particular with pressure build-up and pressure reduction via bidirectionally acting valves using a pressure supply unit, has the great advantage that the non-linear relationships are determined by suitable sensors via characteristic maps (e.g. pressure-volume characteristic curve, relationship between motor current and brake pressure, The relationship between brake pressure and/or deceleration when the wheel brake heats up) can be mapped.
  • characteristic maps e.g. pressure-volume characteristic curve, relationship between motor current and brake pressure, The relationship between brake pressure and/or deceleration when the wheel brake heats up
  • these maps can be adapted during operation by detecting environmental influences, for example air in the system or heating of the wheel brake.
  • ABS Anti-lock braking system
  • TM1, TM2, TM3, TM4 basic braking torque support via the at least one traction motor
  • ASR Anti-slip regulation
  • the central control unit or a central computer has, wherein the central computer preferably has redundant microcontrollers JLLCI, p.C2, p.C3 and / or a large memory, in particular on the order of gigabytes.
  • the brake unit includes an electric motor drive and is designed as an electro-hydraulic brake unit or as an electromechanical brake unit.
  • the brake unit is designed as an electro-hydraulic brake unit with an electric motor-operated pressure supply unit, with a valve device being provided between the pressure supply unit and at least one wheel brake or several wheel brakes of an axle, the valve device comprising a tightening wheel valve and/or a circuit isolating valve, wherein in one Leakage of at least one wheel brake, the valve device is set up to disconnect the affected wheel brake by closing the valve device, and the central control unit is set up to control the at least one brake unit and / or the at least one electric traction motor in such a way that braking torque control on the other wheels of the Vehicle, in particular on at least three wheels.
  • the wheel brakes of an axle of the vehicle can be separated by means of the valve device, in particular the wheel brakes of the front axle.
  • the central control unit is coupled to at least one brake unit control unit of the brake unit.
  • the central control unit is set up to transmit target signals during the braking function to a motor control unit of the at least one traction motor and to a brake unit control unit of the at least one brake unit.
  • the central control unit is also set up to control the at least one electric traction motor for regenerative braking of the vehicle at a speed of the vehicle of over 80 km/h for braking in normal operation, with an electronic brake force distribution (EBV) being simultaneously activated during the regenerative braking function) is implemented on a front axle and a rear axle of the vehicle.
  • EBV electronic brake force distribution
  • 20-40% of the total braking torque acts on the rear axle and 60-80% of the total torque acts on the front axle of the vehicle.
  • the wheel brake of a wheel of the vehicle is assigned its own brake unit, in particular the brake unit being designed to be electromechanical.
  • the brake unit assigned to the wheel brake and an electric traction motor are integrated into a wheel module.
  • a common brake unit is assigned to the wheel brakes of two wheels on an axle of the vehicle.
  • the brake unit is designed to be electro-hydraulic, with a first brake unit being assigned to the two wheels of a rear axle and a second brake unit to the two wheels of a front axle.
  • a central brake unit is assigned to the wheel brakes of four wheels of the vehicle, with the central brake unit in particular being designed to be electrohydraulic.
  • a common brake unit is assigned to the wheel brakes of two wheels of a first axle, in particular a front axle, of the vehicle.
  • the brake unit is designed to be electrohydraulic.
  • wheel-specific dissipative braking torques can be adjusted, in particular by means of solenoid valves in hydraulic lines between the brake unit and the wheel brakes.
  • the brake unit can also be connected via a hydraulic line to the wheel brakes of two wheels of a second axle, in particular a rear axle.
  • common, non-wheel-specific dissipative braking torques can be set for the wheel brakes of the second axle.
  • a first electric traction motor is assigned to a first pair of two wheels of a first axle, in particular a rear axle of the vehicle, and a second electric traction motor is assigned to a second pair of wheels of a second axle, in particular a front axle of the vehicle.
  • a first and a second wheel of a first axle are each assigned their own electric traction motor.
  • first and second wheels are also assigned their own brake units, in particular the respective brake units being designed to be electromechanical.
  • the associated electric traction motor and the respective assigned brake unit is integrated into a wheel module assigned to the first or second wheel.
  • a third electric traction motor is also jointly assigned to a third and a fourth wheel of a second axle, in particular a front axle of the vehicle.
  • a common brake unit is assigned to the third and fourth wheels in particular.
  • the common brake unit is designed to be electrohydraulic.
  • the third electric traction motor and the common brake unit are integrated into an axle module assigned to the second axle; or in particular a central brake module is provided, which is in particular designed to be electro-hydraulic, wherein wheel-specific braking torques can be generated for the first and second wheels and a common braking torque can be generated for the third and fourth wheels.
  • the central control unit is set up to distribute the basic braking torque and the regulated additional braking torque to the at least one brake unit and the at least one electric traction motor depending on the vehicle deceleration and / or depending on a coefficient of friction of the road.
  • an electromotive brake unit and/or the at least one electric traction motor generates the regulated additional braking torque.
  • an electro-hydraulic brake unit generates the regulated additional braking torque.
  • the brake unit or the traction motor generates the basic braking torque as a constant braking torque and another brake unit or the traction motor generates the regulated additional braking torque.
  • the central control unit is set up to carry out an EBV control during automatic emergency braking, the braking torque gradients of the at least one brake unit and the at least one electric traction motor being taken into account in such a way that the maximum is at the front axle and at the rear axle of the vehicle Braking torque, in particular the maximum braking torque before the wheels lock, is achieved at the same time.
  • at least one of the following strategies is used during regenerative braking, in particular when a vehicle battery is fully charged:
  • Fluid reservoirs for use with a heat pump for cooling or heating are provided.
  • a preferably electrical buffer that is designed for impulse power, for example a super cap or a flywheel memory.
  • the at least one electric traction motor is operated with an inverter for switching windings of the at least one electric traction motor in series connection or parallel connection of three strands of the excitation coils of the brushless electric motor.
  • an inverter for switching windings of the at least one electric traction motor in series connection or parallel connection of three strands of the excitation coils of the brushless electric motor.
  • a 4-quadrant operation is made possible by means of the inverter, namely with a quadrant 1 with positive speed and positive torque of the electric motor, a quadrant 2 with positive speed and negative torque of the electric motor; a quadrant 3 with negative speed and positive torque of the electric motor, and a quadrant 4 with negative speed and negative torque of the electric motor.
  • the central control unit is set up to carry out the brake control using a map, in particular the map depicting a pressure-volume characteristic, a relationship between motor current and brake pressure and/or a relationship between brake pressure and/or deceleration when the wheel brake heats up .
  • the central control unit is set up to record sensor data during vehicle operation, in particular in a state after the vehicle has been put into operation for the first time, for example in a ferry operation or when at a standstill before or after a ferry operation, and to use the acquired sensor data by means of a Artificial intelligence methods, in particular machine learning or neural networks, to adapt the control of the braking function.
  • the artificial intelligence method can be carried out using a computer in the central control unit.
  • the adjustment is carried out in a safe state of the vehicle, in particular in a parked state of the vehicle.
  • a characteristic map is determined which, for example, depicts a pressure-volume characteristic curve, a relationship between motor current and brake pressure and/or a relationship between brake pressure and/or deceleration when the wheel brake heats up.
  • the map can be adapted using the sensor data and the artificial intelligence method if a deviation from the current map is detected, for example due to environmental influences, air in the system or due to heating of the wheel brake.
  • a further driving dynamics system for a vehicle includes at least one electric traction motor, which can be controlled to generate a regenerative braking torque for at least one wheel or an axle of the vehicle, and a central control unit, which is set up to control the at least one electric traction motor for a braking function head for.
  • the central control unit is set up to carry out the braking function when braking on a road with a low coefficient of friction, in particular on snow, ice and/or wet roads, with small to moderate delays, in particular of less than 0.5 m/s2.
  • the central control unit is set up to carry out the braking function by means of at least one traction motor on at least one axle of the vehicle, in particular by means of two traction motors on the rear axle of the vehicle.
  • the vehicle according to the invention comprises a driving dynamics system according to the present description or according to the attached claims.
  • a combined braking torque is generated by means of the at least one brake unit and the at least one electric traction motor.
  • This concerns the Braking function means a standard case in which a basic braking torque and a regulated additional braking torque are controlled and / or regulated at the same time.
  • the at least one brake unit is optionally controlled to generate a basic braking torque, and the at least one electric traction motor is controlled to generate the regulated additional braking torque; or the at least one electric traction motor is controlled to generate the basic braking torque, and the at least one braking unit is controlled to generate the regulated additional braking torque; or the at least one brake unit and the at least one electric traction motor are controlled to jointly generate the basic braking torque and the regulated additional braking torque.
  • the at least one electric traction motor for driving and braking an axle or a wheel of the vehicle has, in particular, a slave control device on one or more axles or wheels of a vehicle.
  • the at least one brake unit or brake system is designed in particular for several wheel brakes, several electro-hydraulic brake modules or several electromechanical brake modules.
  • Fig. 6a Concept A for driving dynamics system
  • "Architecture I” EHB-Z for individual wheel control for the front axle and the rear axle in combination with electric traction motor on the front axle and on the rear axle;
  • Fig.1 ld Driving dynamics system "Architecture II”: E-axle module IV with an electro-hydraulic brake unit and two electric traction motors;
  • Fig. 13 Driving dynamics system "Architecture III”: wheel modules with wheel control electronics for electromotive brake unit and electric traction motor; and
  • Fig.13a Driving dynamics system
  • Architecture III Wheel modules with four electromotive brake units and four electric traction motors.
  • Figure ld shows a typical simulation of an AMS test, according to which a brake system is designed according to the state of the art.
  • 10 subsequent braking events from 100 km/h are simulated.
  • AMS fading test is used when dimensioning the maximum pressure (Brake Manual 5th edition, Chapter 6.3.2, Figure 6.10)
  • the wheel brakes on the front axle typically heat up to around 600°C and the wheel brakes on the rear axle to about 500°C.
  • the pedal force in standard vacuum brake boosters then increases by around 80%, which means that in the event of fading the brake system must be designed for a pressure that is 80% higher than would be required for normal blocking pressure.
  • typical brake systems are designed for a maximum pressure of 200-220 bar.
  • Figure le shows the currently standard brake management with electro-hydraulic brakes when combined with an electric traction motor.
  • the process is described in the Brake Manual 5th edition, chapter. 19.3.2 and 19.3.3 described in more detail and is shown in Figure la.
  • This management is now expanded as one of the core ideas of the invention. It is characteristic that at the beginning of braking at low vehicle speeds (area B), braking is carried out hydraulically, while regenerative brakes are gradually increased at speed vi and gradually reduced up to speed V2; This means that at low vehicle speeds (vi ⁇ 10 km/h, range B) and high vehicle speeds (v2>60 km/h, range E2, D), braking is carried out hydraulically, not regeneratively.
  • the friction brake could be simplified, for example through easier cooling, less wear and smaller brake discs, and inexpensive drum brakes could replace disc brakes,
  • Figure 2 shows the advantageous driving dynamics system “Architecture I” for a common mode of operation of electric traction motors on the front axle (TM3) and/or on the rear axle (TM1, TM2), combined with an electro-hydraulic brake system of the EHB-Z or EHB-VA topology Figure 2.
  • the central control unit takes over the regulation of the braking torques of the electric traction motors TM1, TM2, TM3 and the electro-hydraulic brake units EHB-Z, EHH-VA for at least one of the following functions:
  • the driving dynamics system sends target values to the different units, the target values including in particular target brake torques or target brake pressures.
  • target values including in particular target brake torques or target brake pressures.
  • Target signals for pressure control or pressure regulation such as control signals for solenoid valves for functions such as the switching duration of the opening time or a PWM frequency during throttle operation, and/or pre-pressures for the pressure supply device for building up or reducing pressure are also specified.
  • the M-ECU machine can also have an interface to the control unit or domain of the autonomous driving M-ECUAD and can evaluate further information that is helpful for effective and predictive control. This includes camera information about the condition of the road (snow, ice, rain) or information about the surroundings (distances to passers-by and/or other vehicles).
  • Figure 2a shows the exemplary structure of a vehicle architecture with that of the driving dynamics system with hydraulic lines and signal lines between the units and sensors.
  • the central control unit M-ECUoomäne preferably comprising three microcontrollers JLLCI, p.C2, .C3 to implement a 2-out-of-3 architecture, communicates with the control unit of the electro-hydraulic brake unit (M-ECUBM) and the electric traction motors TM1, (optional TM2) of the rear axle and the electric traction motor TM3 of the front axle, in particular via redundant data lines.
  • M-ECUBM electro-hydraulic brake unit
  • the central control unit M-ECUoomäne can in particular have at least one very powerful microcontroller and a large memory (in the gigabyte range) so that an automatic application can be implemented via artificial intelligence (AI) before the vehicle is put into operation for the first time and/or during vehicle operation can.
  • a central computer can be used instead of a domain computer, or the typically larger resources of a central computer, which is designed for processing multimedia data, can be used, in particular for the application via AI.
  • the central control unit M-ECUoomäne receives data from wheel speed sensors of the wheels VRI - v R4 and preferably further sensor signals SI, S2, Si, etc.
  • the sensor signals SI, S2, Si can be provided by yaw moment sensors, acceleration sensors and / or weight sensors that are used for Central control over a vehicle model is important because these sensors make it possible or at least easier to optimize the central control.
  • the weight sensor can be used advantageously depending on the recuperation strategy to adjust the weight. Yaw moment sensors are helpful for vehicle dynamics interventions, such as torque vectoring or ESP yaw moment interventions, and acceleration sensors help to calibrate the relationship between the brake pressure of a hydraulic brake unit (EHB) and the achieved braking torque or brake pressure and the achieved vehicle deceleration.
  • EHB hydraulic brake unit
  • sensors or data from the autonomous driving system can also be used to make traffic-specific braking torque interventions or to decelerate the vehicle in a targeted manner and, in the event of a fault, such as a partial failure with reduced maximum deceleration, to operate the vehicle at an adjusted speed or early deceleration.
  • the electric power steering EPS on the front axle and optionally electric parking brakes (EPB1, EPB2) on the rear axles are advantageously provided for communication with the central domain.
  • the integration of the EPS enables coordinated driving dynamics interventions, such as torque vectoring, ESP yaw moment interventions via the electro-hydraulic brake unit EHB in addition to the steering or to support the vehicle's electric power steering in the event of a failure or partial failure of the EPS.
  • integrating the electric parking brake EPB is advantageous because, in addition to simply ensuring standstill, the parking brake can also perform dynamic braking functions or emergency functions, as described, for example, in WO 2020165255 Al.
  • Figure 2b shows the exemplary structure of a further vehicle architecture of the driving dynamics system according to the invention with EHB-Z with hydraulic lines and signal lines between the brake units and sensors.
  • the central control unit M-ECUoomäne preferably comprising three microcontrollers JLLCI, p.C2, p.C3 to implement a 2-out-of-3 architecture, communicates with a control unit of the hydraulic brake unit (M-ECUBM) with two redundant control units ECU IEHB and ECU2EHB as well as the electric traction motors TM1, TM2 on the rear axle and the electric traction motor TM3 on the front axle, in particular via redundant data lines.
  • M-ECUBM hydraulic brake unit
  • the sensor signals SI, S2, Si can be provided by yaw moment sensors, acceleration sensors and / or weight sensors, which are used for the central control over a vehicle model is important because these sensors enable or at least make it easier to optimize the central control.
  • the weight sensor can be used advantageously to adapt the recuperation strategy depending on the weight. Yaw moment sensors are helpful for vehicle dynamics interventions, such as torque vectoring or ESP yaw moment interventions, and acceleration sensors help to calibrate the relationship between the brake pressure of a hydraulic brake system (EHB) and the achieved braking torque or brake pressure and achieved vehicle deceleration.
  • EHB hydraulic brake system
  • sensors or data from the autonomous driving system such as data from cameras and lidar sensors, map material or data in interaction with the environment and with other vehicles, such as in Car2X (V2x) or Car2Car (V2V) communication, can also be used to carry out traffic-specific braking torque interventions or to decelerate the vehicle in a target-oriented manner and, in the event of a fault, for example in the event of a partial failure with reduced maximum deceleration, to operate the vehicle at an adjusted speed or early deceleration.
  • the electric power steering EPS of the front axle and optionally the electric parking brakes (EPB1, EPB2) of the rear axles are also advantageously provided for communication with the central domain.
  • the integration of the EPS enables coordinated driving dynamics interventions, such as torque vectoring or ESP yaw moment interventions via the hydraulic brake unit EHB in addition to the steering or to support the vehicle's electric power steering in the event of a failure or partial failure of the EPS.
  • integrating the electric parking brake EPB is advantageous because, in addition to simply ensuring standstill, the parking brake can also perform dynamic braking functions or emergency functions, as described for example in WO2020165255A1.
  • Figure 3 shows the blending strategy of the driving dynamics system with full utilization of the braking force of an electric traction motor over the entire Speed curve of the vehicle and up to the maximum braking torque of the electric traction motor used.
  • Full utilization of the driving dynamics system is possible because, as shown in Fig. 2a, the central domain has all the important information and can therefore adapt the braking effect very quickly with a minimal time delay in a critical driving situation, for example in ABS control operation can be done via the electric motor.
  • New types of high-voltage electric motors >700V
  • a control strategy in ABS operation together with an electric traction motor and the electro-hydraulic brake unit EHB is further detailed in Figure 5a. This means that the first control cycle is not entirely optimal, but there is no safety-critical situation where the vehicle could become unstable. Furthermore, in critical driving situations where an automatic emergency brake (AEB) is used, the disadvantages of the first control cycle can be overcompensated by shortening TTL.
  • AEB automatic emergency brake
  • the illustration uses the torque-speed map of an electric drive motor of a plug-in hybrid or electric vehicle (e.g. BMW i3) with a vehicle weight of 1365 kg as an example.
  • the electric traction motor has a maximum power of around 130 kW and a maximum torque of 250 Nm and works with a gear ratio of 9.5, which means that a torque of up to 2400 Nm can be applied to the axles of a vehicle Drive and can be used for deceleration.
  • an axle braking torque of 3400 Nm on the front axle and 2465 Nm on the rear axle is required. This means that the rear axle can be braked completely electrically up to a speed of approx. 70 km/h.
  • the high additional braking torque available over a wide speed range can be used to significantly reduce the heating of the friction brake, in addition to the AMS test conditions at 100 km/h also at high speeds, where a lot of kinetic energy is absorbed by the friction brake.
  • the latter is advantageous for sporty vehicles, where very expensive ceramic brakes are typically used.
  • the rear axle can be completely thermally relieved at speeds of up to 70 km/h; It can be greatly relieved, especially during the critical AMS test. This enables the use of a cost-effective drum brake.
  • the central control unit of the driving dynamics system which preferably also records the weight of the vehicle, can then increase braking via regenerative braking even when the load is low, so that the recuperation strategy is adapted depending on the vehicle load.
  • the battery's ability to accommodate high impulse outputs is problematic, especially in high charge states.
  • Id, Iq intelligent field-oriented vector control
  • an additional resistor can be used to dissipate the heat.
  • the heat generated via a resistor can then advantageously be used to heat the vehicle or to cool the vehicle via a heat exchanger.
  • Figure 4 illustrates how the function according to the invention of the emergency brake AEB (function B) can be implemented with the control of the driving dynamics system according to the invention by, in addition to the braking effect via electric traction motors, also sensibly adapting the EBV control in the electric emergency brake in the sense of shortening the braking distance.
  • an electric traction motor is used as an example with the performance data of Figure 3 (130 kW, 250 Nm, gear ratio of 9.5) and a torque gradient of 15,000 Nm/s.
  • the electro-hydraulic EMS system is based on a black-white brake circuit layout, i.e. one brake circuit for the front axle and a second brake circuit for the rear axle of the vehicle.
  • the curves BMTMI-VA and BMTM2-HA each show the increase in braking torque of the electric traction motor on the front axle VA and rear axle HA, respectively, in particular with a braking torque gradient of 15,000 Nm/s.
  • This increase is taken into account for the electronic brake force distribution EBV in such a way that the pressure curve is distributed to the front axle and the rear axle via an advantageous hydraulic brake system, as further explained in FIGS. 6a to 6d, in such a way that the front axle and rear axle have their maximum braking torque, for example for 1g delay, simultaneously achieving this while ensuring that design priorities (see Table 1 of Priorities) are taken into account.
  • the braking torque continues to increase after reaching the maximum braking torque, indicated in the figure as approximately 1 g), in order to illustrate the further braking torque progression over time and thus also to illustrate TTL for higher deceleration (e.g. up to 1.4 g in sports vehicles). If an ABS event occurs, typically at a deceleration of approximately 1 g, the braking torque is subsequently reduced and ABS control operation follows, as further explained below with reference to Figures 5, 5a, 5b, 5c.
  • the curve BMEHB-HA shows the braking torque curve for the electro-hydraulic brake on the rear axle
  • the curve BM H A,EHB+TM2-HA shows the sum of the braking torque curve for the electro-hydraulic brake of the rear axle and the traction motor TM2 assigned to the rear axle.
  • the curve BMEHB-VA also shows the braking torque curve for the electro-hydraulic brake on the front axle;
  • the curve BM V A,EHB+TM I-VA shows the sum of the
  • the braking torque corresponding to the blocking pressure for the front axle VA is shown as an upper horizontal line BLM-VA.
  • the braking torque corresponding to the blocking pressure for the rear axle HA is shown as a lower horizontal line BLM-HA.
  • TTL time-to-lock
  • the TTL for the electro-hydraulic brakes EHB-VA, EHB-HA alone is around 140 ms, while it is around 90 ms when additionally using the regenerative braking torques of the traction motors TM1, TM2.
  • these 45 ms correspond to a distance traveled of around 1 m. This is already a significant improvement compared to typical braking distances of 25 m with ABS braking.
  • Figure 5 illustrates a further fundamental idea of the synergistic use of the braking torques of electric traction motors and the braking torques of electro-hydraulic brake units using a typical ABS control curve at high pressures on asphalt, i.e. in the so-called “high case”.
  • the electric traction motor generates a base braking torque VA in ABS operation, which is shown in Figure 5 for an exemplary arrangement of the electric traction motor on the front axle.
  • the pre-pressure of the electro-hydraulic brake unit EHB can be reduced by the basic braking torque of the electric traction motor.
  • the blocking pressure as shown in Figure 4, can be generated more quickly and the required EHB pressure for ABS control is reduced.
  • FIG. 5 shows how the basic braking torque on the front axle VA is provided by the electric traction motor.
  • the difference AP to the desired form pressure for the front axle VA is then relatively small.
  • the pressure control for the two wheels of the front axle VA has corresponding variations with a low amplitude, so that the electro-hydraulic brake unit can be made smaller.
  • Figure 5a shows a typical process at the beginning of a control cycle of pressure reduction in ABS operation with a standard ESP system or a 1-box system, shown at a low coefficient of friction, for example on snow.
  • the blocking of a wheel is detected because the wheel speed v deviates from the reference speed v re f by Av.
  • the outlet valves are then opened to reduce pressure. It takes a while for the valve to open. During this time phase, the wheel speed continues to fall by Avi. After the valve opening phase, the pressure is reduced over the time period tab, which is shown linearly for simplicity. During this time phase, the wheel speed continues to fall by Av2 until the wheel stabilizes. Then the valve is closed again. This is followed by a gradual pressure build-up, not shown, in order to bring the wheel speed back to the level of the reference speed v re f, which is preferably done via small gradual pressure increases via inlet valves.
  • Figure 5b shows ABS control of a wheel via traction motors.
  • wheel speed sensors with high resolution and short latency times for data transmission to the central control unit M-ECU domain are preferably used in the ABS control with traction motors described here, an ABS case, characterized by a wheel speed deviation from the Reference value, can be detected more quickly. As a result, the delay time to is shorter in the control of the vehicle dynamics system according to the invention and thus also the Speed difference Av smaller.
  • the braking torque reduction occurs without any further time delay tMv immediately after the initial delay t 0 , especially with a low road coefficient of friction with a larger braking torque gradient (see illustration of the braking torque gradients in Figure 12). Furthermore, due to the higher resolution, improved wheel acceleration control with central domain control can be implemented, so that the target wheel torque can be achieved more quickly and without overshoots.
  • the same control quality can be achieved with smaller braking torque gradients when controlling using traction motors compared to braking torque gradients of an electro-hydraulic brake unit EHB, because the critical time delay t V M caused by the solenoid valves is eliminated.
  • the reaction time t 0 can be reduced thanks to the powerful computer and wheel speed sensors with higher resolution, which means that wheel locking is detected earlier and can be corrected more quickly.
  • Figure 5c shows a further advantage according to the invention of the common braking torque modulation in regular operation, for example for a negative ⁇ . jump, for example when the vehicle comes from asphalt to snow.
  • the braking torque of the traction motors M Brems, TM, vrad or M Brems, TM, Hrad and the hydraulic braking torque (not shown) of the electro-hydraulic brake unit EHB of the front wheels or the rear wheels have an additive effect on the total braking torque Mbrems,ges,vrad or Mbrems,ges,Hrad.
  • the braking torque of the front axle M Brems,TM,vrad can be reduced without any delay, followed by the pressure reduction by the EHB with the time delay to described above. This means that the braking torque can advantageously be adjusted very quickly and the gradient increases as soon as the EHB can reduce the pressure. This has a positive effect on the drop in speed of the front wheels, which is not shown.
  • the braking torque is reduced on the rear axle or the braking torque M brake, ges, Hrad is reduced, which - as described above for the front axle - benefits from the rapid onset of braking torque by the electric traction motor M brake, TM, Hrad without any further delay , so that the wheel speed does not drop so much here either.
  • Figure 5d shows the approach according to the invention for another control situation in which the vehicle is operated on a largely homogeneous road surface, for example with snow (so-called low case).
  • the braking torque M brake generated on the wheels at the front right VR, front left VL, rear right HR and front right VR is plotted as a function of time t.
  • the front axle is advantageously controlled with the EHB, while the lower braking torques for the rear axle are obtained by the two traction motors TM1 and TM2, the concept of Figures 6b or 6d explained below being used here.
  • control can also be transferred to drive concepts in which an electromechanical brake unit EMB is provided on the rear axle according to the concept in FIG. 6c and an electro-hydraulic brake unit EHB is provided on the front axle.
  • An electromotive brake unit EMB has comparable advantages to those of traction motors, for example a high one Braking torque gradients and precise braking torque control through torque and acceleration control of the EMB motor.
  • the electromotive brake EMB is even superior to electric traction motors in terms of the braking torque gradient (see illustration in Figure 12).
  • the brake shoe tensioning effect of the EMB is eliminated at low friction values.
  • Figure 6a shows a hydraulic brake system for four wheel brakes and with electric traction motors TM1 on the rear axle and TM2 on the front axle of the vehicle, which is advantageous for integration into the driving dynamics system according to the first embodiment (“Architecture I”).
  • This brake system can also have a redundant pressure supply in the form of a piston-cylinder unit driven by an electric motor and spindle drive.
  • the pressure supply can be equipped with a current sensor i/U and an angle sensor a/U as well as optionally with temperature sensors T/U, which measure the motor temperature of the EC motor
  • the piston-cylinder unit can also have redundant phase connections, redundant electronics and/or redundant on-board power supply connections BN1 and BN2 and data lines DS1 and DS2 for communication with the chassis domain of a central control unit (M-ECU chassis domain).
  • the brake system can also have a E-pedal with a sensor ECU and sensors, in particular with a force-path sensor based on the principle of differential path measurement (see US13/883,192), transferred to the e-pedal concept for detecting the pedal force.
  • the sensor ECU can be in direct communication with the central control unit of the chassis domain.
  • bidirectionally effective special inlet/exhaust valves can be used for each wheel brake, whereby pressure can be built up or reduced by simultaneously moving the piston of a piston-cylinder unit forwards and backwards.
  • different connections for the valves can be provided, so that the cross sections of the valves can be controlled by suitable current supply either when pressure is built up or pressure is reduced.
  • the valve seat is connected to the wheel brake, different pressure gradients can be realized when the pressure is reduced, so that the pressure in several wheel brakes can be reduced at the same time with little noise.
  • the pressure is then built up via volume control by the pressure supply unit simultaneously or in a multiplex process.
  • valve seat is connected to the pressure supply, the pressure is built up using a classic pre-pressure control.
  • outlet valves AV1-AV4 are advantageous, but are not necessarily intended for pressure reduction.
  • it makes sense to only use the outlet valves in extreme situations, as this causes the volume of the pressure supply to the reservoir to be lost;
  • it is then necessary to return volume from the storage container by withdrawing the piston, compare a control strategy according to EP 2580095 Bl.
  • the volume reduction via the exhaust valves must therefore be dimensioned such that a braking process is completely completed in order to avoid a critical control interruption can and that additional feeding only has to take place after the braking process has been completed.
  • a continuously conveying double-stroke piston can also be provided for the pressure supply, as described in EP 3 145 771 B1, or the electric traction motors can take over the braking torque control in the time phase of the interruption.
  • Such a system solution has the degrees of freedom of optional pressure reduction via the inlet/outlet valves MVzk or via outlet valves.
  • the use of exhaust valves is therefore optional and 1-4 exhaust valves can be provided.
  • the exhaust valves only offer a further degree of freedom in the pressure reduction options. It makes sense that all wheels can be equipped with exhaust valves when the system is introduced, although their number will later be reduced step by step as part of product maintenance.
  • the well-known multiplex process on two wheel brakes can be combined with the classic pressure control on two additional wheel brakes via inlet/exhaust valves.
  • standard inlet valves are used instead of the inlet/exhaust valves or the MVzk valves are only used for pressure build-up and pressure reduction in brake booster operation.
  • the electric traction motors can also be used advantageously in the sense of downsizing (see Figure 5) to implement an efficient blending strategy, whereby they provide a basic braking torque in ABS operation and / or in the emergency braking function AEB (see Figure 4). to achieve a faster TTL.
  • a targeted braking torque intervention is advantageously specified via the domain as a setpoint or setpoint curve, which advantageously also determines the time course of the increase in braking torque or the decrease in braking torque, so that efficient synchronization with the braking torque curve of the electric traction motors can take place.
  • the intervention can be carried out on an axle-specific or wheel-specific basis.
  • the wheel-specific intervention is primarily used for yaw moment control, for example for torque vectoring interventions, advantageously also synchronized in time with the steering intervention of the electric power steering EPS.
  • MVzk valves also has the advantage that the failure of a wheel circuit can be diagnosed and the wheel circuit can be isolated by closing the MVzk valves in the event of a fault. This means that even if a wheel circuit fails, 3-channel control operation is still possible, which can be used for ABS control, but also yaw moment interventions for steering support or emergency steering in the event of failure or partial failure of an electric power steering system.
  • the brake units are preferably designed to be redundant, for example with redundant windings and electronics, so that the individual brake units can still be operated even in the event of partial failure. This means that double to triple redundancy of the braking function can be achieved with high reliability. Even if the braking power is reduced, critical situations can still be controlled. If the pressure supply partially fails, 50% of the maximum braking torque is still built up with reduced dynamics of the 1x3 instead of 2x3 phases, i.e. around 70 bar when designed for 140 bar. This means that full ABS operation can be activated on both axles up to the blocking pressure, because the electric traction motors can then provide supporting torque on one or both axles.
  • the hydraulic brake system with the vehicle dynamics system of the present description has a very simple and cost-effective design (few solenoid valves, downsized pressure supply) and meets all SAE Level 4 redundancy requirements, as specified above.
  • Figure 6b shows a second embodiment of the electro-hydraulic brake unit EHB with two electric traction motors TM1 and TM2 on the rear axle and a traction motor TM3 on the front axle.
  • the TM3 traction motor can be dispensed with, although the two traction motors TM1 and TM2 are system-relevant and represent topology B in Figure 2.
  • the electric traction motors TM1 and TM2 are powerful with more than 50 kW per wheel.
  • the braking torque buildup and braking torque reduction are carried out dynamically.
  • the traction motors TM1 and TM2 take over the braking torque control here, while the EHB is only used in normal operation to apply a basic braking torque for the rear axle.
  • the control operation is comparable to the case shown in Figure 5 with the difference that the roles of the EHB and the traction motors are swapped and this time the EHB builds up the basic braking torque instead of the electric traction motors.
  • ABS control is carried out via the EHB and the optional TM3 traction motor provides the basic braking torque. If an optional TM3 traction motor is used on the front axle, an inexpensive drum brake can also be used here.
  • ABS is regulated axle by axle via the pressure supply device.
  • Steering interventions are then preferably carried out via control of the EPS by the driving dynamics system. If only one traction motor fails, steering interventions can also be carried out using the traction motor that is still active.
  • the pressure control can also be maintained in the event of a partial failure of the pressure supply, for example if a winding of an electric motor fails, albeit with lower power, in that the second strand of the 2x3 phases takes over the control with 50% of the power.
  • the traction motors on the rear axle can also take over anti-slip regulation (ASR) as well as torque vectoring or yaw moment interventions.
  • ASR anti-slip regulation
  • the exemplary embodiment of a hydraulic brake system according to FIG. 6b is even simpler than the system shown in FIG. 6a, since fewer solenoid valves and hydraulic lines are provided and a drum brake can be used.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 6b also meets the redundancy requirements of SAE level 4, as specified above.
  • Figure 6c shows a third embodiment with two electromechanical brakes EMB1 and EMB2 on the rear axle and a traction motor TM3 on the front axle.
  • the TM3 traction motor can be dispensed with, although the electromotive brake units EMB1 and EMB2 are system-relevant and represent the topology B and topology D in Figure 2. Only one hydraulic line leads from the pressure supply of the EHB to the two wheel brakes RB3 and RB4 on the rear axle. In particular, only an inexpensive drum brake can be used on the rear axle.
  • the electromechanical brake units EMB1 and EMB2 are sensibly designed for the locking braking torque with a small reserve for fading (20% reserve); For cost reasons, the electromechanical brake units EMB1, EMB2 can also be advantageously designed for a braking torque below the blocking limit (approximately 50% of the blocking braking torque). In normal operation, the braking torque for regulating at maximum deceleration can be safely achieved thanks to the EHB support, without putting too much thermal stress on a drum brake. If the hydraulic line fails, it is entirely acceptable that the rear axle can contribute less braking torque to the overall deceleration than the front axle, since the influence on the braking distance extension is rather small. What is primarily important is the control operation at low-p and p-jump. 50% of the blocking torque is sufficient for safe ferry operation.
  • ABS is regulated axle by axle via the pressure supply device.
  • Steering interventions are then preferably carried out via control of the EPS by the driving dynamics system. If only one EMB electromechanical brake unit (EMB1 or EMB2) fails, steering interventions can also be carried out via the still active EMB electromechanical brake unit (EMB2 or EMB1).
  • the pressure control can also be maintained in the event of a partial failure of the pressure supply, for example if a winding of an electric motor fails, albeit with lower power, in that the second strand of the 2x3 phases takes over the control with 50% of the torque.
  • the electromechanical brake units EMB1 and EMB2 on the rear axle take over anti-slip regulation (ASR) as well as torque vectoring and/or yaw moment interventions.
  • ASR anti-slip regulation
  • the exemplary embodiment of a hydraulic brake system according to FIG. 6c is simpler than the system shown in FIG. 6a, since fewer solenoid valves and hydraulic lines are provided and a drum brake is used can.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 6c also meets the redundancy requirements of SAE level 4, as specified above.
  • Figure 6d shows a fourth variant of the electro-hydraulic brake unit EHB for integration into the vehicle dynamics system, whereby here only one electro-hydraulic brake is provided for the front axle and on the rear axle, as in Figure 6b, there is also an electric traction motor TM 1 and TM2 for each wheel is provided.
  • the rear axle is not supported by a basic braking torque via the EHB, that is, the traction motors are advantageously designed to be more powerful and can apply a braking torque up to the blocking limit and also regulate it dynamically.
  • EHB electro-hydraulic brake unit
  • the traction motors TM1 and TM2 take on many functions (ESP interventions, ASR interventions, ABS interventions, EBV brake torque position) and are controlled synchronously in time via the vehicle dynamics system with the electro-hydraulic brake units EHB of the front axle, which means that the braking torque setpoints are also in time Process synchronized.
  • Fig. 7a shows two curves of engine torque-speed maps, scaled with a gear ratio to the speed of a vehicle with 1,800 kg up to a maximum speed of 200 km/h, therefore shown as an engine torque-vehicle speed map.
  • a first engine torque Vehicle speed map 1 (referred to as "MBrem_normal" in FIG.
  • an inverter can advantageously be used, which enables the coils to be switched from a series connection to a parallel connection of coil windings. This halves the inductance and a higher torque can be generated with a given voltage at the same speed; At the same time, the torque dynamics also increase by 100%, which is very advantageous for highly dynamic braking torque control in ABS operation.
  • the inverter should be designed in such a way that, similar to a 2x3-phase inverter concept, operation is still possible if one or more components (power semiconductors, coil windings) fail in order to prevent a complete failure of the electric traction motor as a braking unit.
  • Figure 7b shows a converter which, in contrast to similar systems in the prior art, makes do with only 18 switching elements instead of 30 to over 40 switching elements and which, like standard converters of a brushless motor, can also be operated in 4-quadrant operation.
  • the four quadrants result from positive or negative torque and positive or negative speed.
  • the 4-quadrant operation enables, on the one hand, a motor torque boost operating mode in which the torque is temporarily increased by up to 100%, and on the other hand, redundancy is maintained in the event of failure of one or more components (circuit breakers, coil windings).
  • Inverters with the options described above are initially still more complex than a standard inverter with three phases, which typically have six switching elements, due to the amount of interconnections and components.
  • RSP-4Q inverter The configuration of the new inverter according to the invention (referred to as "RSP-4Q inverter"), described in detail below, makes it possible to realize an inverter with only 18 switching elements (a total of only six connection switching elements and twelve supply switching elements), which makes it possible during operation of the Electric motor from a series connection to a parallel connection of the phases and vice versa.
  • the twelve supply switching elements are active, while in a series connection the six connection switching elements and six of the twelve supply switching elements are active.
  • “Active” can be understood to mean that these switching elements are controlled in a clocked manner while the other switching elements are freewheeling, for example.
  • the switchover from series connection to parallel connection or vice versa takes place depending on the failure of one or more operating elements.
  • the operating elements can be understood to mean the switching elements, for example supply switching elements and connection switching elements, and/or the coils of the individual phases.
  • This configuration makes it possible in a simple manner to continue to operate the electric motor in the event of a failure of one or more operating elements by switching from the series connection to the parallel connection.
  • the inverter shown in Figure 7b, as described in WO 2021/179980, is connected to an electric motor 4 with six phases U, V, W, U ', V', W', which is only shown schematically with a circuit and its connections is shown.
  • Each phase U, V, W, U', V', W' has at least one coil 6. Two phases each
  • phase U, V, W, U', V', W' are combined into one strand.
  • a strand is shown in FIG. 7b as an example by encircling the phases that form the strand.
  • One of the two phases U, V, W, U', V', W' of the rod is electrically rotated by 180 degrees to the other phase U, V, W, U', V', W' of the same strand 8, so switched inverted.
  • the inverted phases U', V', W' are marked with a line to distinguish the other phase U, V, W.
  • phase U' is the phase inverted to phase U
  • phase V' is the phase inverted to phase V
  • phase W' is the phase inverted to phase W.
  • the converter also has six switching units 10, which are shown by dashed rectangles.
  • One switching unit 10 is assigned to a phase U, V, W, U', V', W'.
  • the switching units 10 form the two phases U,
  • each switching unit 10 forms a switching module, so that the converter according to the invention according to FIG. 7b has three switching modules.
  • Each switching unit 10 is connected to one which applies a supply voltage to the individual phases U, V, W, U', V', W'.
  • each switching unit 10 has two supply switching elements 16.
  • the supply switching elements 16 are designed as MOSFETs in the exemplary embodiment.
  • the converter 2 has a control unit which is set up to control the supply switching elements 16 and the connection switching elements 20.
  • the converter 2 has a fuse unit (not shown in FIG. 7b), which is also referred to as a “circuit breaker module” and is arranged between the electric motor 4 and the converter 2.
  • the fuse unit has switching elements, not shown, which are set up for this purpose , to preferably electrically isolate the electric motor 4 from the converter 2 in the event of a fault. Due to its simplicity, the RSP-4Q inverter described here is used for the torque boost control strategy as described in Fig. 7a.
