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Die Erfindung betrifft die Sicherheitsüberwachung eines Antriebs in einem Kraftfahrzeug.
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Fahrzeuge mit einer digitalen elektronischen Motorsteuerung verfügen typischerweise über eine Sicherheitsüberwachung des Antriebs, um Fehlersituationen des Antriebs zu erkennen und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Derartige Fehlersituationen können beispielsweise durch eine fehlerhafte Berechnung in der Motorsteuerung (insbesondere aufgrund eines zufälligen Hardwarefehlers) oder durch Sensorfehler hervorgerufen werden.
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Eine Sicherheitsüberwachung dient häufig der Gewährleistung verschiedener Sicherheitsziele. Ein Sicherheitsziel ist die Verhinderung einer fahrerseitig ungewollten Beschleunigung des Fahrzeugs, beispielsweise weil das Soll-Antriebsmoment aufgrund eines Rechenfehlers deutlich von dem Fahrerwunsch abweicht.
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Zur Motorsteuerung von Kraftfahrzeugen wird häufig in der Betriebsfunktion eine sogenannte Momentenstruktur verwendet, welche auch als Momentensteuerung bezeichnet wird. Die Momentenstruktur verarbeitet ein Fahrerwunschmoment, welches über eine Fahrpedal-Kennlinie bestimmt wird. In Abhängigkeit des Fahrerwunschmoments und zusätzlicher Momentenanforderungen (beispielsweise von Nebenaggregaten oder der Getriebesteuerung) wird ein Soll-Antriebsmoment (d. h. eine Momentenvorgabe) für den Antrieb berechnet. Aus dem Soll-Antriebsmoment bestimmt die Motorsteuerung dann mittels Motorfunktionen Soll-Motorparameter (beispielsweise Zündwinkel, Kraftstoffmenge, etc.) zur Ansteuerung des Motors.
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Ein konventionelles Konzept zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung besteht im Wesentlichen darin, in einer Sicherheitsfunktion die Fahrerpedal-Kennlinie und die Momentenstruktur der Betriebsfunktion vereinfacht nachzubilden und parallel zu berechnen. Das Ergebnis der Parallelrechnung in dem Parallelpfad wird dann mit einer entsprechenden Größe aus dem Normalpfad des Fahrzeugs verglichen. Bei Abweichungen, die eine zulässige Toleranz überschreiten, wird beispielsweise nach einer Entprellzeit ein Fehler erkannt und eine Fehlerreaktion ausgelöst. Als Fehlerreaktion kommt beispielsweise das Abschalten der Kraftstoffversorgung bei höheren Drehzahlen in Frage.
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Ein Beispiel für ein konventionelles momentenbasiertes Konzept einer Sicherheitsfunktion zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung ist in 1 dargestellt. In einem Soll-Pfad 1 der Betriebsfunktion wird ein die Auslenkung des Fahrpedals angebendes Fahrpedal-Signal über einen Fahrerpedal-Interpreter 2 (Fahrpedal-Kennlinie) in ein Fahrerwunschmoment MFW umgerechnet. Das Fahrerwunschmoment MFW kann alternativ auch von einem Fahrerassistenzsystem (beispielsweise Tempomat oder Abstandstempomat) bestimmt werden. In der Momentenstruktur 3 wird aus dem Fahrerwunschmoment MFW unter zusätzlicher Berücksichtigung verschiedener Momentenanforderungen 4 (beispielsweise die Momentenanforderungen des Getriebes, der Fahrdynamikregelung, der Drehzahlregelung oder von Nebenaggregaten) ein Soll-Antriebsmoment Mi,soll berechnet.
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Aus dem Soll-Antriebsmoment Mi,soll werden über Motorfunktionen 5 Aktor-Sollwerte 6 des Motors (beispielsweise Zündwinkel, Kraftstoffmenge, Luftmasse etc.) berechnet. Die Soll-Motorparameter 6 dienen zur Ansteuerung des Motors 7. Der Motor 7 erzeugt ein Ist-Antriebsmoment Mi,ist, aus welchem sich über das Fahrzeug eine Ist-Beschleunigung aist ergibt. In Abhängigkeit der Aktor-Sollwerte 6 (oder Aktor-Istwerte) und in Abhängigkeit von Signalwerten 9 von Sensoren am Motor wird das Ist-Antriebsmoment Mi,soll über ein geeignetes Modell im Rechenblock 10 rückgerechnet, da typischerweise kein Drehmomentsensor zur direkten Messung des Ist-Antriebsmoment Mi,ist vorhanden ist.
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Die Sicherheitsfunktion weist eine Nachbildung 1* des Soll-Pfads 1 bis zur Momentenstruktur 3 auf. Der nachgebildete Soll-Pfad 1* umfasst eine Nachbildung 2* der Fahrpedal-Kennlinie 2 sowie eine Nachbildung 3* der Momentenstruktur 3. Ferner ist eine Nachbildung 10* der Ist-Momentenrückrechnung 10 vorgesehen. Bei den Nachbildungen handelt es sich typischerweise um vereinfachte Nachbildungen, die mit geringerer Genauigkeit rechnen, aber dafür besonders abgesichert werden.
