DE102017111077A1

DE102017111077A1 - Bremsvorrichtung, insbesondere für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102017111077A1
Application number: DE102017111077.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Leiber; Valentin Unterfrauner; Christian Köglsperger; Rainer Winzer; Christoph Prüll
Original assignee: LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Current assignee: LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2018-11-22
Also published as: GB2600609B; GB2577452A; GB2594186A; GB202201344D0; DE112018002635A5; GB202108691D0; GB2594186B; GB201919040D0; WO2018215397A1; US20200216047A1; GB2600609A; GB2577452B; US11458943B2; GB2600363A; US20230016413A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung, insbesondere für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, mit
- einem Traktionsmotor an einer Achse eines Fahrzeuges, der sowohl als Antriebsmotor als auch Bremssystem mit Rekuperation von Bremsenergie eingesetzt wird,
- einer ersten Kolben-Zylinder-Einheit, die mittels einer Betätigungseinrichtung, insbesondere Bremspedal, betätigbar ist,
- einer zweiten Kolben-Zylinder-Einheit, die mittels eines elektromotorischen Antriebes und einer nicht-hydraulischen Getriebevorrichtung, insbesondere Spindeltrieb betätigbar ist,
- wobei die Kolben-Zylinder-Einheiten über hydraulische Verbindungsleitungen mit Radbremsen des Kraftfahrzeuges verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
- dass ein Druckraum (8a) der ersten Kolben-Zylinder-Einheit (2) mit zwei Radbremsen (RB3, RB4) einer Fahrzeugachse (Achse 2) verbunden ist, und
- dass ein Druckraum (22) der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit (EHB) (20) mit einer Fahrzeugachse (Achse 1) verbunden ist zur aktiven Bremskraftregelung und Rekuperationssteuerung im Zusammenwirken mit dem Traktionsmotor .

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremsvorrichtung bzw. ein Bremssystem, insbesondere für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Derartige Bremssysteme sind bereits bekannt, z. B. aus EP 1 907 253 B1 . Bei diesem Bremssystem ist eine erste Kolben-Zylinder-Einheit vorgesehen, die mittels einer Betätigungseinrichtung betätigbar ist. Diese weist einerseits eine vom Fahrer betätigbare Einrichtung bzw. Bremspedal auf und eine von einem elektromotorischen Antrieb betätigbare Einrichtung. Die beiden Druckräume der Kolben-Zylinder-Einheit sind jeweils einer Fahrzeugachse bzw. einem Bremskreis zugeordnet und über den Radbremsen zugeordnete Ein-/Auslassventile mit den Radbremsen verbunden. Weiterhin sind in dieser Druckschrift bereits Lösungen für eine Rückfallebene und diverse Ideen zur Druckregelung über Weg und Strom bekannt.
Aus der DE 10 2005 055 751 ist ferner ein Bremssystem mit Druck-Volumen-Steuerung bzw. Druckgradientensteuerung über die DruckVolumenkennlinie bekannt.
Aus der DE 10 2012 002 791 A1 ist auch ein Bremssystem bekannt, mit einer ersten Kolben-Zylinder-Einheit bzw. Hauptzylinder mit einer vom Fahrer betätigbaren Betätigungseinrichtung und einer zweiten Kolben-Zylinder-Einheit, die von einer elektromotorischen Betätigungseinrichtung angetrieben ist. Hierbei kann mittels in den hydraulischen Leitungen zu den Radbremsen vorgesehenen Trennventilen die erste Kolben-Zylinder-Einheit von den Bremskreisen getrennt werden, so dass nur die zweite Kolben-Zylinder-Einheit auf die Bremskreise wirkt.
Eine konstruktive Lösung einer elektromotorisch angetriebenen Kolben-Zylinder-Einheit ist z.B. aus der PCT/ EP2013/057609 bekannt.
Bei dieser Lösung ist der Rotor des Motors einseitig im Motorgehäuse gelagert.
Neben der Formel 1-Meisterschaft gibt es im Automobilrennsport seit dem Jahr 2014 die Formula-E - Meisterschaft, für die besondere Reglements und technische Anforderungen gelten. Diese Anforderungen legen Entwicklern und Konstrukteuren bestimmte Einschränkungen auf und stellen sie vor neue Herausforderungen, insbesondere ist eine hochpräzise Bremsmomentregelung von Traktionsmotor und elektrohydraulischer Bremse erforderlich.
