Beschreibung
Elektromechanische Bremsanlage
Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Bremsanlage, ein elektromechanisches Bremssystem, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem elektromechanischem Bremssystem, wobei die elektromechanische Bremsanlage bzw. das elektromechanische Bremssys- tem insbesondere für ein 12V/14V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs geeignet sind.
Bei einer elektromechanischen Bremsanlage kann vollständig auf hydraulische Einrichtungen verzichtet werden, wobei die Befehlsübertragung vom Bremspedal zur Bremse durch elektronische Signale ersetzt ist. Die elektromechanische Bremse weist zum Aufbringen der Bremskraft elektromotorisch betätigte Bremszangen auf, wobei bei sicherheitsrelevanten Anlagen, Einrichtungen oder Vorrichtungen, wie z. B. bei Fahrzeugen, zwei autonome Stromkreise zur Energieversorgung der Bremsen notwendig sind, damit im Falle eines Ausfalls von einem der beiden Systeme mittels des anderen noch genügend Bremskraft zur Verfügung gestellt werden kann.
Bei elektromechanischen Fahrzeugbremsen werden an jeder
Bremsscheibe die Hydraulikzylinder durch einen leistungsfähigen Elektromotor ersetzt, wobei die Funktionen einer hydraulischen Bremse, wie z. B. ABS, ESP oder ASR, übernommen werden und die Signale dieser Einrichtungen nicht mehr in hyd- raulische Drücke umgewandelt werden müssen, um eine entsprechende Bremsleistung zu erzielen.
Die zum Bremsen erforderliche elektrische Energie wird bei der elektromechanischen Bremsanlage ausschließlich vom Bord- netz des Fahrzeugs bereit gestellt (Fahrzeugbatterien bzw.
Akkumulatoren, die von einem Generator im Betrieb des Kraftfahrzeugs geladen werden) . Sollte eine Bremse einmal ausfal-
len, so funktionieren die anderen immer noch. Elektrische Leitungen dienen der Signal- und Energieübertragung für die elektromechanische Bremse.
Heute bekannte elektromechanische Bremsanlagen, die die
Bremskraft durch einen Elektromotor, optional zusätzlich mittels einer Getriebestufe und einer Spindel, erzeugen, benötigen je nach Auslegung und Design der elektromechanischen Bremsanlage eine maximale elektrische Leistung je Bremsaktua- toreinheit, also je Rad eines Fahrzeugs, von bis über 1 KW, die allerdings nur für eine sehr kurze Zeit (ca. 30 ms) zur Verfügung gestellt werden muss. Daher ist der Strombedarf der elektromechanischen Bremsanlage kurzzeitig sehr hoch. Man ist daher der Meinung, dass eine solche Leistung nur bei einem Betrieb mit einem 42V-Bordnetz vernünftig zur Verfügung gestellt werden kann, da auf diese Weise eine Strombelastung (maximaler Stromfluss, Stromgradient) der elektrischen Zuleitungen für die Bremsen in einem reellen Bereich bleibt. Bei einem Betrieb in einem Bordnetz mit 12V/14V-Spannung steigt einerseits die Verlustleistung durch Wärme in den Leitungen aufgrund geringer Leitungsquerschnitte und hoher Stromstärken auf ein nicht akzeptables Maß an. Andererseits würden entsprechend vergrößerte Leitungsquerschnitte das Gewicht der zu verwendenden Kabelbäume um mehrere Kilogramm ansteigen las- sen.
Ferner erfordert die Auslegung eines Fahrzeugs mit einem (e- ventuell sogar zusätzlichen) 42V-Bordnetz tief greifende konstruktive Änderungen in das Fahrzeug selbst, sodass Neufahr- zeuge mit einem 42V-Bordnetz im Vergleich zu Fahrzeugen mit einem 12V-Bordnetz ungleich teuerer sind, was einen signifikanten Verkaufsnachteil eines solchen Fahrzeugs mit 42V- Bordnetz darstellt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine elektromechanische Bremsanlage bzw. ein elektromechanisches Bremssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, zur Verfügung zu stellen,
wobei die elektromechanische Bremsanlage sicher mit einem 12V/14V-Bordnetz betreibbar ist und dabei sämtliche Funktionen einer herkömmlichen hydraulischen Bremse - z. B. die eines Anti-Blockier-Systems (ABS) , einer Traktionshilfe, einer Antriebsschlupfregelung (ASR) , einer Fahrstabilitätsregelung (ESP) sowie eines automatischen Bremseneingriffs, z. B. bei Abstandsregelsystemen, und automatisch eingeleitete Vollbremsungen - übernehmen kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird mittels einer elektromechani- schen Bremse gelöst, deren Bremsaktuatoreinheit mit elektrischer Energie versorgt wird, die aus einem zusätzlich vorgesehenen zweiten elektrischen Energiespeicher stammt, der bevorzugt ein kapazitiver Energiespeicher ist.