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In einem Vergleichsblock 11 werden das rückgerechnete Ist-Antriebsmoment Mi,ist* und das in der Sicherheitsfunktion berechnete Soll-Antriebsmoment Mi,soll* verglichen und bei einer bestimmten Abweichung von Mi,ist* und Mi,soll* nach einer gewissen Entprellzeit ein Fehler erkannt und eine passende Fehlerreaktion ausgelöst.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein hierzu alternatives Konzept zur Sicherheitsüberwachung eines Antriebs anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein beschleunigungsbasiertes Verfahren zur Sicherheitsüberwachung eines Antriebs. Bei dem Verfahren wird ein Soll-Moment in Abhängigkeit eines für die Stellung des Fahrpedals charakteristischen Fahrpedal-Signals in einer Sicherheitsfunktion berechnet.
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Das Soll-Moment kann alternativ auch in Abhängigkeit eines Signals (beispielsweise eines Sollmoments) eines die Fahrzeuglängsbewegung beeinflussenden Fahrerassistenzsystems (beispielsweise eines Tempomats oder eines Abstandstempomats) bestimmt werden. In Abhängigkeit des Soll-Moments wird eine erwartete Fahrzeugbeschleunigung in der Sicherheitsfunktion bestimmt. Außerdem wird eine Ist-Fahrzeugbeschleunigung bestimmt, beispielsweise mittels eines Beschleunigungssensors oder durch Differenzieren einer Drehzahl (beispielsweise der Raddrehzahl). Eine Fehlersituation kann durch Vergleichen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung und der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung erkannt werden, beispielsweise wenn die Ist-Fahrzeugbeschleunigung die erwartete Fahrzeugbeschleunigung um ein bestimmtes Maß (und optional für eine gewisse Entprellzeit) übersteigt.
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Bei einer Fehlersituation wird dann eine passende Fehlerreaktion ausgelöst. Beispielsweise kann als Fehlerreaktion die Drehzahl begrenzt werden, insbesondere durch Verhindern der Kraftstoff-Einspritzung oberhalb einer bestimmten Drehzahlschwelle.
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Das vorstehend beschriebene Konzept hat den Vorteil, dass auf die Nachbildung der Rückrechnung des Ist-Antriebsmoments verzichtet werden kann, da der Vergleich auf Basis von Beschleunigungssignalen erfolgt. Dies ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Funktionsumfangs der Sicherheitsfunktion und spart damit Kosten bei der Umsetzung und Absicherung.
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Vorzugsweise werden in der Sicherheitsfunktion in Signalrichtung nach der Nachbildung des Fahrpedal-Interpreters keine zusätzlichen Momentenanforderungen berücksichtigt und eine in der Betriebsfunktion vorhandene Momentenstruktur im Soll-Pfad entfällt in der Sicherheitsfunktion. Das von dem Fahrpedal-Interpreter erzeugte Fahrerwunschmoment wird vorzugsweise direkt in eine Fahrzeugbeschleunigung umgerechnet (vorher kann jedoch beispielsweise noch ein Bremsmoment berücksichtigt werden), ohne dass das Fahrerwunschmoment durch zusätzliche Momentenanforderungen bis zur Umrechnung in eine Fahrzeugbeschleunigung verändert wird. Dieser Vereinfachung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass jede der zusätzlichen Momentenanforderungen, wie z. B. ein das Soll-Moment erhöhender Eingriff einer Motor-Schleppmoment-Regelung, so gestaltet sein sollte, dass dieser nicht zu einer Verletzung des Sicherheitsziels führt. Eine solche Momentenanforderung führt nämlich trotz etwaiger Erhöhung des Moments typischerweise nicht zur merklichen Erhöhung der messbaren Ist-Fahrzeugbeschleunigung und kann daher auch im Signalpfad zur Bestimmung der erwarteten Fahrzeug-Beschleunigung unberücksichtigt bleiben.
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Der Wegfall der Momentenanforderungen in der Sicherheitsfunktion ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Funktionsumfangs der Sicherheitsfunktion, wodurch sich eine Kostenersparnis bei der Umsetzung und Absicherung ergibt. Zudem wird durch den Wegfall eine Unabhängigkeit der Sicherheitsfunktion von der konkret verwendeten Betriebsfunktion erreicht. Änderungen in der Momentenstruktur der Betriebsfunktion erfordern keine entsprechenden Änderungen in der Sicherheitsfunktion, wodurch der Aufwand und die Kosten für die Umsetzung und Absicherung von Änderungen reduziert werden. Außerdem wird durch Verringerung des Änderungsbedarfs in der Sicherheitsfunktion die Gefahr reduziert, dass durch Änderungen der Sicherheitsfunktion Fehler entstehen, die die Sicherheit oder Verfügbarkeit des Systems beeinträchtigen könnten. Die Unabhängigkeit der Sicherheitsfunktion ermöglicht den breiten Einsatz der Sicherheitsfunktion. Dadurch findet eine intensive Erprobung der Funktion statt, wodurch die Robustheit und Zuverlässigkeit verbessert wird.