Die bekannten Bremssysteme weisen verschiedene Nachteile auf, die sie für einen Einsatz im Rennsport, insbesondere in Fahrzeugen der Formel E-Meisterschaft ungeeignet bzw. nicht optimal erscheinen lassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bremssystem für Fahrzeuge zu schaffen, das zumindest die Voraussetzungen und Bedingungen von Formula-E-Fahrzeugen erfüllt, d.h. unter anderem Fahrzeugen mit starkem Traktionsmotor (100-300 kW) an einer Achse und dabei insbesondere eine hochpräzise Bremsregelung und eine vorteilhafte Rekuperation und bedarfsgerechte optimierte Verzögerung des Fahrzeuges zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß einem Bremssystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Dazu wird in einer ersten Achse ausschließlich durch die Betätigungskraft des Fahrers ein Druck im Hauptbremszylinder erzeugt, der ein Bremsmoment erzeugt. In der zweiten Achse soll das Bremsmoment durch Kombination von Bremsleistung des Traktionsmotors sowie aktiver Druckregelung einer elektrisch angetriebenen Kolben-Zylinder-Einheit geregelt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung bzw. ihren nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen wird ein ideales Rekuperations- und Bremsregelsystem für Fahrzeuge mit starkem Elektromotor (100 -300 KW) geschaffen. In sehr vorteilhafter Weise lässt sich damit ein innovatives Bremsenmanagement durchführen, wobei eine Aufteilung der Bremswirkung auf den Traktionsmotor und die elektromotorisch angetriebene zweite Kolben-Zylinder-Einheit (EHB-Achsmodul) erfolgt.
Zweckmäßig wird dabei ein Solldruck (psoll) und die Druckänderung (dp/dt) durch Wegsteuerung des Kolbens der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit eingestellt. Entsprechend der Charakteristik der Bremsanlage führt der Druck zu einem Bremsmoment und einer Verzögerung des hydraulischen Systems sowie einer Verzögerung des Traktionsmotors. Die Gesamtverzögerung a_ges ergibt sich als Summe der Verzögerung des EHB-Achsmoduls a_EHB und des Traktionsmotors a_TM.
Vorteilhaft erfolgt durch Entkoppelung die Bremsung bei geringen Drücken nur über den Traktionsmotor, so dass eine maximale Rekuperation erreicht wird. In der Rückfallebene (RFE), bei Ausfall der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit, erfolgt die Bremsung über den Traktionsmotor und die erste Kolben-Zylinder-Einheit, insbesondere zweikreisig oder einkreisig. Bei einer einkreisigen Rückfallebene (2a) wird der Traktionsmotor in der Rückfallebene genutzt zur Verzögerung an einer Achse.
Eine bedarfsgerechte, hochpräzise Druckregelung erfolgt mittels der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit (EHB-Achsmodul). Hierbei wird zweckmäßig die Druck-Volumen-Kennlinie (DVK) zur Wegsteuerung des Kolbens der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit verwendet. Damit lässt sich eine ideale Druckregelung durch schnelles Erreichen des Zieldruckes durch Vorsteuerung über die Druck-Volumen-Kennlinie und Regelung der Druckänderung erreichen, so dass sich eine vorteilhafte Anpassung an die Traktionsmotor-Bremsmomentregelung ergibt.