Die Spitzenleistungsanforderung der elektromechanischen Bremse entsteht bei einer schnellen Beschleunigung eines Rotors des Elektromotors entweder am Beginn einer Bremsung oder bei Fahrzeugen mit ABS, wenn durch eine ABS-Steuereinrichtung Radschlupf zwischen Rad und Straße erkannt wird, und der E- lektromotor sehr schnell von einem Zuspannen der Bremsbeläge auf ein Lösen der Bremsbeläge umgeschaltet wird. Mittels des erfindungsgemäß zusätzlich vorgesehenen, zweiten elektrischen Energiespeichers ist es nun in Leitungsnetzen, deren Span- nungsversorgung und/oder deren Leitungsquerschnitte eigentlich nicht für elektromechanische Bremsanlagen geeignet sind, - wie dies bei einem 12V/14V-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs der Fall ist - trotzdem möglich, ein solchermaßen schnelles und zuverlässiges Zu- bzw. Aufspannen der Bremsbeläge mittels Elektromotoren zu realisieren. Mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen zweiten Energiespeichers ist es daher möglich, die notwendige elektrische Energie bei Spitzenleistungsanforderungen einer elektromechanischen Bremse zu puffern (also durch ein „Zwischenlager" kurzfristig verfügbar zu machen) und so eine funktionstüchtige Bremsanlage auch bei einem Niedrigspannungsnetz zur Verfügung zu stellen.
Mittels der Erfindung ist es nun insbesondere möglich, Kraftfahrzeuge mit 12V/14V-Bordnetzen mit elektromechanischen Bremsanlagen auszurüsten und die Vorteile eines solchen Bremssystems dem Fahrer im Bezug auf seine Sicherheit zur Verfügung zu stellen. Mittels eines solchen Brake-By-Wire-
Systems ist es möglich, jedem einzelnen Rad eine individuelle Bremskraftmodulation zur Verfügung zu stellen, was kurze Bremswege bei gleichzeitig hoher Fahrstabilität ermöglicht. Darüber hinaus ist ein elektromechanisches Bremssystem mit bereits bekannten Systemen (ABS, ASR, ESP etc.) problemlos kompatibel und eröffnet darüber hinaus weitere Möglichkeiten für Zusatzfunktionen, wie eine so genannte Adaptive Cruise Control (ACC) bis hin zu autonomen Verkehrsführungssystemen.
Für eine elektromechanische Bremsanlage ist ein elektronischer Bremspedalsimulator notwendig, der ergonomisch günstig im Fußraum eines Fahrzeugs angeordnet werden kann und dessen geringere Betätigungskräfte beim Bremsen einen Zeitgewinn von einer halben Sekunde (TÜV-Rheinland) im Vergleich zu hydrau- lischen Bremsen realisiert; was laut TÜV den Anhalteweg aus einer Fahrgeschwindigkeit von 100km/h um 14m auf 66m verkürzt, was einer Verkürzung des Anhaltewegs um nahezu 20% entspricht (bezogen auf den Anhalteweg mittels eines herkömmlichen Bremsenbetätigungssystems) .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich der zweite Energiespeicher direkt an der Bremsaktuato- reinheit bzw. so nah wie möglich an dieser dran. Bei einer solchen Ausführungsform, bei welcher der zweite Energiespei- eher ganz in der Nähe des Orts untergebracht wird, an dem dessen elektrische Energie benötigt wird, ist es möglich, die Verlustleistung bei einem 12V/14V-Bordnetz gering zu halten, da der Energiespeicher in den Zeitspannen mit geringen Stromstärken aufladbar ist, in denen keine elektrische Energie zum Bremsen zur Verfügung gestellt werden muss. Dadurch erübrigen sich erhöhte Zuleitungsquerschnitte zur Bremsaktuatoreinheit zum Kompensieren der oben genannten Verlustleistung. Möglich