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Es kann vorzugsweise alternativ auch vorgesehen sein, dass in der Sicherheitsfunktion in Signalrichtung nach der Nachbildung des Fahrpedal-Interpreters ein oder mehrere zusätzliche Momentenanforderungen berücksichtigt werden, wobei aber nicht sämtliche Momentenanforderungen der Betriebsfunktion auch in der Sicherheitsfunktion berücksichtigt werden. Beispielsweise wird in der Sicherheitsfunktion lediglich der Eingriff einer elektronischen Getriebesteuerung berücksichtigt, andere Momentenanforderungen, die in der Betriebsfunktion berücksichtigt werden, werden in der Sicherheitsfunktion nicht berücksichtigt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird das Soll-Moment nicht nur in Abhängigkeit eines Fahrpedal-Signals, sondern auch in Abhängigkeit eines auf die Betriebsbremse bezogenen Bremssignals bestimmt. Vorzugsweise wird hierzu ein an der Betriebsbremse wirkendes Bremsmoment verwendet. Beispielsweise wird das Bremsmoment in der Sicherheitsfunktion in Signalrichtung vor der Berechnung der Soll-Beschleunigung mit einem vom Fahrpedal-Interpreter gelieferten Momentenwunsch überlagert. Durch die Berücksichtigung eines Bremssignals in der Sicherheitsfunktion kann beispielsweise der Fehlerfall erkannt werden, dass das Antriebsmoment des Motors aufgrund eines Fehlers zu hoch ist und der Fahrer versucht, diesen Fehler durch Betätigung der Bremse zu kompensieren. Wenn die Bremsinformation berücksichtigt wird, kann erkannt werden, wenn die Ist-Fahrzeugbeschleunigung während einer Bremsung unzulässig hoch ist. Außerdem kann durch Berücksichtigung des Bremsmoments überwacht werden, ob die Ist-Verzögerung des Fahrzeugs bei dem aktuellen Bremsmoment unzulässig groß ist.
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Die Ist-Fahrzeugbeschleunigung kann beispielsweise durch Differenzieren einer Raddrehzahl berechnet werden. Diese Vorgehensweise weist jedoch den Nachteil auf, dass die Ist-Fahrzeugbeschleunigung dann je nach Grad der Steigung auch einen entsprechenden Anteil umfasst, der auf den Steigungswiderstand zurückzuführen ist. Zum Kompensieren dieses Steigungswiderstands müssten dann ein Steigungssignal bei der Bestimmung der Ist-Fahrzeugbeschleunigung berücksichtigt werden, was mit zusätzlichem Aufwand und Kosten verbunden ist. Um diesen Nachteil auszuräumen, wird vorzugsweise die Ist-Fahrzeugbeschleunigung unter Verwendung eines Signals mindestens eines Beschleunigungssensors bestimmt. Dadurch kann eine Einrechnung eines Steigungssignals entfallen. Durch das physikalische Messprinzip eines solchen Beschleunigungssensors wird nur eine antreibende oder verzögernde Ist-Beschleunigung, die nicht durch die Steigung verursacht wird, vom Sensor ausgegeben. Beschleunigungssensoren gehören zur Gruppe der Inertialsensoren und messen die Beschleunigung, welche durch eine auf eine Testmasse wirkende Trägheitskraft verursacht wird.
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Beispielsweise zeigt ein Beschleunigungssensor bei einem am Hang festgebremst stehenden Fahrzeug den Anteil der Gravitationsbeschleunigung in Hangrichtung an, d. h. a = g·sinα mit der Erdbeschleunigung g und der Neigung α des Hanges. Dies entspricht nach F = m·a unter (Vernachlässigung der Reibung) genau der in Längsrichtung wirkenden Kraft auf das Fahrzeug, die nötig ist, um das Fahrzeug zu halten. Wenn das Fahrzeug jedoch nicht festgebremst ist und den Hang ohne Antrieb herunterrollt, wird prinzipiell keine Beschleunigung angezeigt. Es wird folglich durch das Messprinzip genau die Beschleunigung ermittelt, welche durch Antreiben oder Bremsen, nicht jedoch durch den Hangabtrieb verursacht wird.
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Es ist von Vorteil, wenn neben einer Ist-Fahrzeuglängsbeschleunigung auch der Einfluss der Trägheitsmomente des Antriebs und/oder der Räder bei einer Drehzahländerung berücksichtigt wird, beispielsweise der Trägheitsmomente zweier Räder der durch den Motor angetriebenen Achse (oder sämtlicher vier Räder), des Motors und/oder der Kurbelwelle. Dadurch ist es beispielsweise möglich, bei Haftungsabriss auf einem Fahrbahnbelag mit niedrigem Reibwert ein fehlerhaft zu hoch gestelltes Motormoment zu erkennen, obwohl das Fahrzeug aufgrund durchdrehender Reifen keine auffällig erhöhte Fahrzeuglängsbeschleunigung aufweist. Vorzugsweise werden hierzu ein Drehmoment und/oder eine entsprechende rotatorisch wirkende Beschleunigung berechnet, welche durch der Trägheitsmomente des Antriebs und/oder eines oder mehrerer Räder verursacht werden.