Eine Maximierung der Druckaufbaudynamik erfolgt vorteilhaft durch Unterstützung des Elektromotors der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit (EHB-Modul) im unteren Druckbereich. Damit ist ein sehr schnelles Anbremsen möglich, welches insbesondere bei Notbremsungen wichtig ist. Damit werden Time-to-Lock (TTL)-Werte von < 100ms erreicht. Die typische, TTL-Zeit bei klassischen Systemen im PKW-Bereich mit 12 Volt liegt bei 150 ms. Letztlich ist die Dynamik durch das Fahrwerk begrenzt. Da diese Begrenzungen im Rennbetrieb weniger limitierend sind, können kürzere Zeiten umgesetzt werden. Auch kann ein Bremssystem mit 48V eingesetzt werden, um die Dynamik weiter zu erhöhen. Diese Vorteile können sinnvollerweise derart genutzt werden, dass später gebremst wird und somit das Fahrzeug länger bei Höchstgeschwindigkeit betrieben werden kann, was einen signifikanten Einfluss auf die Rundenzeit hat. Auch können moderne Abstandsregelungen und Notbremsungen umgesetzt werden, um schnell auf Bremsungen eines vorausfahrenden Fahrzeuges zu reagieren und einen Auffahrunfall zu vermeiden. Dies ist insbesondere bei Rennen im Stadtbetrieb sehr wichtig.
Die Druckgradientenregelung kann vorteilhaft auch eingesetzt werden im Sinne einer optimierten zeitlich veränderlichen Verzögerung, um ebenfalls die Rundenzeit zu optimieren bzw. für eine intelligente Abstandsregelung, bei der der Fahrer entlastet wird, z.B. durch aktive Nutzung von Kamerasensoren bzw. kontrollierte Bremsvorgänge insbesondere bei Kurvenfahrten.
Da für einen Rennbetrieb eine sehr präzise und hochdynamische Druckregelung bzw. Bremsverzögerungsregelung sehr vorteilhaft ist, werden diverse Sensoren und Kennfelder ausgewertet, um sehr schnell auf Veränderungen zu reagieren. Basis ist eine hochdynamische und präzise Wegsteuerung des Kolbens.
Für die Wegsteuerung des Kolbens wird dabei die Druck-Volumen-Kennlinie der Radbremse und der Druck an der Achse oder alternativ der Druck der Kolben-Zylindereinheit des EHB-Achsmoduls ausgewertet. Die Druckvolumenkennlinie verändert sich z.B. durch Luft im Hydrauliksystem. Dazu ist eine laufende Adaption erforderlich. Für die Adaption wird ein Druckgeber verwendet, um eine entsprechende Zuordnung von Kolbenweg zu Druck anzupassen.
Die Kolbenposition wird zweckmäßig durch einen Winkelgeber a des Elektromotors berechnet. Als weiterer Sensor für eine optimale hochpräzise Regelung werden der Phasenstrom i des Elektromotors sowie die Temperatur T des Elektromotors oder der Kolben-Zylinder-Einheit ausgewertet. Der Phasenstrom wird derart genutzt, dass mittels der Drehmomentkonstante kt, die den Zusammenhang zwischen Phasenstrom und Drehmoment des Elektromotors abbildet, ein Drehmoment eingestellt werden kann, das aufgrund konstanten Querschnittes der Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Druck korreliert. Dazu müssen die Verluste der Drehmomentübertragung (z.B. Wirkungsgrad des Getriebes, mechanische. Verluste) bekannt bzw. ermittelt werden. Dies kann durch Abgleich mit einem Drucksensor erfolgen. Mittels der Auswertung des Stromes kann sehr schnell durch intelligente Vorsteuerung ein Druck eingeregelt werden, der dem gewünschten Solldruck annähernd entspricht und somit die Verzugszeiten der trägen Druckmessung durch den Druckgeber kompensiert werden, d.h. der Druck wird weitestgehend genau eingeregelt über Phasenstromregelung und zeitlich verzögert über den Druckgeber validiert.
Mittels des Temperatursensors werden Änderungen im hydraulischen System (Viskositätsänderungen im Fluid) und Änderung der Drehmomentkonstante kt durch Erwärmung des Elektromotors ermittelt.
Mittels der Temperaturinformation können die sich durch Temperatureinfluss veränderliche Viskosität im Hydrauliksystem abgebildet werden und für eine angepasste Wegsteuerung des EHB-Achsmoduls genutzt werden. Das hat insbesondere für die Druckgradientenregelung eine hohe Bedeutung, da durch das EHB-Achsmodul eine andere Druckdifferenz eingestellt werden muss, um bei veränderlicher Viskosität durch höhere Drosselwirkung den gleichen Druckgradienten zu erzielen. Die ist darin begründet, dass der Druckgradient durch die Druckdifferenz zwischen EHB-Steller und Radbremse sowie der Drosselwirkung bestimmt wird.