wird ein solches Konzept dadurch, dass zum Laden des zweiten elektrischen Energiespeichers viel mehr Zeit zur Verfügung steht, als er schlimmstenfalls für Spitzenlastanforderungen Strom liefern muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Energiequelle ein parallel zur ersten Energiequelle der elektromechanischen Bremsanlage geschalteter Stützkondensator. Kondensatoren sind ideal dazu geeignet, Spitzenlastan- forderungen abzupuffern, da sie schnell ladbar und auch schnell wieder entladbar sind. Darüber hinaus weisen sie eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer auf, da in ihnen im Gegensatz zu Akkumulatoren keine elektrochemischen Reaktionen ablaufen, sondern nur Ladungen getrennt werden. Insbesondere bei Fahrzeugbremsen, bei welchen der Kondensator direkt an der Bremsaktuatoreinheit untergebracht ist, eignet sich dieser auf Grunde seines geringen Gewichts sehr gut, da die Bremsaktuatoreinheit und somit auch der Kondensator zu den ungefederten Massen am Rad gehören, welche bei Kraftfahrzeu- gen möglichst klein sein sollten. Darüber hinaus sind kleine Leitungsquerschnitte zum Kondensator hin auf Grunde einer vergleichsweise langen Aufladungsdauer (im Gegensatz zu seiner 30ms (s. u.) währenden Entladungsdauer), möglich.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform besitzt der Kondensator eine Kapazität von 20OmF bis 65OmF, insbesondere 45OmF. Die Situationen, in welchen die Bremsaktuatoreinheit seine Spitzenleistung erbringen muss (Beginn einer Bremsung bzw. im ABS-FaIl, wenn Radschlupf zwischen Rad und Straße er- kannt ist) dauern bis etwa 30ms (Δt) . Damit reicht z. B. für eine Aktautoreinheit mit einer Spitzenleistung von ca. 700W (ca. 12V*60A) und einem maximalen Strom I in der Zuleitung von 30A sowie einem Spannungsabfall ΔU von 2V am Kondensator eine Kapazität von C=I*Δt/ΔU=450mF.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Stützkondensator ein so genannter Supercap-Kondensator (Su-
percap=Supercapacitor) . Diese Supercap-Kondensatoren sind Kondensatoren mit sehr hohen Kapazitäten (im Bereich bis mehrere tausend Farad) und lassen sich als Energiespeicher einsetzen, wobei sie Akkus ersetzen können. Sie zeichnen sich durch geringe Abmessungen und eine geringe Masse aus. Die hohe Kapazität ist dadurch möglich, dass die Seitenflächen des Kondensators, an welchen sich die Ladungen im aufgeladenen Zustand aufhalten, mittels mikroskopischer Kohlenstoffpartikel mit einer sehr fein strukturierten dreidimensionalen O- berfläche versehen sind, sodass damit sehr hohe Oberflächeninhalte und daher sehr hohe Kapazitäten möglich sind. Ferner unterliegt man bei der äußeren Formgebung eines solchen Kondensators keinen speziellen Anforderungen, sodass nahezu beliebige Formen möglich sind. All dies eignet die Supercap- Kondensatoren insbesondere für elektromechanische Bremsaktua- toreinheiten bei Fahrzeugbremsen.