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Beispielsweise wird die Ist-Fahrzeugbeschleunigung in Abhängigkeit der Ist-Fahrzeuglängsbeschleunigung (welche insbesondere mittels eines Beschleunigungssensors bestimmt wird) sowie in Abhängigkeit einer Ist-Beschleunigung aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Rädern bestimmt. Zum Berechnen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung werden beispielsweise die Ist-Fahrzeuglängsbeschleunigung und die Ist-Beschleunigung aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Rädern summiert. Alternativ zur Berücksichtigung im Ist-Pfad kann die Ist-Beschleunigung aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Rädern im Soll-Pfad der Sicherheitsfunktion, in welchem die erwartete Beschleunigung bestimmt wird, berücksichtigt werden (hier wird diese dann subtrahiert),
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Es kann neben der Längsbeschleunigung auch die Querbeschleunigung berücksichtigt werden, um Sensorfehler eines Beschleunigungssensors zum Bestimmen der Längsbeschleunigung bei hohem Schwimmwinkel zu kompensieren.
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Bei der Sicherheitsüberwachung ist vorgesehen, dass die erwartete Fahrzeugbeschleunigung und die Ist-Fahrzeugbeschleunigung miteinander verglichen werden. Die Ist-Fahrzeugbeschleunigung kann aus der Fahrzeuglängsbeschleunigung und optional einer Beschleunigung aufgrund der Trägheiten von Antrieb und/oder Rädern abgeleitet sein.
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Der Vergleich findet typischerweise in Richtung zu hoher Beschleunigung statt. Es wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung die erwartete Fahrzeugbeschleunigung in einer bestimmten Weise übersteigt, beispielsweise ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung von der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung um mehr als ein bestimmtes Toleranzmaß nach oben abweicht, beispielsweise um 1,5 m/s2. Das Toleranzmaß muss nicht konstant sein und kann vom Betriebspunkt abhängig sein, beispielsweise von dem Wert des Fahrpedal-Signals und/oder des Bremssignals.
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Vorzugsweise findet der Vergleich auch in Richtung zu hoher Verzögerung statt, um das Sicherheitsziel der ungewollten Verzögerung abzudecken. Dazu wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung die erwartete Fahrzeugbeschleunigung in einer bestimmten Weise unterschreitet, beispielsweise ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung von der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung um mehr als ein bestimmtes festes (beispielsweise 1,5 m/s2) oder variables Toleranzmaß nach unten abweicht. Das Toleranzmaß kann beispielsweise für einen Teilbereich des Fahrpedal-Signals mit zunehmender Fahrpedal-Betätigung in gleicher Weise wie die erwartete Beschleunigung zunehmen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Sicherheitsüberwachung ist vorgesehen, das Fehlen des Kraftschlusses im Antriebsstrang zu erkennen. Ein Kraftschluss im Antriebsstrang liegt beispielsweise dann nicht vor, wenn die Kupplung betätigt wird oder kein Gang eingelegt ist. Bei Erkennen des Fehlens des Kraftschlusses kann die Sicherheitsfunktion deaktiviert werden, beispielsweise indem die Fehlererkennung oder eine Fehlerreaktion deaktiviert werden (beispielsweise für eine bestimmte Zeit). Es kann auch vorgesehen sein, die Toleranz der Sicherheitsüberwachung zu vergrößern, beispielsweise die Toleranz der Fehlererkennung zu vergrößern. Diese Erweiterung dient dazu, bei Beschleunigung des Fahrzeugs durch eine fahrzeugexterne Kraft, beispielsweise beim Abschleppen oder beim Bewegen des Fahrzeugs in einer Waschstraße, eine in diesem Fall unsachgemäße Fehlererkennung oder Fehlerreaktion zu vermeiden.
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Vorzugsweise ist eine Anschlepperkennung vorgesehen. Unter Anschleppen ist das Bewegen des Fahrzeugs durch fahrzeugexterne Kräfte mit dem Ziel des Anlassens des Verbrennungsmotors zu verstehen, beispielsweise durch Schleppen mit einem zweiten Fahrzeug. Bei Erkennen des Anschleppens kann die Sicherheitsüberwachung deaktiviert werden oder die Toleranz der Sicherheitsüberwachung vergrößert werden, beispielsweise für eine bestimmte Zeit. Zur Anschlepperkennung können die Fahrzeuggeschwindigkeit (oder die Raddrehzahl), die Motordrehzahl und die Ansteuerung der Startvorrichtung ausgewertet werden. Ein Anschleppen wird beispielsweise anhand der Zunahme der Motordrehzahl ausgehend von einer Nulldrehzahl ohne Ansteuerung eines Starters erkannt. Hierzu kann beispielsweise geprüft werden, ob ausgehend von einer Nulldrehzahl eine Selbstlaufschwelle (unterhalb der Leerlaufdrehzahl) erreicht oder überschritten wird.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Sicherheitsüberwachung. Diese kann Teil eines elektronischen Motorsteuergeräts sein. Die Einrichtung zur Sicherheitsüberwachung umfasst Mittel zum Bestimmen eines Soll-Moments in Abhängigkeit eines für die Stellung des Fahrpedals charakteristischen Fahrpedal-Signals. Ferner sind Mittel zum Bestimmen einer erwartete Fahrzeugbeschleunigung in Abhängigkeit des Soll-Moments vorgesehen. Außerdem umfasst die Einrichtung Mittel zum Bestimmen (oder nur zum Entgegennehmen) einer Ist-Fahrzeugbeschleunigung. Zum Bestimmen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung kann ein Beschleunigungssensor verwendet werden. Weiterhin sind Mittel zum Erkennen einer Fehlersituation durch Vergleichen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung und der erwartete Fahrzeugbeschleunigung vorgesehen.