Die Temperatur kann auch derart genutzt werden, um Änderung der Bremsanlage (z.B. Fading-Effekt) zu erfassen. Beim Fading verändert sich die Bremswirkung in Abhängigkeit des eingestellten Druckes durch Erwärmung der Radbremse, d.h. für eine gewünschte konstante Bremsverzögerung muss ein höherer Druck im Fading eingestellt werden. Diese Information kann vorteilhaft dazu genutzt werden, um ein Kennfeld zu erstellen, um die Abhängigkeit der Bremswirkung in Abhängigkeit des Drucks bei einer Veränderung der Bremsanlage, z.B. durch unterschiedliche Temperaturen, zu optimieren. Dieses Kennfeld kann ebenfalls neben der Druck-Volumen-Kennlinie für eine sehr genaue Bremsregelung bei unterschiedlichen Bedingungen genutzt werden. Dies hat insbesondere beim Rennsport eine sehr hohe Bedeutung, da sich die Temperaturen im Betrieb hochdynamisch verändern.
Weitere Vorteile der Erfindung bzw. ihren Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1a: schematisch ein Bremssystem für ein Kraftfahrzeug mit starkem Traktionsmotor;
1b: eine Darstellung der Abhängigkeit Druck (Kraft)-Volumen /Weg im Aktivmodus (aktiv) und in der Rückfallebene (RFE);
2a: schematisch eine andere Ausführung eines Bremssystems für ein Fahrzeug mit starkem Traktionsmotor, wobei die erste Kolben-Zylinder-Einheit ausschließlich nur die Bremsen eines Bremskreises bzw. einer Fahrzeugachse beaufschlagt;
2b: eine Darstellung der Abhängigkeit Druck (Kraft)-Volumen /Weg im Aktivmodus (aktiv) und in der Rückfallebene (RFE) des Bremssystems gem. 2a;
2c: eine Darstellung der ersten und zweiten Kolben-Zylinder-Einheiten der Ausführung gemäß 2a mit den zugehörigen hydraulischen bzw. elektrischen Verbindungsleitungen;
3a: Kennfeld Verzögerung a_FZG bzw. Bremsmoment M_Brems = f( Druck) bei Fading durch starke Erwärmung der Radbremse;
3b: Kennfeld Druckvolumenkennlinien = f(Kolbenweg) bei Luft im System;
4a eine Darstellung einer ersten Betriebsstrategie des erfindungsgemäßen Bremssystems, mit maximierter Verzögerung;
4b eine Darstellung einer zweiten Betriebsstrategie des erfindungsgemäßen Bremssystems mit kontrollierter Verzögerung;
5 eine Darstellung des Bremsenmanagements mit Aufteilung der Bremsmomente mittels ECU auf den Traktionsmotor und die zweite Kolben-Zylinder-Einheit bzw. das EHB-Modul;
6 eine konstruktive Ausführung des EHB-Moduls, mit einer zweiten Kolben-Zylinder-Einheit , Elektromotor, Spindeltrieb, Ventilen, Sensoren und ECU.

1a zeigt schematisch die hintere Achse HA und die vordere Achse VA eines Fahrzeuges mit Rädern und Radbremsen RB1, RB2 (HA) und RB3, RB4 (VA) und mit einem elektrischen Fahrzeug-Traktionsmotor TM mit hoher Leistung (> 100 kW) und hohem Drehmoment an einer Achse, vorzugsweise, wie dargestellt, an der Hinterachse.
Das in 1a dargestellte Bremssystem, welches speziell jedoch nicht ausschließlich für Formula-E-Anwendungen konzipiert ist, weist eine erste Kolben-Zylinder-Einheit 2 auf, die hier die Funktion eines (Brems-) Hauptzylinders hat und die mittels einer Betätigungsvorrichtung 4, insbesondere einem Bremspedal betätigbar ist. Die Kolben-Zylinder-Einheit 2 hat zwei Kolben 6, 8 und diesen zugeordnete Druckräume 6a, 8a.