  • inverters may also be suitable which enable the inductances to be switched during operation, such as an inverter with switching between delta and star connections or another inverter such as those in DE 11 2018 000 733 T5 or DE 11 2018 001 213 T can be used.
  • Figure 8 shows an advantageous embodiment of a tightening-resistant, bidirectionally effective inlet-exhaust valve MV 2 k, which is used to implement the pressure control functions in the EHB brake systems of Figures 6a to 6d or for an axle pressure actuator according to Figures 9a and 9b.
  • Figure 8 shows a special valve MVzk required for the embodiments mentioned, which functions safely in both flow directions. This means that the functionality of the valve is guaranteed, even with large flow rates, such as 100 cm 3 /s - 120 cm 3 /s, or large pressure differences across the valve, such as 160 bar - 220 bar.
  • This valve MV 2k ensures that it does not close automatically, particularly for the previously described ranges of parameters.
  • the valve MV 2 k basically has the typical structure of a solenoid valve with an electromagnetic circuit EMI with an armature 6, a valve actuator or valve tappet 7 and a valve seat 8 as well as a return spring 13.
  • the return spring can be dispensed with if the additional force device, which is shown in Figure 8 is formed by an electromagnetic circuit EM2, is designed accordingly.
  • the magnetic circuit EMI generates (see Figure 8a) a strong progressive force curve FM1 over a stroke h and the return spring 13 generates a restoring force FRF that is progressive over the stroke h to reset the armature.
  • the anchor 6 is coupled to a second force-generating element, which forms an additional force device.
  • This can consist of a second electromagnetic circuit EM2 with an armature 6a, whose switchable force FM 2 counteracts the force FMI of the first magnetic circuit EMI.
  • a permanent magnetic circuit can also be used as a passive additional force device, comprising a small permanent magnet 9 with a pole plate 10.
  • FM2 counteracts FMI and acts with a relatively strong force when the valve is open with a strong desired drop in force over the stroke h.
  • Figure 8c shows the interaction of the power sources FMI as a function of the current strength and FM2 for the permanent magnet.
  • the pressure difference P2-P1 acts on the valve seat with the force FP, which is directed towards the valve opening when the pressure P2 is greater than the pressure PI.
  • a force FH acts when flow through the valve starts from the valve armature connection (14) towards the valve seat connection (16), depending on the level of the volume flow Q due to the Bernouilli effect. If the volume flow Q is very high, for example with high pressure differences, this can result in the valve being pushed closed solely by the flow force FH. This means that the valve closes and can no longer be opened.
  • the force of the additional power device FM2 counteracts the force FH and prevents the valve from closing, even with large pressure differences that can occur during brake system operation.
  • the additional force FM is highest when the valve is in the open position, which can be achieved, for example, by a permanent magnet circuit, and acts over the entire stroke range and supports the restoring force of the valve spring FRF in such a way that the valve, when flowing through with a volume flow Q, is independent of the valve position , that is, especially in a half-closed state, is always returned to the open valve position.
  • valve return spring 13 can also be dispensed with.
  • the valve must also be designed in such a way that when the valve is energized by activating the magnetic circuit EMI, the primary valve force FMI can overcome the sum of both forces (FMZ+FRF), so that the valve can close when energized.
  • a tightening-resistant valve design is also relevant when the pressure supply device is connected to the armature connection, compare Figures 9a and 9b, and pressure is built up very quickly with the pressure supply unit.
  • a rapid build-up of pressure occurs, for example, with the automatic emergency brake (AEB) or with the multiplex process with pressure curve control via volume control/control of the pressure supply device instead of pre-pressure control and pressure curve control via volume flow throttle control of the PWM control of the inlet valves.
  • AEB automatic emergency brake
  • the closing effect cannot be achieved by limiting the pressure difference in the control of the pressure supply unit or preferably by means of a pressure difference limitation in the figures
  • the throttle shown can be limited, with the throttle being mounted in front of the anchor connection of the valve connection in a hydraulic line.
  • a pressure relief valve is arranged in a hydraulic parallel connection to the switching valve, which opens at high differential pressures and thus limits the hydraulic force FH effective due to the Bernoulli effect and therefore does not require the additional power device FM2. This simplifies the valve design, but limits the pressure change dynamics via the hydraulic pressure supply.
  • a wheel circuit can be separated by closing an inlet valve SV, which is arranged between the wheel brake and the pressure supply.
  • the hydraulic braking system with n wheel circles can then be operated with one less wheel circle, that is, with n-l wheel circles.
  • a very high deceleration can still be achieved after the inlet valve SV has been closed and yaw moment control with 3 wheel brakes or an ESP function can also be maintained.
  • the valve tappet 7 can also have a special shape, which provides the counterforce through hydraulic flow forces and can reduce the closing force.
  • Figure 8c shows the electrical control of the valve via a current i.
  • the current intensity il is selected in the closed valve position so that FMI is greater than FM2.
  • the current can then be varied in the closed position of the valve, at current i2, depending on the hydraulic differential pressure P2-P1 across the valve. Since the force FM2 for the reasons described in this position is in the area of is the usual spring force, the valve can also be operated, for example, with a current control or current regulation.
  • Figure 9a describes the structure of a pressure actuator in the form of a piston-cylinder unit driven by an electric motor via a gearbox, to which two wheel brakes RI and R2 and optionally further hydraulic consumers Vx are connected via hydraulic lines.
  • Further hydraulic consumers Vx can be other wheel brakes or other hydraulic consumers, for example hydraulic pistons of clutch(es) or a hydraulic power steering or other actuating pistons of a vehicle axle.
  • the pressure actuator is preferably also connected to a valve device with a storage container VB.
  • the pressure actuator preferably has 2x3-phase connections to two control devices ECU I EHB and ECU2EHB, with current sensors i/U and angle sensors a/U being provided, which are preferably also designed redundantly and which are used for high-precision PPC pressure control or pressure regulation via piston position or current.
  • a pressure sensor p/U is preferably provided at the outlet of the pressure supply and is primarily used for calibration purposes.
  • the pressure regulation or pressure control can also be carried out without this pressure transmitter if the connection between EHB braking torque and current or piston position is established in another way, for example by using acceleration sensors or a comparison with the braking torques or the vehicle deceleration by braking torques from electric traction motors TM1- TM4.
  • the solenoid valves used are bidirectionally acting inlet/outlet valves, which are referred to here as “MV2k-”.
  • the MV2k valves are operated in such a way that both pressure can be built up and pressure reduced via the solenoid valves, with the pressure change occurring in particular in a highly dynamic manner. that means with > 1000 bar/sec, preferably > 2000 bar/sec.
  • the valves must be designed to be tightening-resistant in accordance with the system specification, i.e. in accordance with the required maximum pressures and maximum volume flows.
  • Solenoid valves with a first soft iron magnetic circuit EMI and a second permanent magnetic circuit EM2 according to Figures 8-8c are preferably used.
  • modified inlet valves of a standard ESP unit can also be used as MVzk, i.e. normally open solenoid valves with a standard valve opening cross section and 6 mm magnet armature diameter without a second permanent magnet circuit EM2, which in the classic design can also be designed to be tightening-resistant, in particular due to the The lower maximum pressures occurring in the present driving dynamics system and the therefore lower closing forces when pressure changes with maximum pressure gradients.
  • inlet valves of an ABS/ESP unit are used as MVzk valves, then they must be designed according to the pressure differences and rates of pressure change, for example with a stronger magnetic circuit with a larger armature and/or stronger return springs.
  • the pressure gradient and/or pressure differences can be limited by controlling the pressure build-up via software, so that a dynamic pressure build-up does not lead to the solenoid valves closing.
  • the solenoid valves are designed without a check valve connected in parallel or that there is no check valve arranged in parallel in the hydraulic line in the hydraulic connection between a wheel brake R1, R2 or a hydraulic consumer Vx and the pressure supply device is.
  • a 4-circuit EHB becomes a 3-circuit EHB
  • a 3-circuit EHB becomes a 2-circuit EHB.
  • valve seat of the MVzk valve is connected to the wheel circuit and that its armature space is connected to the pressure actuator.
  • the pressure is built up one after the other using the known multiplex process.
  • the dead time of the pressure build-up can be avoided by a braking torque gradient using an electric traction motor, which is possible if an electric traction motor for wheel-specific drive is available.
  • the braking torque can only be built up via the traction motor of an axle, which is possible in particular if both wheels on two wheels on an axle have the same increase in braking torque.
  • the pressure build-up can also take place simultaneously by timing the valves, that is, a variable pre-pressure is specified by the piston and one valve is closed earlier than the second valve.
  • the pressure is reduced simultaneously on several wheel brakes via piston control using the pressure volume characteristic and PWM control Valves or current control of the valves. This means that a variable flow cross section is set via a stream so that different pressure reduction gradients can be achieved.
  • PPC-Gen2-Vl potent pressure control of the 2nd generation with valve connection VI: valve seat inlet/exhaust valve MVzk on wheel brake.
  • Figure 9b describes the structure of a pressure actuator with a piston-cylinder unit driven by an electric motor via a gearbox with MVzk switching valves, the valve seat of which, in contrast to Figure 9a, is connected to the hydraulic line to the pressure actuator and whose armature space is connected to the wheel brake.
  • Optional exhaust valves are also provided.
  • a second variant of a pressure control PPC-Genl-V2 can be realized, with bidirectionally acting inlet/outlet valves MVzk as well as forward and backward movement of the piston of a piston-cylinder unit via current or piston control as well as simultaneous pressure gradient-controlled pressure build-up.
  • the valve design of the MV2k valves is similar to the configuration shown in Figure 9a and therefore transferable, as is the PPC pressure regulation or pressure control and the preferably redundant design of the engines with redundant electronics ECU IEHB, ECU2EHB and sensors a/U, i/U.
  • the pressure is reduced in the known multiplex process one after the other with a time delay AtMux or via a time control of exhaust valves, as is known from classic ABS systems.
  • the pressure reduction can also take place simultaneously in one wheel circuit (R2) via inlet/exhaust valves using piston control based on the pressure volume characteristic, while it takes place in a second wheel circuit (RI') via exhaust valves. This allows the AtMux time delay to be avoided.
  • the pressure can be reduced very quickly in critical driving situations, for example with high-p or a p-jump.
  • another control state for example at low-p, that is to say when controlling on ice and snow, the control can be carried out using the known multiplex method.
  • very short braking distances can be achieved in all driving situations.
  • the combination of the pressure reduction via outlet valves with inlet/outlet valves has the further advantage that no tightening MVzk valves designed for high pressure differences and volume flows need to be used, because when the pressure is reduced, the MVzk valves do not have to be flowed through with high flow rates, as pressure reductions occur high pressure gradients via outlet valves.
  • the MVzk valves are subject to less stress when reducing pressure because the described electro-hydraulic brake unit EHB for the vehicle dynamics system is designed for a maximum pressure of a maximum of 140 bar and the valves are not, as shown in Figure 8a, pressure-resistant for 160 bar - 220 bar must.
  • modified standard inlet valves of an ESP unit with typical valve opening cross sections, but without check valves connected in parallel can be used. The advantages without parallel check valves were described above with reference to Figure 9a and apply analogously to Figure 9b.
  • the pressure can be reduced quickly in all driving situations, which means that the demands on the dynamics of the pressure actuator's drive motor can also be significantly reduced.
  • the hydraulic brake circuit can primarily be operated in a closed brake circuit. This means that the critical replenishment of hydraulic fluid in regular operation - typical for open systems according to the prior art (DE 10 2018 212 905 Al), which are regulated according to the method described in EP 2 580 095 Bl - can be dispensed with.
  • the replenishment of volume in open systems is increasingly viewed as critical, as time interruptions of more than 100 ms can lead to critical driving situations.
  • a braking system that is embedded in the driving dynamics system described here can take on more functions in addition to pure ABS control operation, such as further braking torque interventions such as torque vectoring interventions. This could cause it to lose hydraulic volume in the open circuit.
  • MV2K valve according to the invention is used as the switching valve, a wheel circuit failure can also be diagnosed analogously to the case described with reference to FIG not possible.
  • PPC-Gen2-V2 actuator pressure control of the 2nd generation with valve connection V2: valve seat inlet/outlet valve MVzk on pressure supply.
  • standard inlet valves of an ABS/ESP unit can also be used, which are designed according to the pressure differences and rates of pressure change, for example with a stronger magnetic circuit and/or stronger return springs. Due to the fact that the pressure range of the vehicle dynamics system control described here is lower than with standard brake systems, the requirements for the solenoid valves are lower.
  • a simple pump for example a 2-piston pump according to the prior art for ABS pumps or a gear pump according to WO 2021 005 151 Al, can also be used.
  • a 2-piston pump With a 2-piston pump, the pressure reduction is controlled via outlet valves and the pressure build-up is regulated via an inlet pressure and PWM control of the inlet valves.
  • a gear pump there is the same degree of freedom as with the piston-cylinder unit because pressure can be applied either via outlet valves or via the gear pump by changing the direction of rotation.
  • the design has cost advantages, but disadvantages in the precision of the braking torque control due to leaks in the gear pump.
  • Figure 10 shows the advantageous “architecture II” of the driving dynamics system for E-axles, with several brake units acting on the front and rear axles.
  • Brake units are traction motors TM1, TM2, TM3, hydraulic pressure actuators EHBHA, EHBVA and/or EMB modules for wheel brakes.
  • the central control unit takes over the regulation of the braking torque and sends target signals to the S-ECUVA and S-ECUHA control units of the axles.
  • the following functions are preferably implemented:
  • the driving dynamics system sends target values, in particular including braking torques or braking pressures.
  • target signals for pressure control or pressure regulation for example control signals for solenoid valves for functions such as the switching duration of the opening time, PWM frequency or alternatively the current profile when the pressure changes, are also used throttled valve cross sections, and / or pre-pressures for the pressure supply device to build up or reduce pressure.
  • the M-ECU domain can also have an interface to the control unit or domain of the autonomous driving M-ECUAD and can evaluate further information that is helpful for effective and predictive control. This is, for example, camera information about the condition of the road (snow, ice, rain) or information about the surroundings (distances to passers-by and/or other vehicles).
  • a first embodiment of an axle module is described with reference to FIG. 11a.
  • electromotive brake units EMB1, EMB2 are provided on each wheel, and an electric traction motor TM1 is also provided for the axle.
  • a control unit of the S-ECU axis communicates with the electromotive brake units EMB1, EMB2 and the electric traction motor TM1 and sends corresponding target signals in such a way that a braking torque is preferably regulated at the same time by means of the electromotive brake units EMB1, EMB2 and the traction motor TM1.
  • the braking torques preferably have an additive effect on the wheels even in regular operation.
  • a basic braking torque is preferably built up with the traction motor TM1, which reduces the braking torque amplitude of the EMB modules (see description above with reference to FIG. 5).
  • the base braking torque of the traction motor TM1 can also be reduced at the same time as the EMB braking torque of the wheel brakes, whereby higher braking torque gradients can be achieved. This is particularly important in critical driving situations such as a ⁇ . jump (see above description of control situations with reference to Figure 5b). This can also be used advantageously to downsize the EMB modules with low maximum forces and lower power of the EMB drive motors.
  • An electro-hydraulic pressure actuator EHB is combined with EMB modules in an axle module, the pressure actuator preferably being constructed according to FIGS. 9a and 9b and enabling wheel-specific control.
  • wheel-specific control can be carried out either by the EMB modules or by means of the electro-hydraulic brake unit EHB.
  • Such a configuration is designed in particular for the front axle of an autonomous vehicle, where higher requirements must be met than on the rear axle, for example with regard to steerability and the large influence on the braking distance.
  • Such an axle configuration can also be used to simplify steer-by-wire systems, which typically have two steering actuators, with one steering actuator also being equipped with a 2x3 phase winding.
  • the braking torques can be used to simplify steering because safe, redundant steering can be ensured by braking torques. This leads to cost savings of up to €100 on steering.
  • a pressure actuator with only one hydraulic line on two wheel brakes is also conceivable, although this is not shown in Figure 11b.
  • a simple rotary pump in the form of a gear pump is also conceivable, by means of which pressure can be built up and pressure reduced. In this embodiment, an axle-wise braking torque can be applied.
  • the hydraulic pressure actuator then acts as a support in the control analogous to the traction motor, but due to the lack of power limitation it can also achieve a delay until the blocking pressure is reached.
  • electro-hydraulic brake unit EHB is designed for wheel-specific control as shown, but the electro-hydraulic brake unit EHB can also only be designed with 1 circuit.
  • a rear axle of a vehicle is sensibly equipped with such a configuration and the electro-hydraulic brake unit EHB is used for redundancy purposes for ABS and yaw moment control for stability interventions and steering interventions.
  • ABS is regulated via the traction motors at low-mue and supported by EHB, while at high-p ABS is regulated via the EHB and supported by traction motors.
  • Anti-slip control is carried out exclusively via the TM1 and TM2 traction motors. It makes sense to equip such an axle with a cost-effective drum brake.
  • a further embodiment is explained, in which a traction motor TM1 is combined with an electro-hydraulic brake unit EHB.
  • the variant is comparable to the exemplary embodiment shown in FIG. 11a with the difference that the function of the electromotive brake unit EMB is replaced by an electrohydraulic brake unit EHB.
  • FIG. 12 shows the maximum braking torque gradients depending on the vehicle deceleration using exemplary designs of the typical Bremsaggegate 1-Box (curve 1210), ESP standard with storage chamber (curve 1220), electric traction motor (curve 1240), electric traction motor with RSP-4Q- Inverter (Kurvel250) as well as pressure actuator with PPC-2Gen-Vl or V2 pressure control (Curve 1260) with design for high braking torque gradients, preferably with a tightening MVzk valve, for an exemplary maximum speed of 200 km/h shown.
  • MUX 2.0 includes the 2nd generation multiplex processes, such as the pressure controls PPC-Gen2-Vl and PPC-Genl-V2, which are described in the present description is described (see description with reference to Figures 9a and 9b).
  • PPC-Gen2-Vl the valve seat is connected to the wheel brake
  • PPC-Gen2-V2 the valve seat is connected to the pressure supply unit.
  • electromotive brake unit EMB and electric traction motors can, due to their principle, achieve particularly high braking torque gradients.
  • a standard ESP system with a storage chamber has the lowest gradients because there is counter pressure in the storage chamber, while 1-box brake systems reduce the pressure in the storage container and therefore have advantages.
  • area I which is typically used, for example, for ABS control on snow and ice or a delay in normal ACC braking operation is relevant, electromotive brake units EMB or traction motors are therefore preferably used for braking torque control.
  • electro-hydraulic systems pressure actuators with preferably PPC Gen2 control, 1-Box
  • PPC Gen2 control 1-Box
  • a first braking torque controller with a low braking torque gradient then supports the ABS control with a constant braking torque, while the ABS control is carried out by a more dynamic pressure controller.
  • the additive braking torques are linearized over the entire deceleration range by adding the braking torque gradients of two braking torque controllers, a high braking torque gradient can be guaranteed over the entire deceleration range.
  • the preferred characteristic is used sensibly to downsize the brake assembly gates: Motors with low drive torques and power can be used for EMB and EHB and/or smaller control valves can be used.
  • a cost-effective EHB pressure actuator with a trapezoidal spindle can be implemented, which is only suitable for lower pressure ranges due to the spindle load caused by higher pressures.
  • a vehicle model implemented in the central control unit M-ECUchassis control includes, for example, modeling data for weight distribution, a coefficient of friction of the road surface, and a tire condition and a brake pressure effect on the deceleration of the vehicle.
  • the following values are transferred to a control unit M-ECUVA of the front axle: setpoint values for the target braking torque of the right M SO II,VR and left front wheel M SO II,VL, a speed of the vehicle VF Z9 , a speed of the right VVR and left VVL front wheel, a difference torque of the right AM SO II,VR and left front wheel AM SO II,VL as well as a coefficient of friction of the road.
  • an M-n map of the traction motor TM is stored in the control unit M-ECUVA of the front axle, which indicates a dependence of the deceleration achieved by the traction motor on the speed of the vehicle or the speed of the traction motor, as well as a further map that shows the connection between the achievable braking torque gradients and a deceleration of the vehicle for the available braking units or the traction motor.
  • the M-ECUVA control unit determines target torques for a first M S0 H,TMI and second traction motor M S0 H,TM2 of the front axle, target torques for electromechanical brake units of the first M S0 H,EMB,RI and second wheel M SO II,EMB,R2 as well as target torques for electro-hydraulic brake units for the first M SO II,EHB,RI and second wheel M S0 H,EHB,R2.
  • the procedure is adapted to which braking units are actually available.
  • the braking torque is divided between the electric traction motor and the EMB according to the characteristics, in particular the braking torque gradients, as shown in FIG the electromotive brake units EMB is carried out and only a basic braking torque is provided via the electric traction motor of the respective wheel, which is used in particular for downsizing the electromotive brake units EMB. This is preferably used to a greater extent when the wheel brake is heated. If one brake unit fails, control operation is then taken over by the other brake unit, possibly with restrictions on the maximum achievable deceleration, but with fully redundant control functions on all wheels.
  • an electromechanical brake EMB (EMB1-EMB4) is combined with an electric traction motor (TM1-TM4), so that each wheel module forms an assembly and is each controlled via a wheel module control unit (M-ECU-Radl - M-ECU-Rad4). becomes.
  • the respective wheel module control unit synchronizes the torque control of the electric traction motor in time and divides it Depending on the driving situation, such as the coefficient of friction or speed, the braking torque is applied differently to the EMB and the traction motor TM.
  • the traction motor and the EMB each have a further control unit (ECU-EMB, ECU-TM), which in particular contains the output stages of the converter and the engine control and works with a faster cycle time, while the decision heuristics and the decision heuristics are preferably in the wheel module control unit M-ECU-Rad Maps are shown.
  • ECU-EMB ECU-TM
  • M-ECU-Rad Maps wheel module control unit
  • the domain module control units (M-ECU-Radl to M-ECU-Rad4) also communicated with the central control unit (M-ECU domain), where in particular wheel speeds VRI-VR4 and in particular other sensor signals SI, S2, Si, are read.
  • wheel module control units ECU-Radl to M-ECU-Rad4
  • wheel speeds VRI-VR4 as well as sensor signals SI, S2, Si. They can also execute functions of the central control unit (M-ECU domain) redundantly.
  • wheel-specific control can be carried out either by the EMB modules or the traction motor.
  • This enables maximum degrees of freedom in pressure control, but also redundancies in wheel-specific pressure control, as required for SAE Level 4-5, for example.
  • an ABS control function can be implemented redundantly and also with two different designs of the braking torque controller, which is particularly advantageous in terms of meeting the redundancy requirements. If one wheel module fails, very safe and reliable control with short braking distances and yaw moment control options can still be implemented with three wheel modules. If either the electromotive brake unit EMB or the traction motor fails within a wheel module, the other component that has not failed takes over the control of the braking process.
  • the electromotive brake unit EMB is designed to achieve the blocking pressure, so that if the traction motor fails, braking can still be carried out with maximum deceleration via the electromotive brake unit EMB; However, the generous reserve for fading (typically 100%) is omitted, which means that the electromotive brake unit EMB only has a small reserve in addition to the maximum braking torque without heating, for example 20-40%.
  • the electromotive brake unit EMB and the electric traction motor TM are designed in such a way that the maximum deceleration is achieved in a combination of the braking torques of EMB and TM and the friction brake is designed according to the maximum braking torque of the electromechanical brake unit EMB.
  • Variant b) is the preferred design because this has the greatest potential for cost reduction and weight reduction. However, in an initial introduction scenario of the technology, variant a) may make sense in terms of risk minimization.
  • the two variants a) and b) mentioned offer sufficient safety for SAE Level 5, because both if a component of the wheel module fails or if the entire wheel module fails, the vehicle can still be decelerated with high vehicle stability and even ABS operation. There is only a loss in braking distance at high speeds and deceleration.
  • the systems described here in particular the driving dynamics system, the vehicle and the method, enable large cost savings for the core components of braking and steering of the vehicle.
  • significant gains in weight can be achieved, which in turn leads to further cost savings.
  • dissipative braking systems can be made smaller because they only have to apply a smaller portion of the total braking torque.
  • the problem The fading caused by excessive heating of the friction brake can also be reduced.
  • the basic braking function (function a) is optimized with the driving dynamics system and central control as well as a blending strategy according to Figure 3, that is, for example, 51% is via the traction motor on the front axle and 71% % on the rear axle is braked regeneratively, then the heating of the wheel brake can be minimized.
  • the brake system can be designed for a lower pressure, which reduces the costs of the electro-hydraulic brake unit EHB, and on the other hand, the foundation brake can be made significantly weaker. This can be achieved, for example, with smaller brake discs, smaller brake shoes and cheaper materials.
  • An inexpensive drum brake can also be used on both the front and rear axles.
  • the traction motor on the rear axle can be designed in such a way that torque can be generated for each wheel, either by a traction motor with a torque vectoring module or preferably by Division of the power of a 130 kW motor into two electric traction motors TM1, TM2 with 65 kW each.
  • the latter embodiment with two motors is advantageous because dynamic braking torques on both wheels can be varied independently of one another.
  • a braking torque is synchronously regulated via the driving dynamics system via the electric traction motor and the electro-hydraulic brake module EHB, in particular one brake unit providing a basic braking torque, while the second brake unit provides an additional regulated braking torque (control strategy according to FIG. 5), then you can the costs and weight of the system can be further significantly reduced.
  • the costs for the electro-hydraulic brake unit EHB in particular according to the embodiment of FIG. 6a, can be reduced by less and More cost-effective valves and even lower maximum pressures and volumes can be reduced.
  • a cost-effective trapezoidal spindle can be used instead of a ball screw drive. It is also possible to use a drum brake on both the front and rear axles.
  • the rear axle can be decelerated exclusively via the electric traction motor for the entire vehicle speed range up to the maximum speed. If the control function described here is also carried out via the electric traction motors TM1 and TM2, the foundation brake can be completely dispensed with on the rear axle.
  • the friction brake can be reduced in terms of costs and weight by providing brake support via electric traction motors in the basic brake function (a).
  • a cost-effective disc brake on the front axle and a drum brake on the rear axle costs can be reduced even further.
  • an electro-hydraulic braking system according to Figure 6a is used and accordingly
  • the control of the driving dynamics system described here with the basic brake and control function uses the traction motors on both axles to provide support, then with the additional redundancy functions described above, as described above with reference to Figure 6a, and with a redundant design of the pressure supply device, a functional redundancy level for AD Level 3 -4 can be achieved.
  • the hydraulic brake system is designed with 4 circuits and can still be operated with 3 circuits in the event of a failure.
  • the third embodiment explained above is used as a basis, where a control ECU (S-ECUkadi, S-ECURad2, S-ECURad3, S-ECURad4) is provided for each wheel module, which is common a torque of the drive motor and the EMB regulates.
  • a control ECU S-ECUkadi, S-ECURad2, S-ECURad3, S-ECURad4
  • the EMB can be significantly downsized because lower maximum torques are necessary.
  • the EMB described here is also significantly easier to apply and integrate into a central control of the vehicle dynamics system. Another advantage is the independence from a brake manufacturer.
  • the electric power steering EPS can also be optionally omitted because steering can be done via the wheel motors at different engine speeds. This is also the case with an FDS variant C2 with EHB axle modules with piston-cylinder -Unit, the EHB can be significantly downsized, as lower maximum torques must be achievable. By braking together using a traction motor and EHB, the friction brake can also be made significantly lighter and more cost-effective. Two pressure actuators thus achieve a lower cost level and also offer the necessary redundancies for SAE Level 5.
  • the solutions have the great advantage that components that are manufactured in large quantities, such as the hydraulic pressure supply or solenoid valves, are already available, making rapid series introduction possible without high capital costs.
  • a driving dynamics system (FDS) or electric vehicle with a central control includes a driving dynamics system (FDS) with one of the FDS architectures I, II or III
  • EMB braking device
  • a central computer by means of which both the at least 1 electric traction motor (TM1-TM4) and at least one braking device (EHB, EMB) are jointly controlled during braking processes via a control unit (M-ECU domain, S-ECU axis, S-ECURad) and target signals to control units of traction motor(s) (TM1-TM4) and braking device (EHB, EMB) for execution,
  • a central computer with at least one of the core functions ABS, ESP, EBV, ASR, ACC, AEB, Reku management with regenerative brakes via electric traction motors on several axles and/or at least one of the core functions (A)-(G) controlled via the central computer or is controlled, whereby
  • a braking torque is generated with at least one traction motor (TM1-TM4) and at the same time at least one EHB or EMB and a braking unit (EMB, EHB) and/or electric traction motor (TM1-TM4) a braking torque control carried out on at least 3 wheels of a vehicle, such that a braking torque on three wheels of a vehicle can be regulated in every vehicle status.
  • TM1-TM4 traction motor
  • EMB a braking unit
  • TM1-TM4 electric traction motor

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrdynamiksystem für ein Fahrzeug, umfassend zumindest eine Radbremse (RB1, RB2. RB3, RB4) zum dissipativen Abbremsen eines Rades des Fahrzeugs; zumindest ein Bremsaggregat (EMB, EHB), das der zumindest einen Radbremse (RB1, RB2, RB3, RB4) zugeordnet und dazu eingerichtet ist, mittels der zumindest einen Radbremse (RB1, RB2, RB3, RB4) ein dissipatives Bremsmoment zu erzeugen; zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4), der dazu ansteuerbar ist, ein regeneratives Bremsmoment für zumindest ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs zu erzeugen; und eine zentrale Steuereinheit (M-ECUDomäne), die dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) und den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) für eine Bremsfunktion in Kombination miteinander so anzusteuern, dass ein kombiniertes Bremsmoment mittels des zumindest einen Bremsaggregats (EMB, EHB) und des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors (TM1, TM2, TM3, TM4) erzeugbar ist. Dabei betrifft die Bremsfunktion einen Regelfall, bei dem gleichzeitig ein Basisbremsmoment und ein geregeltes zusätzliches Bremsmoment gesteuert und/oder geregelt wird; wobei optional das Basisbremsmoment durch das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) erzeugt wird und das geregelte zusätzliche Bremsmoment durch den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) erzeugt wird; oder das Basisbremsmoment durch den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) und das geregelte zusätzliche Bremsmoment durch das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) erzeugt wird; oder das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) und der zumindest eine elektrische Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) jeweils gemeinsam das Basisbremsmoment und das geregelte zusätzliche Bremsmoment erzeugen.

Description

Fahrdynamiksystem, Fahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines Fahrdynamiksystems
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrdynamiksystem (FDS) mit einem oder mehreren elektrischen Traktionsmotor(en) sowie einem leistungsstarken Zentralrechner, wobei über den Zentralrechner elektrische Traktionsmotor(en) und Bremsmodule (EMB, EHB) synchronisiert angesteuert werden, derart, dass bei Traktionsmotor(en) und Bremsmodul(en) (EMB, EHB) gemeinsam im der Basisbremse und Regelbetriebsfunktion angesteuert werden. Sie betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem Fahrdynamiksystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Fahrdynamiksystems.
Vorzugsweise sind Bremse und elektrische Traktionsmotoren zusammengeführt als Radmodule oder E-Fahrzeugachsmodule, wobei über ein weiteres Rad- oder Achsmodulsteuergerät synchronisiert Radbremse und elektrischer Traktionsmotor angesteuert werden.
Die Automobilindustrie befindet sich in einem disruptiven Veränderungsprozess. Neben der zunehmenden Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen werden verschiedene Stufen des automatisierten Fahrens durchlaufen, dies sind zunächst: Stufe 3 - Hoch Automatisiertes Fahren (HAD), Stufe 4 - Voll Automatisiertes Fahren (FAD) und Stufe 5 - Autonomes Fahren (AD), wobei bei jeder Stufe die Anforderungen an die verwendeten Systeme zur Regelung der Fahrdynamik steigen.
Ab Stufe 4 (FAD) werden für ausreichende Systemverfügbarkeit mindestens 2-fach, besser 3-fache Redundanzen erwartet, z. B. bei den Pedalsensoren mit der Regel „2 aus 3". Weiter wird für das automatisierte Fahren ab Stufe 3, insbesondere ab Stufe 4 eine redundante radindividueller Bremsmomentregelung gefordert. In Stufe 5 (AD) fallen das Lenkrad sowie Brems- und Gaspedal ggf. komplett weg und das Fahrzeug wird ausschließlich über einen Zentralrechner gesteuert. Da der Fahrer beim Ausfall von Systemen nicht mehr über ein Bremspedal bzw. durch ein Lenkrad eingreifen kann, wird eine fehlersichere 2-Fach- bzw. 3-Fach-Redundanz mit Degrading aller Kernfunktionen der Bremse (Bremskraftverstärkung, ABS, Fahrzeugstabilisierung) und Lenkung gefordert.
Zudem wird die Domänenstruktur eingeführt mit Steuergeräten/Domänen für die Fahrwerkskontrolle, welche die Bremse, Elektroantrieb, Lenkung und optional auch die Dämpfung umfasst. Durch die zentrale Steuerung übernimmt der Fahrzeughersteller die Verantwortung über die oben genannten Aggregate und kann in Folge auch Synergien optimal ausschöpfen. Er muss aber gleichzeitig die erforderlichen Redundanzen sicherstellen, weil aufgrund des Haftungsübergangs vom Fahrer des Fahrzeuges auf den Hersteller des Fahrzeuges neue Anforderungen erfüllt werden müssen. Zudem sollen Fahrzeuge des autonomen Fahrens der Stufe 3-5 nicht an den Seitenstreifen der Fahrbahn abgestellt werden; zumindest ist ein Limp-Home- Mode mehr als gewünscht, eher sogar eine Fortsetzung des Betriebes bei Teilausfall, da autonom fahrende Fahrzeuge eine hohe Nutzungsdauer anstreben.
Als Reibbremssystem sind elektrohydraulische Bremssysteme (kurz: EHB) oder elektromechanische Bremse (kurz: EMB) sowie Fundamentbremse mit Bremsbacken und Bremsscheiben verfügbar. Die EMB hat gegenüber der EHB den Nachteil der höheren Kosten, da für jedes Rad eine EMB erforderlich ist; sie hat jedoch den Vorteil, dass die EMB viel einfacher zentral gesteuert werden kann, da eine zentrales Fahrdynamikregelungssystem FDS mit ABS und ESP-Funktion ohne Abhängigkeiten von Bremsenherstellern entwickelt werden kann und die Integration in die Domäne und Applikation einer elektromechanischen Bremse deutlich einfacher ist als eine elektrohydraulische Bremse. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu Standard-ABS- Systemen mit offenen Bremskreisen, wo sehr aufwändige und adaptiv lernende Druckschätzmodelle erforderlich sind. Die zunehmende Verbreitung der EMB ist daher nicht primär stückkostenmotiviert, sondern getrieben durch einen niedrigeren Applikationsaufwand und einfachere Integration.
Eine typische Fahrzeugarchitektur mit E-Antrieben für SAE Stufe 3-4 ist in Fig. la dargestellt (Figur la wurde hier entnommen: https://www.lsp-ias.com/our- world/chassis-control). Hier wird beispielsweise gemäß WO 2019/214833 Al ein elektrisches Reibbremssystem mit einem Bremskraftverstärker und einer ESP-Einheit eingesetzt. Ferner ist aus der WO 2019/002475 Al bekannt, dass die Bremse als Drucksteller, zentral gesteuert über einen Zentralrechner, nämlich eine Domäne, gesteuert werden kann, so dass die Bremsmomente im Zentralrechner bestimmt werden und die elektrohydraulische Bremse lediglich als Drucksteller zur Ausführung eines Sollbremsmomentes oder eines Solldruckes dient.
Ferner ist aus der WO 2020/165255 Al eine elektrohydraulische Bremsanlage bekannt, bei welcher bei Ausfall oder Teilausfall der Druckversorgungseinrichtung, die Bremsung über einen elektrischen Traktionsmotor und/oder eine elektrische Parkbremse durchgeführt oder unterstützt wird.
Ferner ist aus WO 2019/215278 A2 die sog. Combi-Bremse bekannt, wo an der Vorderachse eine elektrohydraulische Bremse (EHB) und an der Hinterachse eine elektromechanische Bremse (EMB) oder eine hydraulisch unterstützte elektromechanische Bremse (H-EMB) eingesetzt wird.
In der WO 2020/128081 wird ein E-Achsmodul verfolgt, wo eine Drucksteller die hydraulischen Verbraucher, insbesondere die hydraulische Radbremse mit Druck versorgt.
In der WO 2018/215397 Al wird die Idee der zentralen Steuerung von Elektromotor und elektrohydraulischer Bremse verfolgt, wobei der Schwerpunkt auf eine minimale Zeit zum Erreichen des Blockierdrucks time-to-lock, kurz: TTL) gelegt wird. Zudem wird eine Funktion des Bremsens ausschließlich über den elektrischen Traktionsmotor abhängig von der Fahrsituation durch Nutzung eines Fahrzeugmodells eingeführt.
In der WO 2021/037658A1 wird eine weitere Idee der zentralen Steuerung von elektrischem Traktionsmotor und elektrohydraulischer Bremse realisiert, nämlich die zentrale Steuerung der elektrischen Bremskraftverteilung bei gleichzeitiger Rekuperation über den Elektromotor.
Eine gesamtheitliche Optimierung der Fahrdynamikregelung sowie Kostenreduzierung durch Nutzung von Synergien von EMB oder EHB kombiniert mit elektrischen Traktionsmotoren wurde im Stand der Technik allenfalls rudimentär untersucht, da Brake-by-Wire- v&n\s& und Abbremsung über elektrische Traktionsmotoren als separate Einheiten betrachtet werden und das Abbremsen durch elektrische Traktionsmotoren aus Sicherheits- und Haftungsgründen auf eine Verzögerung von ca. 0,3 g beschränkt wurde, insbesondere um sicherheitskritische Fahrsituationen zu vermeiden. Ferner sind Batterien technisch limitiert in der Aufnahme von Energie, insbesondere bei vollem Batterieladezustand (SOC), wenn über den elektrischen Traktionsmotor regenerative Energie erzeugt wird, die eine Energiesenke benötigt. Das Synergiepotential einer gemeinsamen Nutzung zwischen Antriebsmotoren und Bremse ist sehr hoch, weil die elektrischen Antriebsmotoren durch die Hochvolttechnik (insbesondere 400 V oder 800 V) in der Entwicklung der E- Fahrzeuge immer leistungsstärker und dynamischer werden und damit das Potential haben, maßgeblich zur Verkürzung eines Bremswegs beitragen zu können. Insbesondere der kombinierte Einsatz von elektrischen Traktionsmotoren bei hochdynamischen Bremsregelungsvorgängen, insbesondere der ABS-Regelung bietet ein sehr großes Potential für neuartige innovative Ansätze.
Zudem wurden das Potential zum Downsizing- und das Kostensenkungspotential sowie Funktionsverbesserung durch eine zentrale Steuerung mit gleichzeitiger Nutzung verschiedener Aggregate beim Beschleunigen und Bremsen noch nicht untersucht.
Ferner ist der Applikationsaufwand einer Bremse aktuell durch sehr umfangreiche Applikationsarbeiten gekennzeichnet, wobei bei Bremssystemen gemäß Stand der Technik (EP 2 536 607 Bl, EP 3 036 136 Bl) mit ABS-Regelung mit Vordruckregelung über einen Plunger und Druckaufbau über Einlassventilen und Druckabbau mit Zeitsteuerung über Auslassventile komplexe Druckmodelle erforderlich sind, die für jedes Fahrzeug angepasst werden müssen. Für eine Applikation eines Fahrzeuges für alle Fahrsituationen und Reibwertbedingungen sind daher zahlreiche Applikationsingenieure über mehrere Jahre beschäftigt.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Fahrdynamiksystem (FDS) mit einer zentralen Domänensteuerung über eine Fahrdynamikdomäne oder einen Zentralrechner sowie mit Radmodulen oder Fahrzeugachsmodulen mit mehreren Bremsaggregaten (elektrischer Traktionsmotor, elektrohydraulische Drucksteller (EHB) und/oder elektromechanische Bremsaktuatoren (EMB)) bereitzustellen, wobei die Synergien zwischen den einzelnen Bremsmodulen zur Umsetzung einer Bremsaufgabe maximal ausgeschöpft werden. Dabei sollen die Gesamtkosten, das Gewicht sowie die thermische Belastung der Komponenten des Bremssystems minimiert werden. Zugleich sollen der Bremsweg minimiert und die Fahrstabilität sichergestellt werden.