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Die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren nach dem ersten Aspekt der Erfindung gelten in entsprechender Weise auch für die erfindungsgemäße Einrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Zuhilfenahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In diesen zeigen:
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1 eine konventionelle momentenbasierte Sicherheitsfunktion zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung;
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen beschleunigungsbasierten Sicherheitsfunktion zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung;
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3 ein Ausführungsbeispiel einer Momentenstruktur; und
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4 beispielhafte Verläufe der erwarteten Beschleunigung asoll, der maximal zulässigen Beschleunigung azul,max und der minimal zulässigen Beschleunigung azul,min.
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Das in 1 dargestellte Beispiel einer konventionellen momentenbasierten Sicherheitsfunktion wurde bereits vorstehend diskutiert.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen beschleunigungsbasierten Sicherheitsfunktion zur Verhinderung einer ungewollten Beschleunigung. Mit gleichen Bezugszeichen versehene Signale und Blöcke in 1 und 2 entsprechen einander.
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Bei dem in 2 dargestellten Beispiel kann im Soll-Pfad 1 der Betriebsfunktion eine beliebige Momentenstruktur 3 verwendet werden; vorzugsweise wird jedoch eine Momentenstruktur 3 verwendet, welche als Fahrerwunschmoment MFW ein auf ein oder mehrere Räder bezogenes Radmoment verarbeitet, beispielsweise das gemeinsame Moment aller antreibenden Räder (beim Standardantrieb zwei Räder, beim Allradantrieb vier Räder). Ein Beispiel hierfür ist in 3 dargestellt. Die Momentenstruktur 3 umfasst ein Triebstrangmodell 50, welches in Abhängigkeit von Momentenanforderungen 4 (beispielsweise aufgrund eines Getriebeeingriffs) ein Kupplungsmoment Mkup bestimmt. In dem nachfolgenden Block 51 werden die Momentenanforderungen 4 der Nebenaggregate (beispielsweise des Klimakompressors) berücksichtigt und ein auf die Kurbelwelle bezogenes Moment Mkw berechnet. Mittels eines Reibmodells 52 des Motors wird aus dem auf die Kurbelwelle bezogenen Moment Mkw ein inneres Motormoment Mi,soll berechnet, aus welchem die Aktor-Stellparameter 6 des Motors bestimmt werden.
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Die in 2 dargestellte Sicherheitsfunktion umfasst einen Soll-Pfad 20 zur Bestimmung einer erwarteten Fahrzeugbeschleunigung asoll in Abhängigkeit eines für die Stellung des Fahrpedals charakteristischen Fahrpedal-Signals 12. Ferner sind ein Ist-Pfad 21 zur Bestimmung einer Ist-Fahrzeugbeschleunigung a sowie ein Vergleichsblock 22 zum Vergleichen der Ist-Fahrzeugbeschleunigung a und der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung asoll vorgesehen.
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Soll-Pfad 20
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Die Sicherheitsfunktion in 2 enthält einen Soll-Pfad 20, der aus dem Fahrpedal-Signal 12 oder eines alternativen nicht dargestellten Signal für einen Fahrerwunsch (wie dem Signal eines Tempomaten oder eines Abstandstempomaten) einen Gesamtantriebswunschmoment Msoll (Soll-Moment) des Fahrzeugs ermittelt. Hier bestimmt ein Fahrpedal-Interpreter 2* in Abhängigkeit des Fahrpedal-Signals 12 ein Fahrerwunschmoment MFW. Bei dem Fahrerwunschmoment MFW handelt es sich vorzugsweise um ein radbezogenes Moment, beispielsweise das gemeinsame Antriebsmoment aller antreibenden Räder (Standardantrieb zwei Räder, Allradantrieb vier Räder).
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Vorzugsweise wird zur Bestimmung des Soll-Moments Msoll das an der Betriebsbremse wirkende Bremsmoment Mb berücksichtigt, wobei das Bremsmoment Mb von dem Fahrerwunschmoment MFW zur Bestimmung des Soll-Moments Msoll subtrahiert wird (einer Subtraktion entspricht auch eine Addition mit einem negativ notierten Bremsmoment). Hierdurch wird der Einsatzbereich der Sicherheitsfunktion auch auf den Bremsfall ausgedehnt. Es kann beispielsweise die Fehlersituation detektiert werden, dass aufgrund eines Fehlers ein zu hohes Motormoment eingestellt wird und der Fahrer diese Erhöhung durch Betätigung des Bremspedals versucht zu kompensieren. Das Bremsmoment Mb wird im Block 45 in Abhängigkeit eines Bremspedal-Signals 46 bestimmt.
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Vorzugsweise wird im Soll-Pfad 20 das zeitlich verzögerte Verhalten des Drehmomentabbaus bei der Rücknahme des Fahrspedals nachgebildet, indem das Soll-Moment Msoll mit einem entsprechenden Filter (nicht dargestellt) zeitlich verzögert wird. Außerdem könnte auch das zeitlich verzögerte Verhalten des Drehmomentaufbaus nachgebildet werden.