Der Kolben 8 ist hierbei, wie dargestellt, zweckmäßig als Stufenkolben ausgebildet. Damit lässt sich durch entsprechende Gestaltung des Stufenkolbens eine unterschiedliche Bremsdruckverteilung an den Achsen erreichen. Die Druckräume 6a, 8a sind über hydraulische Verbindungsleitungen 10a und 12a mit einem Vorratsbehälter (VB) 14 verbunden, sowie über hydraulische Verbindungsleitungen 16, 18 mit Radbremsen RB1 und RB2 bzw. RB3 und RB4. Die hydraulischen Verbindungsleitungen 16, 18 bilden Bremskreise BK 1 und BK 2. In der vom Druckraum 6a zu den Radbremsen RB1, RB2 der angetriebenen Achse (hier HA) führenden hydraulischen Leitung 16 ist ein, insbesondere stromlos offenes, Trennventil (TV) 19 angeordnet. In der vom Druckraum 8a zu den Radbremsen der nicht angetriebenen Achse hier VA ist kein Ventil angeordnet. Mit anderen Worten ist insbesondere je ein Arbeitsraum der ersten Kolben-Zylinder-Einheit mit den Radbremsen einer Fahrzeugachse verbunden.
An der ersten Kolben-Zylinder-Einheit 2 bzw. den hydraulischen Verbindungsleitungen sind diverse Sensoren vorgesehen, insbesondere wie in der Zeichnung dargestellt zwei Druckgeber an der Leitung 16 vor dem Trennventil 19 und ein weiterer hinter dem Trennventil und hinter einem weiter unten beschriebenen, der zweiten Kolben-Zylindereinheit zugeordneten Trennventil (DMV), sowie einem Druckgeber an der Leitung 18 bzw. BKI. Die erste Kolben-Zylinder-Einheit 2 bildet mit der Betätigungsvorrichtung 4 und div. Sensoren, insbesondere Druckgebern 5, 5a, 5b und einem Wegsensor 7 eine erste Bau-bzw. Montageeinheit BE.
Eine zweite Kolben-Zylinder-Einheit 20 ist Bestandteil eines elektromotorisch angetriebenen Systems bzw. E-Plungers. Die zweite Kolben-Zylinder-Einheit 20 weist einen (Plunger-) Kolben 22 auf, der einen Druckraum 24 begrenzt, welcher über eine hydraulische Leitung 26 und ein, insbesondere stromlos geschlossenes, Trennventil (DMV) 28 mit einem der Bremskreise BK1 verbunden ist. Die Verbindungsleitung 26 der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit 20 mündet hierbei in Richtung von der ersten Kolben-Zylinder-Einheit 2 aus gesehen hinter dem Trennventil (TV) 19 in die Bremskreisleitung. Eine weitere hydraulische Verbindungsleitung 28 ist mit dem Vorratsbehälter (VB) 14 verbunden, so dass in der zurückgefahrenen Position des Kolbens 22 Druckmittel aus dem Vorratsbehälter 14 in den Druckraum 24 gelangen kann.
Der E-Plunger weist einen elektromotorischen Antrieb auf, mit einem hochdynamischen E-Motor 30 und einem Getriebe 32, insbesondere Spindelgetriebe.
Sensoren, insbesondere Druckgeber, Winkelgeber, Drehzahlgeber sind, wie dargestellt, dem E-Plunger zugeordnet bzw. in die entsprechende separate Einheit integriert.
Der E-Plunger mit den zuvor beschriebenen Komponenten (zweite Kolben-Zylinder-Einheit mit Antrieb und Getriebe, Trennventile, Sensoren) bildet eine separate zweite Bau- bzw. Montageeinheit bzw. Druckregeleinheit (gestrichelt umrahmt) für die Druckregelung des Bremssystems.