Da Supercap-Kondensatoren temperaturempfindlich sind, befinden sich diese bevorzugt in oder an einem kühlen Bereich der Bremsaktuatoreinheit. Die Temperaturen an diesem Ort sollten 7O0C bis 1250C nicht übersteigen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Bremssystem für ein Kraftfahrzeug mit elektromechanischen Bremsen bzw. Bremsanlagen ausgerüstet. Neben den obigen Vorteilen eines Fahrzeugs mit elektromechanischen Bremsen ist es insbesondere von Vorteil, dass das Bremspedal geringe Betätigungskräfte aufweist und, z. B. im ABS-FaIl, nicht pulsiert und so den Fahrer nicht dazu verleiten kann, der aufgrund ei- nes pulsierenden Bremspedals irritiert ist, den Fuß von der Bremse zu nehmen. Ferner ist die Ansprechcharakteristik der Bremse individuell einstellbar.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektromechani- schen Bremssystems für ein Kraftfahrzeug, und Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für eine erfindungsgemäße Bremsaktuatoreinheit.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf eine elektrome- chanische Bremse oder Bremsanlage bzw. ein elektromechani- sches Bremssystem für Kraftfahrzeuge mit einem 12V/14V- Bordnetz . Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern vielmehr jegliche elektromechanische Bremsen umfassen soll, die mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen betrieben werden können und bei denen es von Vorteil sein kann einen zweiten, bevorzugt kapazitiven, Energiespeicher vorzusehen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrome- chanischen Bremssystems für eine Vorder- und eine Hinterachse eines Kraftfahrzeugs. Das elektromechanische Bremssystem weist eine Mehrzahl von elektromechanisch betätigten Bremsan- lagen auf, die jeweils eine Bremsscheibe 16 mittels in einem Bremssattel 14 vorgesehenen Bremsbelägen abbremsen können, wobei die Bremsbeläge mittels einer elektromechanischen Bremsaktuatoreinheit 10 betätigt werden. Hierbei bilden ein E- lektromotor 12 und bevorzugt zusätzlich ein Getriebe die Bremsaktuatoreinheit 10, die im Bremssattel 14 die Zuspann- kräfte erzeugt. Eine solche Bremsaktuatoreinheit 10 ist in der Lage, innerhalb von wenigen Millisekunden, die jeweils notwendigen Bremskräfte bereitzustellen, die bis zu mehrere Tonnen betragen können.
Eine Steuereinrichtung 40 verarbeitet von einem Bremspedalsimulator 50 erhaltene Signale, verknüpft sie gegebenenfalls
mit Daten anderer Sensoren und Regelsysteme, und berechnet für jedes Rad eine individuell notwendige Kraft, mit welcher die Bremsaktuatoreinheit 10 die Bremsbeläge des Bremssattels 14 an die Bremsscheibe 16 drücken soll.
Ein Bremspedal 52 des Bremspedalsimulators 50 ist an einen Pedalwegsensor 54 angeschlossen, wobei der Pedalwegsensor 54 an die Steuereinrichtung 40 einen ermittelten Pedalweg und eine Pedalbetätigungskraft weiterleitet. Die Steuereinrich- tung 40 leitet die vom Fahrer gewünschte Bremsverzögerung an die Bremsaktuatoreinheiten 10 weiter. Das in einem Gefühlssimulator endende Bremspedal kann nicht mehr wie bei herkömmlichen hydraulischen Bremsen vibrieren und mindert daher die Gefahr, dass ein ungeübter Fahrer in einer Gefahrensituation den Fuß von der Bremse nimmt.
Die Hauptenergiequelle der Bremsaktuatoreinheiten 10 sind zwei Akkumulatoren 20, die ihre elektrische Ladeenergie von einem Generator (Lichtmaschine) erhalten. Um einen Totalaus- fall des Bremssystems z. B. bei Ausfall eines Akkumulators 20 zu vermeiden, sind zwei voneinander unabhängige Bordnetze notwendig. Bei dem beispielhaft dargestellten Bremssystem ist ein Akkumulator 20 den Bremsen einer Vorderachse und der andere Akkumulator 20 den Bremsen einer Hinterachse des Fahr- zeugs zugeordnet (andere Kombinationen sind ebenfalls möglich) . Hierdurch ist sichergestellt, dass bei Ausfall der Spannungsversorgung für die Bremsen einer der beiden Achsen wenigstens die Bremsen der anderen noch vollkommen intakt ist. Darüber hinaus kann bei Ausfall eines Akkumulators 20 der jeweilig andere zu den vom Ausfall des Akkumulators 20 betroffenen elektromechanischen Bremsen hinzugeschaltet werden.
Da der für eine elektromechanische Bremse zur Verfügung ste- hende Bauraum im Fahrzeug begrenzt ist und die ungefederten Massen des Fahrzeugs so klein wie möglich sein sollen, sind hohe Anforderungen an die Bremsaktuatoreinheit 10 gestellt.
Daher soll die Bremsaktuatoreinheit 10 zur Unterbringung innerhalb der Felge kompakt und zudem leicht sein.