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Es werden im Gegensatz zu konventionellen Sicherheitsfunktionen und im Unterschied zum Soll-Pfad 1 der Betriebsfunktion vorzugsweise keine weiteren Momentenanforderungen (siehe die Momentenanforderungen 4 im Soll-Pfad 1) im Soll-Pfad 20 berücksichtigt, weil jeder der zusätzlichen Momenteneingriffe, wie beispielsweise ein momentenerhöhender Getriebeeingriff während einer Schaltung oder ein momentenerhöhender Eingriff eines Fahrzeugstabilisierungssystems, vorzugsweise so gestaltet sein sollte, dass dieser nicht zu einer Verletzung des Sicherheitsziels einer ungewollten Beschleunigung führt. Die Momentenstruktur 3 kann daher in der Sicherheitsfunktion wegfallen oder zumindest deutlich in ihrem Umfang reduziert werden (beispielsweise kann lediglich die Momentenanforderung 4 des Getriebes berücksichtigt werden). In der Sicherheitsfunktion kann neben dem in 3 dargestellten Triebstrangmodell 50 und den Block 51 zur Berücksichtigung der Momentenanforderungen von Nebenaggregaten auch auf das Reibmodell 52 des Motors zum Berechnen eines inneren Motormoments verzichtet werden. Da die Fahrpedal-Kennlinie des Fahrpedal-Interpreters 2* vorzugsweise den Fahrerwunsch MFW* als radbezogenes Moment (statt als Moment beispielsweise an der Kurbelwelle) liefert, kann aus dem Radmoment MFW* leicht die Fahrzeugbeschleunigung asoll berechnet werden, ohne dass das Fahrerwunschmoment erst auf den Bezugspunkt der Räder umgerechnet werden muss.
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Diese Vereinfachungen ermöglichen eine deutliche Reduzierung des Funktionsumfangs der Sicherheitsfunktion und sparen damit Kosten bei der Umsetzung und Absicherung. Zudem wird eine Unabhängigkeit der Sicherheitsfunktion von der Betriebsfunktion erreicht, wodurch die Änderungshäufigkeit der Sicherheitsfunktion reduziert wird.
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Das Soll-Moment Msoll wird in Block 23 in eine erwartete Beschleunigung asoll umgerechnet. Beispielsweise wird das Soll-Moment Msoll anhand eines Radradius in eine auf das Fahrzeug wirkende Soll-Längskraft umgerechnet. Von dieser Soll-Längskraft wird eine Fahrwiderstandskraft subtrahiert, welche beispielsweise den Luftwiderstand und den Reibungswidertand nachbildet. Die Fahrwiderstandskraft wird beispielsweise in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt.
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Die Beschleunigung errechnet sich beispielsweise aus dem Quotienten von resultierender Längskraft (Soll-Längskraft minus Fahrwiderstandskraft) und einer Fahrzeugmasse. Hierbei kann beispielsweise mit einer Worst-Case-Fahrzeugmasse gearbeitet werden. Beispielsweise kann mit minimalen Fahrzeugmasse und/oder einer maximalen Fahrzeugmasse gerechnet werden.
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Ist-Pfad 21
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Im Ist-Pfad 1 wird eine Ist-Fahrzeugbeschleunigung a bestimmt. Eine Fahrzeugbeschleunigung kann beispielsweise durch Differenzieren der Raddrehzahl berechnet werden, beispielsweise durch Differenzieren der nicht mit dem Antrieb verbundenen Räder. Diese Vorgehensweise weist jedoch den Nachteil auf, dass die Fahrzeugbeschleunigung dann je nach Grad der Steigung auch einen entsprechenden Anteil umfasst, der auf den Steigungswiderstand zurückzuführen ist. Zum Kompensieren dieses Steigungswiderstands müssten dann ein Steigungssignal bei der Bestimmung der Fahrzeugbeschleunigung berücksichtigt werden, was mit zusätzlichem Aufwand und Kosten verbunden ist. Um diesen Nachteil auszuräumen, wird vorzugsweise die Fahrzeugbeschleunigung unter Verwendung eines Beschleunigungssensors 30 bestimmt, der die Längsbeschleunigung al des Kraftfahrzeugs ermittelt. Da eine durch eine Steigung hervorgerufen Beschleunigungskomponente vom Sensor 30 nicht ausgegeben wird, kann eine Einrechnung eines Steigungssignals entfallen.
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Vorzugsweise wird neben der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs auch der Einfluss der Trägheitsmomente von Antrieb und/oder Rädern bei einer Drehzahländerung berücksichtigt. Wie in
2 angedeutet, umfasst das Drehmoment M
i,ist des Motors
7 einen Anteil M
Antrieb,ist, der zur (Längs-)Beschleunigung des Fahrzeugs
8 dient, und einen dynamischen Anteil M
Trägheit,ist, der eine rotatorische wirkende Beschleunigung a
r,ist der Trägheitsmomente
50 des Antriebs und/oder der Räder bewirkt. Ein dynamisches Moment M
Trägheit und/oder eine entsprechende Beschleunigung a
r, welche durch die Trägheit
50 des Antriebs und/oder der Räder verursacht werden, lassen sich in folgender Weise berechnen:
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Hierbei beschreiben mFZG die Fahrzeugmasse, JGesamt das Trägheitsmoment von Antrieb und Rädern, JRad(k) das Trägheitmoment des k-ten Rads, n(k) die Raddrehzahl des k-ten Rades, n die Motordrehzahl, JMot das Trägheitsmoment des Antriebs (beispielsweise von Motor und Kurbelwelle) und i die Gesamtgetriebeübersetzung von der Kurbelwelle bis zum Rad. Die Größe kmax beschreibt die Anzahl der berücksichtigten Räder (2 oder 4 Räder).