So sollen die Rad- oder Achsmodule vorzugsweise derart angesteuert werden, dass das jeweilige Rad oder die Fahrzeugachse lediglich Sollbremsmomente ausführt und die Verteilung der Bremsmomente auf die Räder oder Achsen in einem Zentralrechner berechnet werden, wo auch die Kernfunktionen Anti-Blockiersystem ABS, Antischlupfregelung ASR, elektrisches Stabilitätsprogramm/Electronic Stability Control ESP/ESC, elektrische Bremskraftverteilung EBV und das rekuperative Bremsenmanagement umgesetzt werden. Die Aufgabe der Steuerelektronik des Radoder Achsmoduls wiederum ist es, die Bremssollmomente auf die verschiedenen Bremsaggregate der Räder oder der Fahrzeugachse aufzuteilen.
Ferner soll für ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Fahrdynamiksystem (FDS) ein Verfahren zur Steuerung des Fahrzeugs im hochdynamischen Bremsbetrieb (Notbremsfunktion AEB, sowie insbesondere anschließendem ABS-Regelbetrieb) bereitgestellt werden, das in Hinblick auf den Bremsweg optimiert ist und durch das die Regelbarkeit in kritischen Fahrsituationen (ABS-Betrieb auf Schnee oder Eis) optimiert werden. Zudem sollen die Bremsmodule derart gestaltet werden, dass eine schnelle Applikation möglich wird und insbesondere die Applikation automatisiert erfolgen kann.
Ferner sind die Bremsmodule vorteilhafterweise derart zu konzipieren, dass eine Unterbrechung im Regelbetrieb durch Nachfördern von Hydraulikvolumen, wie von EP 2 580 095 Bl gelehrt und in zwei integrierten Bremssystemen im Markt (DE 10 2018 212 905 Al, DE 10 2019 204 016 Al) umgesetzt, oder durch Totzeiten bei einem Multiplexregelverfahren entweder vermieden oder verhindert wird oder durch Regeleingriffe über elektrische Traktionsmotoren ausgeglichen wird.
Ferner sind die Bremsmodule vorteilhafterweise derart zu konzipieren, dass zwischen der Druckversorgungseinheit und dem hydraulischen Verbraucher, insbesondere einer Radbremse oder mehreren Radbremen einer Achse eine diagostizierbare Ventileinrichtung vorgesehen ist, insbesondere ein zuziehfestes Radventil (in der nachfolgenden Figur 6a als MV2k,i, MK2k;2, MV2k,3, MV2k,4 bezeichnet) und/oder Kreistrennventil (in der nachfolgenden Figur 6b als MV2k v bezeichnet), das für einen bidirektionalen Volumenstrom, das heißt sowohl beim Druckaufbau als auch beim Druckabbau, ausgelegt ist, welches es ermöglicht, bei Leckagen eines Verbrauchers durch Schließen der Ventileinrichtung den entsprechenden Verbraucher abzutrennen und mit einem Verbraucher weniger das System weiter zu betreiben.
Im Stand der Technik (EP 3 036 136 Bl), ist beispielsweise ein Rückschlagventil (in EP 3 036 136 Bl, Figur 1 als Einlassventil 88 und Rückschlagventil 92 bezeichnet) in einer Parallelschaltung zum Radeinlassventil vorgesehen, das erforderlich ist, um in jeder Situation, insbesondere bei einem Ausfall der ECU oder der Energieversorgung, den Druck in der Radbremse noch sicher abbauen zu können.
Die neue Gestaltung mit einer zuziehfesten Ventileinrichtung hat demgegenüber den entscheidenden Vorteil, dass der Ausfall eines Radkreises eindeutig diagnostiziert werden kann, weil keine Unsicherheit besteht, ob die Leckage durch das Schaltventil oder durch das Rückschlagventil verursacht wird. Wird die Leckage des Ventils oder der Ausfall der hydraulischen Leitung zur Radbremse oder mehreren Radbremsen diagnostiziert, zum Beispiel durch ein Verfahren, wie in WO 2018/011021 Al beschrieben, kann der Hydraulikkreis durch Schließen des Ventils sicher abgetrennt werden und das Bremssystem mit nur einem Verbraucher weniger weiter betrieben werden. Dies hat einen entscheidenden Vorteil gegenüber Bremssystemen mit typischerweise zwei Bremskreisen und vier Radbremsen (im Stand der Technik als Schwarz-Weiss-Bremskreis (II) oder diagonaler Bremskreis (X) bezeichnet), wo im Fehlerfall direkt zwei Radbremsen deaktiviert werden müssen. Der Vorteil der neuartigen Ventileinrichtung ist erheblich: Im Fehlerfall ist nämlich die erreichbare Verzögerung mit drei anstatt zwei Radkreisen signifikant höher und es wird zudem ermöglicht, dass Giermomenteingriffe für ESP und Lenkungseingriffe mit drei Radkreisen ohne große Performanceeinbußen aufrechterhalten werden können. Steht zudem ein elektrischer Antriebsmotor zum Antrieb und Bremsen des ausgefallenen Rades zur Verfügung und wird dieser in die Regelung eingebunden, so ist sogar ein Bremsmomentregelung mit vier Radbremsen im Fehlerfall noch realisierbar.
Ferner soll das Bremssystem so gestaltet sein, dass eine einfache Applikation der Kernfunktionen über die zentrale Steuerung, insbesondere bedingt durch die hohe Rechenleistung des Zentral- oder Domänenrechners automatisiert in der Applikation der Funktionen in der Entwicklung möglich ist und insbesondere auch im Fahrzeugbetrieb über Lernalgorithmen oder Artificial Intelligence (AI) sowohl vor der Erstinbetriebnahme des Fahrzeuges appliziert, als auch anschließend im Betrieb für den Normalbetrieb ohne Fehler als auch den angepassten Betrieb bei Auftreten eines Fehlers angepasst werden kann.
Beim AI-Ansatz kann ein leistungsstarker Zentralrechner mit ausreichender Leistungsfähigkeit die Aufgabe des Applikationsingenieurs übernehmen, was mit Microcontrollern gemäß Stand der Technik, wie sie bei bekannten Regel- und Steuereinheiten von Bremssystemen vorgesehen sind, aufgrund der sehr begrenzten Leistung und begrenzter Speicher nicht möglich ist. So nimmt der Zentralrechner im Fahrzeugbetrieb Messdaten auf, wertet diese aus und appliziert diverse Funktionen, insbesondere die sicherheitskritischen Funktionen ABS, ESP und AEB, im Fahrzeugbetrieb oder beim Fahrzeugstillstand, wenn das Fahrzeug nicht bewegt wird und somit die Anpassung nicht zeitkritisch ist.
Daher erfolgt die Anpassung insbesondere nach einem Fahrzeugbetrieb, wenn das Fahrzeug abgestellt wird. Hier hat die bevorzugte Ausführung als geschlossenes hydraulisches System, insbesondere mit Druckaufbau und Druckabbau über bidirektional wirkende Ventile mittels einer Druckversorgungseinheit, den großen Vorteil, dass die nichtlinearen Zusammenhänge durch geeignete Sensoren über Kennfelder (z.B. Druck-Volumen-Kennlinie, Zusammenhang zwischen Motorstrom und Bremsdruck, Zusammenhang zwischen Bremsdruck und/oder Verzögerung bei Erwärmung der Radbremse) abgebildet werden können. Ferner können diese Kennfelder im Betrieb mittels der Erfassung von Umwelteinflüssen, zum Beispiel von Luft im System oder einer Erwärmung der Radbremse, adaptiert werden.
Werden die nichtlinearen Zusammenhänge in mathematischen Funktionen oder Kennfelder abgebildet, kann ein automatische Applikation auch eines elektrohydraulischen Bremssystems erfolgen.
Wird der AI-Ansatz konsequent bei einem hydraulischen Bremssystem (EHB) umgesetzt, so verschwindet der Vorteil der einfach regelbaren oder steuerbaren elektromechanischen Bremse (EMB) und die Vorteile der geringeren Herstellungskosten des hydraulischen Bremssystems werden wirksam, weil die Nachteile in den Applikationskosten weitestgehend verschwinden.
Des Weiteren sollen unterschiedliche Lösungsansätze abhängig von der elektrischen Antriebsarchitektur und der Stufe des automatisierten Fahrens untersucht werden. Daher werden Lösungen dargelegt für die folgenden verschiedenen Architekturen der Anordnung von elektrischen Traktionsmotoren, die in Fig. lb gezeigt sind: a) Ein elektrischer Traktionsmotor TM1, TM2 an Hinterachse HA oder Vorderachse VA; b) Ein elektrischer Traktionsmotor TM1 an Hinterachse HA und ein elektrischer Traktionsmotor TM3 an Vorderachse VA; c) Zwei elektrische Traktionsmotoren TM1, TM2 an Hinterachse HA für radindividuelle Drehmomentregelung beider Räder RI, R2; sowie d) Zwei elektrische Traktionsmotoren TM1, TM2 an Hinterachse HA sowie ein elektrischer Traktionsmotor TM3 an Vorderachse VA.
Die Varianten a) bis d) lassen sich beliebig kombinieren, wobei die wirkungsvollsten Lösungen b) und c) im Vordergrund der weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltungen stehen.
Zusätzlich zu den E-Antriebsmodulen sollen die folgenden Konfigurationen der Bremsaggregate untersucht werden, die in Fig. 2c gezeigt sind: a) Zentrale elektrohydraulische Bremse (EHB-Z) mit radindividuellen Bremsmomentregelmöglichkeiten für vier Radbremsen (RI, R2, R3, R4) über Magnetventile; b) Achsmodule mit elektrohydraulischer Bremse (EHB-VA) mit radindividuellen Bremsmomentregelmöglichkeiten für zwei Räder (RI, R2) einer Vorderachse (VA) kombiniert optional mit einer hydraulischen Leitung zu zwei Radbremsen (R3, R4) einer Hinterachse (HA) (vergleiche etwa die unten näher erläuterten Figuren 6b und 6c); c) Achsmodule mit elektrohydraulischer Bremse (EHB1, EHB2) für jeweils zwei Räder (RI, R2; R3, R4) einer Achse (VA, HA) mit radindividueller Bremsmomentregelung über Magnetventile; sowie d) Radmodule mit elektromechanischer Bremse (EMB1- EMB4) für jedes Rad (RI, R2, R3, R4) eines Fahrzeugs.
Zudem sollen unterschiedliche Anforderungen der SAE-Stufen 2-5 des automatisierten Fahrens in der Ausgestaltung der Ausführungsformen berücksichtigt werden. Die Lösungsansätze unterscheiden sich, abhängig davon, ob für SAE Stufe 2 nur eine Fail-Safe-Lösung und für SAE Stufe 3-5 eine Fail-Operational-Lösung erforderlich ist.
- Zunächst gelten für eine Bremsanlage folgende Prioritäten :
Aus den oben erläuterten Prioritäten, den zeitlichen Verzögerungen beim Eingriff durch den Fahrer bei Zeitdauer und Geschwindigkeit des autonomen Fährbetriebes (SAE Stufe 3-4) sowie resultierend aus der Haftungsübernahme der Automobilhersteller, werden die nachfolgenden Hauptanforderungen definiert.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Fahrdynamiksystem FDS, ein Fahrzeug mit dem Fahrdynamiksystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Fahrdynamiksystems gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Fahrdynamiksystem für ein Fahrzeug umfasst insbesondere zumindest eine Radbremse zum dissipativen Abbremsen eines Rades des Fahrzeugs sowie zumindest ein Bremsaggregat, das der zumindest einen Radbremse zugeordnet und dazu eingerichtet ist, mittels der zumindest einen Radbremse ein dissipatives Bremsmoment zu erzeugen. Es umfasst ferner zumindest einen elektrischen Traktionsmotor, der dazu ansteuerbar ist, ein regeneratives Bremsmoment für zumindest ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs zu erzeugen. Es umfasst zudem eine zentrale Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Bremsaggregat und den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor eine Bremsfunktion in Kombination miteinander so anzusteuern, dass ein kombiniertes Bremsmoment mittels des zumindest einen Bremsaggregats und des zumindest einen elektrischen erzeugbar ist. Dabei betrifft die Bremsfunktion einen Regelfall, bei dem gleichzeitig ein Basisbremsmoment und ein geregeltes zusätzliches Bremsmoment gesteuert und/oder geregelt wird. Dabei wird optional das Basisbremsmoment durch das zumindest eine Bremsaggregat erzeugt und das geregelte zusätzliche Bremsmoment wird durch den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor erzeugt; oder das Basisbremsmoment wird durch den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor und das geregelte zusätzliche Bremsmoment durch das zumindest eine Bremsaggregat erzeugt; oder das zumindest eine Bremsaggregat und der zumindest eine elektrische Traktionsmotor erzeugen jeweils gemeinsam das Basisbremsmoment und das geregelte zusätzliche Bremsmoment.
Bei einer Ausbildung der Erfindung ist die Bremsfunktion ausgewählt aus zumindest einer, vorzugsweise mehreren der folgenden Funktionen:
- automatische Notbremse (Automated Emergency Brake, AEB), insbesondere mit einer EBV- egelung, insbesondere mit einer EBV-Regelung an einer Hinterachse und einer Vorderachse des Fahrzeugs, wobei ein Gesamtbremsmoment auf die Hinterachse und die Vorderachse verteilt wird;
- Antiblockiersystem (ABS), insbesondere mit einer Basisbremsmomentunterstützung über den zumindest einen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4);
- elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP);
- elektronische Bremskraftverteilung (EBV);
- Antischlupfregelung (ASR);
- Abstandsregelung (Automated Cruise Control, ACC);
- Rekuperations-Management, insbesondere für achs- oder radindividuelle Rekuperation;
- Basisbremse mit Thermomanagement;
- Giermomentreglung bei Ausfall einer Radbremse; und/oder
- Giermomenteingriffsteuerung für Lenkungsunterstützung.
Insbesondere weist die zentrale Steuereinheit beziehungsweise einen Zentralrechner auf, wobei vorzugsweise der Zentralrechner redundante Microcontroller JLLCI, p.C2, p.C3 und/oder einen großen Speicher, insbesondere in einer Größenordnung von Gigabyte, aufweist. Bei einer weiteren Ausbildung des Fahrdynamiksystems umfasst das Bremsaggregat einen elektromotorischen Antrieb und ist als elektrohydraulisches Bremsaggregat oder als elektromechanisches Bremsaggregat ausgebildet.
Bei einer Weiterbildung ist das Bremsaggregat als elektrohydraulische Bremsaggregat mit einer elektromotorisch betriebenen Druckversorgungseinheit ausgebildet, wobei zwischen der Druckversorgungseinheit und zumindest einer Radbremse oder mehreren Radbremen einer Achse eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, wobei die Ventileinrichtung ein zuziehfestes Radventil und/oder ein Kreistrennventil umfasst, wobei bei einer Leckage zumindest einer Radbremse die Ventileinrichtung dazu eingerichtet ist, die betroffene Radbremse durch Schließen der Ventileinrichtung abzutrennen, und die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Bremsaggregat und/oder den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor so anzusteuern, dass eine Bremsmomentregelung an den weiteren Rädern des Fahrzeugs, insbesondere an zumindest drei Rädern, erfolgt. Dabei sind insbesondere mittels der Ventileinrichtung die Radbremsen einer Achse des Fahrzeugs abtrennbar, insbesondere die Radbremsen der Vorderachse.
Bei einer Weiterbildung ist die zentrale Steuereinheit mit zumindest einem Bremsaggregat-Steuergerät des Bremsaggregats gekoppelt.
Bei einer weiteren Ausbildung ist die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, bei der Bremsfunktion Sollsignale an ein Motor-Steuergerät des zumindest einen Traktionsmotors und an ein Bremsaggregat-Steuergerät des zumindest einen Bremsaggregats zu übertragen.
Bei einer Ausbildung ist die zentrale Steuereinheit ferner dazu eingerichtet, bei einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs von über 80 km/h für eine Bremsung im Normalbetrieb den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor zum regenerativen Abbremsen des Fahrzeugs anzusteuern, wobei bei dem regenerativen Abbremsen gleichzeitig eine elektronische Bremskraftverteilung (EBV-Funktion) an einer Vorderachse und einer Hinterachse des Fahrzeugs realisiert wird. Dabei wirken insbesondere 20-40% eines Gesamtbremsmoments an der Hinterachse und 60-80% des Gesamtdrehmoments an der Vorderachse des Fahrzeugs.
Bei einer Weiterbildung ist der Radbremse eines Rades des Fahrzeugs ein eigenes Bremsaggregat zugeordnet, wobei insbesondere das Bremsaggregat elektromechanisch ausgebildet ist. Dabei sind insbesondere für jedes der zwei Räder das der Radbremse zugeordnete Bremsaggregat und ein elektrischer Traktionsmotor in ein Radmodul integriert.
Bei einer Ausbildung ist den Radbremsen zweier Räder einer Achse des Fahrzeugs ein gemeinsames Bremsaggregat zugeordnet. Dabei ist insbesondere das Bremsaggregat elektrohydraulisch ausgebildet, wobei insbesondere den zwei Rädern einer Hinterachse ein erstes Bremsaggregat und den zwei Rädern einer Vorderachse ein zweites Bremsaggregat zugeordnet ist.
Dabei ist den Radbremsen von vier Rädern des Fahrzeugs ein zentrales Bremsaggregat zugeordnet, wobei insbesondere das zentrale Bremsaggregat elektrohydraulisch ausgebildet ist.
Bei einer Ausbildung ist den Radbremsen zweier Räder einer ersten Achse, insbesondere einer Vorderachse, des Fahrzeugs ein gemeinsames Bremsaggregat zugeordnet. Dabei ist insbesondere das Bremsaggregat elektrohydraulisch ausgebildet. Insbesondere sind bei den Radbremsen der ersten Achse radindividuelle dissipative Bremsmomente einstellbar, insbesondere mittels Magnetventilen in hydraulischen Leitungen zwischen dem Bremsaggregat und den Radbremsen. Insbesondere ist das Bremsaggregat ferner über eine hydraulische Leitung mit den Radbremsen zweier Räder einer zweiten Achse, insbesondere einer Hinterachse, verbindbar. Dabei sind insbesondere bei den Radbremsen der zweiten Achse gemeinsame, nicht radindividuelle dissipative Bremsmomente einstellbar.
Bei einer Ausbildung ist einem ersten Paar von zwei Rädern einer ersten Achse, insbesondere einer Hinterachse des Fahrzeugs, ein erster elektrischer Traktionsmotor zugeordnet und einem zweiten Paar von Rädern einer zweiten Achse, insbesondere einer Vorderachse des Fahrzeugs, ist ein zweiter elektrischer Traktionsmotor zugeordnet.
Bei einer Ausbildung ist einem ersten und einem zweiten Rad einer ersten Achse, insbesondere einer Hinterachse des Fahrzeugs, jeweils ein eigener elektrischer Traktionsmotor zugeordnet.
Bei einer Weiterbildung ist dem ersten und dem zweiten Rad ferner ein jeweils eigenes Bremsaggregat zugeordnet, wobei insbesondere die jeweils eigenen Bremsaggregate (elektromechanisch ausgebildet sind. Dabei sind insbesondere für das erste und zweite Rad der jeweils zugeordnete elektrische Traktionsmotor und das jeweils zugeordnete Bremsaggregat in jeweils ein dem ersten oder zweiten Rad zugeordnetes Radmodul integriert.
Bei einer weiteren Ausbildung ist ferner einem dritten und einem vierten Rad einer zweiten Achse, insbesondere einer Vorderachse des Fahrzeugs, ein dritter elektrischer Traktionsmotor gemeinsam zugeordnet. Dabei ist insbesondere dem dritten und vierten Rad ein gemeinsames Bremsaggregat zugeordnet. Dabei ist insbesondere das gemeinsame Bremsaggregat elektrohydraulisch ausgebildet. Dabei sind insbesondere der dritte elektrische Traktionsmotor und das gemeinsame Bremsaggregat in ein der zweiten Achse zugeordnetes Achsmodul integriert; oder es ist insbesondere ein zentrales Bremsmodul vorgesehen, das insbesondere elektrohydraulisch ausgebildet ist, wobei mittels des zentralen Bremsmoduls für das erste und zweite Rad radindividuelle Bremsmomente erzeugbar sind und für das dritte und vierte Rad ein gemeinsames Bremsmoment erzeugbar ist.
Bei einer Ausbildung ist die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, das Basisbremsmoment und das geregelte zusätzliche Bremsmoment in Abhängigkeit von der Fahrzeugverzögerung und/oder in Abhängigkeit von einem Reibwert der Fahrbahn auf das zumindest eine Bremsaggregat und den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor zu verteilen. Dabei erzeugt insbesondere bei kleinerer Verzögerung und/oder kleinerem Reibwert, beispielsweise bei einer ABS-Regelung auf Schnee oder Eis oder bei einer Verzögerung in einem ABS-Bremsbetrieb, ein elektromotorisches Bremsaggregat und/oder der zumindest eine elektrische Traktionsmotor das geregelte zusätzliche Bremsmoment. Dabei erzeugt insbesondere bei größerer Verzögerung und/oder größerem Reibwert, beispielsweise bei einer Bremsung auf Asphalt, ein elektrohydraulisches Bremsaggregat das geregelte zusätzliche Bremsmoment. Dabei erzeugt insbesondere bei mittlerer Verzögerung und/oder mittlerem Reibwert das Bremsaggregat oder der Traktionsmotor das Basisbremsmoment als konstantes Bremsmoment erzeugt und ein weiteres Bremsaggregat oder der Traktionsmotor das geregelte zusätzliche Bremsmoment.
Bei einer Weiterbildung ist die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, bei einer automatische Notbremsung eine EBV-Regelung auszuführen, wobei die Bremsmomentgradienten des zumindest einen Bremsaggregats und des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors so berücksichtigt werden, dass an der Vorderachse und an der Hinterachse des Fahrzeugs jeweils das maximale Bremsmoment, insbesondere das maximale Bremsmoment bevor die Räder blockieren, gleichzeitig erreicht wird. Bei einer Weiterbildung wird beim regenerativen Abbremsen, insbesondere bei einem vollem Ladezustand einer Batterie des Fahrzeugs, zumindest eine der folgenden Strategien verwendet:
- Rückspeisen der regenerierten Energie in die Batterie bis zur Grenze der Leistungsaufnahme;
- feldorientierte Regelung (Id/Iq-Stromregelung) des elektrischen Traktionsmotors derart, dass die Energie im Motor intern vernichtet wird;
- Vernichten der durch den elektrischen Traktionsmotor im generatorischen Betrieb gewonnenen Energie, Bereitstellen der gewonnenen Energie für einen elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs und/oder Erwärmen eines
Fluid reservoirs zur Nutzung mit einer Wärmepumpe für eine Kühlung oder Heizung; und/oder
- Verwenden eines vorzugsweise elektrischen Zwischenspeichers, der für Impulsleistung ausgelegt ist, beispielsweise eines Super-Cap oder eines Schwungmassenspeichers.
Bei einer Weiterbildung wird der zumindest eine elektrische Traktionsmotor mit einem Inverter zum Schalten von Wicklungen des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors in Reihenschaltung oder Parallelschaltung von jeweils drei Strängen der Erregerspulen des bürstenlosen Elektromotors betrieben. Dabei wird insbesondere mittels des Inverters ein 4-Quadrantenbetrieb ermöglicht, nämlich mit einem Quadrant 1 mit positiver Drehzahl und positivem Drehmoment des Elektromotors, einem Quadrant 2 mit positiver Drehzahl und negativem Drehmoment des Elektromotors; einem Quadrant 3 mit negativer Drehzahl und positivem Drehmoment des Elektromotors, sowie einem Quadrant 4 mit negativer Drehzahl und negativem Drehmoment des Elektromotors.
Bei einer Ausbildung ist die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, die Bremssteuerung anhand eines Kennfeldes durchzuführen, wobei insbesondere das Kennfeld eine Druck-Volumen-Kennlinie, einen Zusammenhang zwischen Motorstrom und Bremsdruck und/oder einen Zusammenhang zwischen Bremsdruck und/oder Verzögerung bei Erwärmung der Radbremse abbildet.
Bei einer weiteren Ausbildung ist die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, im Fahrzeugbetrieb, insbesondere in einem Zustand nach Fahrzeugerstinbetriebnahme, etwa in einem Fährbetrieb oder bei Stillstand vor oder nach einem Fährbetrieb, Sensordaten zu erfassen und anhand der erfassten Sensordaten mittels eines Verfahrens der künstlichen Intelligenz, insbesondere Maschinenlernen oder neuronale Netze, die Steuerung der Bremsfunktion anzupassen. Dabei ist insbesondere das Verfahren der künstlichen Intelligenz mittels eines Rechners der zentralen Steuereinheit ausführbar. Insbesondere wird das Anpassen in einem sicheren Zustand der Fahrzeugs ausgeführt, insbesondere in einem abgestellten Zustand des Fahrzeugs. Dabei wird insbesondere anhand der erfassten Sensordaten ein Kennfeld bestimmt, das beispielsweise eine Druck-Volumen-Kennlinie, einen Zusammenhang zwischen Motorstrom und Bremsdruck und/oder einen Zusammenhang zwischen Bremsdruck und/oder Verzögerung bei Erwärmung der Radbremse abbildet. Dabei ist insbesondere das Kennfeld anhand der Sensordaten und des Verfahrens der künstlichen Intelligenz adaptierbar, wenn eine Abweichung von dem aktuellen Kennfeld erkannt wird, etwa wegen Umwelteinflüssen, Luft im System oder wegen einer Erwärmung der Radbremse.
Ein weiteres Fahrdynamiksystem für ein Fahrzeug umfasst zumindest einen elektrischen Traktionsmotor, der dazu ansteuerbar ist, ein regeneratives Bremsmoment für zumindest ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs zu erzeugen, und eine zentrale Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor für eine Bremsfunktion anzusteuern. Dabei ist die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, die Bremsfunktion bei einer Bremsung auf einer Fahrbahn mit einem Niedrigreibwert, insbesondere bei Schnee, Eis und/oder nasser Fahrbahn, mit geringen bis moderaten Verzögerungen, insbesondere von weniger als 0,5 m/s2 auszuführen. Dabei ist insbesondere die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, die Bremsfunktion mittels zumindest eines Traktionsmotors zumindest einer Achse des Fahrzeugs auszuführen, insbesondere mittels zweier Traktionsmotoren der Hinterachse des Fahrzeugs.
Das Fahrzeug gemäß der Erfindung umfasst ein Fahrdynamiksystem gemäß der vorliegenden Beschreibung beziehungsweise gemäß den anliegenden Ansprüchen.
Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Fahrdynamiksystems mit zumindest einem Bremsaggregat zum Erzeugen eines dissipativen Bremsmoments und zumindest einem elektrischen Traktionsmotor zum Erzeugen eines regenerativen Bremsmoments für zumindest ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs, und eine zentrale Steuereinheit zum Ansteuern des zumindest einen Bremsaggregats und des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors für eine Bremsfunktion, wird ein kombiniertes Bremsmoment mittels des zumindest einen Bremsaggregats und des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors erzeugt. Dabei betrifft die Bremsfunktion einen Regelfall, bei dem gleichzeitig ein Basisbremsmoment und ein geregeltes zusätzliches Bremsmoment gesteuert und/oder geregelt wird. Dabei wird optional das zumindest eine Bremsaggregat dazu angesteuert, ein Basisbremsmoment zu erzeugen, und der zumindest eine elektrische Traktionsmotor wird dazu angesteuert, das geregelte zusätzliche Bremsmoment zu erzeugen; oder der zumindest eine elektrische Traktionsmotor wird dazu angesteuert, das Basisbremsmoment zu erzeugen, und das zumindest eine Bremsaggregat wird dazu angesteuert, das geregelte zusätzliche Bremsmoment zu erzeugen; oder das zumindest eine Bremsaggregat und der zumindest eine elektrische Traktionsmotor werden dazu angesteuert, jeweils gemeinsam das Basisbremsmoment und das geregelte zusätzliche Bremsmoment zu erzeugen.
Der zumindest eine elektrische Traktionsmotor zum Antrieb und Bremsen einer Achse oder eines Rades des Fahrzeugs weist insbesondere ein Slave-Steuergerät an einer oder mehreren Achsen oder Rädern eines Fahrzeuges auf.
Das zumindest eine Bremsaggregat beziehungsweise Bremssystem ist insbesondere für mehrere Radbremsen, mehrere elektrohydraulische Bremsmodule oder mehrere elektromechanische Bremsmodule ausgelegt.
Dabei kann beispielsweise für die Steuerung ein zentrales Fahrzeugmodell vorgesehen sein, mittels dessen die Bremsanforderungen an die Radmodule oder Achsmodule unter Berücksichtigung des Reibwertes der Fahrbahn, Fahrzeuggeschwindigkeit und Gewichtsverteilung beim Bremsvorgang berechnet werden können.
Ferner können Bremsregelmodelle und Kennfelder für synchronisierte Bremsmomentregelung für den zumindest einen Traktionsmotor und das Bremsaggregat, insbesondere EHB oder EMB, in dem Sinne vorgesehen sein, dass entweder der zumindest eine elektrische Traktionsmotor oder das Bremsaggregat, insbesondere EHB oder EMB, ein Grundbremsmoment bereitstellt, während die dynamische Bremsmomentregelung gemeinsam durch den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor und das Bremsaggregat, insbesondere EHB oder EMB, durchgeführt wird, insbesondere durch ein dadurch erzeugtes geregeltes zusätzliches Bremsmoment.
Ferner können Sensordaten von Sensoren genutzt werden, wobei die Sensordaten für die implementierten Kernfunktionen von Bedeutung sind und im zentralen Steuergerät eingelesen werden. Beispielsweise können die Sensordaten von Radgeschwindigkeitssensoren für eine ABS-Funktion, Giermomentsensoren für eine ESP-Funktion, Beschleunigungssensoren und/oder Gewichtssensoren für eine EBV- Funktion und Abgleich des insbesondere von der Temperatur des Bremsscheibe(n) abhängigen funktionalen Zusammenhangs zwischen Bremsdruck/Bremsmoment und Verzögerung des Fahrzeuges und/oder Sensoren für elektrische Rekuperationsstrategien oder Notbremsfunktionen (AEB) vorgesehen sein.
Das zentrale Fahrdynamiksystem kann beispielsweise derart genutzt werden, dass der Einsatz es zumindest einen Bremsaggregats im Hinblick auf eine Maximierung der Rekuperation sowie der Brems- oder Bremsregelleistung bei unterschiedlichen Fahrsituationen optimiert wird. Dies erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von einer Bremssituation, etwa einer Komfortbremsung oder Notbremsung, sowie einer Fahrbahnsituation, etwa bei einer Bremsung auf Asphalt, auf Schnee oder auf Eis, bei einem sogenannten ^.-Sprung oder -Split, und der Verfügbarkeit der Bremsaggregate. Insbesondere können durch eine intelligente Regelung über das Fahrdynamiksystem die Kosten der Bremssättel reduziert werden, insbesondere durch Minimierung der thermischen Belastung der Reibbremse und eine Verkleinerung und/oder Auswahl des geeigneten Typs der verwendeten Reibbremse, beispielsweise einer Trommelbremse oder einer Scheibenbremse.
So kann bereits in einer ersten „Architektur I" über die zentrale Steuereinheit als Bremsaggregat jeweils ein hydraulische Bremssystem für Räder der Vorderachse und der Hinterachse (EHB-Z) oder ein hydraulisches Bremssystem nur für die Vorderachse (EHB-VA) zusammen mit dem zumindest einen elektrischen Traktionsmotoren angesteuert werden. Bei der Architektur I sind für das Bremsaggregat EHB-Z oder EHB-VA und den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor der jeweilige Achse jeweils ein Steuergerät (M-ECUBM, S-ECUTM,HA, S- ECUTM,VA) vorgesehen, welches eine Schnittstelle zur zentralen Steuereinheit aufweist. Die zentrale Steuereinheit M-ECUDomäne gibt synchronisiert die Sollsignale an die oben genannten Steuergeräte (M-ECUBM, S-ECUTM,HA, S-ECUTM,VA), wobei die Sollsignale insbesondere Sollbremsmomente sind oder diese umfassen.
Mit dieser Architektur kann ohne Änderung der installierten Bremsanlage, bereits ein großes Potential für ein SAE Level 2-Bremssystem mit Fail-Safe-Betrieb erschlossen werden. Eine solche Bremsanlage kann beispielsweise eine gängige 1-Box- Bremsanlage im Markt sein, wie etwa beschrieben in DE102018212905A1, DE102019204016A1 oder DE102019122169A1. Hierzu ist keine Änderung des mechanischen oder hydraulischen Aufbaus der Bremsanlage nötig, sondern lediglich eine Erweiterung über eine Schnittstelle, etwa eine radindividuelle Solldruckschnittstelle oder eine radindividuelle Sollmomentschnittstelle. Dies wird erreicht durch eine Integration in die zentrale Steuereinheit (Domäne) und eine intelligente Ansteuerung des Bremsaggregats und der installierten elektrischen Traktionsmotoren an einer oder beiden Fahrzeugachsen oder zwei Rädern einer Fahrzeugachse.
Vorteilhaft wird alternativ zu den gängigen, oben genannten Bremsanlagen das Bremsaggregat (EHB) weiter so optimiert, dass das Bremsaggregat (EHB) nur als radindividueller Drucksteller mit Radregelventilen ausgeführt ist. Jede der hydraulisch aktuierten Radbremsen bildet dabei einen getrennten Radkreis und sie kann vorzugsweise über Schließen der vorzugsweise zuziehfesten Radventile MVzk abgetrennt werden. Ferner kann als Bremsaggregat ein EHB-Drucksteller mit Regelventilen nur für die Vorderachse (EHB-1, EHB-VA) und/oder ein Drucksteller mit Regelventilen für die Hinterachse (EHB-2) und/oder ein Drucksteller (EHB-Z) vorgesehen sein, zusätzlich mit einem Bremskreis für beide Räder der Hinterachse. Bei den vorgenannten Lösungen EHB-1 und EHB-2 wird die „Architektur II" angewandt, die in späteren Abschnitten und Figuren erläutert wird.
Der Fahrerwunsch wird in einer Ausführung für SAE Level 4 nicht mehr konventionell mit einer Betätigungseinheit zur Fahrerwunscherfassung, sondern mit einer Kolben- Zylinder-Einheit mit vorzugsweise einem Kolben und einer hydraulischen Druckkammer sowie hydraulischer Verbindung zu den Bremskreisen oder über ein E- Pedal erfasst. Dabei werden die Fahrerwunschsignale redundant in die M-ECUoomäne eingelesen. Für SAE Level 5 ist kein Pedal mehr erforderlich. Der modulare Aufbau mit E-Pedal hat gegenüber dem Stand der Technik den entscheidenden Vorteil, dass modular SAE Level 4 und SAE Level 5 abgedeckt werden können und durch den Wegfall der hydraulischen Verbindung zwischen der Betätigungseinheit und einem Drucksteller eine besonders hohe Flexibilität der Unterbringung des Druckstellers im Fahrzeug ermöglicht wird. Zudem werden Geräuschquellen vermieden, da die hydraulischen Druckmodulationsgeräusche von der Spritzwand entfernt erzeugt werden und es daher keine Körperschallübertragung zum Fahrgastraum gibt. Solche Ausführungsformen einer elektrohydraulischen Bremsanlage werden in den Figuren 6a bis 6d näher beschrieben.
So werden die oben erläuterten unterschiedlichen Ausführungsformen des Bremsaggregats (EHB) und der Architekturen I bis II durch ein zentrales Fahrzeugmodell ermöglicht, mittels dessen die Funktion (a) bis (g) realisiert werden. Bei einer ersten vorteilhaften Funktion (a) Basisbremsfunktion wird die Erwärmung der Reibbremse minimiert, indem überwiegend der zumindest eine Elektromotor zum Bremsen eingesetzt wird. Wird eine Bremsanalage mit einer Verblendungsstrategie gemäß dem Stand der Technik (vergleiche etwa Figur lb) ausgelegt, so wird bei der Dimensionierung der maximale Druck beim AMS Fading- Test zugrunde gelegt (vergleiche „Bremsenhandbuch", 5. Auflage, Kap. 6.3.2, Abbildung 6.10). Das heißt, für den AMS Test werden 10 Folgebremsungen aus 100 km/h simuliert. Demnach erwärmen sich die Radbremsen der Vorderachse auf 600°C und die Radbremsen der Hinterachse auf etwa 500°C. Die Pedalkraft bei Standard- Vakuumbremskraftverstärkern steigt dann um etwa 80% an, das heißt, die Bremsanlage muss für den Fading-Fall auf einen 80% höheren Druck als den normalen Blockierdruck ausgelegt werden. Mit entsprechender Sicherheitsreserve werden Bremsanlagen daher typischerweise auf etwa 200 bis 220 bar Maximaldruck ausgelegt. Typische Biending-Strategien sehen kein regeneratives Bremsen bei höheren Geschwindigkeiten oberhalb von 60 km/h vor („Bremsenhandbuch", Kap.19.3.2 Abbildung 19.12); das Potential der Bremsleistung von Elektromotoren wird daher nicht ausgenutzt. Diese Begrenzung des regenerativen Bremsens auf Geschwindigkeitsbereiche unterhalb von 60 km/h ist zum einen bedingt durch Grenzen der Volumenaufnahme beim Verblenden, etwa die Volumenaufnahme durch eine Speicherkammer der ESP-Einheit bei einem 2-Box-Bremssystem mit elektrischen Folgebremskraftverstärkern. Zum anderen sprechen Haftungsgründe des Bremsenherstellers und die Gesetzgebung gegen eine Ausweitung des regenerativen Bremsbetriebes. Ferner können diese Begrenzungen dadurch bedingt sein, dass die Aufnahmefähigkeit der Batterie für Energie begrenzt ist, insbesondere im vollgeladenen Zustand.
Bei einer zentralen FDS-Regelung kann das Potential des regenerativen Bremsens ausgeschöpft werden. Ferner kann die Erwärmung der Reibbremse und somit auch der Fading-Effekt signifikant reduziert werden, weil die Bremsenergie nicht mehr zu einer signifikanten Erwärmung der Reibbremse führt. Beispielsweise kann der zumindest eine elektrische Traktionsmotor mit einem Inverter betrieben werden, mit dem ein 4-Quadrantenbetrieb erfolgen kann (Quadrant 1: positive Drehzahl, positives Drehmoment; Quadrant 2: positive Motordrehzahl, negatives Motordrehmoment; Quadrant 3: negative Motordrehzahl, positives Motordrehmoment; Quadrant 4: negative Motordrehzahl, negatives Motordrehmoment). Dann kann ein elektrischer Traktionsmotor einer beispielhaften Antriebsleistung von 130 kW mit einem Drehmoment von 250 Nm an einer Hinterachse eines Mittelklassefahrzeugs (vgl. BMW i3-Fahrzeug mit max. Bremsmoment 2000 Nm an Hinterrad/ 3000 Nm am Vorderrad) im zweiten Quadranten mit dem annähernd gleichen Drehmoment und der gleichen Leistung auch gebremst werden. Das generatorische Bremsmoment der elektrischen Traktionsmotoren ist dabei etwas höher als das Antriebsbremsmoment des elektrischen Traktionsmotors, da Verluste im Motor und Getriebe ebenfalls bremsend wirken, während sie bei der Beschleunigung die Verluste das Antriebsdrehmoment mindern. So können mit einer derartigen Auslegung bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h bereits ca. 60-70% der Bremsenergie an der Hinterachse durch regeneratives Bremsen erhalten werden. Wenn ein solcher Motor ebenso an der Vorderachse installiert werden ist, dann kann auch an der Vorderachse eine Verzögerung von ca. 50% erreicht werden. Beim Bremsen über elektrische Traktionsmotoren werden dabei eine oder mehrere Energiemanagementstrategien verfolgt, wobei durch effiziente Auswahl oder Kombination der Strategien dem Bremsen über den elektrischen Traktionsmotor de facto nur über die Drehmomentgrenzen im 4-Quadranten-Betrieb des Inverters Grenzen gesetzt sind.
Folgende vier grundlegende Strategien zum Energiemanagement stehen zur Verfügung:
(1) Rückspeisen in Batterie bis zur Grenze der Leistungsaufnahme: Dies ist u.a. abhängig von der Energieaufnahmefähigkeit der Batterie, insbesondere in Abhängigkeit vom aktuellen Ladezustand (SOC) der Batterie.