1 b zeigt eine Darstellung der Abhängigkeit Druck (Kraft)-Volumen (Weg) im Aktivmodus (aktiv) und in der Rückfallebene (RFE). Die erste Kurve zeigt den Verlauf bei intaktem Verstärker (aktiv), eine flacher verlaufende zweite Kurve den Verlauf bei aktivem Verstärker (EHB) mit Wirkungsbeeinträchtigung z.B. infolge Lufteinschlusses, und die dritte, noch flacher verlaufende Kurve (RFE) den Verlauf in der sog. Rückfallebene, bei Ausfall des Verstärkers. Bei Betätigung der Betätigungseinrichtung 4 bzw. des Bremspedals wird in den beiden Druckräumen 6a, 8a der ersten Kolben-Zylinder-Einheit Druck 2 aufgebaut, der einerseits über die Leitung 16 und das Trennventil 19 auf die Radbremsen RB1, RB2 der angetriebenen Hinterachse bzw. über die Leitung 18 (ohne Trennventil) auf die Radbremsen RB3, RB4 der nicht angetriebenen Vorderachse übertragen wird. Unabhängig davon kann mittels der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit durch von einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit ECU gesteuertes Betätigen des Elektromotors dynamisch ein Verstärkerdruck auf- und abgebaut bzw. moduliert werden. Dieser wird über die Leitung 26 und das Trennventil (DMV) 28 ebenfalls auf den Bremskreis BK I übertragen. Dies kann unabhängig vom Druckaufbau mittels der ersten Kolben-Zylinder-Einheit 2 geschehen oder aber parallel zu diesem. Die Regelung des Druckes im Bremskreis BK I erfolgt über die Wegsteuerung des Kolbens 24 der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit 20 mittels des Elektromotors 30, bei Nutzung der Sensoren (Druckgeber, Winkelgeber) und der Druck-Volumen-Kennlinie.
Es erfolgt hierbei eine Druckregelung über die EHB-Einheit sowie eine Drehmomentregelung des Traktionsmotors TM des Fahrzeugs, die zusammen die Verzögerung des Fahrzeuges an der Achse 1 bestimmen. Die Verzögerung an der Achse 2 wird ausschließlich durch die Bestätigungskraft und den Druck bestimmt, wobei in der zweikreisigen Ausführungsform der Druck vom Arbeitsraum über einen Schwimmkolben übertragen wird und die Querschnittsfläche des 2. Arbeitsraumes den Druck in den Radbremsen der Achse 2 bestimmt.
Dabei wirkt sich die Bremsregelung an der Achse 1 nicht auf das Pedalgefühl aus. Dieses wird ausschließlich durch die hydraulische Verbindung der ersten Kolben-Zylinder-Einheit 2 mit den Radbremsen der Achse 2 bestimmt.
2a zeigt schematisch eine andere Ausführung eines Bremssystems für ein Fahrzeug mit starkem Traktionsmotor, wobei die erste Kolben-Zylinder-Einheit ausschließlich nur die Bremsen eines Bremskreises bzw. einer Fahrzeugachse beaufschlagt.
Bei dieser Ausführung weist die erste Kolben-Zylinder-Einheit 3 einen Druckraum 5 auf der über eine hydraulische Verbindungsleitung 7 (BKII) mit den Radbremsen RB3, RB4 einer Achse 2 verbunden ist. Zwei Druckgeber sind an der Leitung 18a angeordnet. Die Bewegung des einzigen Kolbens 5a kann mittels eines nicht näher dargestellten Pedalweggebers 7 sensiert werden.
Die zweite Kolben-Zylinder-Einheit 20 ist über eine hydraulische Verbindungsleitung 26 (BKI) mit den Radbremsen RB1, RB2 einer Achse 1 verbunden, die Vom Traktionsmotor TM angetrieben ist. An der Verbindungsleitung 26 ist ein Druckgeber vorgesehen.
Eine Darstellung der ersten und zweiten Kolben-Zylinder-Einheiten der Ausführung gem. 2a mit den zugehörigen hydraulischen bzw. elektrischen Verbindungsleitungen zeigt 2c.
Die Bremskreise BK I für die angetriebene Achse und BK II für die nicht angetriebene Achse sind bei dieser Ausführung bzgl. der Betätigungseinrichtungen, d.h. erste Kolben-Zylinder-Einheit und zweite Kolben-Zylinder-Einheit (EHB) vollständig voneinander getrennt. Das Pedalgefühl wird wie in 1a durch die Druck-Volumen-Charakteristik der Radbremsen der Achse 2 und die Querschnittsfläche des ersten Kolben-Zylinder-Systems bestimmt, die hydraulisch mit der ersten Kolben-Zylinder-Einheit verbunden ist
2b zeigt eine Darstellung der Abhängigkeit Druck (Kraft)-Volumen (Weg) im Aktivmodus (aktiv) und in der Rückfallebene (RFE). Die erste Kurve zeigt den Verlauf bei intaktem Verstärker (aktiv), eine flacher verlaufende zweite Kurve den Verlauf bei aktivem Verstärker mit Wirkungsbeeinträchtigung z.B. infolge Lufteinschlusses.