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In Block 32 wird gemäß der obigen Gleichung das dynamische Drehmoment MTrägheit aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Rädern bei einer Drehzahländerung berechnet. In Block 31 wird – wie vorstehend angegeben – aus dem Drehmoment MTrägheit die korrespondierende Beschleunigung ar berechnet. Zur Bestimmung der Beschleunigung a werden die rotatorisch wirkende Beschleunigung ar der Trägheitsmomente und die Längsbeschleunigung al addiert.
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Es wird darauf hingewiesen, dass zur Berücksichtigung des Einfluss des Trägheitsmomentes der Antriebs und/oder der Räder bei Drehzahländerung nicht zwingend die entsprechende Beschleunigung ar berechnet werden muss. Beispielsweise kann der Einfluss des Trägheitsmoments auch nur durch Berechnung eines entsprechenden Drehmoments berücksichtigt werden, ohne dass das entsprechende Drehmoment tatsächlich berechnet wird (s. unten).
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Die Berücksichtigung des Trägheitsmomentes des Antriebs und/oder der Räder ermöglicht es, im Fall geringer oder nicht vorhandener Längsbeschleunigung al (beispielsweise bei Haftungsabriss auf Fahrbahnbelag mit niedrigem Reibwert) oder im Fall hoher Längsbeschleunigung und Haftungsabriss eine Fehlersituation mit zu hoch eingestelltem Motormoment zu erkennen. Wenn ohne Berücksichtigung der Trägheit bei einem fehlerhaft zu hoch eingestelltem Motormoment und gleichzeitigem Haftungsabriss keine oder nur eine geringe Längsbeschleunigung al gemessen wird, greift die Sicherheitsfunktion nicht und der Fehler wird nicht detektiert. Bei Berücksichtigung der Trägheit hingegen wird in einem solchen Fall eine ungewöhnlich hohe Beschleunigung ar festgestellt, die deutlich größer als die erwartete Beschleunigung asoll ist. In 2 ist die Längsbeschleunigung al vorzugsweise mit einem Beschleunigungssensor statt durch Differenzieren der Raddrehzahl der angetriebenen Räder berechnet worden. Zusätzlich wird der Einfluss des Trägheitsmoments berechnet. Damit ist die Sicherheitsfunktion sensitiv sowohl in Bezug auf die Längsbeschleunigung des Fahrzeugs als auch in Bezug auf die Beschleunigung aufgrund der Trägheit von Antrieb und/oder Räder
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In 2 wird der Einfluss der Trägheit des Antriebs und/oder der Räder bei einer Drehzahländerung im Ist-Pfad 21 berücksichtigt. Hier wird die entsprechende Beschleunigung ar auf die Längsbeschleunigung al addiert. Stattdessen ist es auch möglich, den Einfluss der Trägheit im Soll-Pfad 20 zu berücksichtigen, beispielsweise kann eine durch die Trägheit hervorgerufen Beschleunigung ar von der Soll-Beschleunigung asoll subtrahiert werden oder das Drehmoment MTrägheit von dem Drehmoment Msoll subtrahiert werden.
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Es kann auch die Querbeschleunigung (nicht dargestellt) bestimmt werden (beispielsweise mittels eines weiteren Beschleunigungssensors). Hierdurch kann ein Sensorfehler des Längsbeschleunigungssensors 30 bei hohem Schwimmwinkel oder hoher Querbeschleunigung korrigiert werden. Beispielsweise kann in Abhängigkeit der Querbeschleunigung die Längsbeschleunigung al korrigiert werden, beispielsweise über eine Kennlinie, die einen Korrekturwert (insbesondere einen additiven Korrekturwert) für die Längsbeschleunigung in Abhängigkeit der Querbeschleunigung liefert. Alternativ kann in Abhängigkeit der Querbeschleunigung auch die die Toleranz der Sicherheitsfunktion erhöht werden.
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Vergleichsblock 22
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Im Vergleichsblock 22 wird die im Soll-Pfad 20 bestimmte erwartete Beschleunigung asoll mit der im Ist-Pfad 21 bestimmte Ist-Beschleunigung a verglichen.
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Der Vergleichsblock 22 ist eingerichtet, mittels Vergleich eine unzulässige Erhöhung der Ist-Beschleunigung a zu detektieren. Es wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung a die erwartete Fahrzeugbeschleunigung asoll um mehr als einen bestimmten Toleranzwert tolpos (beispielsweise 1,5 m/s2) übersteigt.