(2) Feldorientierte Regelung (Id/Iq-Stromregelung) des Elektromotors derart, dass die Energie im elektrischen Traktionsmotor intern vernichtet wird: Die interne Energievernichtung ist durch Widerstände der Erregerwicklungen des Stators der elektrischen Traktionsmotors und Wirbelstromverluste sowie die Kühlmöglichkeiten des Motors begrenzt. Da bei elektrischen Traktionsmotoren eine Wasser- oder Ölkühlung vorgesehen ist und zudem die Erwärmung in der Impulsbelastung im Bremsvorgang, welcher normalerweise bei Vollbremsung in 5-10 Sekunden abgeschlossen ist, durch die große thermische Masse des Elektromotors gedämpft wird, ist die Aufnahme der Energie im Impulsbetrieb durch den Elektromotor eher unkritisch und kann daher in der Regel voll ausgeschöpft werden.
Ferner kann ein Kühlkreislauf des elektrischen Traktionsmotor in ein Wasserreservoir geführt werden, das wiederum mittels einer Wärmepumpe für eine besonders effiziente Kühlung und Heizung des Innenraumes des Fahrzeuges genutzt wird. Damit kann die im Traktionsmotor „vernichtete" Energie genutzt werden, insbesondere mit einem Wärmepumpenwirkungsgrad von mehr als 300%.
(3) Als dritte Option kann die durch den elektrischen Traktionsmotor im generatorischen Betrieb erzeugte Energie über eine verschleißfreie Wirbelstrombremse, wie von Motorprüfständen bekannt, eingesetzt werden oder ein anderes Medium (beispielsweise Wasser) wird vergleichbar einem Wasserkocher erwärmt. Die erzeugte Wärme kann auch vorteilhafterweise über einen Wärmetauscher für eine besonders effiziente Kühlung oder Heizung des Fahrzeuges verwendet werden. Vorzugsweise wird die Energie einer oder mehrerer elektrischer Traktionsmotoren an eine Wärmesenke geführt
(4) Als vierte Option kann ein elektrischer Zwischenspeicher vorgesehen sein, der für eine Impulsleistung ausgelegt ist, zum Beispiel ein Super-Cap oder Schwungmassenspeicher. Super-Caps oder Schwungmassenspeicher sind für Impulsleistungen besonders gut geeignet und können im Gegensatz zur Batterie deutlich höhere Spitzenleistungen aufnehmen. Die im Super-Cap oder Schwungmassenspeicher kurzzeitig gespeicherte Energie kann beim Beschleunigen des Fahrzeuges nach dem Bremsvorgang eingesetzt oder anderweitig im Fahrzeug genutzt werden.
Durch das Rekuperations-Bremsmanagement mit Energiemanagement kann die Erwärmung der Reibbremse im AMS-Test um mehr als 50%, insbesondere sogar bis 70-80% reduziert werden. Dieser Effekt kann vorteilhaft dahingehend genutzt werden, dass die Reibbremse an der Vorderachse vereinfacht wird und an der Hinterachse vorteilhaft eine kostengünstige Trommelbremse mit zugleich niedrigem Gewicht eingesetzt wird. Alternative kann der Effekt genutzt werden, um die hydraulische Bremse auf deutlich niedrigere Maximalbremsdrücke auszulegen, beispielsweise 120-140 bar statt 200-220 bar, was sich vorteilhaft auf die Kosten des Bremssystems auswirkt, weil die Druckversorgung mit einem kleineren Elektromotor ausgestattet werden kann. Zudem kann das hydraulische Volumen der Druckversorgereinheit reduziert werden.
Weiterhin kann durch geeignete Gestaltung der Schnittstelle zwischen dem Fahrdynamiksystem und dem Bremssystem mit Zugang zur Regelung der elektronischen Bremskraftverteilung (EBV-Funktion) in einer zweiten vorteilhaften Funktion (b) die Dynamik der automatischen Notbremse (AEB) weiter erhöht werden, was signifikante Auswirkungen auf den Bremsweg, insbesondere bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, hat. Wird über den Elektromotor gebremst, muss das Fahrdynamiksystem zur Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen und der Sicherheit des Fahrzeuges sicherstellenwerden, dass die Fahrstabilität (siehe oben - Priorität 2) und Lenkbarkeit (siehe obige Tabelle - Priorität 3) erhalten werden. Das heißt zum Beispiel, die Hinterachse darf nicht vor der Vorderachse blockieren und beim Blockieren der Räder, insbesondere der Vorderachse, muss das ABS aktiviert werden. Die Schnittstelle zwischen dem Fahrdynamiksystem und der Bremsanlage muss also derart gestaltet und vorzugsweise die EBV-Funktion derart gesteuert werden, dass das maximale Bremsmoment (Radblockiergrenze) an Vorderachse und Hinterachse nahezu gleichzeitig erreicht wird. Dadurch kann, wie unten mit Bezug zu Figur 4 erläutert, bereits bei einem elektrischen Traktionsmotor mit mittlerer Leistung von 130 kW an der Vorderachse und Hinterachse eines Mittelklassefahrzeuges die Zeit vom Beginn der Bremsung bis zur maximalen Verzögerung (TTL-Zeit) von 140 ms auf 90 ms reduziert werden. Bei Geschwindigkeiten von über 100 km/h kann dies zu einer Bremswegverkürzung von mehreren Metern führen. Ist die TTL-Zeitverkürzung nicht umsetzbar, etwa aufgrund der Fahrwerksbegrenzungen, kann alternativ die Bremswirkung durch den Elektromotor vorteilhaft ebenfalls genutzt werden, um die Bremsanalage kostengünstiger und kleiner auszuführen. Das heißt, die Druckversorgung des Bremsaggregats kann durch einen Motor mit geringerem Drehmoment und/oder durch leistungsschwächeren Motor, gegebenenfalls auch durch einen kostengünstigen Bürstenmotor angetrieben werden.
In einer dritten vorteilhaften Funktion (c) kann eine achsweise Rekuperation über Elektromotoren realisiert werden. Auch hier ist ein Zugriff vom Fahrdynamiksystem auf die Magnetventile des Bremsaggregats (EHB) beziehungsweise eine geeignete Schnittstelle zum Bremsaggregat (EHB) zu definieren, damit der ABS-Betriebszustand in kritischen Fehlerfällen eingreift. Bei einem Zusammenspiel zwischen dem Bremsaggregat (EHB) und die über das Fahrdynamiksystem angesteuerten elektrischen Traktionsmotoren müssen der Druckaufbau und Druckabbau über Einlassventile oder Trennventile zum Bremskreis der Vorderachse für die Verblendung entsprechend geregelt werden. Dies kann im Druckaufbau etwa über eine PMW-Steuerung der Einlassventile erfolgen, im Druckabbau alternativ über das MUX-Verfahren über Einlassventile oder Trennventile oder über einen Druckabbau mittels Auslassventilen. Einfacher und deutlich flexibler ist die Lösung in den Bremsaggregaten EHB-Z und EHB-VA, wie sie unten mit Bezug zu den Figuren 6a-6d beschrieben sind, insbesondere, wenn die Radeinlassventile als zuziehfeste, für bidirektionalen Volumenfluss ausgelegte Magnetventile MVzk (auch als Einlass-/Auslassventile im weiteren bezeichnet) ausgeführt sind, damit aufgrund fehlenden Rückschlagventilen der Druck gehalten werden kann, wenn die Druckversorgung ein niedriges Druckniveau als die Radbremse hat und das hydraulische Bremsmoment in der Rekuperationsstrategie konstant gehalten werden soll. Während in der Ausführungsform der EHB gemäß Figur 9a beziehungsweise bei den Varianten der Figuren 6a-6d, wo keine oder nur an einigen Radbremsen Auslassventile vorgesehen sind, der Druckabbau ausschließlich über die Ein-/Auslassventile erfolgt, bestehen in der Ausführung gemäß Figuren 6a bis 6d sowie Figur 9b die Freiheitsgrade des Bremsmomentabbaus über die Einlass-/Auslassventile oder über Auslassventile. Dies ist vorteilhaft in der Umsetzung von sehr dynamischen Bremsmomenteingriffen. In der Ausführungsform nach Figur 6b ist auch die achsindividuelle Rekuperationsstrategie wenig beeinträchtigt, da der Druckabbau wahlweise über die Einlass-/Auslassventile MVzk, 1-4 oder Auslassventile AV1-AV4 erfolgt. In der Rekuperationsstrategie über das Fahrdynamiksystem kann der Bremsmomentverlauf durch den elektrischen Traktionsmotor und das Bremsaggregat (EHB) derart synchronisiert werden, dass die Rekuperation maximiert wird. Ist die Rekuperation über den elektrischen Traktionsmotor eingeschränkt, etwa bei vollem Ladezustand der Batterie, so wird die kinetische Energie über das Bremsaggregat (EHB) vernichtet; lässt die Batterie eine Einspeisung zu, so wird primär über den elektrischen Traktionsmotor rekuperiert. Mit den radindividuellen Freiheitsgraden ist daher auch eine achsweise Rekuperation mit einer X-Bremskraftverteilung einfach zu realisieren.
Bei der Ausführung als Achsdrucksteller (EHB-1, EHB-2), vorzugsweise mit einem Aufbau gemäß den Figuren 9a und 9b, ist die Rekuperationsstrategie sehr einfach und benötigt keine Ventilbestätigung, da der Bremsmomentaufbau und Bremsmomentabbau sehr genau mit der bekannten PPC-Druckregelung oder Drucksteuerung erfolgen kann.
In einer vierten vorteilhaften Funktion (d) kann der mindestens eine elektrische Traktionsmotor ein Basisbremsmoment im Regelbetrieb erzeugen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass moderne elektrische leistungs- und drehmomentstarke Traktionsmotoren (>200 Nm, <100 kW) eingesetzt und mit einer hohen Betriebsspannung (400V, insbesondere 700-900V) betrieben werden. Derartige Traktionsmotoren können mit hoher Dynamik Bremsmomentänderungen durchführen (typische Werte: 15000 Nm/s, erreichbar sind 30000 Nm/s), sie können im 4 Quadranten-Betrieb operieren und sie sind sehr dynamisch im Bremsmomentaufbau und Bremsmomentreduzierung. Bei niedrigen Sollbremsmomenten sind sie dynamischer als ein hydraulisches Bremsaggregat (EHB). Abhängig davon, welches Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich verfügbar ist (1000 Nm in Figur 3 bis zur maximalen Fahrzeuggeschwindigkeit), kann der maximale Druck des Bremsaggregats (EHB) um das maximale Drehmoment reduziert werden. Nachdem mittels der elektrischen Traktionsmotoren eine neuartige ASR-Regelung möglich ist (siehe ATZ 2/2014: „Regelalgorithmen für Rekuperation und Traktion bei Elektrofahrzeugen"), sind für die ASR-Regelung im Vergleich zum früheren Stand der Technik nicht mehr hohe Drücke erforderlich, sodass der Maximaldruck des Bremsaggregats (EHB) durch den Normalbremsbetrieb bestimmt wird.
In einer fünften vorteilhaften Funktion (e) kann der zumindest eine elektrische Traktionsmotor im Fehlerfall des Bremsaggregats (EHB) unterstützend verwendet werden. Neuere 1-Box-Bremssysteme, etwa wie in der DE102018212905A1 gezeigt, sind derart ausgelegt, dass bei Ausfall der Druckversorgung über die Fußkraft des Fahrers nur eine Verzögerung von 0,3 m/s2 erreicht wird, welche gesetzliche Anforderungen der ECE-13-H mit einer Mindestverzögerung von 0,244 m/s2 und zudem regionale Anforderungen in China erfüllt. Wird das Bremsaggregat (EHB) in das Fahrdynamiksystem) eingebunden, so kann, wie etwa in der WO 2020/165255 Al vorgeschlagen, die Bremskraft im Fehlerfall auf 0,58 m/s2 über die Nutzung der Bremskraft von elektrischen Antriebsmotoren erreicht werden. Zudem kann über die elektrischen Antriebsmotoren, etwa einen Motor TM1 der Hinterachse und einen weiteren Motor TM3 der Vorderachse, eine mit einem 2-Box- Bremssystem (iBooster +ESP-hev) vergleichbare Fahrstabilitätsfunktion erzielt erreicht werden. Damit kann durch Einbindung des Bremsaggregats (EHB) in die zentrale Steuerung des Fahrdynamiksystems eine SAE Stufe 2+ erreicht werden.
Wird das in der WO 2020/165255 Al dargestellte Bremssystem derart weiterentwickelt, dass elektrische Antriebsmotoren gemäß Funktion (d) eine Grundbremsmoment aufbauen und die Druckversorgung zudem teilredundant mit redundanten Wicklungen ausgebildet ist, etwa indem sie mit 2x3 Phasen, (teil)redundanten Elektroniken (DV1-ECU1, DV-ECU2) und Anschlüsse an zwei Bordnetze und/oder Energieversorgungen (BN1, BN2) sowie Datenleitungen (DS1, DS2) ausgeführt ist, kann auch bei Ausfall einer Wicklung oder eines Leistungshalbleiters einer Motorendstufe, was der häufigste Ausfall bei EC-Motoren ist, die Druckversorgung mit halber Leistung beziehungsweise mit halbem Drehmoment betrieben werden. Bei einer bevorzugten Auslegung auf 140-160 bar kann somit immer noch ein Druck von 70-80 bar aufgebaut werden. Somit ist eine vollwertige ABS-Regelung auch im Fehlerfall bei einem Teilausfall der Druckversorgung möglich. Wird zudem mindestens ein Traktionsmotor in diesem Fehlerfall für die Einstellung des Grundbremsmoments für die Erzeugung eines Basisbremsmomentes genutzt, so kann auch ein ABS-Betrieb mit maximaler Verzögerung, insbesondere etwa 1 bis 1,4 g, erzielt werden.
Werden in einem 1-Box-Bremssystem, wie etwa gemäß WO 2020/165255 Al, zudem in beiden Bremsfluidströmungsrichtungen, das heißt von der Druckversorgung zur Radbremse und von der Radbremse zur Druckversorgung, zuziehfeste für bidirektionalen Volumenfluss ausgelegte Einlass/Auslassmagnetventile beziehungsweise Schaltmagnetventile (SV1-SV4 der Fig.7 der WO 2020/165255 Al) zwischen Druckversorgung und Radbremse eingesetzt, so kann jeder Radkreis sicher diagnostiziert und im Fehlerfall vom Bremssystem abgetrennt werden. Dies ist bei den im Stand der Technik sonst eingesetzten Radeinlassventilen nicht möglich, da parallel zu den Einlassventilen (etwa Bezugszeichen 6a-6d der Figur 1 der DE 10 2013 222 281 Al) nicht diagnostizierbare und nicht sicher schließbare Rückschlagventile eingesetzt werden (etwa Bezugszeichen 50a-50b der Figur 1 der DE 10 2013 222 281 Al). Damit ist bei dem Fahrdynamiksystem auch im Fehlerfall ein 3-Kanal Raddruckregelbetrieb möglich, der eine Fahrzeugstabilisierungsfunktion, vergleichbar etwa mit der ESP-Funktion, sowie ein Druckhalten im Radbremskreis ermöglicht. Dies gibt wiederum weitere Freiheitsgrade in der Bremsmomentregelung, insbesondere bei radindividueller Rekuperation. Diese Art der neuartigen Einschaltventile wird vorzugsweise auch bei den erfindungsgemäßen EHB Lösungen der unten näher erläuterten Figuren 6a-6d und Figuren 9a und Figur 9b eingesetzt.
In jedem Fall ist eine 2-Kanal-ABS-Funktion an der Vorderachse zur Sicherstellung der Lenkbarkeit gemäß Priorität 3 vorzusehen, die auch dann realisiert werden kann, wenn kein bidirektional wirkendes zuziehfestes Ventil (Schaltmagnetventil MVzk) an den Radbremsen vorgesehen ist. In diesem Fall ist ein Trennventil zwischen Vorderachse und Hinterachse vorgesehen. Die Druckregelung kann dabei alternativ über das MUX-Druckregelverfahren erfolgen mit Druckaufbau und Druckaufbau über Schaltventile, wobei die Schaltventile vorzugsweise derart ausgeführt sind, dass der Ventilsitz der Magnetventile an die Radbremse angeschlossen ist, damit sichergestellt ist, dass der Bremsdruck in der Radbremse nicht eingeschlossen ist. Optional können auch Auslassventile vorgesehen werden, damit als Alternative zum MUX-Druckabbau der Druckabbau über Auslassventile in den Vorratsbehälter erfolgt. In diesem Zusammenhang wird ferner auf die unten näher erläuterten Figuren 9a und 9b hingewiesen.
Als weitere Alternative kann die Standard-ABS-Regelung umgesetzt werden, wo über die Druckversorgung ein Vordruck eingestellt wird und der Druckaufbau über PWM- Steuerung der Schaltventile und Druckabbau über Zeitsteuerung der Auslassventile erfolgt. Hier wird der Ventilsitz an die Druckversorgung angeschlossen, damit eine proportionale Steuerung der Durchflussquerschnitt ermöglicht ist. Hier haben zuziehfeste Schaltventile eine besondere Bedeutung, damit der Bremsdruck im Fehlerfall bei hohen Differenzdrücken nicht der Radbremse eingeschlossen werden.
In einer sechsten vorteilhaften Funktion (f) können mittels einer Sollwertvorgabe des Fahrdynamiksystems Giermomenteingriffe zur Lenkungsunterstützung vorgenommen werden. Dazu können Druckaufbau und Druckabbau über Einlassventile (vergleiche etwa Bezugszeichen 11 der DE 10 2018 212 905 Al) entsprechend geregelt werden, so dass die hydraulische Bremskraft mit der elektrischen Bremskraft moduliert werden. Dies kann im Druckaufbau über PMW-Steuerung der Einlassventile erfolgen, im Druckabbau alternativ über das MUX-Verfahren über Einlassventile oder Trennventile oder über Druckabbau über Auslassventile.
Einfacher ist die Lösung in der Lösung mit EHB-Z und EHB-VA gemäß Figur 6a und Figur 9a, insbesondere wenn die Radeinlassventile als zuziehfeste und für bidirektionalen Volumenfluss ausgelegte Einlass-/Auslassventile ausgeführt sind, damit aufgrund fehlenden Rückschlagventilen der Druck gehalten werden kann, wenn die Druckversorgung ein niedriges Druckniveau als die Radbremse hat und das hydraulische Bremsmoment in der Rekuperationsstrategie konstant gehalten werden soll. Zudem bestehen die Freiheitsgrade des Bremsmomentabbaus über die bidirektionalen Einlass/Auslassventile bei gleichzeitigem Zurückfahren des Kolbens der Kolben-Zylinder-Einheit der Druckversorgungseinrichtung oder über Auslassventile in den Vorratsbehälter, was für die Umsetzung von sehr dynamischen Bremsmomenteingriffen vorteilhaft ist.
In einer siebten vorteilhaften Funktion (g) können mittels einer Sollwertvorgabe des Fahrdynamiksystems radindividuelle Bremsmomente zur radindividuellen Rekuperation erzeugt werden. Dazu müssen Druckaufbau und Druckabbau über Einlassventile (vergleiche Bezugszeichen 11 der DE 10 2018 212 905 Al) entsprechend geregelt werden, so dass die hydraulische Bremskraft mit der elektrischen Bremskraft moduliert werden. Dies kann im Druckaufbau über PMW- Steuerung der Einlassventile erfolgen, im Druckabbau alternativ über das MUX- Verfahren über Einlassventile oder Trennventile oder über Druckabbau über Auslassventile.
Einfacher und deutlich flexibler ist die Lösung mit EHB-Z und EHB-VA gemäß den unten näher erläuterten Figuren 6a, Figuren 6c und Figur 9a-9b, insbesondere wenn die Radeinlassventile als zuziehfeste Einlass-/Auslassventile MVzk ausgeführt sind, damit aufgrund fehlenden Rückschlagventilen der Druck gehalten werden kann, wenn die Druckversorgung ein niedriges Druckniveau als die Radbremse hat und das hydraulische Bremsmoment in der Rekuperationsstrategie konstant gehalten werden soll. Während in der Ausführungsform des Bremsaggregats (EHB) gemäß Figur 9a beziehungsweise bei den Varianten der Figuren 6a-6d, wo keine oder nur an einigen Radbremsen Auslassventile vorgesehen sind, der Druckabbau ausschließlich über die Ein-/Auslassventile erfolgt, bestehen in der Ausführung gemäß den Figuren 6a bis 6d sowie der Figur 9b die Freiheitsgrade des Bremsmomentabbaus über die Einlass- /Auslassventile oder über Auslassventile. Dies ist besonders in der Umsetzung von sehr flexiblen Bremsmomenteingriffen im Sinne der Maximimerung der Rekuperation von Vorteil. In der Rekuperationsstrategie über das Fahrdynamiksystem können sind der Bremsmomentverlauf des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors und des Bremsaggregats (EHB) derart synchronisiert werden, dass die Rekuperation maximiert wird. Ist die Rekuperation über den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor eingeschränkt, etwa bei vollem Ladezustand der Batterie, wird die kinetische Energie über das Bremsaggregat (EHB) vernichtet; lässt die Batterie eine Einspeisung zu, so wird primär über den elektrischen Traktionsmotor rekuperiert.
Bei den Funktionen (e), (f) und (g) ist ein zuziehfestes und kostengünstiges Einlass/Auslassventil MVzk von Bedeutung, weil dadurch ein Bremskreisausfall vermieden werden kann und auch bei Leckage der Schaltventile ein Radkreis weiter betrieben werden kann. Auf diese Weise kann ein 4-Kanal-Raddruckregelbetrieb auch bei Leckage der Schaltventile aufrechterhalten werden beziehungsweise bei Abschaltung eines Radkreises kann mit dem 3-Kanal-Raddruckregelbetrieb noch eine Notlenkung beziehungsweise Lenkungsunterstützung durchgeführt werden, womit die Redundanzanforderungen der elektrischen Servolenkung für höhere Stufen des automatisierten Fahrens (SAE Stufe 3-4) vereinfacht werden kann. Dies Funktionen (e) und (f) haben für die Gesamtkosten der primären Chassis-Control-Aktuatoren Bremse und Lenkung eine besonders hohe Bedeutung. Wird eine elektrische Servolenkung komplett redundant ausgeführt, so sind dabei zwei Lenkungsaktuatoren erforderlich. Hingegen kann die Bremse durch die Funktion (f) als Redundanzfunktion für die Lenkung ein valider Lösungsansatz werden zur Erfüllung der SAE Anforderungen der Stufe 3-4; Sie hat zudem den Vorteil, dass für die redundante Lenkungsfunktion ein nicht-baugleiches Aggregat verwendet werden kann, wodurch Produktionsqualitätsmängel als Fehlerquellen bei baugleichen Lenkungsaggregaten ausgeschlossen werden können. Die Lenkungsfunktion über das Bremsaggregat (EHB) kann auch als dritte Rückfallebene einer bereits redundant ausgeführten elektrischen Servolenkung EPS mit zwei Lenkaktuatoren vorgesehen werden oder als zweite Rückfallebene einer nicht oder nur teilweise redundant ausgeführten EPS vorgesehen sein, etwa mit einem Lenkaktuator mit 2x3 Phasen und einem redundanten Steuergerät. Zudem kann das Lenkaggregat (EHB) die Lenkung an einer zweiten Achse, wo keine EPS vorgesehen ist, unterstützen oder auch Giermomenteingriffe zur Stabilisierung des Fahrzeuges ergänzend zu Lenkeingriffen durchführen, etwa bei einer Bremsung auf einem -Split.
So können mit den oben erläuterten Funktionen mit einem hydraulischen Bremssystem mit nur einer Druckversorgung auch die SAE-Anforderungen für autonomes Fahren der Stufe 3 erfüllt werden. Für die Erfüllung der SAE-Stufe 4 und 5 sind ebenfalls alle Voraussetzungen mit der erfindungsgemäßen Erweiterung eines
1-Box-Bremssystems gemäß den Figuren 6a und 6b geschaffen. Auch eine Notbremsfunktion mit marktüblicher Dynamik von 150 ms kann sichergestellt werden, wenn die Druckversorgung redundant ausgeführt ist und elektrische Traktionsmotoren wie bei der Funktion (b) beim Bremsmomentaufbau unterstützend wirken. Damit kann zwar die maximale Dynamik von 90 ms der erfindungsgemäßen Lösung im Normalfall nicht erreicht werden, ein TTL mit 150-200 ms mit vertretbaren Einbußen kann jedoch erreicht werden. Dies entspricht den Leistungsdaten von marktüblichen Bremskraftverstärkern.
Im Vergleich können Bremssysteme für SAE Level 3 und 4 (vergleiche etwa WO 2018233854 Al) im Fehlerfall des Bremskraftverstärkers nur auf die Druckdynamik der ESP-Pumpe zurückgreifen, die nach aktuellen Pflichtenheft nur einen Druckaufbau von 450 ms auf 50 bar ermöglicht. Bei dem Fahrdynamiksystem besteht auch die Möglichkeit, den Druckaufbau über die ESP-Pumpe mit der Bremsmomentaufbaudynamik eines elektrischen Traktionsmotor zu unterstützen. Je nach Leistungsstärke der elektrischen Traktionsmotoren kann auch für ein derartiges
2-Box-Bremssystem mit einer schwachen ESP-Pumpe ein TTL von ca. 150-250 ms erreicht werden. Die Notbremsfunktion im Fehlerfall ist dann gleichwertig oder annähernd gleichwertig im Vergleich zum Normalbetrieb.
Die Einbindung von Bremssystemen in eine zentrale Steuerung bietet mit den oben erläuterten Synergien und Funktionsunterstützungen letztlich das Potential, auf die hydraulische Rückfallebene über ein Bremspedal (siehe Figuren 6-6c) zu verzichten und entweder ein E-Pedal einzuführen oder auf das Pedal komplett zu verzichten. Damit hat ein Bremssystem mit nur einer Druckversorgung in einer Baueinheit (1- Box-Bremssystem) mit dem erfindungsgemäßen FDS durchaus das Potential, eine Qualifizierung für AD Level 5 zu erreichen.
In einer zweiten „Architektur II" sind anstatt einer zentral über die Domäne angesteuerten hydraulischen Bremsanlage Achsmodule vorgesehen. Beispielsweise weist dabei ein Achsmodul zumindest zwei Bremsmodule auf, ausgewählt aus:
- elektrischer Antriebsmotor,
- elektromechanische Bremse (EMB) für je ein Rad,
- elektrohydraulischer Drucksteller (EHB-VA, EHB-HA) für je eine Achse mit Radregelventilen für eine Bremsmomentregelung für jeweils beide Räder der Achse.
Beispielsweise kann ein Achsmodul einen elektrischen Antriebsmotor umfassen, mittels dessen die Räder einer Achse (VA, HA) antreibbar und generativ abbremsbar sind, sowie je ein elektromechanisches Bremsaggregat (EMB) für jedes der beiden Räder der Achse oder ein gemeinsames elektrohydraulisches Bremsaggregat (EHB- VA, EHB-HA) für beide Räder der Achse (VA, HA).
Bei der zweiten Ausführungsform ist im Gegensatz zur ersten Ausführungsform vorgesehen, dass für die jeweilige Achse ein Steuergerät (S-ECUVA, S-ECUHA) vorgesehen ist, welches eine Kommunikationsschnittstelle zum zentralen Steuergerät (M-ECUDomäne) hat und die ausgewählten Bremsmodule der Achse synchronisiert ansteuert. Die Synchronisierung ist insbesondere für den Regelbetrieb im Gegensatz zum Normalbetrieb der Bremse sehr vorteilhaft, weil unterschiedliche Verzugszeiten und Zeitverläufe im Bremsmomentaufbau und Bremsmomentabbau durch die verschiedenen Bremsmodule optimal aufeinander abgestimmt werden. Ferner werden mit einer derartigen Struktur Haftungsprobleme gelöst, weil der Anbieter einer e- Achse dann für das gesamte Antriebs- und Bremsenmanagement verantwortlich ist. Bei dieser zweiten Ausführungsform sind verschiedene Varianten möglich: a) Elektromechanisches Bremsaggregat EMB kombiniert mit einem elektrischen Traktionsantrieb, besonders vorteilhaft für die Vorderachse eines Fahrzeuges (siehe Figur 12a); b) Elektromechanisches Bremsaggregat EMB kombiniert mit einem elektrohydraulischen EHB-Drucksteller mit Radregelventilen, besonders vorteilhaft für die Vorderachse (siehe Figur 12b); c) Elektrische Traktionsmotoren für jedes Rad einer Achse kombiniert mit einem elektrohydraulischen Drucksteller EHB mit Radregelventilen, besonders vorteilhaft für die Hinterachse (siehe Figur 12c); und d) Elektrischer Traktionsmotor für eine Achse kombiniert mit einem elektrohydraulischen Drucksteller EHB mit Radregelventilen, allgemein vorteilhaft für Vorderachse und Hinterachse (siehe Figur 12d)
Besonders vorteilhaft ist die Kombination von Elektromotor oder elektromechanischem Bremsaggregat EMB mit dem elektrohydraulischen Bremsaggregat EHB, weil sich die Vorteile der beiden Bremsmomenterzeuger ideal kombinieren lassen: a) Elektrohydraulische Bremsaggregate EHB sind hochdynamisch im Druckabbau bei hohen Bremsmomenten und unempfindlich für hohe Bremsmomente, während elektrische Antriebsmotoren oder elektromotorische Bremsaggregate EMB ihre größten Vorteile bei den Bremsmomentgradienten bei niedrigen Bremsmomenten haben. Bei ihrer Auslegung für höhere Last steigen zudem ihre Kosten. b) Elektrohydraulische Bremsaggregate EHB sind im Vergleich zu elektromotorischen Bremsaggregaten EMB deutlich kostengünstiger. Im Vergleich zu einem Drucksteller für eine Hinterachse mit Radregelventilen für zwei Radbremsen liegen die Kosten bei der elektromotorischen Bremse EMB ca. doppelt so hoch. Bei den elektrohydraulischen Druckstellern für die Vorderachse mit Radregelventilen für zwei Radbremsen liegen die Kosten nur um 10% höher, während die Kosten bei der elektromechanischen Bremse EMB für die Vorderachse im Vergleich zur Hinterachse um weitere 50% höher liegen. Der Grund für die überproportionale Kostensteigerung der elektromechanischen Bremse EMB sind die höheren Bremsmomente, die für die Vorderachse erreicht werden müssen, und die Notwendigkeit, bei Oberklassefahrzeugen oder SUVs zwei Motoren je Rad vorzusehen. c) Eine Kombination des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB in der Ausführung als Drucksteller mit dem später beschriebenen PPC-Gen2- Druckregelverfahren mit einem elektrischen Traktionsmotor oder elektromechanischen Bremsaggregaten EMB kann die Vorteile der neuartigen PPC-Gen2-Druckregelung mit sehr präziser Bremsmomentregelung ausspielen. Totzeiten im PPC-Gen2 Verfahren, beispielsweise durch teilweisen Multiplex- Druckregelbetrieb, können durch eine Regelung über Traktionsmotoren oder EMB ausgeglichen werden, da derartige Bremsaggregate durchaus vergleichbare Bremsmomentgradienten erreichen können.
Die erreichbaren Druckmomentgradienten werden zur Illustration der Vorteile in den Figuren 13a und 13b anhand eines leistungsstarken elektrischen Traktionsmotors und mit einem typischen Bremsmomentgradienten von EMB, EHB mit AV/EV-Technik und PPC-Gen2-Betrieb weiter ausgeführt und unten näher erläutert.
Als hydraulisches Grundprinzip kommen die Ausführungsformen der Figuren 9a und 9b, die weiter unten näher erläutert werden, zum Einsatz.
Die in „Architektur I" ausgeführten Funktionen (a)-(g) können alle auch in „Architektur II" durchgeführt werden, sogar mit mehr Freiheitsgraden, weil zwei Druckversorgungen mit Druckregelventilen je Achse, die zudem vorzugsweise auch redundant ausgeführt sind, zur Verfügung stehen.
In einer dritten „Architektur III" sind statt einer konventionellen elektrohydraulischen EHB-Bremsanlage Radmodule vorgesehen, wobei für jedes Radmodul ein elektrischer Traktionsmotor und eine elektromechanische Bremse EMB vorgesehen ist. Radmodule mit elektrischen Traktionsmotoren ermöglichen eine sehr große Flexibilität bei der Gestaltung von Plattformen. Ein derartiges Konzept ist maximal flexibel und hat mehr Redundanzen als ein konventionelles Bremssystem, da bei einem Fehlerfall eines Radmoduls noch mit den verbleibenden Radmodulen alle Kernfunktionen der Bremse und Bremsregelung, Fahrzeugstabilisierung und Lenkung durchgeführt werden können. Nachteilig ist der hohe Aufwand, da für jedes Rad ein elektrischer Traktionsantrieb und ein elektromechanisches Bremsaggregat EMB erforderlich sind. Ferner sind die elektrischen Komponenten im Bereich der ungefederten Massen angeordnet und daher hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Vorteilhaft ist, dass die EMB die Parkbremsfunktion mit abbilden und daher Kosten reduzieren kann.
Wie in der ersten Ausführungsform ausgeführt, ist ein synchronisierter Einsatz des elektrischen Traktionsmotors und des elektromechanischen Bremsaggregats EMB über das Fahrdynamiksystem vorteilhaft, insbesondere wenn bei der Basisbremsfunktion die Bremsleistung aufgeteilt wird (siehe hierzu insbesondere Funktion (a) der „Architektur I"). Dadurch kann der Fading-Effekt durch die Erhitzung der Reibbremse unterbunden oder verringert werden und bei einer Notbremsfunktion AEB können die Bremsmomente von Traktionsmotor und elektromechanischem Bremsaggregat EMB summiert werden (siehe Funktion (b) der 1. Ausführungsform „Architektur 1").
Im Gegensatz zur Funktion (g) der „Architektur I" kann ferner eine radindividuelle Rekuperation einfacher realisiert werden. Die achsindividuelle Rekuperation (Funktion (c) bei „Architektur 1") ist selbstverständlich auch abbildbar.
Entscheidend ist die Anwendung der Funktion (f), wo im Regelbetrieb ein Grundbremsmoment über den Traktionsmotor erzeugt wird und mittels des elektromechanischen Bremsaggregats EMB das Bremsmoment in der Regelung moduliert wird. Alternativ kann auch über das elektromechanische Bremsaggregat EMB das Grundbremsmoment erzeugt und über den elektrischen Traktionsmotor das Bremsmoment modelliert werden. Für kritische Fahrsituationen (beispielsweise bei einem ^.-Sprung) kann sogar gleichzeitig mit dem elektromechanischen Bremsaggregat EMB und dem elektrischen Traktionsmotor das gemeinsame Bremsmoment aufgebaut oder abgebaut werden, sodass in Summe eine hochdynamische Bremsmomentanpassung zur Verfügung steht. Eine gemeinsame Regelung der Bremsmomente ist dadurch einfach möglich, wenn jedes Rad ein Steuergerät (M-ECU-Radl, M-ECU-Rad2, M-ECU-Rad3, M-ECU-Rad4) hat, das die synchronisierte Bremsmomentregelung von EMB und elektrischen Traktionsmotor regelt. Damit können auch Zeitverzüge bei Bremsmomentänderungen minimiert werden.
Der Vorteil einer koordinierten Bremsmomentreduzierung ist groß, weil die technischen Herausforderungen der elektromechanischen Bremse EMB insbesondere bei hohen Bremsmomenten gegeben sind, weil sich die EMB tendenziell eher bei hohen Betätigungsmomenten verspannt und der Loslösprozess der Bremsbacken eher problematisch ist und zu hohen Kosten führt. Dieses Problem wird durch das Aufbringen eines Grundbremsmomentes über den Traktionsmotor deutlich entschärft. Zudem erlaubt es die Unterstützungsfunktion, die Kosten der elektromechanischen Bremse EMB erheblich zu verringern, wobei dieser Effekt mehr als proportional mit den Betätigungskräften bzw. Bremsmomenten zunimmt. Wenn beispielsweise 30% des geforderten Grunddrehmomentes durch den elektrischen Traktionsmotor aufgebracht werden, dann können die Kosten der elektromechanischen Bremse EMB um mehr als 30% reduziert werden, da die elektromechanische Bremse EMB entsprechend kleiner dimensioniert werden kann. Aufgrund der Achslastverteilung beim Bremsen (typischerweise 60-70% der Last an Vorderachse, 40-30% der Last an der Hinterachse) ist es vorteilhaft, die elektrischen Traktionsmotoren der Vorderachse stärker auszuführen als die elektrischen Traktionsmotoren der Hinterachse. Damit kann erreicht werden, dass Gleichteile der elektromotorischen Bremsaggregate EMB für Hinterachse und Vorderachse eingesetzt werden können, weil die Achslastverteilung beim Bremsen durch höhere Bremsleistung durch eine stärkere Bremsleistung der Motoren an der Vorderachse ausgeglichen wird.
Das Fahrdynamiksystem mit Radmodulen ist eine Lösung, die aufgrund der Redundanzen durchaus die Anforderungen der SAE Stufe 5 erfüllt. Aufgrund der hohen Kosten (vier Traktionsmotoren + vier elektromechanische Bremsen) ist diese Lösung jedoch aus Chassis-Control-Sicht eher eine Nischenlösung für spezielle Anwendungen, wobei allerdings den Mehrkosten andere Vorteile gegenüberstehen, beispielsweise Flexibilität in der Fertigung und Gestaltung von unterschiedlichen Fahrzeugkonzepten.
In einer weiteren Ausführungsform des Fahrdynamiksystems ist eine spezielle Combi- Bremse mit hydraulischer Bremse für die Vorderachse mit je einem Drucksteller für je ein Rad einer Vorderachse (EHB-VR, EHB-VL) und elektromechanischen Bremsaggregaten als EMB-Modulen (EMB1, EMB2) an jedem Rad einer Hinterachse vorgesehen, vorzugsweise mit integrierter elektrischer Parkbremse, beispielweise durch redundante Ausführung der Elektroniken der EMB1, EMB2 oder Realisierung eines Selbsthemmmechanismus der Getriebe von EMB1 und EMB2, beispielsweise durch Einsatz einer Trapezspindel aus Kunststoff. Der elektrohydraulische EHB-VR- oder EHB-VL-Drucksteller kann als Kolben-Zylinder-Einheit ohne Radregelventile oder vereinfacht als Pumpe, insbesondere mit einer Zahnradpumpe je Drucksteller, ausgeführt sein. Wird eine Kolbenpumpe, beispielsweise 2k-Pumpe einer Standard- ESP-Einheit, eingesetzt, so ist zumindest eine Ventileinrichtung zum Druckabbau erforderlich, während eine Zahnradpumpe die Funktion der Kolben-Zylinder-Einheit übernehmen und sowohl Bremsmoment aufbauen als auch Bremsmoment abbauen kann.
Für die spezielle Combi-Bremse eignet sich „Architektur II" besonders, wo die Drucksteller jeder Achse zusammengefasst sind und über ein Achssteuergerät S- ECUVA und S-ECUHA die Synchronisierung der Funktionen a) bis f) einfach koordiniert werden kann. Es ist aber auch eine weitere Architektur denkbar, bei welcher das Steuergerät jedes Bremsmomentstellers in Kommunikation mit der zentralen Steuereinheit M-ECUoomäne steht und die zentrale Steuereinheit die Sollbremsmomente an die Steuerelektroniken der Bremsmomentsteller (EHB-VR, EHB-VL, EMB-HL, EMB-HR) der Radbremsen und an den zumindest einen Traktionsmotor (TM1,TM2, TM3, TM4) überträgt. Unabhängig von der gewählten Architektur können auch die oben erläuterten Funktionen (a) - (g) des Fahrdynamiksystems umgesetzt werden, wobei auch hier das größte Potential in der Kosten- und Gewichtsoptimierung der Reibbremse liegt, beispielsweise durch den Einsatz einer Trommelbremse an der Vorderachse und einer kleineren Scheibenbremse an Hinterachse für elektromechanische Bremsaggregate EMB. Daher ist es besonders vorteilhaft, die Bremswirkung eines elektrischen Traktionsmotors an der Vorderachse für die Combi-Bremse zu nutzen.