Damit weder die Verlustleistung in den Zuleitungen zu den e- lektromechanischen Bremsen nicht auf ein inakzeptables Maß ansteigt, noch die Leitungsquerschnitte der verwendeten Zuleitungen diese um mehrere Kilogramm an Gewicht zunehmen lassen um obigen Problem zu begegnen; aber trotzdem noch elekt- romechanische Bremsen mit einem 12V/14V-Bordnetz betreiben zu können, ist es notwendig, die Peaks der von der Bremsaktuatoreinheit 10 angeforderten Leistung mittels einer zweiten E- nergiequelle abzupuffern. Dies wird bevorzugt mittels einem einzigen Supercap-Kondensator je elektromechanischer Bremsanlage realisiert, der als Stützkondensator zur herkömmlichen Spannungsversorgung der Bremsaktuatoreinheit 10 geschaltet ist.
Eine solche Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 zu sehen. Dem durch einen Akkumulator 20 versorgten Elektromotor 12 der e- lektromechanischen Bremse ist eine zweite Energiequelle 30, bevorzugt ein Kondensator 30, parallel hinzugeschaltet. Hierbei befindet sich der Kondensator 30 so nah wie möglich am Elektromotor 12, sodass die Verlustleistung bei einer Entladung des Kondensators 30 möglichst gering ist und darüber hinaus die Leitungen zwischen dem Kondensator 30 und dem E- lektromotor 12 auf Grund einer entsprechenden Dimensionierung nicht zu lang werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Temperaturen des Kondensators 30 nicht über einen bestimmten Temperaturbereich zwischen 70 0C und 125 0C hinausgehen sol- len. Dies kann es erforderlich machen, den Kondensator nicht direkt am Elektromotor 12 vorzusehen.
Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht den Betrieb einer elektromechanischen Bremsanlage mit einem 12V-Bordnetz statt den bisher für erforderlich erachteten 42V-Bordnetz . Hierdurch kann auf eine separate 42V-Stromversorgung, die erheb-
liehe Mehrkosten eines Fahrzeugs verursachen würde, verzichtet werden.
Bevorzugte Kondensatoren für die erfindungsgemäße Anordnung sind so genannte Goldcap-, Supercap-, oder Ultracap-
Kondensatoren. Diese Kondensatoren zeichnen sich durch eine sehr hohe Kapazität bei gleichzeitig geringem Gewicht und kleinem Bauvolumen aus .
Ferner ist es möglich, nicht nur einen einzigen Kondensator
30 als Stützkondensator parallel zur herkömmlichen Spannungsversorgung zu schalten, sondern eine Mehrzahl davon, die dann ebenfalls parallel zur Spannungsversorgung 20 und auch parallel zum Kondensator 30 geschaltet sind.
Herkömmliche Supercap-Kondensatoren haben eine Ladespannung U von 2,0 bis 2,5V, wodurch es sich anbietet, eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Kondensatoren, insgesamt parallel zum Akkumulator 20 zu schalten, um sie bequem in ein 12V-Bodnetz zu integrieren und sie nicht mit einer zu hohen Spannung U aufzuladen. Je nach Ladespannung U eines Kondensators bieten sich vier bis acht, insbesondere fünf bis sieben in Reihe geschaltete Kondensatoren hierfür an. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die Gesamtkapazität Cges von in Reihe geschal- teten Kondensatoren sinkt. So weist ein Verbund aus 5 gleichartigen Kondensatoren, die in Reihe geschaltet sind, nur mehr noch eine Kapazität von 1/5 eines einzigen Kondensators auf. Soll also insgesamt eine Kapazität von 450 mF mittels einer Reihenschaltung von fünf Kondensatoren zur Verfügung gestellt werden, so sind fünf Kondensatoren zu je 2,25 F hierfür notwendig. Ferner ist bei einer Reihenschaltung von Kondensatoren eine verlängerte Ladezeit gegenüber eines einzigen Kondensators zu berücksichtigen.
Darüber hinaus ist es natürlich auch möglich, die beiden obigen Ideen zu Kombinieren und mehrere Blöcke von in Reihe geschalteten Kondensatoren 30 parallel zur Spannungsversorgung
als Stützkondensatoranordnungen zu schalten. Für einen solchen Kondensatorenblock bieten sich wiederum vier bis acht, insbesondere fünf bis sieben, Kondensatoren 30 an.