2c zeigt in einer anderen Darstellung die Bau-bzw. Montageeinheiten eines Bremssystems gemäß 2a. Hierbei weist eine erste Bau- bzw. Montageeinheit die erste Kolben-Zylinder-Einheit 3 mit der hier nicht dargestellten Betätigungseinrichtung auf. Daran befestigt ist der Vorratsbehälter 14. Von der ersten Bau- bzw. Montageeinheit führt eine hydraulische Verbindungsleitung zur nicht angetriebenen Achse 2 des Fahrzeugs. Eine elektrische Verbindung führt von der ersten Einheit zur ECU der zweiten Einheit (EHB).
Die zweite Einheit beinhaltet die zweite Kolben-Zylinder-Einheit 20 mit den Ventilen und die elektronische Steuer- und Regeleinheit (ECU). Von der zweiten Bau-bzw. Montageeinheit führen hydraulische Verbindungen zur mittels Traktionsmotor TM angetriebenen Achse 1 des Fahrzeuges und zum Vorratsbehälter 14.
3a zeigt Darstellungen des Zusammenhanges der Fahrzeugverzögerung a_FZG bzw. Bremsmoment Mbrems in vom Druck p, der sich in der hydraulischen Bremse durch Erwärmung oder Verschleiß der Bremsanlage ändern kann. So verschlechtert sich beispielweise beim Fading die Bremswirkung z.B. durch hohe Temperatur in der Bremsanlage, d.h. für eine gewünschte konstante Bremswirkung muss der Druck erhöht werden. Daraus resultiert eine steilere Kurve M_brems =f(p) ohne Fading bzw. eine flachere (gestrichelt) mit Fading. Für eine gezielte Regelung der Verzögerung ist es daher wichtig, den Zusammenhang zwischen Bremsmoment und Druck zu erfassen und auszuwerten und in einem Kennfeld im Speicher der ECU abzulegen.
3b zeigt die Darstellung des Druckes p in Abhängigkeit vom Kolbenweg x_Kolben (Druck-Volumen-Kennlinie bzw. Druck-Weg-Kennlinie) wobei die steilere Kurve den Druck ohne Luft im System und die flachere den mit Luft im System zeigt. Für eine genaue Regelung des Druckes als Funktion des Kolbenwegs ist es daher wichtig, Veränderungen der Bremsanlage zu erkennen und die Regelung darauf anzupassen. Daher ist es wichtig, einen Abgleich der Druck-Volumen-Kennlinie adaptiv vorzunehmen bzw. ein Kennfeld zu nutzen, das ausgewertet wird. Dazu kann es ausreichend sein, wenn nur Drücke in bestimmten Positionen (z.B. Phase mit konstantem Druck) ausgewertet werden, um daraus die relevante Druck-Volumen-Kennlinie des Kennfeldes auszuwerten.
In 4a ist eine erste Betriebsstrategie eines erfindungsgemäßen Bremssystems dargestellt. Hierbei ist eine maximale Verzögerung angestrebt. Dabei erfolgt mittels des Traktionsmotors TM und der EHB bzw. zweiten Kolben-Zylinder-Einheit 20 eine hochdynamische Druckerzeugung bis zur maximalen Verzögerung a_max . a_ges ergibt sich hierbei aus der Summe der Werte a_TM und a _EHB . Der Wert von a_max ist hierbei veränderlich und kann z.B. eine Fading-Situation berücksichtigen. Bzgl. weiterer Einzelheiten wird direkt auf 5 verwiesen.