Die spezielle Combi-Lösung ist zwar aufwändiger als die Lösung mit elektrohydraulischen Bremsaggregaten EHB-1 oder EHB-ZA mit Radregelventilen an der Vorderachse und elektromechanischen Bremsaggregaten EMB an der Hinterachse (beispielsweise Figur 6c ohne hydraulische Verbindung zur Hinterachse). Sie hat aber den Vorteil von weiteren Freiheitsgraden in einer radnahen Positionierung der EHB- VR- und EHB-VL-Module und sie ermöglicht eine einfachere Skalierung als bei elektromechanischen Bremsaggregaten EMB an der Vorderachse. Ferner macht sie den Hersteller der Druckstelleinheiten, insbesondere neue Firmen, unabhängig von den Lieferanten von Magnetventilen und der erforderlichen Technologie der Druckregelung mit Magnetventile, welche fest in der Hand von etablierten Bremsenherstellern sind.
Zudem lässt sich die spezielle Combi-Bremse vergleichbar mit einem elektromechanischen Bremsaggregat EMB leichter applizieren. Wird statt einer Kolben-Zylinder-Einheit eine Zahnradpumpe eingesetzt, so kann damit ebenfalls eine Lösung zu vertretbaren Kosten realisiert werden. Insbesondere die Kostensenkungspotentiale durch das Fahrdynamiksystem und die Funktionen (a) - (g), wie weiter unten für andere Ausführungsformen und Architekturen erläutert wird, sind auch bei dieser Lösung signifikant.
Folgende erfinderische Ziele mit großen Funktions-, Redundanz- und Kostenvorteilen werden mit der Fahrdynamiksystem-Regelung der Architekturen I-III sowie mit der speziellen Combi-Bremse verfolgt:
Verbesserung Funktion/ Applikation/ Neue Funktionen:
- Nutzung der elektrischen Traktionsmotoren im ABS-Betrieb insbesondere auf einer Fahrbahn mit Niedrigreibwerten (Schnee, Eis) im Regelbetrieb zur Bremswegverkürzung, wo die größeren Bremsmomentgradienten der elektrischen Traktionsmotoren Vorteile haben im Vergleich zu bekannten ABS- Systemen mit Speicherkammer (vergleiche Standard-ESP-Systeme mit langsamem Druckabbau in eine Speicherkammer).
- Nutzung der elektrische Traktionsmotoren für ASR-Betrieb durch Drehmomentregelung und Motorgeschwindigkeitsregelung beim Anfahren, statt der bekannten Lösungen durch Abbremsen des Hinterrades durch die elektrohydraulische Bremse EHB.
- Verbesserung der Notbremsfunktion AEB mit Bremsmomentanstieg auf 100 ms statt 150 ms mit der entsprechenden Verkürzung des Bremswegs, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten und Unfallgefahr.
- Kombinierte Giermomenteingriffe zur Fahrzeugstabilisierung oder Lenkung durch Nutzung von Drehmomenteingriffen, die mittels des elektrischen Traktionsmotors und eines Bremsmoments durch ein elektrohydraulische Bremsaggregat EHB erzeugt werden.
- Kombinierte Bremseingriffe im Regelbetrieb durch den elektrischen Traktionsmotor und elektrohydraulische Bremse EHB, beispielsweise bei dynamischen Änderungen der Fahrbahneigenschaften, etwa beim ^.-Sprung, wo ein schneller Druckabbau gefordert ist.
- ABS-Regelung mit elektrohydraulischer Bremsaggregat EHB im Multiplex- Verfahren mit Drehmomentregelung über elektrische Traktionsmotoren, damit Vermeidung von Totzeiten des Multiplex-Systems.
- Nutzung der Vorteile des geschlossenen hydraulischen Bremssystems für eine schnelle Applikation der Kernfunktionen ABS und ESP und Automatisierung von neuen Softwarefunktionen über zentrale Over-the-air-Updates, beispielsweise Implementierung von Softwareupgrades beim Übergang vom SAE-Level 2 auf die SAE-Level 3-5. - EBV- Regelung mit elektrischem Traktionsmotor an der Hinterachse und elektrohydraulischer Bremse EHB an der Vorderachse.
- Umsetzung einer redundanten ASR-Funktion durch den elektrischen Traktionsmotor oder das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB.
Vorteile durch Kosten- und Gewichtsreduzierunq:
- Nutzung der elektrischen Traktionsmotoren zur Reduzierung der thermischen Belastung der Bremssättel bei Mehrfachbremsungen (sogenannter AMS Fading-Test) und somit Downsizing der elektrohydraulischen Bremsanlage, beispielsweise Auslegung des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB auf den Blockierdruck und zusätzlich eine Reserve von 20-40%, das heißt 120- 140 bar, anstatt 200-200 bar, optional sogar Auslegung auf kleinere Drücke als den geforderten Blockierdruck (60-80 bar) bei erfolgreichen Implementierung der Bremse über elektrische Traktionsmotoren mit zuverlässigem Energiemanagement auch bei voller Batterie.
- Nutzung der elektrische Traktionsmotoren zur Reduzierung der thermischen Belastung der Bremssättel und Ermöglichung des Einsatzes von kostengünstigen Trommelbremsen an der Hinterachse.
- Reduzierung des Feinstaubes und des Verschleißes der Bremsanlagen, indem vorwiegend mittels der elektrischen Traktionsmotoren gebremst wird.
- Downsizing des elektromotorischen Bremsaggregats EMB durch Bremsmomentunterstützung durch den elektrischen Traktionsmotor, insbesondere an der Vorderachse des Fahrzeuges, aber auch Hinterachse.
- Einsatz einer elektrohydraulischen Bremse EHB mit einer einfachen 2-K Pumpe mit relativ geringer Leistung statt einer 1-Box mit leistungsstarkem EC-Motor und Abbildung der Notbremsfunktion in 150 ms durch entsprechende Leistung der elektrischen Traktionsmotoren in Kombination mit einem Standard ESP- Gerät mit TTL = 500 ms.
- Einsatz kleinerer Magnetventile durch Abbildung hochdynamischer Druckaufbauten mittels des elektrischen Traktionsmotors.
Verbesserung durch Redundanz:
- Nutzung des elektrischen Traktionsmotors zum Bremsen bei einem Ausfall oder Teilausfall des Bremssystems. - Nutzung des elektrischen Traktionsmotors zum Aufrechterhalten einer schnellen Notbremsung AEB mit TTL = 150 ms auch bei Ausfall der primären Bremsanlage.
- Nutzung des elektrischen Traktionsmotors zum Aufrechterhalten der EBV- Funktion auch bei Ausfall des Bremskreises der Hinterachse.
- Nutzung des elektrischen Traktionsmotors bei Bremskreisausfall.
- Nutzung des elektrischen Traktionsmotors bei Ausfall der ESP-Funktion.
- Nutzung des elektrischen Traktionsmotors bei Ausfall der Lenkungs-Funktion oder Unterstützung der Lenkungseingriffe an der Vorderachse durch Giermomenteingriffe an der Hinterachse.
- Umsetzung einer redundanten ASR-Funktion durch den elektrischen Traktionsmotor oder ein elektrohydraulisches Bremsaggregat EHB
Nachfolgend wird die Erfindung mittels mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben, die anhand von Figuren näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. la: Fading-Effekt beim AMS-Test als Basis zur Auslegung einer Standard- Bremsanlage;
Fig. lb: Verblendungsstrategie mit regnerativen Bremsen gemäß Stand der Technik ohne Fahrdynamiksystem;
Fig. 2a: Fahrdynamiksystem „Architektur I": Hydraulisches Bremssystem EHB-Z, EHB-VA in Kombination mit elektrischen Traktionsmotoren TM1, TM2, TM3;
Fig. 2b: Fahrdynamiksystem „Architektur I": Hydraulisches Bremssystem in Kombination mit elektrischen Traktionsmotoren;
Fig. 3: Neuartige Verblendungsstrategie mit Fahrdynamiksystem und starkem elektrischem Traktionsmotor oder starken elektrischen Traktionsmotoren;
Fig. 4: AEB-Zeitgewinn mit Bremsen über elektrischen Traktionsmotor und elektrohydraulisches Bremsaggregat EHB mit angepasster EBV-Funktion;
Fig. 5: ABS-Regelbetrieb mit elektrohydraulischem Bremsaggregat EHB und
Erzeugung des Basisbremsmoments durch elektrischen Taktionsmotor;
Fig. 5a: Typischer ABS-Zeitverlauf mit Radgeschwindigkeit, Druck und Ventilzeiten bei Bremsmomentregelung mit elektrohydraulischem Bremsaggregat EHB;
Fig. 5b: Optimierter ABS-Zeitverlauf mit Radgeschwindigkeit, Druck und Ventilzeiten bei Bremsmomentregelung mit elektrischem Traktionsmotor; Fig. 5c: ABS-Regelbetrieb bei einem ^.-Sprung mit elektrohydraulischem Bremsaggregat EHB in Kombination mit elektrischem Traktionsmotor;
Fig. 5d: ABS-Regelbetrieb im Fall low- . mit elektrohydraulischem Bremsaggregat EHB in Kombination mit elektischem Tranktionsmotor an der Hinterachse;
Fig. 6a: Konzept A für Fahrdynamiksystem „Architektur I": EHB-Z für rad indi ndivuelle Regelung für die Vorderachse und die Hinterachse in Kombination mit elektrischem Traktionsmotor an der Vorderachse und an der Hinterachse;
Fig. 6b: Konzept B für Fahrdynamiksystem „Architektur I": EHB-Z für radindividuelle Regelung für die Vorderachse in Kobination mit einem Grundbremsmoment für die Hinterachse, ABS-Regelung an der Hinterachse mittels elektrischer Traktionsmotoren;
Fig. 6c: Konzept B für Fahrdynamiksystem „Architektur I": EHB-Z für radindividuelle Regelung für die Vorderachse in Kombination mit einem Grundbremsmoment für die Hinterachse, ABS-Regelung an der Hinterachse mittels elektromechanischem Bremsaggregat EMB;
Fig. 6d: Konzept D für Fahrdynamiksystem „Architektur I": EHB-VA für radindividuelle Regelung der Vorderachse, Bremsen und ABS-Regelung an der Hinterachse ausschließlich mit elektrishcen Traktionsmotoren;
Fig. 7a: 250 KW-Motorkennfeld mit leistungsstarkem Motor & Power-Boost über neuartigen RSP-4Q-Inverter;
Fig. 7b: Aufbau eines neuartigen RSP-4Q-Inverters;
Fig. 8-8c: Zuziehfestes Einlass/Auslassventil MVzk für Druckaufbau und Druckabbau bei hohen Druckgradienten und Bremsdrücken;
Fig.9a: Neuartige Druckregelung mit Einlass/Auslassventil MVZK (PPC-Gen-Vl);
Fig. 9b: Neuartige Druckregelung mit Einlass/Auslassventil MVZK (PPC-Gen2-V2);
Fig.10: Fahrdynamiksystem „Architektur II": E-Achsmodule mit
Achssteuerelektronik S-ECUVA und S-ECUHA;
Fig.11a: Fahrdynamiksystem „Architektur II": E-Achsmodul I mit zwei elektromotorischen Bremsaggregaten und einem elektrischen Traktionsmotor;
Fig.11b: Fahrdynamiksystem „Architektur II": E-Achsmodul II mit einem elektrohydraulischen Bremsaggregat und zwei elektromotorischen Bremsaggregaten; Fig.11c: Fahrdynamiksystem „Architektur II": E-Achsmodul III mit einem elektrohydraulischen Bremsaggragat und einem elektrischen Traktionsmotor;
Fig.1 ld: Fahrdynamiksystem „Architektur II": E-Achsmodul IV mit einem elektrohydraulischen Bremsaggregat und zwei elektrischen Traktionsmotoren;
Fig. 12: Vergleich Bremsmomentgradienten elektrischem Traktionsmotor TM, elektrohydraulisches Bremsaggregat EHB, elektromotorisches Bremsaggregat EMB und Betriebsbereiche;
Fig.12a: Entscheidungsheuristik mit Auswertung von Kennfeldern, Kerndaten und Signalen;
Fig. 13: Fahrdynamiksystem „Architektur III": Radmodule mit Radsteuerelektronik für elektromotorisches Bremsaggregat und elektrischen Traksionsmotor; sowie
Fig.13a: Fahrdynamiksystem "Architektur III": Radmodule mit vier elektromotorischen Bremsaggregaten und vier elektrischen Traktionsmotoren.
Figur ld zeigt eine typische Simulation eines AMS-Tests, nach dem gemäß Stand der Technik eine Bremsanlage ausgelegt wird. Bei dieser Simulation werden 10 Folgebremsungen aus 100 km/h simuliert. Wird bei der Dimensionierung des maximalen Druckes der sogenannte AMS-Fading-Test zugrunde gelegt (Bremsenhandbuch 5. Auflage, Kap. 6.3.2, Abbildung 6.10), so erwärmen sich typischerweise die Radbremsen der Vorderachse auf etwa 600°C, die Radbremsen der Hinterachse auf etwa 500°C. Die Pedalkraft bei Standard- Vakuumbremskraftverstärkern steigt dann um etwa 80% an, das heißt, die Bremsanlage muss für den Fading-Fall auf einen 80% höheren Druck ausgelegt werden, als für den normalen Blockierdruck erforderlich wäre. Mit entsprechender Sicherheitsreserve werden daher typische Bremsanlagen auf 200-220 bar Maximaldruck ausgelegt.
Figur le zeigt das aktuell marktübliche Bremsenmanagement mit elektrohydraulischer Bremse beim Verblenden mit einem elektrischen Traktionsmotor. Der Ablauf ist etwa im Bremsenhandbuch 5. Auflage, Kap. 19.3.2 und 19.3.3 näher beschrieben und ist in Figur la wiedergegeben. Dieses Management wird nunmehr als einer der Kerngedanken der Erfindung erweitert. Charakteristisch ist, dass zu Beginn einer Bremsung bei kleinen Fahrzeuggeschwindigkeiten (Bereich B) hydraulisch gebremst wird, während das generatorische Bremsen bei der Geschwindigkeit vi stufenweise erhöht wird und bis zur Geschwindigkeit V2 stufenweise reduziert wird; das heißt, bei einer kleinen Fahrzeuggeschwindigkeit (vi<10 km/h, Bereich B) und großen Fahrzeuggeschwindigkeit (v2>60 km/h, Bereich E2, D) wird jeweils hydraulisch gebremst, nicht regenerativ. Zudem wird das verfügbare Potential des regenerativen Bremsens, zum Beispiel ein stärkeres Bremsen oberhalb des Bremsmoments von Mmax zwischen vi und V2 und ein regenerative Bremsen im Geschwindigkeitsbereich >V2 nicht ausgeschöpft. Das heißt, obwohl ein höheres Bremsmoment bis zu Mmax M zur Verfügung stehen könnte, wird dies in diesem Geschwindigkeitsbereich (Bereich El) nicht ausgenutzt. Dies ist oftmals technisch bedingt, etwa wenn die eingesetzte Bremslage nicht für höhere Rekuperation ausgelegt ist. Dies ist zum Beispiel bei dem in der DE 10 2012 211 278 Al beschriebenen System dadurch begrenzt, dass die Speicherkammer der ESP-hev-Einheit nur begrenzt Volumen aufnehmen kann, sodass die Verblendung limitiert ist.
Bei höheren Verzögerungen und Geschwindigkeiten spielen zudem Sicherheitsaspekte eine Rolle: So wird beispielsweise nicht regenerativ gebremst wird, wenn es in einem ABS-Fall durch das Bremsmoment des elektrischen Traktionsmotors zu blockierenden Rädern führen könnte - hier schafft erst das Fahrdynamiksystem der Erfindung Abhilfe durch eine zentrale Steuerung des elektrischen Traktionsmotors und des elektrohydraulischen Bremsaggregats. Daher ist in der Verblendungsstrategie gemäß Stand der Technik im Bereich El und E2 kein regeneratives Bremsen vorgesehen.
Aus den genannten Gründen wird das Potential des regenerativen Bremsens sowie der Optimierung der Reibbremse für den AMS-Fading-Fall bei bekannten Systemen nicht ausgeschöpft, da der AMS-Fading-Fall ja gerade bei einer Geschwindigkeit ab etwa 100 km/h und einer Vollbremsung auftritt. Dort wird nach Stand der Technik (siehe Figur 1) rein hydraulisch gebremst. Würde die Bremsleistung beim AMS-Test bespielhaft zu 30% vom elektrischen Traktionsmotor übernommen werden (Mei.TM, AMS), so wäre der Fading-Effekt deutlich reduziert, da die Erwärmung der Bremsanlage signifikant geringer ist. Die Bremsanlage könnte dann auf einen deutlich niedrigeren Maximaldruck, etwa 140-160 bar, ausgelegt werden. Eine Maximierung mittels der erfindungsgemäßen Fahrdynamiksystem-Regelung hätte dreierlei Effekte mit signifikanten Kosten- und Gewichtseinsparungen: 1. Die Regeneration könnte maximiert werden, was die Reichweite von E- Fahrzeugen erhöht und für den Betrieb von Wärmepumpen genutzt werden kann,
2. Die Reibbremse könnte vereinfacht werden, beispielsweise durch einfachere Kühlung, geringeren Verschleiß und kleinere Bremsscheiben, und kostengünstige Trommelbremsen könnten Scheibenbremsen ersetzen,
3. Ein Downsizing der elektrohydraulischen Bremse wäre möglich, insbesondere mit einem kleineren EC-Motor für geringere Maximalmomente, eine Auslegung der Radregelventile auf geringere Maximaldrücke, eine Gewichtsreduzierung des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB und ein kleineres Volumen der Druckversorgungseinheit des elektrohydraulischen Bremsaggregats.
Figur 2 zeigt die vorteilhafte Fahrdynamiksystem „Architektur I" für eine gemeiname Wirkungsweise von elektrischen Traktionsmotoren an der Vorderachse (TM3) und/oder an der Hinterachse (TM1, TM2), kombiniert mit einer elektrohydraulischen Bremsanlage der Topologie EHB-Z oder EHB-VA gemäß Abbildung 2. Die zentrales Steuereinheit übernimmt hier die Regelung der Bremsmomente der elektrischen Traktionsmotoren TM1, TM2, TM3 und der elektrohydraulischen Bremsaggregate EHB-Z, EHH-VA für mindestens eine der folgenden Funktionen:
• (A) Basisbremse mit Thermomanagment und Energiemanagment der zugeführten und abgeführten Energie (elektrische Energie, Wärmeenergie) des Traktionsmotors;
• (B) Notbremse AEB mit elektronischer Bremskraftverteilung (EBV);
• (C) Regeneratives Bremsen an mehreren Achsen;
• (D) ABS-Regelung mit Basisbremsmomentunterstützung und/oder gemeinsamen Bremsmomentregelung;
• (E) Bremsbetrieb bei Ausfall des elektrohydraulishcen Bremsaggregats EHB- Z, EHB-VA;
• (F) Giermomenteingriffe mittels radindividueller Bremsmomenteingriffe; und/oder
• (G) radindivduelle Bremsmomenteingriffe für radindividuelles regeneratives Bremsen.
Das Fahrdynamiksystem sendet Sollwerte an die unterschiedlichen Aggregate, wobei die Sollwerte insbesondere Bremssollmomente oder Bremssolldrücke umfassen. Für bestimmte Funktionen (etwa die oben beschriebenen Funktionen (C), (E), (F)) werden auch Sollsignale für die Drucksteuerung oder Druckregelung, etwa Steuersignale für Magnetventile für Funktionen wie Schaltdauer der Öffnungszeit oder eine PWM-Frequenz beim Drosselbetrieb, und/oder Vordrücke für die Druckversorgungseinrichtung zum Druckaufbau oder Druckabbau vorgegeben.
Ferner kann die M-ECUoomäne auch eine Schnittstelle zum Steuergerät oder Domäne des autonomen Fahrens M-ECUAD aufweisen und kann weitere Informationen auswerten, die für eine effektive und prädiktive Regelung hilfreich sind. Dies sind etwa Kamerainformationen über die Fahrbahnbeschaffenheit (Schnee, Eis, Regen) oder Informationen über die Umgebung (Abstände zu Passanten und/oder anderen Fahrzeugen).
Figur 2a zeigt den beispielhaften Aufbau einer Fahrzeugarchitekur mit dem des Fahrdynamiksystem mit hydraulischen Leitungen sowie Signalleitungen zwischen den Aggregaten und Sensoren. Die zentrale Steuereinheit M-ECUoomäne, vorzugsweise umfassend drei Microcontrollern JLLCI, p.C2, .C3 zur Umsetzung einer 2-aus-3- Architektur, kommunziert mit dem Steuergerät des elektrohydraulischen Bremsaggregats (M-ECUBM) sowie den elektrischen Traktionsmotoren TM1, (optional TM2) der Hinterachse und dem elektrischen Traktonsmotor TM3 der Vorderachse, insbesondere über redundante Datenleitungen.
Die zentrale Steuereinheit M-ECUoomäne kann insbesondere zumindest einen sehr leistungstarken Microcontroller und einen großen Speicher (in der Dimensionierung im Gigabyte-Bereich) aufweisen, damit über Artificial Intelligence (AI) eine automatische Applikation vor der Erstinbetrriebnahme des Fahrzeuges und/oder im Fahrzeugbetrieb umgesetzt werden kann. Alternativ kann statt eines Domänenrechners auch ein Zentralrechner eingesetzt werden oder es können die typischerweise größeren Ressouren eines Zentralrechners, der für die Verarbeitung von Multimediadaten ausgelegt ist, inbesondere für die Applikation über AI genutzt werden.
Die zentrale Steuereinheit M-ECUoomäne empfängt Daten von Raddrehzahlsensoren der Räder VRI - vR4 und vorzugsweise weitere Sensorsignale SI, S2, Si, etc. Die Sensorsignale SI, S2, Si können von Giermomentsensoren, Beschleunigungssensoren und/oder Gewichtssensoren bereitgestellt werden, die für die zentrale Steuerung über ein Fahrzeugmodell von Bedeutung sind, weil diese Sensoren es ermöglichen oder zumindest erleichtern, die zentrale Steuerung zu optimieren. So kann der Gewichtssensor vorteilhaft genutzt werden, um die Rekuperationsstrategie abhängig vom Gewicht anzupassen. Giermomentsensoren sind hilfreich für Fahrdynamikeingriffe, beispielsweise Torque-Vektoring oder ESP- Giermomenteingriffe, und Beschleunigungssensoren helfen bei der Kalibrierung des Zusammenhangs zwischen dem Bremsdruck eines hydraulischen Bremsaggregats (EHB) und dem erzielten Bremsmoment bzw. Bremsdruck und der erzielten Fahrzeugverzögerung. Weitere Sensoren oder Daten aus dem autonomen Fahrsystem, etwa Daten von Kameras und Lidarsensoren, Kartenmaterial oder Daten in der Interaktion mit Umgebung und anderen Fahrzeugen zum Beispiel in der Car2X (V2x) oder Car2Car (V2V) Kommunikation können ebenfalls verwendet werden, um verkehrsspezifisch Bremsmomenteingriffe vorzunehmen oder das Fahrzeug zielorientiert zu verzögern und im Fehlerfall, etwa bei einem Teilausfall mit reduzierter maximaler Verzögerung, das Fahrzeug mit angepasster Geschwindigkeit oder frühzeitiger Verzögerung zu betreiben.
Ergänzend sind vorteilhafterweise noch die elektrische Servolenkung EPS der Vorderachse und optional elektrische Parkierbremsen (EPB1, EPB2) der Hinterachsen für eine Kommunikation mit der zentralen Domäne vorgesehen. Die Einbindung der EPS ermöglicht koordinierte Fahrdynamikeingriffe, etwa Torque-Vektoring, ESP- Giermomenteingriffe über das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB in Ergänzung zur Lenkung beziehungsweise zur Unterstützung der elektrischen Servolenkung des Fahrzeuges beim Ausfall oder Teilausfall der EPS. Zudem ist eine Einbindung der elektrischen Parkbremse EPB vorteilhaft, weil die Parkbremse neben der reinen Stillstandssicherstellung auch noch dynamische Bremsfunktionen oder Notfunktionen durchführen kann, wie etwa in der WO 2020165255 Al beschrieben.
Figur 2b zeigt den beispielhaften Aufbau einer weiteren Fahrzeugarchitekur des erfindungsgemäßen Fahrdynamiksystems mit EHB-Z mit hydraulischen Leitungen sowie Signalleitungen zwischen den Bremsaggregaten und Sensoren. Die zentrale Steuereinheit M-ECUoomäne, vorzugsweise umfassen drei Microcontroller JLLCI, p.C2, p.C3 zur Umsetzung einer 2-aus-3-Architektur, kommunziert mit einem Steuergerät des hydraulischen Bremsaggregats (M-ECUBM) mit zwei redundanten Steuergeräten ECU IEHB und ECU2EHB sowie den elektrischen Traktionsmotoren TM1, TM2 der Hinterachse und dem elektrischen Traktonsmotor TM3 der Vorderachse, insbesondere über redundante Datenleitungen. Im Gegensatz zur Fig.2b ist im EHB-Z kein Pedal integriert und es ist nur eine hydraulische Leitung zu den Radbremsen der Hinterachse vorgesehen sowie je ein elektrischer Traktionsmotor für je ein Rad der Hinterachse, sodass die Bremsmomentregelung für unterschiedliche Funktionen ABS, ASR, ESP, EDB und rekuperatives Bremsen durch die elektrischen Traktionsmotoren durchgeführt wird, während das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB-Z lediglich ein Grundbremsmoment bereitstellt. Weitere Details zum hydraulischen Layout der EHB-Z sind in Figur 6b gezeigt.
In den zentralen Steuereinheiten M-ECUoomäne werden Daten von Raddrehzahlsensoren der Räder VRI - VR4 empfangen sowie vorzugsweise weitere Sensorsignale SI, S2, Si, etc. Die Sensorsignale SI, S2, Si können von Giermomentsensoren, Beschleunigungssensoren und/oder Gewichtssensoren bereitgestellt werden, die für die zentrale Steuerung über ein Fahrzeugmodell von Bedeutung sind, weil diese Sensoren es ermöglichen oder zumindest erleichtern, die zentrale Steuerung zu optimieren. So kann der Gewichtssensor vorteilhaft genutzt werden, um die Rekuperationsstrategie abhängig vom Gewicht anzupassen. Giermomentsensoren sind hilfreich für Fahrdynamikeingriffe, beispielsweise Torque- Vektoring oder ESP-Giermomenteingriffe, und Beschleunigungssensoren helfen bei der Kalibrierung des Zusammenhangs zwischen Bremsdruck einer hydraulischen Bremsanlage (EHB) und dem erzielten Bremsmoment bzw. Bremsdruck und erzielten Fahrzeugverzögerung. Weitere Sensoren oder Daten aus dem autonomen Fahrsystem, etwa Daten von Kameras und Lidarsensoren, Kartenmaterial oder Daten in der Interaktion mit der Umgebung und mit anderen Fahrzeugen, etwa in der Car2X (V2x) oder Car2Car (V2V) Kommunikation, können ebenfalls verwendet werden, um verkehrsspezifisch Bremsmomenteingriffe vorzunehmen oder zielorientiert das Fahrzeug zu verzögern und im Fehlerfall, zum Beispiel bei einem Teilausfall mit reduzierter maximaler Verzögerung, das Fahrzeug mit angepasster Geschwindigkeit oder frühzeitiger Verzögerung zu betreiben.
Ergänzend sind vorteilhafterweise noch die elektrische Servolenkung EPS der Vorderachse und optional ebenfalls die elektrischen Parkierbremsen (EPB1, EPB2) der Hinterachsen für eine Kommunikation mit der zentralen Domäne vorgesehen. Die Einbindung der EPS ermöglicht koordinierte Fahrdynamikeingriffe, etwa Torque- Vektoring oder ESP-Giermomenteingriffe über das hydraulische Bremsaggregat EHB in Ergänzung zur Lenkung beziehungsweise zur Unterstützung der elektrischen Servolenkung des Fahrzeuges beim Ausfall oder Teilausfall der EPS. Zudem ist einen Einbindung der elektrischen Parkbremse EPB vorteilhaft, weil die Parkbremse neben der reinen Stillstandssicherstellung auch noch dynamische Bremsfunktionen oder Notfunktionen durchführen kann, wie etwa in der WO2020165255A1 beschrieben.
Figur 3 zeigt die Verblendungsstrategie des Fahrdynamiksystems mit der vollen Ausnutzung der Bremskraft eines elektrischen Traktionsmotors über den gesamten Geschindigkeitsverlauf des Fahrzeuges sowie bis zum maximalen Bremsmoment der eingesetzten elektrischen Traktionsmotors. Die volle Ausnutzung ist bei dem Fahrdynamiksystem dadurch möglich, dass, wie in Fig.2a dargestellt, die zentrale Domäne über alle wichtigen Informationen verfügt und daher mit minimalem Zeitverzug in einer kritischen Fahrsituation, etwa bei einem ABS-Regelbetrieb, sehr schnell eine Anpassung der Bremswirkung über den Elektromotor vornehmen kann. Neuartige Elektromotoren der Hochvolttechnik (>700V) können das elektrische Bremsmoment über den Elektromotor sehr dynamisch mit 10.000 bis 30.000 Nm/s erhöhen oder reduzieren. In einem ABS-Fall kann daher durch den elektrischen Traktionsmotor an der Achse bei elektrischen Achsantrieben (siehe Tabelle) oder bei einem Rad mit radindividuellem Antrieb oder bei elektrischen Achsen mit Torque- Vektoring-Modulen das Bremsmoment annäherend schnell wie bei einer hydraulische Bremse (typischerweise 1.000 bis 2.000 bar/s = 20.000 bis 40.000 Nm/s) abgebaut werden, bevor das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB die ABS-Regelung übernimmt. Eine Regelstrategie im ABS-Betrieb gemeinsam mit elektrischen Traktionsmotor und dem elektrohydraulischen Bremsaggregat EHB ist in Figur 5a weiter ausgeführt. Damit ist zwar der erste Regelzyklus nicht ganz optimal, aber es besteht keine sicherheitskritische Situation, wo das Fahrzeug instabil werden könnte. Ferner können in kritischen Fahrsituationen, wo eine automatische Notbremse (AEB) zum Einsatz kommt, die Nachteile des ersten Regelzyklus durch eine Verkürzung von TTL überkompensiert werden.
In der Darstellung wurde beispielhaft das Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld eines elektrischen Antriebsmotors eines Plug-In-Hybrids oder E-Fahrzeuges (beispielsweise BMW i3) mit einem Fahrzeuggewicht von 1365 kg eingesetzt. Der elektrische Traktionsmotor weist in diesem Fall eine maximale Leistung von etwa 130 kW und ein maximales Drehmoment von 250 Nm auf und wirkt mit einer Getriebeübersetzuung von 9,5, das heißt, es kann ein Drehmoment von bis zu 2400 Nm an den Achsen eines Fahrzeuges zum Antrieb und zur Verzögerung genutzt werden. Legt man das zulässige maximale Fahrzeuggewicht von 1710 kg und eine Gewichtsverteilung beim Bremsen mit maximaler Verzögerung von 40% an der Hinterachse und 60% an der Vorderachse zugrunde, dann ist ein Achsbremsmoment von 3400 Nm an der Vorderachse und 2465 Nm an der Hinterachse erforderlich. Damit kann die Hinterachse komplett elektrisch gebremst werden bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 70 km/h.
Im Auslegungspunkt für den AMS-Fading-Test können bei einer Geschwindigkeit von 100 km/h an der Vorderachse etwa 50% der Bremsleistung erbracht werden, an der Hinterachse sogar annäherend 70%. Dies bedeutet wiederum, dass die Bremse an der Vorderachse nur die hälftige Reibleistung erfährt und die Hinterachse nur 30%.
Das hohe zur Verfügung stehende zusätzliche Bremsmoment über einen großen Geschwindigkeitsbereich kann zur signikanten Reduzierung der Erwärmung der Reibbremse genutzt werden, neben der AMS-Testbedingungen bei 100 km/h auch bei hohen Geschwindigkeiten, wo sehr viel kinetische Energie von der Reibbremse aufgenommen wird. Letzteres wirkt sich vorteilhaft aus für sportliche Fahrzeuge, wo typischerweise sehr teure Keramikbremsen eingesetzt werden. Zudem kann die Hinterachse im Geschwindigkeitsbereich bis 70 km/h thermisch komplett entlastet werden; sie kann insbesondre auch beim kritischen AMS-Test sehr stark entlastest werden. Dies ermöglicht den Einsatz einer kostengünstigen Trommelbremse.
Die zentrale Steuereinheit des Fahrdynamiksystems, die vorzugsweise auch das Gewicht des Fahrzeuges erfasst, kann dann auch bei niedriger Beladung das Bremsen über regeneratives Bremsen steigern, sodass die Rekuperationsstrategie abhängig von der Fahrzeugbeladung angepasst wird.
Problematisch ist die Aufnahmemöglichkeit der Batterie für hohe Impulsleistungen, inbesondere im Zustand von hohen Ladezuständen. Für diesen Sonderfall bietet es sich an, die Leistung nicht in die Battierie zurückzuspeisen, sondern im elektrischen Traktionsmotor zumindest teilweise durch intelligente feldorientierte Vektorregelung (Id, Iq) intern im elektrischen Traktionsmotor zu vernichten, sodass keine Energie zurückgeführt wird. Alternativ kann ein zusätzlicher Widerstand genutzt werden, bei dem die Wärme vernichtet werden kann. Die über einen Widerstand erzeugte Wärme kann dann vorteilhaft auch für die Heizung des Fahrzeuges oder über einen Wärmetauscher zur Kühlung des Fahrzeuges genutzt werden. Die Möglichkeiten des Energiemanagements wurden bereits oben in zusätzlichem Detail beschrieben.
Wird zusätzlich ein spezieller Inverter eingesetzt, mittels dessen die Wicklungen des Motors alternativ in Reihe oder parallel geschaltet werden können (RSP-4Q-Inverter), ist zusätzlich ein Drehmoment-Boost möglich bei höheren Motordrehzahlen beziehungsweise bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten. Damit kann ferner das Bremsmoment bei höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten zur generatorischen Bremsen gesteigert und somit noch mehr kinetische Energie rekuperiert werden. Alternativ kann die TTL-Zeit (Time-to-Lock), wie in Figur 4 dargestellt, bei hohen Geschwindigkeiten weiter reduziert werden, was ebenfalls vorteilhaft zur Bremswegverkürzung genutzt werden kann, da additiv zur hydraulischen Bremse zusätzlich elektrisch gebremst werden kann.
Figur 4 illustriert, wie die erfindungsgemäße Funktion der Notbremse AEB (Funktion B) mit der erfindungsgemäßen Steuerung des Fahrdynamiksystems umgesetzt werden kann, indem bei der elektrischen Notbremse neben der Bremswirkung über elektrische Traktionsmotoren ferner die EBV-Regelung im Sinne einer Bremswegverkürzung sinnvoll angepasst wird. In Figur 4 wird beispielhaft ein elektrischer Traktionsmotor mit den Leistungsdaten der Figur 3 (130 kW, 250 Nm, Getriebeübersetzung von 9,5) sowie ein Drehmomentgradient von 15.000 Nm/s angesetzt. Beim elektrohydraulischen EHB-System wird von einer Schwarz-Weiss- Bremskreisaufteilung ausgegangen, das heißt, von einem Bremskreis für die Vorderachse und einem zweiten Bremskreis für die Hinterachse des Fahrzeugs. Die Kurven BMTMI-VA und BMTM2-HA zeigen jeweils den Bremsmomentanstieg des elektrischen Traktionsmotors an der Vorderachse VA beziehungsweise Hinterachse HA, insbesondere mit einem Bremsmomentgradient von 15.000 Nm/s. Dieser Anstieg wird für die elektronische Bremskraftverteilung EBV so berücksichtigt, dass der Druckverlauf über ein vorteilhaftes hydraulisches Bremssystem, wie in Fig. 6a bis 6d weiter ausgeführt, so auf die Vorderachse und die Hinterachse verteilt wird, dass Vorderachse und Hinterachse ihr maximales Bremsmoment, beispielsweise für 1 g Verzögerung, gleichzeitig erreichen und gleichzeitig sichergestellt wird, dass Prioritäten der Auslegung (siehe Tabelle 1 der Prioritäten) berücksichtigt werden.
Vereinfacht dargestellt steigt das Bremsmoment nach Erreichen des maximalen Bremsmomentes, in der Figur mit etwa 1 g angegeben) weiter an, um den weiteren zeitlichen Bremsmomentverlauf zu illustrieren und somit auch TTL für höherer Verzögerungen (z.B. bis 1,4 g bis Sportfahrzeugen) zu illustrieren. Tritt ein ABS-Fall ein, typischerweise bei einer Verzögerung von etwa 1 g, wird das Bremsmoment in Folge reduziert und es folgt eine ABS-Regelbetrieb, wie unten mit Bezug zu den Figuren 5, 5a, 5b, 5c weiter ausgeführt.
Die Kurve BMEHB-HA zeigt dabei den Bremsmomentverlauf für die elektrohydraulische Bremse der Hinterachse; die Kurve BMHA,EHB+TM2-HA zeigt die Summe des Bremsmomentverlaufs für die elektrohydraulische Bremse der Hinterachse und des der Hinterachse zugeordneten Traktionsmotors TM2.
Die Kurve BMEHB-VA zeigt ferner den Bremsmomentverlauf für die elektrohydraulische Bremse der Vorderachse; die Kurve BMVA,EHB+TM I-VA zeigt die Summe des
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/ EP Bremsmomentverlaufs für die elektrohydraulische Bremse der Vorderachse und des Traktionsmotors.
Als eine obere waagrechte Linie BLM-VA ist das dem Blockierdruck für die Vorderachse VA entsprechende Bremsmoment eingezeichnet. Als eine untere waagrechte Linie BLM-HA ist das dem Blockierdruck für die Hinterachse HA entsprechende Bremsmoment eingezeichnet.
Dort, wo sich die Kurven für das mittels der Bremsaggregate EHB-VA, TM1, EHB-HA, TM2 erzielte Bremsmoment mit den waagrechten Linien BLM-VA, BLM-HA schneiden, wird der jeweilige Blockierdruck erhalten. Die Zeit bis zum jeweiligen Erreichen dieses Punktes wird als Time-to-Lock (TTL) bezeichnet.
Das TTL für die elektrohydraulischen Bremsen EHB-VA, EHB-HA allein beträgt etwa 140 ms, während es beim zusätzlichen Verwenden der regenerativen Bremsmomente der Traktionsmotoren TM1, TM2 bei etwa 90 ms liegt. Das heißt, mittels der Regelung des Fahrdynamiksystems kann die TTL in der Simulation um eine Differenz ATvon 140 ms auf 95 ms reduziert werden, was signifikante Auswirkungen auf den Bremsweg hat. Bei einer Geschwindigkeit von beispielsweise 100 km/h entsprechen diese 45 ms einer zurückgelegten Strecke von etwa 1 m. Dies ist im Verhältnis zu typischen Bremswegen von 25 m mit ABS-Bremsung bereits eine signifikante Verbesserung.
Eine solche Verbesserung des Bremswegs um 1 m ist für Applikateure von ABS- Bremssystemen ein sehr ambitioniertes Ziel.
Figur 5 illustriert einen weiteren grundlegenden Gedanken der synergetischen Nutzung der Bremsmomente von elektrischen Traktionsmotoren und der Bremsmomente von elektrohydraulischen Bremsaggregaten anhand eines typischen ABS-Regelverlaufes bei hohen Drücken auf Asphalt, das heißt im sogenannten „high- -Fall".
Nachdem, wie oben bereits ausgeführt, ein Traktionsmotor sehr schnell ein Bremsmoment auf- und abbauen kann, ist der Einsatz des elektrischen Traktionsmotors in der ABS-Regelung unproblematisch.
In Figur 5 ist einKurve für die Verzögerung des Fahrzeugs gezeigt, ferner sind Kurven für die Radgeschwindigkeiten der vier Räder des Fahrzeugs gezeigt. Vorteilhafterweise erzeugt der elektrische Traktionsmotor im ABS-Betrieb ein Basisbremsmoment VA, was in Figur 5 für eine beispielhafte Anordnungen des elektrischen Traktionsmotors an der Vorderachse dargestellt ist. Dies hat zur Folge, dass der Vordruck des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB um das Basisbremsmoment des elektrischen Traktionsmotors reduziert werden kann. Dies hat zur Folge, dass der Blockierdruck, wie in Figur 4 ausgeführt, schneller erzeugt werden kann und der erforderliche Druck der EHB für die ABS-Regelung reduziert wird.