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Dazu wird durch Addition der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung asoll und des Toleranzwerts tolpos eine maximal zulässige Fahrzeugbeschleunigung azul,max bestimmt. Über die Vergleichsoperation 40 wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung a größer als die maximal zulässige Fahrzeugbeschleunigung azul,max ist. Wenn dies der Fall ist, wird ein Fehler erkannt (das Ausgangssignal des Blocks 40 geht beispielsweise auf den binären Wert +1) und eine entsprechende Fehlerreaktion wird ausgelöst.
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Der Vergleichsblock 22 ist optional außerdem eingerichtet, mittels Vergleich eine unzulässige Verringerung der Ist-Beschleunigung a zu detektieren, um das Sicherheitsziel einer ungewollten Verzögerung abzudecken. Es wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung a die erwartete Fahrzeugbeschleunigung asoll um mehr als einen bestimmten Toleranzwert tolneg (beispielsweise 1,5 m/s2) unterschreitet. Dazu wird durch Subtraktion des Toleranzwerts tolneg von der erwarteten Fahrzeugbeschleunigung asoll eine minimal zulässige Fahrzeugbeschleunigung azul,min bestimmt. Über die Vergleichsoperation 41 wird geprüft, ob die Ist-Fahrzeugbeschleunigung a kleiner als die minimal zulässige Fahrzeugbeschleunigung azul,max ist. Wenn dies der Fall ist, wird ein Fehler erkannt (das Ausgangssignal des Blocks 41 geht beispielsweise auf den binären Wert +1) und eine entsprechende Fehlerreaktion wird ausgelöst.
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Die Toleranzwerte tolpos, tolneg können grundsätzlich konstant sein, in 2 sind diese jedoch vorzugsweise variabel und sind beispielsweise von dem Betriebspunkt abhängig, beispielsweise von dem Wert des Fahrpedal-Signals 12 und/oder von dem Wert des Bremspedal-Signals 46. Die Toleranzwerte tolpos, tolneg werden dazu in dem Block 42 in Abhängigkeit des Fahrpedal-Signals und des Bremssignals Mb bestimmt.
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Ferner werden die Toleranzwerte tolpos, tolneg in bestimmten Situationen optional deutlich erhöht, damit die Sicherheitsfunktion nicht fehlerhaft anspricht.
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Dazu ist beispielsweise ein Block 43 vorgesehen, welcher das Fehlen des Kraftschlusses im Antriebsstrang erkennt, beispielsweise bei Auskuppeln oder bei Nichteinlegen des Gangs. Bei Erkennen des Fehlens des Kraftschlusses wird im Block 42 die Fehlertoleranz zur Erkennung eines Fehlers daraufhin aufgeweitet (d. h. die Toleranzwerte tolpos, tolneg werden deutlich erhöht). Dies dient dazu, bei Beschleunigung des Fahrzeugs durch eine fahrzeugexterne Kraft, beispielsweise beim Abschleppen oder beim Bewegen des Fahrzeugs in einer Waschstraße, eine in diesem Fall unsachgemäße Fehlerreaktion zu vermeiden.
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Vorzugsweise ist außerdem eine Anschlepperkennung 44 vorgesehen. Zur Anschlepperkennung können die Fahrzeuggeschwindigkeit (oder die Raddrehzahl), die Motordrehzahl und die Ansteuerung der Startvorrichtung ausgewertet werden. Ein Anschleppen wird beispielsweise anhand der Zunahme der Motordrehzahl ausgehend von einer Nulldrehzahl ohne Ansteuerung eines Starters erkannt. Bei Erkennen einer Anschleppsituation wird die Fehlertoleranz zur Erkennung eines Fehlers daraufhin für eine definierte Zeit aufgeweiet (d. h. die Toleranzwerte tolpos, tolneg werden deutlich erhöht).
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel kann vereinfacht werden, indem beispielsweise auf
- – die Kraftschlussunterbrechungserkennung 43,
- – die Anschlepperkennung 44,
- – den Vergleichsblock 41 und den Toleranzwert tolneg,
- – die Bestimmung der Rotationsbeschleunigung ar in Block 31 und/oder
- – die Berücksichtigung des Bremsmoments Mb bei der Bestimmung des Soll-Moments
verzichtet wird.
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4 zeigt einen beispielhaften Verlauf der erwarteten Beschleunigung asoll in Abhängigkeit von der Betätigung des Fahrpedals und der Bremse. Außerdem ist ein beispielhafter Verlauf der maximal zulässigen Beschleunigung azul,max und der minimal zulässigen Beschleunigung azul,min dargestellt, der sich durch Addition des Toleranzmaßes tolpos bzw. Subtraktion des Toleranzmaßes tolneg ergibt. Beide Toleranzmaße tolpos und tolneg sind nicht über dem gesamten Betriebsbereich konstant, sondern variabel. Die minimal zulässige Beschleunigung azul,min dient der Verzögerungsüberwachung. Die obere Grenze der minimal zulässigen Beschleunigung azul,min entspricht beispielsweise der Beschleunigung im Schubbetrieb mit Schleppmoment. Das Toleranzmaß tolneg nimmt ab der gestrichelten senkrechten Linie mit zunehmender Fahrpedal-Betätigung in gleicher Weise wie die erwartete Beschleunigung asoll zu, so dass sich für diesen Teilbereich eine feste minimal zulässige Beschleunigung azul,min ergibt.