Dies kann für ein Downsizing der Bremsanlage genutzt werden, die üblicherweise einen Vordruck erzeugen muss, der 20-40% höherer ist als der maximale Raddruck. Werden jedoch 50% des Basisbremsmomentes über den elektrischen Traktionsmotor erzeugt, so ist statt der typischen Auslegung auf 120-140 bar für den ABS-Betrieb nur ein Druck von 70-80 bar erforderlich. Nachdem zudem die Erwärmung der Bremsanlage durch generatives Bremsen (siehe die obigen Ausführung mit Bezug zu Figur 3) signifikant reduziert wird, ist eine Auslegung der EHB auf 100 bar ausreichend für den sicheren Regelbetrieb.
In Figur 5 ist gezeigt, wie das Basisbremsmoment an der Vorderachse VA vom elektrischen Traktionsmotor bereitgestellt wird. Die Differenz AP zum gewünschten Vordruck für die Vorderachse VA ist dann relativ gering. Die Druckregelung für die beiden Räder der Vorderachse VA weit entsprechend Variationen mit einer geringen Amplitude auf, sodass das elektrohydraulische Bremsaggregat kleiner ausgebildet werden kann.
Dies hat signifikante Auswirkungen auf die Bremsanlage, da zum einem die Druckversorgung ein kleineres Volumen benötigt, um das notwendige Fluidvolumen bereitzustellen, und der Elektromotor des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB nur 50% des Bremsmomentes aufbauen kann. Zudem kann die Ventilauslegung der Hydraulic Control Unit, HCU, der EHB angepasst werden, indem kleinere oder kostengünstigere Ventile eingesetzt werden, die auf eine deutlich geringere Druckfestigkeit ausgelegt werden können. Mit diesen grundlegenden Gedanken können die Kosten für eine EHB um etwa 10% reduziert werden. Zudem kann die Reibbremse deutlich kostengünstiger ausgeführt werden, da die thermische Belastung abnimmt und ein geringeres Bremsmoment auf die Bremsbacken übertragen werden muss. Bei sportlichen Fahrzeugen können teure Keramikbremsen durch deutlich kostengünstige Graugussbremsen ersetzt werden. In der Figuren 5a und 5b werden die Verzüge der ABS-Regelung mit elektrischen Traktionsmotoren gegenüber Standard-ABS-Systemen gezeigt. Dazu sind im Vergleich die zeitlichen Abläufe bei der Radgeschwindigkeit eines Rades vRl illustriert.
Figur 5a zeigt einen typischen Ablauf am Anfang eines Regelzyklus des Druckabbaus im ABS-Betrieb mit einer Standard-ESP-Anlage oder einem 1-Box-System, dargestellt auf niedrigem Reibwert, beispielsweise auf Schnee.
Im oberen Diagramm ist die Radgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Im unteren Diagramm ist der Druck in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen (obere Kurve); ferner ist der Öffnungszustand eines ventils über die Zeit t schematisch gezeigt (untere Kurve).
Nach einer Zeit to, bedingt durch eine Totzeit des Systems wird das Blockieren eines Rades erkannt, da dort die Radgeschwindigkeit v um Av von der Referenzgeschwindigkeit vref abweicht. Danach werden die Auslassventile zum Druckabbau geöffnet. Bis das Ventil geöffnet ist, vergeht eine Zeit tvM. In dieser Zeitphase fällt die Radgeschwindigkeit weiter um Avi. Nach der Ventilöffnungsphase erfolgt dann der Druckabbau über die Zeitdauer tab, der vereinfachend linear dargestellt wird. In dieser Zeitphase fällt die Radgeschwindigkeit weiter um Av2, bis sich das Rad stabilisiert. Dann wird das Ventil wieder geschlossen. Es folgt danach ein nicht dargestellter stufenweiser Druckaufbau, um die Radgeschwindigkeit wieder auf das Niveau der Referenzgeschwindigkeit vref zu führen, was vorzugsweise über kleine stufenweise Druckerhöhungen über Einlassventile erfolgt.
Figur 5b zeigt eine ABS-Regelung eines Rades über Traktionsmotoren.
Im oberen Diagramm ist die Radgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Im unteren Diagramm ist der Druck in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen.
Werden bei der hier beschriebenen ABS-Regelung mit Traktionsmotoren vorzugsweise Raddrehzahlsensoren mit hoher Auflösung und kurzen Latenzzeiten der Datenübertragung zur zentralen Steuereinheit M-ECUDomäne eingesetzt, so kann insbesondere auch aufgrund einer genauen Modellierung eines Fahrzeugmodells im Zentralrechner ein ABS-Fall, gekennzeichnet durch eine Raddrehzahlabweichung vom Referenzwert, schneller detektiert werden. In der Folge ist die Verzugszeit to bei der erfindungsgemäßen Regelung des Fahrdynamiksystems kürzer und damit auch die Geschwindigkeitsdifferenz Av kleiner. Da ferner bei einer ABS-Regelung mit elektrischen Traktionsmotoren kein Ventil erforderlich ist und der Zeitverzug der Drehmomentänderung in einem Inverter eines leistungsstarken Traktionsmotors vernachlässigbar klein ist, erfolgt der Bremsmomentabbau ohne weiteren Zeitverzug tMv sofort nach der anfänglichen Verzögerung t0, vor allem bei einem niedrigen Fahrbahnreibwert mit einem größeren Bremsmomentgradienten (siehe Illustration der Bremsmomentgradienten in Figur 12). Ferner kann aufgrund der höheren Auflösung eine verbesserte Radbeschleunigungsregelung mit zentraler Domänensteuerung umgesetzt werden, sodass das Radsollmoment schneller und zudem ohne Überschwinger erreicht werden kann. Folgt danach der Bremsmomentanstieg ebenfalls ohne Verzögerung der Ventilbetätigung und zudem mit der Präzision einer Motorregelung mit Drehmoment und Motorgeschwindigkeitsregelungskaskade (insbesondere also unter Berücksichtigung von Drehmoment/Strom des Elektromotors des Druckstellers, Position eines Kolbens in einem Kolben-Zylinder-System des Druckstellers, sowie eine Aktorgeschwindigkeit, also eine Geschwindigkeit der Verstellung eines Kolbens des Druchstellers), wird die Referenzgeschwindigkeit vref ohne Schwingungen im Bremsmomentverlauf auch deutlich schneller wieder erreicht. Durch die geringeren Abweichungen der Refenzgeschwindigkeit kann der Bremsweg bei einer Regelung mit elektrischen Traktionsmotoren im ABS im Vergleich zu einem Standard-ABS-System reduziert werden, bei gleichzeitig niedrigerem Geräusch aufgrund der druckschwingungsarmen Regelung. Anders betrachtet kann mit kleineren Bremsmomentgradienten bei einer Regelung mittels Traktionsmotoren im Vergleich zu Bremsmomentgradienten eines elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB die gleiche Regelgüte erreicht werden, weil der durch die Magnetventile bedingte kritische Zeitverzug tVM wegfällt. Zudem kann durch den leistungsstarken Rechner und durch Raddrehzahlsensoren mit höherer Auflösung die Reaktionszeit t0 reduziert werden, das heißt, ein Blockieren eines Rades wird früher erkannt und kann schneller ausgeregelt werden.
Figur 5c zeigt einen weiteren erfindungsgemäße Vorteil der gemeinsamen Bremsmomentmodulation im Regelbetrieb beispielhaft für einen negativen ^.-Sprung, wenn also das Fahrzeug beispielsweise von Asphalt auf Schnee kommt.
In Figur 5c ist der Druck beziehungsweise das entsprechende Bremsmoment an der Vorderachse VA und an der Hinterachse HA in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen. Dabei sind Kurven für die mittels der Traktionsmotoren an Vorderachse und Hinterachse erzeugten Bremsmomente sowie die gesamten Bremsmomente an der Vorderachse und Hinterachse gezeigt. In der Figur 5c wird vereinfacht angenommen, dass beide Räder der Vorderachse das gleiche Bremsmoment bzw. den gleichen Bremsdruck haben und dass sowohl die Vorderachse als auch die Hinterachse einen Traktionsmotor an der Achse aufweisen, der ein Basisbremsmoment zum Gesamtbremsmoment der jeweiligen Achse beiträgt. Zum Gesamtbremsmoment Mbrems,ges,vrad bzw. Mbrems,ges,Hrad wirken additiv das Bremsmoment der Traktionsmotoren Mbrems,TM,vrad bzw. Mbrems,TM,Hrad und das nicht dargestellte hydraulische Bremsmoment des elektromhydraulischen Bremsaggregats EHB der Vorderräder beziehungsweise der Hinterräder. Beim Bremsmomentabbau kann ohne Zeitverzug zuerst das Bremsmoment der Vorderachse Mbrems,TM,vrad abgebaut werden, mit dem oben beschriebenen Zeitverzug to folgt dann der Druckabbau durch die EHB. Damit kann das Bremsmoment vorteilhaft sehr schnell angepasst werden und der Gradient erhöht sich, sobald die EHB den Druck abbauen kann. Dies wirkt sich positiv auf den nicht dargestellten Geschwindigkeitseinbruch der Vorderräder aus. Mit kurzer zeitlicher Verzögerung folgt der Bremsmomentabbau an der Hinterachse beziehungsweise der Abbau des Bremsmoments Mbrems,ges,Hrad, der - wie oben für die Vorderachse beschrieben - von dem schnell einsetzenden Bremsmoment durch den elektrischen Traktionsmotor M brems, TM, Hrad ohne weiteren Zeitverzug to profitiert, sodass auch hier die Radgeschwindigkeit nicht so stark einbricht.
Figur 5d zeigt den erfindungsgemäßen Ansatz für eine andere Regelsituation, in welcher das Fahrzeug auf einer weitestgehenden homogenen Fahrbahn beispielsweise mit Schnee betrieben wird (sog. low- -Fall).
Es sind die an den Rädern vorne rechts VR, vorne links VL, hinten rechts HR und vorne rechts VR erzeugten Bremsmoments Mbrems in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen.
Hier wird vorteilhaft die Vorderachse mit der EHB geregelt, während die niedrigeren Bremsmomente für die Hinterachse durch die zwei Traktionsmotoren TM1 und TM2 erhalten werden, wobei hier das Konzept der nachfolgend erläuterten Figuren 6b oder 6d zugrunde gelegt wird.
Alternativ ist die Regelung auch auf Antriebskonzepte zu übertragen, bei denen an der Hinterachse gemäß dem Konzept der Figur 6c ein elektromechanisches Bremsaggregat EMB und an der Vorderachse ein elektrohydraulisches Bremsaggregat EHB vorgesehen sind. Ein elektromotorisches Bremsaggregat EMB hat nämlich vergleichbare Vorteile wie die Traktionsmotoren, etwa einen hohen Bremsmomentgradienten und eine genaue Bremsmomentregelung durch Drehmoment- und Beschleunigungsregelung des Motors der EMB. Die elektromotorische Bremse EMB ist elektrischen Traktionsmotoren im Bremsmomentgradienten sogar überlegen (siehe Darstellung in Figur 12). Zudem entfällt bei niedrigen Reibwerten der Bremsbackenverspanneffekt der EMB.
Figur 6a zeigt eine für die Einbindung in das Fahrdynamiksystem gemäß der ersten Ausführungsform („Architektur I") vorteilhafte hydraulische Bremsanlage für vier Radbremsen sowie mit elektrischen Traktionsmotoren TM1 an der Hinterachse und TM2 an der Vorderachse des Fahrzeuges. Diese Bremsanlage ist kann zudem eine redundanten Druckversorgung in Form einer über einen Elektromotor und Spindeltrieb angetriebenen Kolben-Zylinder-Einheit aufweisen. Die Druckversorgung kann mit einem Stromsensor i/U und einem Winkelgeber a/U sowie optional mit Tempartursensoren T/U, welche die Motortemperatur des EC-Motors messen, ausgestattet sein. Die Kolben-Zylinder-Einheit kann ferner redundante Phasenanschlüsse, redundante Elektroniken und/oder redundante Bordnetzanschlüsse BN1 und BN2 und Datenleitungen DS1 und DS2 zur Kommunikation mit der Chasssis-Domäne eines zentralen Steuergerätes (M-ECUchassis Domaine) aufweisen. Das Bremssystem kann ferner ein E-Pedal mit einer Sensor-ECU und Sensoren aufweisen, insbesondere mit einem Kraft-Weg-Sensor basierend auf dem Prinzip der Differenzwegmessung (vergleiche US13/883,192), übertragen auf das E-Pedal-Konzept zur Erfassung der Pedalkraft. Die Sensor-ECU kann in direkter Kommunikation mit dem zentralen Steuergerät der Chasiss-Domäne stehen.
Zudem können für jede Radbremse bidirektional wirksame spezielle Einlass- /Auslassventile (vereinfacht als MVzk gekennzeichnet) eingesetzt werden, wobei durch gleichzeites Vor- und Rückfahren des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit Druck aufgebaut oder Druck abgebaut werden kann. Alternativ können unterschiedliche Anschlüsse der Ventile vorgesehen sein, sodass entweder beim Druckaufbau oder Druckabbau die Querschnitte der Ventile durch geeignete Bestromung gesteuert werden können. Wird beispielsweise der Ventilsitz an die Radbremse angeschlossen, so können bei Druckabbau unterschiedliche Druckgradienten realisiert werden, sodass gleichzeitig geräuscharm der Druck in mehreren Radbremsen abgebaut werden kann. Der Druckaufbau erfolgt dann über eine Volumensteuerung durch die Druckversorgungseinheit gleichzeitig oder in einem Mulitplexverfahren. Wird der Ventilsitz an die Druckversorgung angeschlossen, so wird über eine klassische Vordrucksteuerung der Druck aufgebaut. Für letzteres Verfahren sind Auslassventile AV1-AV4 vorteilhaft, aber nicht zwingend für den Druckabbau vorgesehen. Zudem ist es sinnvoll, die Auslassventile nur in Extremsituationen einzusetzen, da hierdurch das Volumen der Druckversorgung in den Vorratsbehälter verloren geht; bei einem relativ langwierigen Regeleingriff ist es dann erforderlich, durch Rückzug des Kolbens Volumen aus dem Vorratsbehälter zurückzuführen, vergleiche eine Regelstrategie gemäß EP 2580095 Bl. Der Volumenabbau über die Auslassventile ist daher so zu bemessen, dass zur Vermeidung einer kritischen Regelungsunterbrechung ein Bremsvorgang komplett abgeschlossen werden kann und dass erst nach Abschluss des Bremsvorgangs ein Nachfördern erfolgen muss. Alternativ kann für die Druckverorgung auch ein kontinuierlich fördernder Doppelhubkolben vorgesehen sein, wie in der EP 3 145 771 Bl beschrieben, oder die elektrischen Traktionsmotoren können in der Zeitphase der Unterbrechung die Bremsmomentregelung übernehmen.
Eine derartige Systemlösung hat die Freiheitsgrade des wahlweisen Druckabbaus über die Einlass/Auslassventile MVzk Oder über Auslassventile. Der Einsatz von Auslassventilen ist daher optional und es können wahlweise 1-4 Auslassventile vorgesehen werden. Die Auslassventile bieten hier nur einen weiteren Freiheitsgrad in den Druckabbaumöglichkeiten. Sinnvollerweise können bei Systemeinführung alle Räder mit Auslassventilen versehen werden, wobei deren Anzahl später im Rahmen der Produktpflege Schritt für Schritt reduziert wird.
Alternativ kann auch das bekannte Mulitplexverfahren an zwei Radbremsen mit der klassischen Druckregelung an zwei weiteren Radbremsen über Einlass/Auslassventile kombiniert werden. Dabei werden optional Standardeinlassventile statt der Einlass/Auslassventiie eingesetzt oder die MVzk -Ventile werden nur für den Druckaufbau und Druckabbau im Bremskraftverstärkerbetrieb verwendet. Die elektrischen Traktionsmotoren können zudem vorteilhaft im Sinne des Downsizing (siehe Figur 5) dazu genutzt werden, eine efflizente Verblendungsstrategie zu realisieren, wobei sie im bei ABS-Betrieb ein Grundbremsmoment zur Verfügung stellen und/oder bei der Notbremsfunktion AEB (siehe Figur 4) zum erreichen eines schnelleren TTL eingesetzt werden.
Zudem wird vorteilhaft über die Domäne ein gezielter Bremsmomenteneingriff als Sollwert oder Sollwertverlauf vorgegeben, der vorteilhafterweise auch den zeitlichen Verlauf des Bremsmomentenanstiegs oder des Bremsmomentenabfalls festlegt, damit eine effiziente Sychrononisation mit dem Bremsmomentverlauf der elektrischen Traktionsmotoren erfolgen kann. Der Eingriff kann achsindividuell oder radindividuell erfolgen. Der radindividuelle Eingriff wird dabei primär zur Giermomentregelung verwendet, beispielsweise für Torque-Vektoring-Eingriffe, vorteilhafterweise ebenfalls zeitlich sychronisiert mit dem Lenkungseingriff der elektrischen Servolenkung EPS.
Die Einsatz von MVzk- Ventilen hat zudem den Vorteil, dass der Ausfall eines Radkreises diagnostiziert werden kann und der Radkreis durch Schließen der MVzk- Ventile im Fehlerfall abgetrennt werden kann. So ist auch bei Ausfall eines Radkreises noch ein 3-Kanal-Regelbetrieb möglich, der für eine ABS-Regelung, aber auch Giermomenteingriffe zur Lenkungsunterstützung oder Notfalllenkung bei Ausfall oder Teilausfall einer elektrischen Servolenkung genutzt werden kann.
Zudem werden die Bremsaggregate vorzugsweise redundant ausgeführt, etwa mit redundanten Wickelungen und Elektroniken, sodass die einzelnen Bremsaggregate auch bei Teilausfall noch betrieben werden können. Damit kann mit hoher Zuverlässigkeit eine Zwei- bis Dreifachredundanz der Bremsfunktion erreicht werden. Selbst wenn dann die Bremsleistung reduziert ist, können kritische Situationen immer noch beherrscht werden. Fällt die Druckversorgung teilweise aus, so wird mit reduzierter Dynamik der 1x3 statt 2x3 Phasen noch 50% des maximalen Bremsmomentes aufgebaut, das heißt, etwa 70 bar bei einer Auslegung auf 140 bar. Damit kann an beiden Achsen bis zum Blockierdruck ein vollwertiger ABS-Betrieb relasiert werden, weil dann die elektrischen Traktionsmotoren ein unterstützenden Drehmoment an einer oder beiden Achsen liefern können.
Das hydraulische Bremssystem mit dem Fahrzeugdynamiksystem der vorliegenden Beschreibung hat einen sehr einfachen und kostengünsten Aufbau (wenige Magnetventile, downgesized Druckversorgung) und erfüllt alle Redundanzanforderungen der SAE Stufe 4, wie weiter oben spezifiziert.
Figur 6b zeigt eine zweite Auführungsform des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB mit zwei elektrischen Traktionsmotoren TM1 und TM2 an der Hinterachse und einem Traktionsmotor TM3 an der Vorderachse. Auf den Traktionsmotor TM3 kann verzichtet werden, wobei die beiden Traktionsmotoren TM1 und TM2 systemrelevant sind und die Topologie B der Abbildung 2 abbilden.
Von der Druckversorgung des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB führt nur eine hydraulische Leitung zu den beiden Radbremsen RB3 und RB4 der Hinterachse und es wird an der Hinterachse vorteilhafterweise nur eine kostengünstige Trommelbremse eingesetzt.
Die elektrischen Traktionsmotoren TM1 und TM2 sind leistungstark mit mehr als 50 kW je Rad. Der Bremsmomentaufbau und Bremsmomentabbau werden dynamisch ausgeführt. Die Traktionsmotoren TM1 und TM2 überrnehmen hier die Bremsmomentregelung, während die EHB im Normalbetrieb nur für das Aufbringen eines Grundbremsmomentes für die Hinterachse genutzt wird.
Der Regelbetrieb ist vergleichbar mit dem in Figur 5 gezeigten Fall mit dem Unterschied, dass die Rollen des EHB und der Traktionsmotoren getauscht sind und diesmal die EHB das Grundbremsmoment aufbaut, statt der elektrischen Traktionsmotoren. An der Vorderachse wird hingegen die ABS-Regelung über die EHB durchgeführt und der optionale Traktionsmotor TM3 stellt das Grundbremsmoment zur Verfügung. Wird ein optionaler Traktionsmotor TM3 an der Vorderachse eingesetzt, so kann auch hier eine kostengünstige Trommelbremse eingesetzt werden.
In einem ersten Fehlerfall, beispielsweise bei einem Ausfall der Hydraulikverbindung zu den Radbremsen der Hinterachse, wird die Verbindungsleitung über das Trennventil getrennt und die Traktionsmotoren übernehmen dort vollständig die Regelfunktion. Damit ist bedingt durch die Leistungsfähigkeit und Geschwindigkeit der Traktionsmotoren gegebenenfalls die Hinterachsverzögerung limitiert, es können aber dennoch alle sicherheitskritischen Funktionen (p-Sprung, ABS auf low-p) sehr sicher geregelt werden und die Lenkbarkeit (Priorität 3) ist durch die Vorderachsdruckregelung und/oder durch die Ansteuerung der Lenkung EPB über das Fahrdynamiksystem sichergestellt.
Sinnvollerweise wird die Geschwindigkeit des Fahrzeuges in einem solchen Fehlerfall beschränkt (beispielsweise auf 75 km/h bei einer Auslegung des Motors gemäß Figur 3). Dieser Fehlerfall führt ohne Geschwindigkeitsbeschränkung zu einem längeren Bremsweg, ist aber ansonsten sicherheitstechnisch unkritisch.
Fallen in einem zweiten Fehlerfall die elektrischen Traktionsmotoren TM1 und TM2 der Hinterachse aus, so wird über die Druckversorgungseinrichtung achsweise ABS geregelt. Lenkungseingriffe werden dann vorzugsweise über eine Ansteuerung der EPS durch das Fahrdynamiksystem vorgenommen. Fällt nur ein Traktionsmotor aus, so können über den noch aktiven Traktionsmotor ebensfalls Lenkungseingriffe vorgenommen werden. Die Druckregelung kann auch bei Teilausfall der Druckversorgung, beispielsweise beim Ausfall einer Wicklung eines Elektromotors, aufrechterhalten werden, wenn auch mit geringerer Leistung, indem der zweite Strang der 2x3 Phasen die Regelung mit 50% der Leistung übernimmt. Zudem können in diesem Fall die Traktionsmotoren an der Hinterachse die Antischlupfregelung (ASR) sowie Torque- Vektoring oder Giermomenteingriffe übernehmen.
Das Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Bremssystems gemäß Figur 6b ist nochmals einfacher als das in Figur 6a gezeigte System, da weniger Magnetventile und Hydraulikleitungen vorgesehen sind und eine Trommelbremse eingesetzt werden kann. Dabei erfüllt das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6b ebenfalls die Redundanzanforderungen der SAE Stufe 4, wie oben spezifiziert.
Figur 6c zeigt eine dritte Auführungsform mit zwei elektromechanischen Bremsen EMB1 und EMB2 an der Hinterachse und einem Traktionsmotor TM3 an der Vorderachse.
Auf den Traktionsmotor TM3 kann verzichtet werden, wobei allerdings die elektromotorischen Bremsaggregate EMB1 und EMB2 systemrelevant sind und die Topologie B und Topologie D der Abbildung 2 abbilden. Von der Druckversorung der EHB führt nur eine hydraulische Leitung zu den beiden Radbremsen RB3 und RB4 der Hinterachse. Insbesondere kann an der Hinterachse nur eine kostengünstige Trommelbremse eingesetzt werden.
Die elektromechanischen Bremsaggregate EMB 1 und EMB 2 sind dynamisch im Bremsmomentaufbau und Bremsmomentabbau ausgeführt und überrnehmen hier die Bremsmomentregelung. Die eltrkohydraulische Bremse EHB wird im Normalbetrieb nur für das Aufbringen eines Grundbremsmomentes für die Hinterachse genutzt. Der Regelbetrieb erfolgt ähnlich wie oben mit Bezug zu Figur 5 erläutert, allerdings mit dem Unterschied, dass die Rollen der EHB und der EMB getauscht sind und die EHB das Grundbremsmoment aufbaut. An der Vorderachse wird hingegen die ABS- Regelung über die EHB durchgeführt und der optionale Traktionsmotor TM3 stellt das Grundbremsmoment zur Verfügung. Wird ein optionaler Traktionsmotor TM3 an der Vorderachse eingesetzt, so kann auch hier eine kostengünstige Trommelbremse eingesetzt werden.
In einem ersten Fehlerfall, beispielsweise bei einem Ausfall der Hydraulikverbindung zur Radbremse der Hinterachsen, wird die Verbindungsleitung über das Trennventil getrennt und EMB1 und EMB2 übernehmen vollständig die Regelfunktion an den einzelnen Rädern der Hinterachse. Damit können auch ohne hydraulische Unterstützung durch die EHB alle sicherheitskritischen Funktionen (p-Sprung, ABS auf low-p) sehr sicher geregelt werden und die Lenkbarkeit (Priorität 3) ist durch die Vorderachsdruckregelung und/oder durch Ansteuerung der Lenkung EPB über das Fahrdynamiksystem sichergestellt.
Die elektromechanischen Bremsaggregate EMB1 und EMB2 sind sinnvollerweise auf das Blockierbremsmoment mit geringer Reserve für Fading (20% Reserve) ausgelegt; man kann die elektromechanischen Bremsaggregate EMB1, EMB2 aber auch aus Kostengründen vorteilhaft auslegen auf ein Bremsmoment unterhalb der Blockiergrenze (etwa 50% des Blockierbremsmomentes). Im Normalbetrieb kann durch die EHB-Unterstützung das Bremsmoment zum Regeln bei maximaler Verzögerung sicher erreicht werden, ohne dass eine Trommelbremse thermisch zu stark belastet wird. Bei Ausfall der hydraulischen Leitung ist es durchaus akzeptabel, dass die Hinterachse weniger Bremsmoment zur Gesamtverzögerung beitragen kann als die Vorderachse, da der Einfluss auf die Bremswegverlängerung eher klein ist. Wichtig ist primär der Regelbetrieb bei low-p und p-Sprung. Dabei reichen 50% des Blockiermomentes für einen sicheren Fährbetrieb aus.
Fallen in einem zweiten Fehlerfall die elektromechanischen Bremsaggregate EMB1 und EMB2 der Hinterachse aus, so wird über die Druckversorgungseinrichtung achsweise ABS geregelt. Lenkungseingriffe werden dann vorzugsweise über eine Ansteuerung der EPS durch das Fahrdynamiksystem vorgenommen. Fällt nur ein elektromechanisches Bremsaggregat EMB (EMB1 oder EMB2) aus, dann können über das noch aktive elektromechanische Bremsaggregat EMB (EMB2 oder EMB1) ebensfalls Lenkungseingriffe vorgenommen werden.
Die Druckregelung kann auch bei einem Teilausfall der Druckversorgung, beispielsweise beim Ausfall einer Wicklung eines Elektromotors, aufrechterhalten werden, wenn auch mit geringerer Leistung, indem der zweite Strang der 2x3 Phasen die Regelung mit 50% des Drehmomentes übernimmt. Zudem übernehmen die elektromechanischen Bremsaggregate EMB1 und EMB2 an der Hinterachse die Antischlupfregelung (ASR) sowie Torque-Vektoring und/oder Giermomenteingriffe.
Das Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Bremssystems gemäß Figur 6c ist einfacher als das in Figur 6a gezeigte System, da weniger Magnetventile und Hydraulikleitungen vorgesehen sind und eine Trommelbremse eingesetzt werden kann. Dabei erfüllt das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6c ebenfalls die Redundanzanforderungen der SAE Stufe 4, wie oben spezifiziert.
Eine derartige Lösung wird sinnvollerweise eingesetzt, wenn kein elektrischer Traktionsmotor an der Hinterachse oder weder ein elektrischer Traktionsmotor an Hinterachse noch an der Vorderachse für Eingriffe zur Bremsmomenterzeugung durch das Fahrdynamiksystem vorgesehen ist, beispielsweise für Wasserstofffahrzeuge oder Hybridfahrzeuge, wo der Elektromotor mit einem Verbrennungsmotor eng verbunden und daher nicht dynamisch ist.
Figur 6d zeigt eine vierten Variante des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB für die Einbindung in das Fahrdynamiksystem, wobei hier nur eine elektrohydraulische Bremse für die Vorderachse vorgesehen ist und an der Hinterachse, wie schon in Figur 6b, ebenfalls für jedes Rad ein elektrischer Traktionsmotor TM 1 und TM2 vorgesehen ist.
Im Gegensatz zu dem System der Figur 6b erfolgt keine Unterstützung der Hinterachse durch ein Grundbremsmoment über die EHB, das heißt, die Traktionsmotoren sind vorteilhafterweise entsprechend leistungsstärker ausgeführt und können bis zur Blockiergrenze ein Bremsmoment aufbringen und zudem dynamisch regeln. Eine derartige Konfiguration ist bei Sportwagen oder Premiumfahrzeuge mit starker Motorisierung vorteilhaft, da die Motoren ausreichend stark sind und ein elektrohydraulisches Bremsaggregat EHB für die Hinterachse nicht mehr erforderlich ist. Bei einer derartigen Anordnung entfällt die Reibbremse komplett an der Hinterachse. Die Traktionsmotoren TM1 und TM2 übernehmen viele Funktionen (ESP-Eingriffe, ASR-Eingriffe, ABS-Eingriffe, EBV-Bremsmomentstellung) und werden zeitlich sychron über das Fahrdynamiksystem mit den elektrohydraulischen Bremsaggregaten EHB der Vorderachse angesteuert, das heißt, die Bremsmomentsollwerte sind auch im zeitlichen Ablauf synchronisiert.
Fig.7a zeigt zwei Kurven von Motormoment-Drehzahl-Kennfeldern, skaliert mit einem Getriebübersetzungsverhältnis auf die Geschwindigkeit eines Fahrzeuges mit 1.800 kg bis zu einer Maximalgeschwindigkeit von 200 km/h, daher als Motormoment-Fahrzeuggeschwindigkeits-Kennfeld dargestellt. Die Bremsmomente für eine Verzögerung von 1 g = 9,81 m/s2 sind berechnet mit einer Gewichtsverteilung VA/HA von 65%/35% und als gestrichelte Linien für die Bremsmomente der Vorderachse (obere horizontale Linie, Strichpunkt) und Hinterachse (untere horizontale Linie, gestrichelt). In einem ersten Motormoment- Fahrzeuggeschwindigkeits-Kennfeld 1 (in der Figur 7a bezeichnet als „Mbrems_normal") wird von einer typischen Auslegung eines Motors mit einem typischen Inverter ausgegangen, da der elektrische Traktionsmotor auf eine konstante Leistung ausgelegt ist und somit ab einem bestimmten Punkt PI der Leistungshyperbel primär durch die Spannung begrenzt ist. Noch bis zu einer Geschwindigkeit v2 kann hier das maximale Bremsmoment an der Hinterachse durch den elektrischen Traktionsmotor im generatorischen Betrieb erzeugt werden.
Um das Bremsmoment des Traktionsmotors für eine Bremsung auch bei Maximalgeschwindigkeit optimal einsetzen zu können, kann vorteilhafterweise ein Inverter eingesetzt werden, der eine Umschaltung der Spulen von einer Reihenschaltung in eine Parallelschaltung von Spulenwicklungen ermöglicht. Dadurch wird die Induktivität halbiert und mit einer gegebenen Spannung kann bei der gleichen Drehzahl ein höheres Moment erzeugt werden; gleichzeitig erhöht sich auch die Drehmomentdynamik um 100%, was für die hochdynamische Bremsmomentregelung im ABS-Betrieb sehr vorteilhaft ist. Zudem sollte der Inverter deart ausgeführtt werden, dass vergleichbar einem 2x3-Phasen-Umrichterkonzept auch ein Betrieb bei Ausfall einer oder mehrere Bauelemente (Leistungshalbleiter, Spulenwicklungen) noch möglich ist, um einen Komplettausfall des elektrischen Traktionsmotors als Bremsaggregat zu verhindern.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen können auch andere, aus dem Stand der Technik bekannte und in der Wirkung ähnliche Topologien zur Lösung der oben geforderten Funktionalität verwendet werden. Dies weisen aber üblicherweise zwischen 24 und über 42 Schaltelemente auf, um eine Redundanz (2 x 3 Phasen) und eine Umschaltbarkeit zwischen Reihenschaltung und Parallelschaltung im Betrieb zu implementieren. Sie können ebenfalls für die Boost-Funktion verwendet werden.
Figur 7b zeigt einen Umrichter, der im Gegensatz zu ähnlichen Systemen im Stand der Technik mit nur 18 Schaltelementen statt 30 bis über 40 Schaltelementen auskommt und der, wie auch Standard-Umrichter eines bürstenlosen Motors, ebenfalls im 4-Quadranten-Betrieb betreibbar ist. Die vier Quadranten ergeben sich dabei aus positivem oder negativem Drehmoment sowie positiver oder negativer Drehzahl. Der 4-Quadranten-Betrieb ermöglicht zum einen einen Motordrehmoment- Boost-Betriebsmodus, bei dem temporär das Drehmoment um bis zu 100% gesteigert wird, zum anderen wird so eine Redundanz bei Ausfall eines oder mehrerer Bauelememente (Leistungsschalter, Spulenwicklungen) erhalten. Umrichter mit den oben beschrieben Möglichkeiten sind zunächst aufgrund des Aufwandes an Verschaltungen und Komponenten immer noch aufwändiger als ein Standard-Umrichter mit drei Phasen, welche typischerweise sechs Schaltelemente aufweisen. Die Anwendung für das hier beschriebene Fahrdynamiksystem ist besonders attraktiv, wenn gemäß Fig. 6c eine ausschließlich regenerative Bremsung der Hinterachse im Normalbremsbetrieb und im ABS-Regelbetrieb erfolgen kann und es daher potentiell signifikante Kosten- und Gewichttseinsparungen durch den Wegfall der Reibbremse gibt. Zudem ist die Redundanz des Umrichters zwar für SAE Level 2 nicht zwingend erforderlich, es sind aber die Anorderungen für SAE Level 3 erfüllt, weil auch bei einem Teilausfall der elektrischen Traktionsmotoren weiterhin ein Regelbetrieb an der Hinterachse möglich ist. SAE Level 3 rechtfertigt alternativ auch ein Inverterkonzept gemäß dem Stand der Technik mit 30 bis 40 Bauelementen, weil vergleichbare Bremssysteme, beispielsweise 2-Box- Bremssysteme, nochmals deutlich aufwändiger sind als typische 1-Box-Bremssysteme für SAE Level 2.
Die nachstehend im Detail beschriebene Konfiguration des erfindungsgemäßen neuen Umrichters (als „RSP-4Q-Umrichter" bezeichnet) ermöglicht es, einen Umrichter mit nur 18 Schaltelementen (insgesamt nur sechs Verbindungsschaltelemente und zwölf Versorgungsschaltelemente) zu realisieren, der es ermöglicht, während des Betriebs des Elektromotors von einer Serienschaltung zu einer Parallelschaltung der Phasen und umgekehrt vorzunehmen. In Parallelschaltung sind hierbei die zwölf Versorgungsschaltelemente aktiv, während in Serienschaltung die sechs Verbindungsschaltelemente und sechs der zwölf Versorgungsschaltelemente aktiv sind. Unter „aktiv" kann hierbei verstanden werden, dass diese Schaltelemente getaktet angesteuert werden, während sich die anderen Schaltelemente beispielsweise im Freilauf befinden.
Ergänzend erfolgt die Umschaltung von der Serienschaltung zur Parallelschaltung oder umgekehrt in Abhängigkeit von einem Ausfalls eines oder mehrerer Betriebselemente. Unter den Betriebselementen können vorliegend und nicht abschließend die Schaltelemente, beispielsweise Versorgungsschaltelemente und Verbindungsschaltelemente, und/oder die Spulen der einzelnen Phasen verstanden werden. Durch diese Ausgestaltung ist es auf einfache Weise möglich, bei einem Ausfall eines oder mehrerer Betriebselemente durch eine Umschaltung von der Serienschaltung zur Parallelschaltung den Elektromotor dennoch weiter zu betreiben. Der in Figur 7b dargestellte Umrichter, wie ihn etwa die WO 2021/179980 beschreibt, ist an einen Elektromotor 4 mit sechs Phasen U, V, W, U', V', W' angeschlossen, der lediglich schematisch mit einem Kreis und seinen Anschlüssen abgebildet ist.
Jede Phase U, V, W, U', V', W' weist zumindest eine Spule 6 auf. Jeweils zwei Phasen
U, V, W, U', V', W' sind zu einem Strang zusammengefasst. Ein Strang ist in Figur 7b exemplarisch durch eine Umkreisung der jeweils den Strang ausbildenden Phasen dargestellt. Jeweils eine der zwei Phasen U, V, W, U', V', W' des Stangs ist zu der anderen Phase U, V, W, U', V', W' des gleichen Strangs 8 um 180 Grad elektrisch gedreht, also invertiert geschaltet. Die jeweils invertiert geschalteten Phasen U', V', W' sind zur Unterscheidung der anderen Phase U, V, W mit einem Strich gekennzeichnet. So ist im Ausführungsbeispiel die Phase U' die zur Phase U invertiert geschaltete Phase, die Phase V' die zur Phase V invertierte Phase und die Phase W' die zur Phase W invertierte Phase.
Der Umrichter weist ferner sechs Schalteinheiten 10 auf, die durch gestrichelte Rechtecke dargestellt sind. Jeweils eine Schalteinheit 10 ist einer Phase U, V, W, U', V', W' zugeordnet. Zudem bilden jeweils die Schalteinheiten 10 der zwei Phasen U,
V, W, U', V', W' eines Strangs ein Schaltmodul aus. In der Figur bilden jeweils die Schalteinheiten 10 ein Schaltmodul aus, sodass der erfindungsgemäße Umrichter gemäß Figur 7b drei Schaltmodule aufweist. Jede Schalteinheit 10 ist mit einer verbunden, die die einzelnen Phasen U, V, W, U', V', W' mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt. Hierzu weist jede Schalteinheit 10 zwei Versorgungsschaltelemente 16 auf. Die Versorgungsschaltelemente 16 sind im Ausführungsbeispiel als MOSFET ausgebildet.
In Abhängigkeit von einem Betriebsmodus des Elektromotors 4 sind die jeweils zwei Phasen U, V, W, U', V', W' eines Strangs parallel oder in Serie zueinander geschaltet. Hierzu weist der Umrichter 2 eine Steuereinheit auf, die derart eingerichtet ist, die Versorgungsschaltelemente 16 und die Verbindungsschaltelemente 20 anzusteuern.
Ergänzend weist der Umrichter 2 eine Sicherungseinheit auf (in Figur 7b nicht gezeigt), die auch als „Circuit Breaker Modul" bezeichnet wird und zwischen dem Elektromotor 4 und dem Umrichter 2 angeordnet ist. Die Sicherungseinheit weist nicht dargestellte Schaltelemente auf, die dazu eingerichtet sind, den Elektromotor 4 in einem Fehlerfall vorzugsweise galvanisch von dem Umrichter 2 zu trennen. Aufgrund der Einfachheit wird der hier beschrieben RSP-4Q-Inverter für die Regelstrategie mit Drehmoment-Boost, wie in Fig. 7a beschrieben, eingesetzt. Bei weiteren Ausführungsbeispielen können aber auch anderer Inverter geeignet sein, die eine Umschaltung der Induktivitäten im Betrieb ermöglichen, wie beispielsweise ein Inverter mit Umschaltung zwischen Dreieck- und Sternschaltung oder ein anderer Inverter wie sie beispielsweise in der DE 11 2018 000 733 T5 oder DE 11 2018 001 213 T verwendet werden.
Figur 8 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform eines zuziehfesten bidirektion wirksamen Einlass-Auslass-Ventil MV2k, das für die Umsetzung der Druckstellfunktionen in den EHB-Bremssystemen der Figuren 6a bis Figur 6d oder für einen Achsdrucksteller gemäß Figur 9a und 9b eingesetzt wird.
Figur 8 zeigt ein für die genannten Ausführungsformen benötigtes spezielles Ventil MVzk, welches in beide Durchflussrichtungen sicher funktioniert. Das heißt, die Funktionsfähigkeit des Ventils ist gewährleistet, selbst bei grossen Durchflussmengen, wie beispielsweise 100 cm3/s - 120 cm3/s, oder großen Druckdifferenzen über das Ventil, wie beispielsweise 160 bar - 220 bar.
Insbesondere für die vorbeschriebenen Bereiche von Parametern ist bei diesem Ventil MV2k sichergestellt, dass es nicht selbsttätig schliesst.
Das Ventil MV2k hat grundsätzlich den typischen Aufbau eines Magnetventils mit elektromagnetischem Kreis EMI mit einem Anker 6, einem Ventilstellglied beziehungsweise Ventilstössel 7 und eine Ventilsitz 8 sowie einer Rückstellfeder 13. Auf die Rückstellfeder kann verzichtet werden, wenn die Kraftzusatzeinrichtung, welche in Figur 8 durch einen elektromagnetischen Kreis EM2 gebildet ist, entsprechend ausgebildet ist.
Der Magnetkreis EMI erzeugt (siehe Figur 8a) über einen Hub h einen starken progressiven Kraftverlauf FM1 und die Rückstellfeder 13 erzeugt zur Rückstellung des Ankers eine über den Hub h progressive Rückstellkraft FRF.
Der Anker 6 ist im linken Bildteil von Figur 8 mit einem zweiten krafterzeugenden Element gekoppelt, welches eine Kraftzusatzeinrichtung bildet. Diese kann aus einem zweiten elektromagnetischem Kreis EM2 mit Anker 6a bestehen, dessen schaltbare Kraft FM2 der Kraft FMI des ersten magnetischen Kreises EMI entgegenwirkt. Als kostengünstigere Variante kann auch ein permanentmagnetischer Kreis als passive Kraftzusatzeinrichtung eingesetzt werden, umfassend einen kleinen Permanentmagneten 9 mit Polplatte 10.
Die Kraftwirkung von FM2 wirkt FMI entgegen und wirkt mit relativ starker Kraft bei offenem Ventil mit starkem gewünschtem Abfall der Kraft über dem Hub h.
Die Kraft FM2 ist (siehe Figur 8b) bei Erreichen des Hubendes immer noch groß genug, um die übliche Ankerrückstellung zu übernehmen und daher auch optional die übliche Rückstellfeder 13 ersetzen.
Figur 8c zeigt das Zusammenwirken der Kraftquellen FMI als Funktion der Stromstärke und FM2 beim Permanentmagneten.
Am Ventilsitz wirkt in geschlossener Ventilstellung die Druckdifferenz P2-P1 mit der Kraft FP, zu welcher in Richtung Ventilöffnung gerichtet ist, wenn der Druck P2 größer als der Druck PI ist.
Am Ventilsitz wirkt in offener Ventilstellung durch den Volumenstrom Q durch das Ventil die beschriebene hydraulische Kraft FH, welche das Ventil ohne Gegenmaßnahmen zureißen könnte, sowohl beim Druckaufbau PaUf und auch beim Druckabbau Pab, je nachdem wie das Magnetventil MV2k an eine Druckversorgung DV und einen Radbremszylinder RZ angeschlossen ist, und je nachdem in welche Richtung die Volumenströmung verläuft. Dies liegt der in den nachfolgenden Figuren 9a und 9b gezeigten Druckregelung mit Druckversorgungseinrichtung und Radbremsen zugrunde.
Ist das Magnetventil in einer geöffneten Stellung, so wirkt bei Durchströmung des Ventils ausgehend vom Ventilankeranschluss (14) in Richtung Ventilsitzanschluss (16) eine Kraft FH, abhängig von der Höhe des Volumenstroms Q aufgrund des Bernouilli-Effekts. Ist der Volumenstrom Q sehr hoch, zum Beispiel bei hohen Druckdifferenzen, so kann dies dazu führen, dass das Ventil allein durch die Strömungskraft FH zugedrückt wird. Dies hat zur Folge, dass das Ventil schließt und nicht mehr geöffnet werden kann.
Um diesen Effekt zu vermeiden, wirkt die Kraft der Kraftzusatzeinrichtung FM2 der Kraft FH entgegen und verhindert selbst bei großen Druckdifferenzen, die im Bremssystembetrieb auftreten können, ein Schließen des Ventiles. Vorzugsweise ist die Zusatzkraft FM bei Offenstellung des Ventils am höchsten, was beispielsweise durch einen Permanentmagnetkreis erreicht werden kann, und wirkt über den gesamten Hubbereich und unterstützt die Rückstellkraft der Ventilfeder FRF derart, dass das Ventil bei einer Durchströmung mit einem Volumenstrom Q unabhängig von der Ventilstellung, das heißt insbesondere auch in einem halb geschlossen Zustand, stets in die offene Ventilstellung zurückgeführt wird.
Bei entsprechender Auslegung kann auch auf die Ventilrückstellfeder 13 verzichtet werden.
Das Ventil muss auch derart ausgelegt werden, dass bei Bestromung des Ventils durch Aktivierung des Magnetkreises EMI die Primärventilkraft FMI die Summe beider Kräfte (FMZ+FRF) überwunden werden kann, sodass das Ventil mit Bestromung schließen kann.
Große Volumenströme können beispielsweise dann auftreten, wenn die Radbremse, wie typischerweise bei einer Radventilkonfiguration mit Einlass-/Auslassventilen üblich (vergleiche für diese Ausführungsform Fig. 6a - 6d), über den Ankeranschluss an das Schaltventil angeschlossen ist und die ECU oder Stromversorgung des Bremssystems zu diesem Zeitpunkt ausfällt und damit einen Druckabbau über Auslassventile verhindert, weil diese durch den Differenzdruck geschlossen werden und nicht mehr geöffnet werden können, da ein verbleibender Restdruck größer als die Rückstellkraft FRF der Ventilfeder das Ventil zuhält. Ein Ventilzuziehen kann auch beim Abbau des Drucks der Radbremse mit einem sehr hohen Druckgradienten auftreten, beispielsweise beim Druckabbau durch eine sehr schnelle Rückbewegung des Kolbens der Druckversorgungseinheit.
Eine zuziehfeste Ventilgestaltung auch dann relevant, wenn die Druckversorgungseinrichtung an den Ankeranschluss angeschlossen ist, vergleiche etwa die Figuren 9a und 9b, und mit der Druckversorgungseinheit sehr schnell ein Druck aufgebaut wird. Ein schneller Druckaufbau erfolgt beispielsweise bei der automatischen Notbremse (AEB) oder beim Multiplexverfahren mit Druckverlaufsregelung über Volumenregelung/-steuerung der Druckversorgungseinrichtung anstatt Vordruckregelung sowie Druckverlaufsreglung über Volumenflussdrosselregelung der PWM-Steuerung der Einlassventile.
Der Zuzieheffekt kann durch eine Druckdifferenzbegrenzung in der Regelung der Druckversorgungseinheit oder vorzugweise mittels einer in den Figuren nicht dargestellten Drossel begrenzt werden, wobei die Drossel vor dem Ankeranschluss der Ventilanschluss in einer hydraulischen Leitung angebracht ist.
Zudem ist alternativ denkbar, dass ein Überdruckventil in einer hydraulischen Parallelschaltung zum Schaltventil angeordnet ist, welches sich bei hohen Differenzdrücken öffnet und somit die durch den Bernoulli-Effekt wirksame hydraulische Kraft FH begrenzt und somit die Kraftzusatzeinrichtung FM2 nicht erfordert. Dies vereinfacht die Ventilgestaltung, limitiert aber die Druckänderungsdynamik über die hydraulische Druckversorgung.
Wenn die Bremsmomentänderung parallel über einen Traktionsmotor geregelt wird, dann sind derartige Massnahmen nicht erforderlich, weil die Anforderung an die Dynamik des hydraulischen Bremssystems geringer sind. Dann können Standardventile ohne Zusatzkrafteinrichtung und ohne Drossel beziehungsweise Überdruckventil eingesetzt werden.
Bei einem Ausfall eines Radkreises kann ein Radkreis durch Schließen eines Einlassventils SV, das zwischen Radbremse und Druckversorgung angeordnet ist, getrennt werden. Das hydraulische Bremssystem mit n-Radkreisen kann dann mit einem Radkreis weniger betrieben werden, das heißt mit n-l-Radkreisen. So kann beispielsweise statt einer 4-kreisigen Bremssystemregelung noch mit 3 Kreisen gearbeitet werden. Dadurch ist im Fehlerfall eines Ausfalles eines Radkreises nach Schließen des Einlassventils SV eine immer noch sehr hohe Verzögerung erreichbar und es kann zudem eine Giermomentregelung mit 3 Radbremsen beziehungsweise eine ESP- Funktion aufrechterhalten werden. Steht an dem ausgefallenen Radkreis ein Elektromotor zur Verfügung, dann kann dieser die Bremsmomentregelung der ausgefallen Radbremse übernehmen und somit kann weiterhin eine 4-Kreis- Bremsmomentregelung ohne oder mit nur geringen Einschränkungen, etwa durch das maximale Bremsmoment des Traktionsmotors, aufrechterhalten werden.
Der Ventilstößel 7 kann auch eine spezielle Form aufweisen, welche die Gegenkraft durch hydraulische Strömungskräfte liefert und die Zuziehkraft reduzieren kann.
Figur 8c zeigt die elektrische Ansteuerung des Ventils über einen Strom i. Die Stromstärke il wird in geschlossener Ventilstellung so gewählt, dass FMI größer FM2 ist. Der Strom kann dann in geschlossener Stellung des Ventils, bei Stromstärke i2, variiert werden, abhängig vom hydraulischen Differenzdruck P2-P1 über das Ventil. Da die Kraft FM2 aus beschriebenen Gründen in dieser Stellung im Bereich der üblichen Federkraft liegt, kann das Ventil auch beispielsweise mit einer Stromsteuerung oder Stromregelung betrieben werden.
Um das Ventil in geschlossener Stellung zu halten, muss die Differenzkraft
Fv,zu = FM 1,ZU ■ FM2,ZU größer sein als die Kraft FP, welche aus dem Differenzdruck P2-P1 über das Ventil in geschlossener Stellung resultiert.
Figur 9a beschreibt den Aufbau eines Druckstellers in Form einer elektromotorisch über ein Getriebe angetriebenen Kolben-Zylinder-Einheit, an die über Hydraulikleitungen zwei Radbremsen RI und R2 und optional weitere hydraulische Verbraucher Vx angeschlossen sind. Weitere hydraulische Verbraucher Vx können weitere Radbremsen oder auch anderere hydraulische Verbraucher sein, beispielsweise Hydraulikkolben von Kupplung(en) oder eine hydraulische Servolenkung oder sonstige Stellkolben einer Fahrzeugachse. Vorzugweise ist der Drucksteller auch mit einer Ventilvorrichtung mit einem Vorratsbehälter VB verbunden.
Der Drucksteller weist vorzugsweise 2x3-Phasen-Anschlüsse auf zu jeweils zwei Steuergeräten ECU I EHB und ECU2EHB, wobei Stromsensoren i/U und Winkelgeber a/U vorgesehen sind, die vorzugsweise ebenso redundant ausgeführt sind und die für eine hochpräzise PPC-Drucksteuerung oder eine Druckregelung über Kolbenposition oder Strom verwendet werden.
Am Ausgang der Druckversorgung ist vorzugsweise ein Drucksensor p/U vorgesehen, der primär für Kalibrierungszwecke verwendet wird. Die Druckregelung oder Drucksteuerung kann aber auch ohne diesen Druckgeber durchgeführt werden, wenn der Zusammenhang zwischen EHB-Bremsmoment und Strom oder Kolbenposition anderweitig hergestellt wird, beispielsweise durch eine Nutzung von Beschleunigungssensoren oder einen Abgleich mit den Bremsmomenten oder der Fahrzeugverzögerung durch Bremsmomente von elektrischen Traktionsmotoren TM1- TM4.
Als Magnetventile werden bidirektional wirkende Einlass/Auslassventile eingesetzt, die hier als „MV2k-"bezeichnet werden. Dabei werden die MV2k-Ventile derart betrieben, dass über die Magnetventile sowohl Druck aufgebaut als auch Druck abgebaut werden kann, wobei die Druckänderung insbesondere hochdynamisch erfolgt, das heißt mit > 1000 bar/sec, vorzugsweise > 2000 bar/sec. Die Ventile müssen entsprechend der Systemspezifikation, das heißt entsprechend der geforderten maximalen Drücke und maximalen Volumenströme, zuziehfest ausgelegt werden.
Vorzugsweise werden dabei Magnetventile mit einem ersten Weicheisenmagnetkreis EMI und einem zweiten Permanentmagnetkreis EM2 gemäß den Figuren 8-8c eingesetzt.
Alternativ können auch modifzierte Einlassventile einer Standard-ESP-Einheit als MVzk eingesetzt werden, das heißt stromlos offene Magnetventile mit Standard- Ventilöffnungsquerschnitt und 6 mm-Magnetankerdurchmesser ohne zweiten Permanentmagnetkreis EM2, welche in der klassischen Auslegung ebenfalls zuziehfest ausgeführt werden können, insbesondere aufgrund der bei dem vorliegenden Fahrdynamiksystem auftretenden geringeren Maximaldrücke und der daher geringeren Zuziehkräften bei Druckänderung mit maximalen Druckgradienten.
Wenn Einlass-Ventile einer ABS/ESP-Einheit als MVzk Ventile eingesetzt werden, dann müssen diese entsprechend den Druckdifferenzen und Druckänderungsgeschwindigkeiten ausgelegt werden, beispielsweise mit einem stärkeren Magnetkreis mit größerem Anker und/oder stärkeren Rückstellfedern.
Alternativ kann der Druckgradient und/oder Druckdifferenzen über die Regelung beim Druckaufbau über Software begrenzt werden, sodass ein dynamischer Druckaufbau nicht zum Zuziehen der Magnetventile führt.
Aufgrund der Tatsache, dass der Druckbereich bei der hier beschriebenen Regelung des Fahrdynamiksystems geringer ist als bei Standard-Bremssystemen, und weil zudem ein Bremsmoment über den elektrischen Traktionsmotor aufgebaut werden kann, sind die Anforderungen an die MV-2K Ventile geringer als bei Standard- Bremssystemen.
Spezifisch für das MVzk-Ventil ist - unabhängig von der gewählten Variante -, dass die Magnetventile ohne parallel geschaltetes Rückschlagventil ausgeführt werden beziehungsweise dass in der Hydraulikverbindung zwischen einer Radbremse R1,R2 oder einem hydraulischen Verbraucher Vx und der Druckversorgungeinrichtung kein Rückschlagventil in der Hydraulikleitung parallel angeordnet ist.
Damit wird der Zweck verfolgt, dass ein Druck in der Radbremse konstant gehalten werden kann, während in anderen Radbremsen ein Druck geändert wird. Dies ist ein großer Unterschied zu Standardbremsanlagen, wo ein Druck in einer Radbremse nur über einen Vordruck durch den Drucksteller aufrecht erhalten werden kann; dies beschränkt bei Standardbremsanlagen die Freiheitsgrade in der Druckregelung stark und es erschwert zudem eine Diagnose des Ausfalls einer Radbremse erheblich, wenn dies nicht gar undiagnostizierbar wird, da bei einem Radkreisausfall nicht erkennbar ist, ob das Magnetventil, das Rückschlagventil oder die hydraulische Leistung die Ursache ist.
Wird ein MVzk-Ventil eingesetzt, so kann die Radbremse unabhängig von der Ausfallsursache sicher von der Druckversorgung abgetrennt werden. Es ist somit eine Umschaltung von einem m-kreisigen elektrohydraulischen Bremssystem EHB auf ein m-l-kreisiges Bremssystem möglich. In Figur 9a etwa wird aus einem 2-kreisigen EHB mit zwei Radbremsen ein 1-kreisiges EHB, beziehungsweise aus einem 3- kreisigen EHB mit Vx ein 2-kreisiges EHB.
Bei dem in Figur 6a gezeigten Fall wird aus einem 4-kreisigen EHB ein 3-kreisiges EHB, bei Figur 6b wird aus einer 3-kreisigen EHB ein 2-kreisiges EHB.
Eine Besonderheit dieser ersten Konfiguration ist, dass der Ventilsitz des MVzk-Ventils am Radkreis angeschlossen ist und dass sein Ankerraum mit dem Drucksteller verbunden ist.
Mit einem derartigen Aufbau kann eine innovative Druckregelung mit bidirektional wirkenden Einlass/Auslassventilen sowie Vor- und Zurückbewegen des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit über Strom oder Kolbensteuerung sowie simultanten druckgradientengesteuerten Druckabbau realisiert werden. Der Druckaufbau erfolgt in einer Ausführungsform im bekannten Multiplexverfahren nacheinander. Alternativ kann die Totzeit des Druckaufbau durch einen Bremsmomentgradienten durch einen elektrischen Traktionsmotor vermieden, was möglich ist, wenn ein elektrischer Traktionsmotor für radindividuellen Antrieb vorhanden ist. Alternativ kann der Bremsmomentaufbau auch nur über den Traktionsmotor einer Achse erfolgen, was insbesondere dann möglich ist, wenn an zwei Rädern einer Achse beide Räder den gleichen Bremsmomentanstieg aufweisen.
Sofern ein simultaner Druckaufbau erforderlich ist und kein elektrischer Traktionsmotor zur Unterstützung zur Verfügung steht, kann der Druckaufbau auch gleichzeitig durch Zeitsteuerung der Ventile erfolgen, das heißt, ein variabler Vordruck wird durch den Kolben vorgegeben und ein Ventil wird früher geschlossen als das zweite Ventil. Der Druckabbau erfolgt simultan an mehreren Radbremsen über Kolbensteuerung mittels der Druckvolumenkennlinie sowie PWM-Steuerung der Ventile oder Stromregelung der Ventile. Das heißt, es wird über einen Strom ein variabler Durchflussquerschnitt eingestellt, so dass unterschiedliche Druckabbaugradienten realisiert werden können.
Eine derartige Regelung wird im weiteren als PPC-Gen2-Vl (Piston Pressure Control der 2. Generation mit Ventilanschluss VI: Ventilsitz Einlass/Auslassventil MVzk an Radbremse) bezeichnet.
Figur 9b beschreibt den Aufbau eines Druckstellers mit einer elektromotorisch über ein Getriebe angetriebenen Kolben-Zylinder-Einheit mit MVzk Schaltventilen, deren Ventilsitz im Unterschied zur Figur 9a an die Hydraulikleitung zum Drucksteller angeschlossen ist und deren Ankerraum mit der Radbremse verbunden ist. Zudem sind optional Auslassventile vorgesehen.
Mit einem derartigen Aufbau kann eine zweite Variante einer Druckregelung PPC- Genl-V2 realisiert werden, mit bidirektional wirkenden Einlass/Auslassventilen MVzk sowie Vor- und Zurückbewegen des Kolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit über Strom oder Kolbensteuerung sowie simultan druckgradientengesteuertem Druckaufbau. Die Ventilauslegung der MV2k-Ventile ähnlich zur in Figur 9a gezeigten Konfiguration und damit übertragbar, ebenso die PPC-Druckregelung oder Drucksteuerung sowie die vorzugsweise redundante Auslegung der Motoren mit redundanten Elektroniken ECU IEHB, ECU2EHB und Sensoren a/U, i/U.
Der Druckabbau erfolgt in einer Ausführungsform im bekannten Multiplexverfahren nacheinander mit einem Zeitverzug AtMux oder über eine Zeitsteuerung von Auslassventile, wie von klassischen ABS-Systemen bekannt.
Der Druckabbau kann im Gegensatz zum Stand der Technik aber auch simultan in einem Radkreis (R2) über Einlass-/Auslassventile mittels Kolbensteuerung anhand der Druckvolumenkennlinie erfolgen, während er in einem zweiten Rradkreis (RI') über Auslassventile erfolgt. Damit kann der Zeitverzug AtMux vermieden werden.
Damit kann in kritischen Fahrsituationen, beispielsweise bei high-p oder einem p- Sprung, der Druck sehr schnell abgebaut werden. In einem anderen Regelzustand, beispielsweise bei low-p, das heißt bei einer Reglung auf Eis und Schnee, kann die Regelung im bekannten Multiplexverfahren erfolgenwerden. Durch Kombination der Druckabbauverfahren können somit sehr kurze Bremswege in allen Fahrsituationen errreicht werden. Die Kombination des Druckabbaus über Auslassventile mit Einlass-/Auslassventilen hat den weiteren Vorteil, das keine für hohe Druckdifferenzen und Volumenflüsse ausgelegten zuziehfesten MVzk- Ventile eingesetzt werden müssen, weil beim Druckabbau die MVzk-Ventile nicht mit hohen Durchflussmengen durchströmt werden müssen, da Druckabbauten mit hohen Druckgradienten über Auslassventile erfolgen.
Ferner sind die MVzk-Ventile im Druckabbau weiterhin deshalb geringer beansprucht, weil das beschriebene elektrohydraulische Bremsaggregat EHB für das Fahrdynamiksystem auf einen Maximaldruck von maximal 140 bar ausgelegt ist und die Ventile nicht, wie in Figur 8a ausgeführt, druckfest für 160 bar - 220 bar sein müssen. Das heißt, es können in dieser Ausführungsform modifizierte Standardeinlassventile einer ESP-Einheit mit typischen Ventilöffnungsquerschnitten, jedoch ohne parallel geschaltete Rückschlagventile eingesetzt werden. Die Vorteile ohne parallele Rückschlagventile wurden oben mit Bezug zu Figur 9a beschrieben und gelten analog für Figur 9b.
Durch die vorteilhafte Kombination mit Auslassventilen kann in allen Fahrsituation der Druck schnell abgebaut werden, womit auch die Anforderungen an die Dynamik des Antriebsmotors des Druckstellers signifikant reduziert werden können. Wird in den meisten Betriebszuständen im MUX-Verfahren geregelt, so kann der hydraulische Bremskreis primär im geschlossenen Bremskreis betrieben werden. Damit kann auf das kritische Nachfördern von Hydraulikfluid im Regelbetrieb - typisch für offene Systeme gemäß Stand der Technik (DE 10 2018 212 905 Al), die nach dem in EP 2 580 095 Bl beschriebenen Verfahren geregelt werden - verzichtet werden. Das Nachfördern von Volumen in offenen Systemen wird nämlich zunehmend als kritisch angesehen, da die Zeitunterbrechung von mehr als 100 ms zu kritischen Fahrsituationen führen kann.
Zudem kann ein Bremssystem, das in das hier beschriebene Fahrdynamiksystem eingebettet ist, mehr Funktionen neben dem reinen ABS-Regelbetrieb übernehmen, etwa weitere Bremsmomenteingriffe wie Torque-Vektoring-Eingriffe. Dadurch könnte es Hydraulikvolumen im offenen Kreis verlieren.
Wird als Schaltventil noch das erfindungsgemäße MV2K-Ventil eingesetzt, so kann analog zu dem mit Bezug zu Figur 9a beschriebenen Fall ebenso ein Radkreisausfall diagnostiziert werden und auch bei geringer Leckage kann der Radkreis weiterbetrieben werden, was bei Systemen gemäß Stand der Technik mit parallel geschalteten Rückschlagventilen nicht möglich ist. Eine derartige Regelung wird hier als PPC-Gen2-V2 (Piston Pressure Control der 2. Generation mit Ventilanschluss V2: Ventilsitz Einlass/Auslassventil MVzk an Druckversorgung) bezeichnet.
Alternativ zu den zuziehfesten Magnetventilen MVzk können auch Standard-Einlass- Ventile einer ABS/ESP-Einheit eingesetzt werden, die entsprechend den Druckdifferenzen und Druckänderungsgeschwindigkeiten ausgelegt sind, beispielsweise mit stärkerem Magnetkreis und/oder stärkeren Rückstellfedern. Aufgrund der Tatsache, dass der Druckbereich der hier beschrieben Regelung des Fahrdynamiksystems geringer ist als bei Standard-Bremssystemen, sind die Anforderungen an die Magnetventile geringer.
Als Alternative zur Kolben-Zylinder-Einheit mit Einlass/Auslassventilen kann auch eine einfache Pumpe, beispielsweise eine 2-Kolben-Pumpe nach Stand der Technik bei ABS-Pumpen oder eine Zahnradpumpe gemäß WO 2021 005 151 Al eingesetzt werden. Bei einer 2-Kolben-Pumpe erfolgt die Druckabbauregelung über Auslassventile und der Druckaufbau wird über einen Vordruck und eine PWM- Steuerung der Einlassventile geregelt. Wird eine Zahnradpumpe eingesetzt, so besteht der gleiche Freiheitsgrad wie bei der Kolben-Zylinder-Einheit, weil wahlweise Druck über Auslassventile oder über die Zahnradpumpe durch Änderung der Drehrichtung erfolgen kann. Die Ausführung hat Kostenvorteile, jedoch Nachteile in der Präzision der Bremsmomentregelung durch Leckagen in der Zahnradpumpe.
Figur 10 zeigt die vorteilhafte „Architektur II" des Fahrdynamiksystems für E- Achsen, wobei an der Vorderachse und Hinterachse jeweils mehrere Bremsaggregate wirken.
Bremsaggregate sind Traktionsmotoren TM1, TM2, TM3, hydraulische Drucksteller EHBHA, EHBVA und/oder EMB-Module für Radbremsen. Die zentrale Steuereinheit übernimmt hier die Regelung der Bremsmomente und sendet Sollsignale an die Steuergeräte S-ECUVA, S-ECUHA der Achsen. Damit werden analog zu „Architektur I" vorzugsweise folgende Funktionen realisiert:
• (A) Basisbremse mit Thermomanagment und Energieflussmanagment des Traktionsmotors;
• (B) Notbremse AEB mit elektronischer Bremskraftverteilung (EBV);
• (C) Regeneratives Bremsen an mehreren Achsen; • (D) ABS-Regelung mit Basisbremsmomentunterstützung und/oder gemeinsamen Bremsmomentregelung;
• (E) Bremsbetrieb bei Ausfall des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB- Z, EHB-VA;
• (F) Giermomenteingriffe beziehungsweise radindividuelle Bremsmomenteingriffe; und/oder
• (G) radindivduelle Bremsmomenteingriffe für radindividuelles regeneratives Bremsen.
Das Fahrdynamiksystem sendet Sollwerte insbesondere Bremsmomente oder Bremsdrücke umfassen. Für bestimmte Funktionen (etwa die oben beschrieben Funktionen (C), (F), (G)) werden auch Sollsignale für die Drucksteuerung oder Druckregelung, beispielsweise Steuersignale für Magnetventile für Funktioneen wie Schaltdauer der Öffnungszeit, PWM-Frequenz oder alternativ Stromprofil bei Druckänderung mit gedrosselten Ventilquerschnitten, und/oder Vordrücke für die Druckversorgungseinrichtung zum Druckaufbau oder Druckabbau vorgegeben.
Ferner kann die M-ECUDomäne auch eine Schnittstelle zum Steuergerät oder Domäne des autonomen Fahrens M-ECUAD aufweisen und kann weitere Informationen auswerten, die für eine effektive und prädiktive Regelung hilfreich sind. Dies sind beispielsweise Kamerainformationen über die Fahrbahnbeschaffenheit (Schnee, Eis, Regen) oder Informationen über die Umgebung (Abstände zu Passanten und/oder anderen Fahrzeuge).
Mit Bezug zu Figur 11a wird eine erste Ausführungsform eines Achsmoduls beschrieben. Bei diesem Beispiel sind an je einem Rad elektromotorische Bremsaggregate EMB1, EMB2 vorgesehen, ferner ist ein elektrischer Traktionsmotor TM1 für die Achse vorgsehen.
Ein Steuergerät der Achse S-ECU-Achse kommuniziert mit den elektromotorischen Bremsaggregaten EMB1, EMB2 und dem elektrischen Traktionsmotor TM1 und sendet entsprechend Sollsignale derart, dass vorzugweise gleichzeitig ein Bremsmoment mittels der elektromotorischen Bremsaggregate EMB1, EMB2 und des Traktionsmotors TM1 geregelt wird. Dabei wirken vorzugsweise auch im Regelbetrieb die Bremsmomente additiv auf die Räder. So wird etwa mit dem Traktionsmotor TM1 vorzugsweise ein Basisbremsmoment aufgebaut, das die Bremsmomentapplitude der EMB-Module reduziert (siehe obige Beschreibung mit Bezug zu Figur 5). Zudem kann das Basisbremsmoment des Traktionsmotors TM1 auch gleichzeitig zu EMB-Bremsmomenten der Radbremsen reduziert werden, wodurch höhere Bremsmomentgradienten erzielt werden können. Dies ist insebsondere in kritischen Fahrsituationen wie bei einem ^.-Sprung von Bedeutung (siehe obige Beschreibung von Regelsituationen mit Bezug zu Figur 5b). Dies kann ferner vorteilhaft zum Downsizing der EMB-Module mit geringen Maximalkräften und geringerer Leistung der Antriebsmotoren der EMB genutzt werden.
Mit Bezug zu Figur 11b wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei ist in einem Achsmodul ein elektrohydraulischer Drucksteller EHB mit EMB-Modulen kombiniert, wobei der Drucksteller vorzugsweise gemäß Figur 9a und 9b aufgebaut ist und eine radindividuelle Regelung ermöglicht.
Damit kann wahlweise durch die EMB-Module oder mittels des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB eine radindividuelle Regelung erfolgen.
Dies ermöglicht maximale Freiheitsgrade in der Druckregelung.
Es ermöglich ferner Redundanzen in der radindividuellen Druckregelung, wie beispielsweise für SAE Level 4-5 gefordert, sodass die ABS-Regelfunktion redundant und zudem mit zwei unterschiedlichen Bauformen der Bremsmomentsteller realisiert werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft in Hinblick auf die Erfüllung der Redundanzanforderungen.
Eine derarige Konfiguration ist insbesondere für die Vorderachse eines autonom fahrenden Fahrzeuges konzipiert, wo höhere Anforderungen erfüllt werden müssen als an der Hinterachse, etwa hinsichtlich der Lenkbarkeit und des großenr Einflusses auf den Bremsweg.
Eine derartige Achskonfiguration kann auch genutzt werden, um Steer-by-Wire- Anlagen zu vereinfachen, die typischerweise zwei Lenkaktuatoren aufweisen, wobei zudem ein Lenkaktuator mit einer 2x3-Phasenwicklung ausgestattet ist. So kann durch die Bremsmomente die Lenkung vereinfacht werden, weil eine sichere redundante Lenkung durch Bremsmomente sichergestellt werden kann. Dies führt zu Kosteneinsparungen von bis zu 100 € bei der Lenkung. Alternativ ist auch ein Drucksteller mit nur einer hydraulischen Leitung an zwei Radbremsen denkbar, was in Figur 11b allerdings nicht dargestellt ist. Hierzu ist als Alternative zu einer Kolben-Zylinder-Einheit auch eine einfache Rotiationspumpe in Form einer Zahnradpumpe denkbar, mittels der Druck aufgebaut und Druck abgebaut werden kann. In dieser Ausführungsform kann ein achsweises Bremsmoment aufgebracht werden. Der hydraulische Drucksteller wirkt dann analog zum Traktionsmotor in der Regelung unterstützend, kann aber aufgrund der fehlenden Leistungsbeschränkung auch eine Verzögerung bis zum Blockierdruck erreichen. Damit ist eine achsweise ABS-Funktion möglich, was für die Regelung einer Hinterachse absolut ausreichend ist, wenn an der Vorderachse eine radindividuelle Regelung realisiert wird.
Wird das System der Figur 11b für die Hinterachse vorgesehen und kombiniert mit einem System der Figur 11a für die Vorderachse, so können ein 3-Kanal ABS-Betrieb sowie eine Giermomentregelung realisiert werden.
Mit Bezug zu Figur 11c wird eine weitere Ausführungsform mit elektrohydraulischem Bremsaggregat EHB sowie zwei elektrischen Traktionsmotoren TM1 und TM2 erläutert. Dabei ist je ein Traktionsmotor für ein Rad vorgesehen.
Alternativ ist das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB wie dargestellt für eine radindividuelle Regelung ausgeführt, das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB kann aber auch nur 1-kreisig konzipiert werden.
Mit einer derartigen Konfiguration wird sinnvollerweise eine Hinterachse eines Fahrzeugs ausgerüstet und das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB wird für Redundanzzwecke für ABS und Giermomentregelung für Stabilitätseingriffe und Lenkungseingriffe eingesetzt. ABS wird über die Traktionsmotoren bei Low-mue geregelt und durch EHB unterstützt, während bei high-p ABS über die EHB geregelt wird und durch Traktionsmotoren unterstützt wird. Die Antischlupfregelung erfolgt ausschließlich über die Traktionsmotoren TM1 und TM2. Sinnvollerweise wird ein derartige Achse mit einer kostengünstigen Trommelbremse ausgestattet.
Mit Bezug zu Figur lld wird eine weitere Ausführungsform erläutert, bei der ein Traktionsmotor TM1 kombiniert wird mit einem elektrohydraulischen Bremsaggregat EHB. Die Variante ist vergleichbar mit dem in Figur 11a gezeigten Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, dass das elektromotorische Bremsaggregat EMB durch ein elektrohydraulisches Bremsaggregat EHB in seiner Funktion ersetzt wird. In Figur 12 sind die maximalen Bremsmomentgradienten in Abhängigkeit von der Fahrzeugverzögerung anhand beispielhafter Auslegungen der typischen Bremsaggegate 1-Box (Kurve 1210), ESP-Standard mit Speicherkammer (Kurve 1220), elektrischer Tranktionsmotor (Kurve 1240), elektrischer Traktionsmotor mit RSP-4Q-Inverter (Kurvel250) sowie Drucksteller mit PPC-2Gen-Vl oder V2 Druckregelung (Kurve 1260) mit Auslegung für hohe Bremsmomentgradienten, vorzugsweise mit zuziehfesten MVzk-Ventil, für eine beispielhafte Maximalgeschwindigkeit von 200 km/h dargestellt.
Zudem ist die entsprechende Kurve für „MUX 2.0" gezeigt (Kurve 1230), wobei unter MUX 2.0 die Multiplexverfahren der 2. Generation zusammengefasst sind, wie etwa die Druckregelungen PPC-Gen2-Vl und PPC-Genl-V2, die in der vorliegenden Beschreibung beschreiben ist (siehe Beschreibung mit Bezug zu den Figuren 9a und 9b). Bei diesen Systemen werden insbesondere zuziehfeste Ventile eingesetzt und es wird zwischen unterschiedlichen Ventilanschlüssen und Druckregelungsverfahren differenziert. Bei PPC-Gen2-Vl wird der Ventilsitz an die Radbremse angeschlossen, bei PPC-Gen2-V2 wird der Ventilsitz an die Druckversorgungseinheit angeschlossen. Bei beiden Verfahren erfolgt eine bidirektionale Durchströmung der Ventile und es wird in einer Druckänderungsrichtung über eine Volumenregelung der Druck geändert; in eine andere Druckänderungsrichtung wird mittels Öffnungsquerschnittregelung der Ventile optional gedrosselt der Druck oder nur über Zeitsteuerung der Ventil verändert. Diese Multiplexverfahren der zweiten Generation unterscheiden sich von Multiplexverfahren der ersten Generation (MUX 1.0) dadurch, dass beim MUX 1.0. -Verfahren in beide Druckänderungsrichtungen der Druck auschließlich über Volumensteuerung/Volumenregelung geändert wird. Zusätzlich wird ein Druckabbau über zumindest ein Auslassventil an einer Radbremse realisiert. Dies führt in Summe zu höheren Druckänderungsgradienten als bei der Verwendung von 1-Box und ESP.
Zudem werden drei Bereiche I-III definiert:
Im Bereich kleinerer Verzögerungen können das elektromotorische Bremsaggregat EMB und elektrische Traktionsmotoren prinzipbedingt besonders hohe Bremsmomentgradienten erreichen. Ein Standard-ESP-System mit Speicherkammer hat die geringsten Gradienten, da in der Speicherkammer ein Gegendruck wirkt, während 1-Box-Bremssysteme den Druck in den Vorratsbehälter abbauen und daher Vorteile haben. Im Bereich I, der typischerweise zum Beispiel für die ABS-Regelung auf Schnee und Eis oder eine Verzögerung in einem normalen ACC-Bremsbetrieb relevant ist, werden für die Bremsmomentregelung daher vorzugsweise elektromotorische Bremsaggregate EMB oder Traktionsmotoren eingesetzt.
Im Bereich III wiederum, bei großen Verzögerungen, haben elektrohydraulische Systeme (Drucksteller mit vorzugsweise PPC-Gen2-Regelung, 1-Box) die großen Vorteile und übernehmen vorzugsweise die ABS-Regelung.
Im dazwischen liegenden Bereich können mit allen genannten Bremsaggregaten ausreichende Bremsmomentgradienten erreicht werden. Vorzugsweise unterstützt dann ein erster Bremsmomentsteller mit einem geringen Bremsmomentgradienten die ABS-Regelung mit einem konstanten Bremsmoment, während die ABS-Regelung durch einen dyamischeren Drucksteller übernommen wird.
Linearisiert man die additiven Bremsmomente über den gesamten Verzögerungsbereich durch Addition der Bremsmomentgradienten von jeweils zwei Bremsmomentstellern, so kann über den gesamten Verzögungsbereich ein hoher Bremsmomentgradient gewährleistet werden. Idealerweise wird die bevorzugte Charakteristik sinnvoll zum Downsizing der Bremsaggegate genutzt: So können für EMB und EHB Motoren mit geringen Antriebsmomenten und Leistungen verwendet werden und/oder es können kleinere Regelventile eingesetzt werden. Insbesondere ist in einem solchen Fall ein kostengünstiger EHB-Drucksteller mit einer Trapezspindel realisierbar, was wegen der Spindelbelastung durch höhere Drücke nur für niedrigere Druckbereiche geeignet ist.
Wird ein Drucksteller mit einer MUX-Regelung sequentiell betrieben, so können Totzeiten in den Regelzyklen durch Bremsmomenteingriffe anderer Aggregate reduziert werden, sodass auch eine MUX-Regelung wieder an Relevanz gewinnt, die aufgrund der Nachteile in Extremsituationen (etwa bei high-p) an Bedeutung verloren hat. Dies hat den besonderen Vorteil, dass ein Bremssystem dann komplett geschlossen ist und die Regelung über mathematische Modelle abgebildet werden kann. Es sind dann keine aufwändigen Druckschätzmodelle und Applikationsarbeiten wie für die Kalibrierung von offenen ABS-Systemen notwendig. So ist auch eine automatisierte Applikation möglich.
Mit Bezug zu Figur 12a wird beispielhaft beschrieben, wie die Soll-Bremsmomente für die Radbremsen der Vorderachse des Fahrzeugs von den Steuereinheiten erhalten werden. Ein bei dem zentralen Steuereinheit M-ECUchassis control implementiertes Fahrzeugmodell umfasst beispielsweise Modellierungsdaten zur Gewichtsverteilung, einem Reibwert der Fahrbahnoberfläche, einem Reifenzustand und einer Bremsdruckwirkung auf die Verzögerung des Fahrzeugs. Es werden insbesondere die folgenden Werte an ein Steuergerät M- ECUVA der Vorderachse übergeben: Sollwerte für das Soll-Bremsoment des rechten MSOII,VR und linken Vorderrades MSOII,VL, eine Geschwindigkeit des Fahrzeugs VFZ9, eine Geschwindigkeit des rechten VVR und linken VVL Vorderrads, ein Differenz-Moment des rechten AMSOII,VR und linken Vorderrads AMSOII,VL sowie ein Reibwert der Fahrbahn.
Bei dem Steuergerät M- ECUVA der Vorderachse sind insbesondere ein M-n-Kennfeld des Traktionsmotors TM hinterlegt, welches eine Abhängigkeit der durch den Traktionsmotor erreichten Verzögerung von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs oder der Drehzahl des Traktionsmotors angibt, sowie ein weiteres Kennfeld, das den Zusammenhang zwischen dem erreichbaren Bremsmomentgradienten und einer Verzögerung des Fahrzeugs für die zur Verfügung stehenden Bremsaggregate beziehungsweise den Traktionsmotor angibt.
Anhand dieser Daten bestimmt das Steuergerät M- ECUVA Soll-Momente für einen ersten MS0H,TMI und zweiten Traktionsmotor MS0H,TM2 der Vorderachse, Soll-Momente für elektromechanische Bremsaggregate des ersten MS0H,EMB,RI und zweiten Rades MSOII,EMB,R2 sowie Soll-Momente für elektrohydraulische Bremsaggregate für das erste MSOII,EHB,RI und zweite Rad MS0H,EHB,R2. Dabei wird das Vorgehen daran angepasst, welche Bremsaggregate tatsächlich zur Verfügung stehen.
Aus diesen Werten resultiert dann ein Soll-Bremsmoment des rechten MS0H, Brems, VR und linken Vorderrads MS0H, Brems, VL.
Das gleiche Vorgehen kann analog für die Hinterachse beziehungsweise für alle Räder des Fahrzeugs durchgeführt werden.
Mit Bezug zu Figur 13 wird eine vorteilhafte „Architektur III" des Fahrdynamiksystems für Radmodule erläutert, wobei an jedem Rad jeweils zwei Bremsaggregate wirken. Als Bremsaggregate können etwa Traktionsmotoren TM1, TM2, TM3,TM4 und elektromotorische Bremsaggregate EMB-Module EMB1, EMB2, EMB3, EMB4 für Radbremsen verwendet werden.
Die zentrale Steuereinheit übernimmt die Regelung der Bremsmomente und sendet Sollsignale an die Steuergeräte S-ECURadi, S-ECURad2, S-ECURad3, S-ECURad4 der einzelnen Räder beziehungsweise Achsen.
Damit werden analog zu Architektur I und II vorzugsweise folgende Funktionen realisiert: • (A) Basisbremse mit Thermomanagment und Energieflussmanagment des Traktionsmotors;
• (B) Notbremse AEB mit elektronischer Bremskraftverteilung (EBV);
• (C) Regeneratives Bremsen an mehreren Achsen;
• (D) ABS-Regelung mit Basisbremsmomentunterstützung und/oder gemeinsamer Bremsmomentregelung;
• (E) Bremsbetrieb bei Ausfall eines elektromotorischen Bremsaggregats EHB- Z, EHB-VA;
• (F) Giermomenteingriffe bzw. radindividuelle Bremsmomenteingriffe; und/oder
• (G) radindivduelle Bremsmomenteingriffe für radindividuelles regeneratives Bremsen.
Bei der Umsetzung der Funktionen wird entsprechend von Kennfeldern, insbesondere der Bremsmomentgradienten, wie in Figur 12 gezeigt, entsprechend der Verzögerung des Fahrzeuges das Bremsmoment aufgeteilt auf den elektrischen Traktionsmotor und die EMB, wobei im Unterschied zu den anderen Architekturen die Bremsmomentmodulation bevorzugt in allen Fahrzuständen durch die elektromotorischen Bremsaggregate EMB durchgeführt wird und über den elektrischen Traktionsmotor des jeweiligen Rades lediglich ein Grundbremsmoment bereitgestellt wird, was insbesondere zum Downsizing der elektromotorischen Bremsaggregate EMB genutzt wird. Dies wird vorzugsweise bei Erwämung der Radbremse verstärkt ausgenutzt. Bei Ausfall eines Bremsaggregates wird der Regelbetrieb dann durch das jeweils andere Bremsaggregat übernommen, gegebenenfalls mit Einschränkungen der maximal erreichbaren Verzögerung, jedoch mit vollredundanten Regelfunktionen an allen Rädern.
Mit Bezug zu Figur 13a wird ein Ausführungsbeispiel dieser Architektur erläutert. In einem Radmodul wird eine elektromechanische Bremse EMB (EMB1-EMB4) mit einem elektrischen Traktionsmotor (TM1-TM4) kombiniert, sodass jeweils ein Radmodul eine Baugruppe bildet und jeweils über ein Radmodulsteuergerät (M-ECU-Radl - M- ECU-Rad4) angesteuert wird. Das jeweilige Radmodulsteuergerät synchronisiert dabei die Drehmomentregelung des elektrischen Traktionsmotors zeitlich und teilt je nach Fahrsituation, etwa Reibwert oder Geschwindigkeit, das Bremsmoment unterschiedlich auf EMB und Traktionsmotor TM auf.
Vorzugsweise haben der Traktionsmotor und die EMB jeweils ein weiteres Steuergerät (ECU-EMB, ECU-TM), das inbesondere die Endstufen des Umrichters und die Motorregelung enthält und mit einer schnelleren Taktzeit arbeitet, während im Radmodulsteuergerät M-ECU-Rad vorzugsweise die Entscheidungsheuristik sowie Kennfelder abgebildet sind.
Die Darmodulsteuergeräte (M-ECU-Radl bis M-ECU-Rad4) kommunizierten zudem mit der zentralen Steuereinheit (M-ECU-Domäne), wo insbesondere Raddrehzahlen VRI- VR4 und insbesondere weitere Sensorsignale SI, S2, Si, eingelesen werden.
Es ist denkbar, dass auch die Radmodulsteuergeräte (ECU-Radl bis M-ECU-Rad4) Raddrehzahlen VRI-VR4 sowie Sensorsignale SI, S2, Si erfassen. Sie können ferner Funktionen der zentralen Steuereinheit (M-ECU-Domäne) redundant ausführen.
Damit kann jeweils wahlweise durch die EMB-Module oder den Traktionsmotor eine radindividuelle Regelung erfolgen. Dies ermöglicht maximale Freiheitsgrade in der Druckregelung, aber auch Redundanzen in der radindividuellen Druckregelung, wie beispielsweise für SAE Level 4-5 gefordert. Insbesondere kann eine ABS- Regelfunktion redundant und zudem mit zwei unterschiedlichen Bauformen der Bremsmomentsteller realisiert werden, was in Hinblick auf Erfüllung der Redundanzanforderungen besonders vorteilhaft ist. So kann bei Ausfall eines Radmodules immer noch mit drei Radmodulen eine sehr sicherere und zuverlässsige Regelung mit kurzen Bremswegen und Giermomentregelungsmöglichkeiten realisiert werden. Fällt innerhalb eines Radmodules entweder das elektromotorische Bremsaggregat EMB oder der Traktionsmotor aus, so übernimmt die jeweils andere, nicht ausgefallene Komponente die Regelung des Bremsvorgangs.
Dabei gibt es verschiedene Varianten der Auslegung a) Das elektromotorische Bremsaggregat EMB ist ausgelegt für die Erreichung des Blockierdrucks, sodass bei Ausfall des Traktionsmotors noch mit maximaler Verzögerung über das elektromotorische Bremsaggregat EMB gebremst werden kann; es wird jedoch auf die großzügige Reserve für Fading (typischerweise 100%) verzichtet, das heißt, das elektromotorische Bremsaggregat EMB hat nur eine geringe Reserve zusätzlich zum maximalen Bremsmoment ohne Erwärumung, beispielsweise 20-40%. b) Das elektromotorische Bremsaggregat EMB und der elektrische Traktionsmotor TM sind so ausgelegt, dass die maximale Verzögerung in Kombination der Bremsmomente von EMB und TM erreicht wird und die Reibbremse entsprechend des maximalen Bremsmomentes des elektromechanischen Bremsaggregats EMB ausgelegt wird. Zudem sind, wie oben hinsichtlich der „Architektur I" ausgeführt, geeignete Vorkehrungen und Regelstrategien erforderlich, damit die Bremsung über das regenerative Bremsmoment des Traktionsmotors nicht zu einer Schädigung der Batterie führt, insbesondere bei vollem Ladezustand. Zu nennen sind hier die Strategieren (1) Rückspeisen in Batterie bis zur Grenze der Leistungsaufnahme, (2) feldorientierte Regelung (Id/Iq- Stromregelung) des Elektromotors derart, dass die Energie im Motor intern vernichtet wird, (3) anderweitiges Vernichten der durch den elektrischen Traktionsmotor im generatorischen Betrieb gewonnenen Energie oder (4) Verwendung eines elektrischen Zwischenspeichers, der für Impulsleistung ausgelegt ist, beispielsweise ein Super-Cap.
Variante b) ist die bevorzugte Auslegung, weil hier das größte Potential zur Kostensenkung und Gewichtsreduzierung liegt. In einem ersten Einführungszenario der Technologie kann jedoch Variante a) im Sinne der Risikominimierung sinnvoll sein.
Die beiden genannten Varianten a) und b) bieten eine ausreichende Sicherheit für SAE Level 5, weil sowohl beim Ausfall einer Komponente des Radmoduls, als auch bei einem Ausfall des gesamten Radmoduls das Fahrzeug noch mit hoher Fahrzeugstabiität und sogar ABS-Betrieb verzögert werden kann. Es kommt lediglich zu Einbußen beim Bremsweg bei hohen Geschwindigkeiten und Verzögerungen.
Die vorliegend beschriebenen Systeme, insbesondere das Fahrdynamiksystem, das Fahrzeug und das Verfahren, ermöglicht große Kosteneinsprungen bei den Kernkomponenten Brems und Lenkung des Fahrzeugs. Zudem können erhebliche Einsprungen beim Gewicht erreicht werden, was wiederum zu weiteren Kosteneinsparungen führt.
Indem das Potential der regenerativen Bremsung mittels des elektrischen Traktionsmotors oder der elektrischen Traktionsmotoren optimal ausgeschöpft wird, können dissipative Bremssysteme kleiner dimensioniert werden, da sie nur noch einen geringeren Teil des gesamten Bremsmoments aufbringen müssen. Das Problem des Fading bei der übermäßigen Erwärmung der Reibbremse kann somit ebenfalls verringert werden.
A: AD Level 2
Wird beispielsweise, wie oben für die FDS-Variante Al beschrieben, die Basisbremsfunktion (Funktion a) mit Fahrdynamiksystem und zentraler Regelung sowie einer Verblendungsstrategie nach Figur 3 optimiert, das heißt, es wird beispielsweise zu 51% über den Traktionsmotor an der Vorderachse und zu 71% an Hinterachse regenerativ gebremst, dann kann die Erwärmung der Radbremse minimiert werden.
Dies hat zweierlei positive Auswirkungen auf die Kosten: Zum einem kann die Bremsanlage auf einen kleineren Druck ausgelegt werden, was die Kosten des elektrohydraulischen Bremsaggregats EHB reduziert, zum anderen kann die Fundamentbremse erheblich schwächer dimensioniert werden. Dies kann beispielsweise durch kleinere Bremsscheiben, kleinere Bremsbacken und auch kostengünstigere Materialien umgesetzt werden. So kann auch eine kostengünstige Trommelbremse sowohl an der Vorderachse als auch an der Hinterachse eingesetzt werden.
Bei einer FDS-Variante A2 kann etwa, um das elektrohydraulische Bremssystem gemäß Figur 6b zu vereinfachen, der Traktionsmotor an der Hinterachse so ausgestaltet werden, dass radindividuell ein Drehmoment erzeugt werden kann, entweder durch einen Traktionsmotor mit einem Torque-Vektoring-Modul oder vorzugsweise durch Aufteilung der Leistung eines 130 kW-Motors in zwei elektrische Traktionsmotoren TM1, TM2 mit jeweils 65 kW. Letztere Ausführungsform mit zwei Motoren ist vorteilhaft, weil dynamische Bremsmomente an beiden Rädern unabhängig voneinander variiert werden können.
Wird zudem, wie oben erläutert, über das Fahrdynamiksystem synchron ein Bremsmoment über den elektrischen Traktionsmotor und das elektrohydraulische Bremsmodul EHB geregelt, wobei insbesondere ein Bremsaggregat ein Grundbremsmoment bereitstellt, während das zweite Bremsaggregat ein zusätzliches geregeltes Bremsmoment bereitstellt (Regelstrategie gemäß Figur 5), so können die Kosten und das Gewicht des Systems weiter signifikant reduziert werden.
Zum einen können die Kosten für das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB, insbesondere gemäß Ausführungsform der Figur 6a, durch weniger und kostengünstigere Ventile und nochmals niedrigere Maximaldrücke und Volumen reduziert werden. So kann statt eines Kugel-Gewindetriebs auch eine kostengünstige Trapezspindel eingesetzt werden. Ferner ist es möglich, eine Trommelbremse sowohl an der Vorderachse als auch an der Hinterachse zu verwenden.
Bei einer FDS-Variante A3 kann etwa, in einem dritten Optimierungsschritt, an der Hinterachse nur ein Twin-Traktionsantrieb (TM1, TM2) mit beispielsweise 230 kW Leistung eingesetzt werden. Wird zudem der hier beschrieben RSP-4Q-Inverter gemäß Figur 7b eingesetzt, so kann der Betriebsbereich des regenerativen Bremsens gemäß Motorkennfeld in Figur 7a nochmals signifikant erweitert werden.
Damit kann an der Hinterachse für den gesamten Fahrzeuggeschwindigkeitsbereich bis zur Maximalgeschwindigkeit ausschließlich über den elektrischen Traktionsmotor verzögert werden. Wird zudem die vorliegend beschriebene Regelfunktion über die elektrischen Traktionsmotoren TM1 und TM2 durchgeführt, so kann an der Hinterachse vollständig auf die Fundamentbremse verzichtet werden.
Ergänzend dazu sind dann keine hydraulischen Leitungen zur Hinterachse und auch kein Regelventil erforderlich, sodass das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB ausschließlich auf die Vorderachse des Fahrzeugs ausgelegt werden muss (siehe Figur 6c). Dabei kann ebenfalls ein kostengünstiges Trapezgewinde verwendet werden.
B: AD Stufe 3-4
Wird bei einer Variante Bl des Fahrdynamiksystems mit einem 2-Box-System (beispielweise X-Boost3 und ESP) ein elektrohydraulisches Bremssystem wie in Figur 8 eingesetzt und wie beschrieben in das Fahrdynamiksystem integriert, so können sowohl die Redundanzanforderungen von SAE Level 4 erfüllt werden, als auch das elektrohydraulische Bremsaggregat EHB durch Downsizing kostengünstiger ausgeführt werden.
Ferner kann die Reibbremse durch Bremsunterstützung über elektrische Traktionsmotoren bereits in der Basisbremsfunktion (a) hinsichtlich der Kosten und des Gewichts reduziert werden. Durch den Einsatz insbesondere einer kostengünstigen Scheibenbremse an der Vorderachse und einer Trommelbremse an der Hinterachse können die Kosten noch weiter reduziert werden.
Wird bei einer Variante B2 des Fahrdynamiksystems mit zentraler EHB-Z ein elektrohydraulisches Bremssystem gemäß Figur 6a eingesetzt sowie entsprechend der hier beschriebenen Regelung des Fahrdynamiksystems bei Basisbremse und Regelfunktion die Traktionsmotoren an beiden Achsen zur Unterstützung eingesetzt, dann kann mit den zusätzlich oben beschriebenen Redundanzfunktionen, wie oben mit Bezug zu Figur 6a beschrieben, und mit einer redundanten Ausführung der Druckversorgungseinrichtung ein Funktionsredundanzniveau für AD Level 3-4 erreicht werden. Hier wird zudem davon ausgegangen, dass das hydraulische Bremssystem 4-kreisig ausgeführt ist und bei Ausfall noch 3-kreisig betrieben werden kann.
C: AD Stufe 5
Für eine Variante CI des Fahrdynamiksystems mit einem elektromechanischen Bremsaggregat EMB wird die oben erläuterte dritte Ausführungsform zugrunde gelegt, wo für jedes Radmodul eine Steuer-ECU (S-ECUkadi, S-ECURad2, S-ECURad3, S- ECURad4) vorgesehen ist, die gemeinsam ein Drehmoment des Antriebsmotors und die EMB regelt. Damit sind sowohl bei der Basisbremsfunktion als auch im Regelbetrieb durch gleichzeitige Bremsmomentregelung über das Fahrdynamiksystem diverse Kosten- und Gewichtsreduzierungen möglich.
In einem ersten Schritt kann die EMB deutlich downgesized werden, da geringere Maximaldrehmomente notwendig sind.
Im Vergleich zu einer 2-Box-Lösung ist die hier beschriebene EMB zudem deutlich einfacher zu applizieren und in eine zentrale Steuerung des Fahrdynamiksystems zu integrieren. Ein weiterer Vorteil ist die Unabhängigkeit von einem Bremsenhersteller.
Wird die EMB in Radmodulen gemäß der „Architektur III" des Fahrdynamiksystems eingesetzt, kann ferner optional die elektrische Servolenkung EPS entfallen, weil durch unterschiedliche Motordrehzahlen über die Radmotoren gelenkt werden kann. Auch bei einer FDS-Variante C2 mit EHB-Achsmodulen mit Kolben-Zylinder-Einheit kann die EHB deutlich downgesized werden, da geringere Maximaldrehmomente erreichbar sein müssen. Durch das gemeinsame Bremsen mittels Traktionsmotor und EHB kann die Reibbremse ebenfalls deutlich leichter und kostengünstiger ausgeführt werden. Zwei Drucksteller erreichen damit ein geringeres Kostenniveau und bieten zudem die erforderlichen Redundanzen für SAE Level 5.
Durch den Einsatz einer Trommelbremse wird eine weitere Kostenreduzierung möglich.
Wird im Unterschied zur oben genannten Optimierung 2 eine Variante C3 für die EHB der Hinterachse mit einer einfachen Pumpe (2-Kolbenpumpe, Zahnradpumpe) eingesetzt, kann zwar mit der Pumpe im Allgemeinen nicht die gleiche Regelgüte wie mit einer Kolben-Zylinder-Einheit erreicht werden; dies ist allerdings an der Hinterachse weniger kritisch. Zudem kann mit der Pumpe nur das Grundmoment erzeugt werden, während mit den Traktionsmotor(en) an der Hinterachse das geregelte zusätzliche Bremsmoment erzeugt wird.
Auch hier ermöglicht der Einsatz einer Trommelbremse an der Hinterachse eine weitere Kostenreduzierung.
Bei einer Variante 04 mit zentraler EHB-Z wurde bereits die Eignung für AD Level 3-4 untersucht und sogar die Tauglichkeit für AD Level 5 beschrieben. Es kann daher eine Betätigungseinheit wegfallen.
Der Einsatz einer Trommelbremse an der Hinterachse ermöglicht zusätzliche Kostenreduzierung und Gewichtsreduzierung Vergleich zu einem elektromechanischen Bremsaggregat EMB.
Zusammenfassend wird festgestellt, dass die hier beschriebenen Varianten C2-C4 ein Kostenniveau einer SAE Level 2-Lösung erreichen, jedoch alle Redundanzanforderungen für SAE Stufe 5 erfüllen. Sie können daher als zielführende Lösungen für autonomes Fahren der höchsten Ausbaustufe eingestuft werden.
Gegenüber den EMB-Varianten haben die Lösungen den großen Vorteil, dass Komponenten, die in großer Stückzahl gefertigt werden, etwa die hydraulische Druckversorgung oder Magnetventile, bereits zur Verfügung stehen und somit auch eine schnelle Serieneinführung ohne hohe Kapitalkosten möglich ist.
Ergänzend wird ein weiteres Beispiel beschrieben:
Bei dem weiteren Beispiel umfasst ein Fahrdynamiksystem (FDS) oder E-Fahrzeug mit einer zentralen Steuerung mit einem Fahrdynamiksystem (FDS) mit einer der FDS-Architekturen I, II oder III
• mind. 1 Radbremse (RB1-RB4),
• mind. 1 elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4), der sowohl zum Antrieb als auch Abbremsen einer Achse oder eines Rades verwendet wird,
• mind. 1 Bremsvorrichtung (EMB, EHB), die zur Erzeugung von Bremsmoment(en) an einem oder mehreren Radbremsen verwendet wird,
• einen Zentralrechner (M-ECUoomäne), mittels dessen sowohl der mind. 1 elektrischer Traktionsmotor (TM1-TM4) als auch mind, eine Bremsvorrichtung (EHB, EMB) bei Bremsvorgängen gemeinsam angesteuert über ein Steuergerät (M- ECUDomäne, S-ECUAchse, S-ECURad) und Sollsignale an Steuergeräte von Traktionsmotor(en) (TM1-TM4) und Bremsvorrichtung (EHB, EMB) zur Ausführung sendet,
• einen Zentralrechner mit mindestens einer der Kernfunktionen ABS, ESP, EBV, ASR, ACC, AEB, Reku-Management mit regenerativen Bremsen über elektrische Traktionsmotoren an mehreren Achsen und/oder mindestens einer der Kernfunktionen (A)-(G) über den Zentralrechner geregelt oder gesteuert wird, wobei
• bei Normalbremse eine Bremsung mit dem elektrischen Traktionsmotor (TM1 - TM4) auch bei hohen Geschwindigkeiten (>80 km/h) des Fahrzeuges erfolgt und beim Bremsen über elektrischen Traktionsmotor (TM1-TM4) gleichzeitig ein EBV- Funktion (EBV =elektronische Bremskraftverteilung an Vorderachse und Hinterachse) realisiert wird, und/oder
• im Regelbetrieb (z. B. ABS, ESP) ein Bremsmoment mit mindestens einem Traktionsmotor (TM1-TM4) und gleichzeitig mindestens einer EHB oder EMB erzeugt wird und einem Bremsaggregat (EMB, EHB) und/oder elektrischen Traktionsmotor (TM1-TM4) eine Bremsmomentregelung durchgeführt an mindestens 3 Rädern eines Fahrzeuges, derart dass in jedem Fahrzeugstand ein Bremsmoment an drei Rädern eines Fahrzeuges geregelt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Fahrdynamiksystem für ein Fahrzeug, umfassend
- zumindest eine Radbremse (RBI, RB2. RB3, RB4) zum dissipativen Abbremsen eines Rades des Fahrzeugs;
- zumindest ein Bremsaggregat (EMB, EHB), das der zumindest einen Radbremse (RBI, RB2, RB3, RB4) zugeordnet und dazu eingerichtet ist, mittels der zumindest einen Radbremse (RBI, RB2, RB3, RB4) ein dissipatives Bremsmoment zu erzeugen;
- zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4), der dazu ansteuerbar ist, ein regeneratives Bremsmoment für zumindest ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs zu erzeugen; und
- eine zentrale Steuereinheit (M-ECUDomäne), die dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) und den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) für eine Bremsfunktion in Kombination miteinander so anzusteuern, dass ein kombiniertes Bremsmoment mittels des zumindest einen Bremsaggregats (EMB, EHB) und des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors (TM1, TM2, TM3, TM4) erzeugbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass
- die Bremsfunktion einen Regelfall betrifft, bei dem gleichzeitig ein Basisbremsmoment und ein geregeltes zusätzliches Bremsmoment gesteuert und/oder geregelt wird; wobei
- optional das Basisbremsmoment durch das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) erzeugt wird und das geregelte zusätzliche Bremsmoment durch den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) erzeugt wird; oder
- das Basisbremsmoment durch den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) und das geregelte zusätzliche Bremsmoment durch das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) erzeugt wird; oder
- das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) und der zumindest eine elektrische Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) jeweils gemeinsam das Basisbremsmoment und das geregelte zusätzliche Bremsmoment erzeugen. Fahrdynamiksystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsfunktion ausgewählt ist aus einer der folgenden Funktionen:
- automatische Notbremse Automated Emergency Brake, AEB), insbesondere mit einer EBV-Regelung, insbesondere mit einer EBV-Regelung an einer Hinterachse und einer Vorderachse des Fahrzeugs, wobei ein Gesamtbremsmoment auf die Hinterachse und die Vorderachse verteilt wird;
- Antiblockiersystem (ABS), insbesondere mit einer Basisbremsmomentunterstützung über den zumindest einen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4);
- elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP);
- elektronische Bremskraftverteilung (EBV);
- Antischlupfregelung (ASR);
- Abstandsregelung Automated Cruise Control, ACC);
- Rekuperations-Management, insbesondere für achs- oder radindividuelle Rekuperation;
- Basisbremse mit Thermomanagement;
- Giermomentreglung bei Ausfall einer Radbremse (RBI, RB2, RB3, RB4); und/oder
- Giermomenteingriffsteuerung für Lenkungsunterstützung. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremsaggregat (EMB, EHB) einen elektromotorischen Antrieb (M) umfasst und als elektrohydraulisches Bremsaggregat (EHB) oder als elektromechanisches Bremsaggregat (EMB) ausgebildet ist. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremsaggregat (EHB) als elektrohydraulische Bremsaggregat (EHB) mit einer elektromotorisch betriebenen Druckversorgungseinheit ausgebildet ist; wobei zwischen der Druckversorgungseinheit und zumindest einer Radbremse (RB1, RB2, RB3, RB4) oder mehreren Radbremen (RBI, RB2, RB3, RB4) einer Achse (HA, VA) eine Ventileinrichtung vorgesehen ist; wobei die Ventileinrichtung ein zuziehfestes Radventil (MV2k,i, MK2k,
2, MV2k,
3, MV2k,
4) und/oder ein Kreistrennventil (MV2k,Tv) umfasst, wobei bei einer Leckage zumindest einer Radbremse (RBI, RB2, RB3, RB4) die Ventileinrichtung dazu eingerichtet ist, die betroffene Radbremse (RBI, RB2, RB3, RB4) durch Schließen abzutrennen, und die zentrale Steuereinheit (M-ECUoomäne) dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) und/oder den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) so anzusteuern, dass eine Bremsmomentregelung an den weiteren Rädern des Fahrzeugs, insbesondere an zumindest drei Rädern, erfolgt; wobei
- insbesondere mittels der Ventileinrichtung die Radbremsen (RBI, RB2) einer Achse (VA) des Fahrzeugs abtrennbar sind, insbesondere die Radbremsen (RB1, RB2) der Vorderachse (VA).
5. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (M-ECUoomäne) mit zumindest einem Bremsaggregat- Steuergerät (S-ECUAchse, S-ECURad) des Bremsaggregats (EMB, EHB) gekoppelt ist.
6. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (M-ECUDomäne) dazu eingerichtet ist, bei der Bremsfunktion Sollsignale an ein Motor-Steuergerät (ECU-TM1, ECU-TM2, ECU-TM3, ECU-TM4) des zumindest einen Traktionsmotors (TM1, TM2, TM3, TM4) und an ein Bremsaggregat- Steuergerät (S-ECUAchse, S-ECURad) des zumindest einen Bremsaggregats (EHB, EMB) zu übertragen.
7. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (M-ECUoomäne) ferner dazu eingerichtet ist, bei einer Geschwindigkeit des Fahrzeugs von über 80 km/h für eine Bremsung im Normalbetrieb den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) zum regenerativen Abbremsen des Fahrzeugs anzusteuern; wobei bei dem regenerativen Abbremsen gleichzeitig eine elektronische Bremskraftverteilung (EBV-Funktion) an einer Vorderachse und einer Hinterachse des Fahrzeugs realisiert wird; wobei insbesondere 20-40% eines Gesamtbremsmoments an der Hinterachse und 60-80% des Gesamtdrehmoments an der Vorderachse des Fahrzeugs wirken.
8. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Radbremse (RBI, RB2, RB3, RB4) eines Rades (RI, R2, R3, R4) des Fahrzeugs ein eigenes Bremsaggregat (EMB1, EMB2, EMB3, EMB4) zugeordnet ist; wobei
- insbesondere das Bremsaggregat (EMB1, EMB2, EMB3, EMB4) elektromechanisch ausgebildet ist; wobei
- insbesondere für jedes der zwei Räder (RI, R2, R3, R4) das der Radbremse (RBI, RB2, RB3, RB4) zugeordnete Bremsaggregat (EMB1, EMB2, EMB3, EMB4) und ein elektrischer Traktionsmotor (TM1, TM2) in ein Radmodul integriert sind. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Radbremsen (RBI, RB2, RB3, RB4) zweier Räder (RI, R2, R3, R4) einer Achse (HA, VA) des Fahrzeugs ein gemeinsames Bremsaggregat (EHB1, EHB2) zugeordnet ist; wobei
- insbesondere das Bremsaggregat (EHB1, EHB2) elektrohydraulisch ausgebildet ist; wobei
- insbesondere den zwei Rädern (RI, R2) einer Hinterachse (HA) ein erstes Bremsaggregat (EHB1) und den zwei Rädern (R3, R4) einer Vorderachse (VA) ein zweites Bremsaggregat (EHB2) zugeordnet ist. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Radbremsen (RBI, RB2, RB3, RB4) von vier Rädern (RI, R2, R3, R4) des Fahrzeugs ein zentrales Bremsaggregat (EHB-VA) zugeordnet ist; wobei
- insbesondere das zentrale Bremsaggregat (EHB-VA) elektrohydraulisch ausgebildet ist. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Radbremsen (RBI, RB2) zweier Räder (RI, R2) einer ersten Achse (VA), insbesondere einer Vorderachse (VA), des Fahrzeugs ein gemeinsames Bremsaggregat (EHB-VA) zugeordnet ist; wobei
- insbesondere das Bremsaggregat (EHB-VA) elektrohydraulisch ausgebildet ist; wobei
- insbesondere bei den Radbremsen (RBI, RB2) der ersten Achse (VA) radindividuelle dissipative Bremsmomente einstellbar sind, insbesondere mittels Magnetventilen in hydraulischen Leitungen zwischen dem Bremsaggregat (EHB- VA) und den Radbremsen (RBI, RB2), wobei
- insbesondere das Bremsaggregat (EHB-VA) ferner über eine hydraulische Leitung mit den Radbremsen (RBI, RB2) zweier Räder (RI, R2, R3, R4) einer zweiten Achse (HA), insbesondere einer Hinterachse (HA), verbindbar ist; wobei
- insbesondere bei den Radbremsen (RB3, RB4) der zweiten Achse (HA) gemeinsame, nicht radindividuelle dissipative Bremsmomente einstellbar sind. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem ersten Paar von zwei Rädern (RI, R2) einer ersten Achse (HA), insbesondere einer Hinterachse (HA) des Fahrzeugs, ein erster elektrischer Traktionsmotor (TM1) zugeordnet ist und einem zweiten Paar von Rädern (R3, R4) einer zweiten Achse (VA), insbesondere einer Vorderachse (VA) des Fahrzeugs, ein zweiter elektrischer Traktionsmotor (TM3) zugeordnet ist. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem ersten (RI) und einem zweiten Rad (R2) einer ersten Achse (HA), insbesondere einer Hinterachse (HA) des Fahrzeugs, jeweils ein eigener elektrischer Traktionsmotor (TM1, TM2) zugeordnet ist. Fahrdynamiksystem gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten (RI) und dem zweiten Rad (R2) ferner ein jeweils eigenes Bremsaggregat (EMB1, EMB2) zugeordnet ist; wobei insbesondere die jeweils eigenen Bremsaggregate (EMB1, EMB2) elektromechanisch ausgebildet sind; wobei
- insbesondere für das erste (RI) und zweite Rad (R2) der jeweils zugeordnete elektrische Traktionsmotor (TM1, TM2) und das jeweils zugeordnete Bremsaggregat (EMB1, EMB2) in jeweils ein dem ersten (RI) oder zweiten Rad (R2) zugeordnetes Radmodul integriert sind. Fahrdynamiksystem gemäß Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ferner einem dritten (R3) und einem vierten Rad (R4) einer zweiten Achse (VA), insbesondere einer Vorderachse (VA) des Fahrzeugs, ein dritter elektrischer Traktionsmotor (TM3) gemeinsam zugeordnet ist; wobei - insbesondere dem dritten (R3) und vierten Rad (R4) ein gemeinsames Bremsaggregat (EHB2) zugeordnet ist; wobei insbesondere das gemeinsame Bremsaggregat (EHB2) elektrohydraulisch ausgebildet ist; wobei insbesondere der dritte elektrische Traktionsmotor (TM3) und das gemeinsame Bremsaggregat (EHB2) in ein der zweiten Achse (VA) zugeordnetes Achsmodul integriert sind; oder wobei
- insbesondere ein zentrales Bremsmodul (EHB-Z) vorgesehen ist, das insbesondere elektrohydraulisch ausgebildet ist, wobei mittels des zentralen Bremsmoduls (EHB-Z) für das erste (RI) und zweite Rad (R2) radindividuelle Bremsmomente erzeugbar sind und für das dritte (R3) und vierte Rad (R4) ein gemeinsames Bremsmoment erzeugbar ist. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (M-ECUoomäne) dazu eingerichtet ist, das Basisbremsmoment und das geregelte zusätzliche Bremsmoment in Abhängigkeit von der Fahrzeugverzögerung und/oder in Abhängigkeit von einem Reibwert der Fahrbahn auf das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) und den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) zu verteilen; wobei
- insbesondere bei kleinerer Verzögerung und/oder kleinerem Reibwert, beispielsweise bei einer ABS-Regelung auf Schnee oder Eis oder bei einer Verzögerung in einem ACC-Bremsbetrieb, ein elektromotorisches Bremsaggregat (EMB) und/oder der zumindest eine elektrische Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) das geregelte zusätzliche Bremsmoment erzeugt; wobei
- insbesondere bei größerer Verzögerung und/oder größerem Reibwert, beispielsweise bei einer Bremsung auf Asphalt, ein elektrohydraulisches Bremsaggregat (EHB) das geregelte zusätzliche Bremsmoment erzeugt; wobei
- insbesondere bei mittlerer Verzögerung und/oder mittlerem Reibwert das Bremsaggregat (EHB, EMB) oder der Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) das Basisbremsmoment als konstantes Bremsmoment erzeugt und ein weiteres Bremsaggregat (EMB, EHB) oder der Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) das geregelte zusätzliche Bremsmoment erzeugt. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (M-ECUDomäne) dazu eingerichtet ist, bei einer automatische Notbremsung (AEB) eine EBV-Regelung auszuführen; wobei die Bremsmomentgradienten des zumindest einen Bremsaggregats (EMB, EHB) und des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors (TM1, TM2, TM3, TM4) so berücksichtigt werden, dass an der Vorderachse (VA) und an der Hinterachse (HA) des Fahrzeugs das maximale Bremsmoment gleichzeitig erreicht wird. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim regenerativen Abbremsen, insbesondere bei einem vollem Ladezustand einer Batterie des Fahrzeugs, zumindest eine der folgenden Strategien verwendet wird:
- Rückspeisen der regenerierten Energie in die Batterie bis zur Grenze der Leistungsaufnahme;
- feldorientierte Regelung (Id/Iq-Stromregelung) des elektrischen Traktionsmotors derart, dass die Energie im Motor intern vernichtet wird;
- Vernichten der durch den elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) im generatorischen Betrieb gewonnenen Energie, Bereitstellen der gewonnenen Energie für einen elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs und/oder Erwärmen eines Fluidreservoirs zur Nutzung mit einer Wärmepumpe für eine Kühlung oder Heizung; und/oder
- Verwenden eines elektrischen Zwischenspeichers, der für Impulsleistung ausgelegt ist, beispielsweise eines Super-Cap. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine elektrische Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) mit einem Inverter zum Schalten von Wicklungen des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors (TM1, TM2, TM3, TM4) in Reihenschaltung oder Parallelschaltung von jeweils drei Strängen der Erregerspulen des bürstenlosen Elektromotors betrieben wird; wobei
- insbesondere mittels des Inverters ein 4-Quadrantenbetrieb ermöglicht wird, nämlich mit einem Quadrant 1 mit positiver Drehzahl und positivem Drehmoment des Elektromotors, einem Quadrant 2 mit positiver Drehzahl und negativem Drehmoment des Elektromotors; einem Quadrant 3 mit negativer Drehzahl und positivem Drehmoment des Elektromotors, sowie einem Quadrant 4 mit negativer Drehzahl und negativem Drehmoment des Elektromotors. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (M-ECUoomäne) dazu eingerichtet ist, die Bremssteuerung anhand eines Kennfeldes durchzuführen; wobei
- insbesondere das Kennfeld eine Druck-Volumen-Kennlinie, einen Zusammenhang zwischen Motorstrom und Bremsdruck und/oder einen Zusammenhang zwischen Bremsdruck und/oder Verzögerung bei Erwärmung der Radbremse abbildet. Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (M-ECUoomäne) dazu eingerichtet ist, im Fahrzeugbetrieb, insbesondere in einem Zustand nach Fahrzeugerstinbetriebnahme, etwa in einem Fährbetrieb oder bei Stillstand vor oder nach einem Fährbetrieb, Sensordaten zu erfassen und anhand der erfassten Sensordaten mittels eines Verfahrens der künstlichen Intelligenz, insbesondere Maschinenlernen oder neuronale Netze, die Steuerung der Bremsfunktion anzupassen; wobei
- insbesondere das Verfahren der künstlichen Intelligenz mittels eines Rechners der zentralen Steuereinheit (M-ECUoomäne) ausführbar ist; wobei
- insbesondere das Anpassen in einem sicheren Zustand der Fahrzeugs ausgeführt wird, insbesondere in einem abgestellten Zustand des Fahrzeugs; wobei
- insbesondere anhand der erfassten Sensordaten ein Kennfeld bestimmt wird, das beispielsweise eine Druck-Volumen-Kennlinie, einen Zusammenhang zwischen Motorstrom und Bremsdruck und/oder einen Zusammenhang zwischen Bremsdruck und/oder Verzögerung bei Erwärmung der Radbremse abbildet; wobei
- insbesondere das Kennfeld anhand der Sensordaten und des Verfahrens der künstlichen Intelligenz adaptierbar ist, wenn eines Abweichung von dem aktuellen Kennfeld erkannt wird, etwa wegen Umwelteinflüssen, Luft im System oder wegen einer Erwärmung der Radbremse. Fahrdynamiksystem für ein Fahrzeug, umfassend
- zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4), der dazu ansteuerbar ist, ein regeneratives Bremsmoment für zumindest ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs zu erzeugen; und
- eine zentrale Steuereinheit (M-ECUDomäne), die dazu eingerichtet ist, den zumindest einen elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) für eine Bremsfunktion anzusteuern; dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (M-ECUoomäne) dazu eingerichtet ist, die Bremsfunktion bei einer Bremsung auf einer Fahrbahn mit einem Niedrigreibwert, insbesondere bei Schnee, Eis und/oder nasser Fahrbahn, mit geringen bis moderaten Verzögerungen, insbesondere von weniger als 0,5 m/s2 auszuführen;
- wobei insbesondere die zentrale Steuereinheit (M-ECUoomäne) dazu eingerichtet ist, die Bremsfunktion mittels zumindest eines Traktionsmotors zumindest einer Achse des Fahrzeugs auszuführen, insbesondere mittels zweier Traktionsmotoren der Hinterachse des Fahrzeugs. Fahrzeug mit einem Fahrdynamiksystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren zum Betreiben eines Fahrdynamiksystems mit zumindest einem Bremsaggregat (EMB, EHB) zum Erzeugen eines dissipativen Bremsmoments und zumindest einem elektrischen Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) zum Erzeugen eines regenerativen Bremsmoments für zumindest ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs, und eine zentrale Steuereinheit (M-ECUDomäne) zum Ansteuern des zumindest einen Bremsaggregats (EMB, EHB) und des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors (TM1, TM2, TM3, TM4) für eine Bremsfunktion, wobei bei dem Verfahren:
- ein kombiniertes Bremsmoment mittels des zumindest einen Bremsaggregats (EMB, EHB) und des zumindest einen elektrischen Traktionsmotors (TM1, TM2, TM3, TM4) erzeugt wird; wobei
- die Bremsfunktion einen Regelfall betrifft, bei dem gleichzeitig ein Basisbremsmoment und ein geregeltes zusätzliches Bremsmoment gesteuert und/oder geregelt wird; wobei
- optional das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) dazu angesteuert wird, ein Basisbremsmoment zu erzeugen, und der zumindest eine elektrische Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) dazu angesteuert wird, das geregelte zusätzliche Bremsmoment zu erzeugen; oder
- der zumindest eine elektrische Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) dazu angesteuert wird, das Basisbremsmoment zu erzeugen, und das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) dazu angesteuert wird, das geregelte zusätzliche Bremsmoment zu erzeugen; oder - das zumindest eine Bremsaggregat (EMB, EHB) und der zumindest eine elektrische Traktionsmotor (TM1, TM2, TM3, TM4) dazu angesteuert werden, jeweils gemeinsam das Basisbremsmoment und das geregelte zusätzliche Bremsmoment zu erzeugen.
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