4b zeigt eine zweite Betriebsstrategie, wobei eine effektive Rekuperation mittels des Traktionsmotors TM angestrebt ist. Die Regelung Δp/dt und die kontrollierte Verzögerung mit a_soll sind für den Rennsport besonders wichtige Einflussgrößen. Im Anfangsbereich erfolgt eine Verzögerung mit maximaler Rekuperation mittels des Traktionsmotors a_TM . Im mittleren Bereich erfolgt eine steiler Anstieg von a_ges (Δp/dt) und im nachfolgenden Bereich eine kontrollierte Verzögerung mit a_soll .
5 zeigt prinzipiell das Bremsenmanagement einer Bremsanlage mit starkem Elektromotor TM und elektrohydraulischer Bremsanlage EHB. Dort wird entsprechend der Zielsetzung des Bremsvorganges (max. Rekuperation, max. Verzögerung, kontrollierte Verzögerung) die Sollverzögerung a_soll auf Traktionsmotor TM und hydraulische Bremse EHB aufgeteilt. Berücksichtigt werden in diesem Vorgang Begrenzungen wie max. Drehmoment des Traktionsmotors in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit bzw. Motordrehzahl und es wird ein Fahrzeugmodell verwendet, das Gewichtsverteilung, Reibwert der Fahrbahn und Reifen abbildet und weitere Grenzen vorgibt.
Auf die ECU des Traktionsmotors wird eine Sollverzögerung a_soll,TM und vorteilhafterweise auch der Verlauf der Verzögerung Da/dt weitergegeben. In der ECU wird unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Motors und Getriebes ein Sollmoment M_soll an die Motorsteuerung weitergegeben.
Gleichzeitig wird an die ECU der EHB ein Sollmoment p_soll,EHB , eine Druckgradient Dp_EHB /dt sowie die Temperatur T weitergegeben. Aus diesen Grössen sowie nach Auswertung der in der ECU erfassten Kennfelder p=f(_XKolben) und a=f(p) wird an die Motorsteuerung Sollmoment M_soll,EHB , Solldrehzahl n_soll,EHB und Sollposition x_Soll,EHB weitergegeben und in der Regelung teilweise oder vollumfänglich verwendet, wobei der Schwerpunkt auf der Positionsregelung des Kolbens liegt und die Kennfelder verwendet werden, u.a. um den Soll Druck anzupassen auf Veränderungen der Radbremse z.B. Veränderung der Bremswirkung bei vorgegebenen Drücken bei Fading. Druckgeber im System werden dann in der äußersten Regelschleife aufgrund der Trägheit der Messung nur zur Nachregelung verwendet. Ziel ist eine möglichst präzise Vorsteuerung zu erzielen oder bei entsprechender Modellgenauigkeit auf den Druckgeber als Regelgröße zu verzichten. Der Druckgeber wird daher neben der Nachregelung primär zur Kennfelderfassung bzw. Parametrierung und Veränderungen von Parametern im Bremssystem verwendet. Die sehr geringen Zeitkonstanten eines Elektromotors sowie die hohe Genauigkeit der Strommessung und Winkelgeber im Vergleich zu Druckmessgebern wird für eine hochdynamische Regelung verwendet. Viskositäten im hydraulischen System führen zudem zu Totzeiten in der Druckmessung, die zudem bei Temperaturänderungen nicht konstant sind
In 6 ist eine konstruktive Ausführung des EHB-Moduls dargestellt, bei der die Komponenten bzw. Baueinheiten des EHB-Moduls in einer besonders vorteilhaften kompakten Bauweise aufgebaut bzw. zusammengeführt sind. Wie bereits beschrieben, bildet das EHB-Modul eine separate Baueinheit. Diese weist im Wesentlichen den E-Motor 30, das Spindelgetriebe 32, die zweite Kolben-Zylinder-Einheit 20 und die zugeordneten Sensoren auf.
Der E-Motor weist hier ein Motorgehäuse 40 auf in dem ein außenliegender Stator 42 angebracht ist. Über eine insbesondere einseitige Lagerung mit nur einem Lager 44 ist im Stator eine Rotor 46 angeordnet. Zur einseitigen Lagerung wird vorteilhaft ein 4-Punkt-Lager verwendet, welches in axialer Richtung sich im Wesentlichen im Bereich der sich radial erstreckenden Gehäusewandung, insbesondere wie dargestellt in einem axialen Vorsprung 47 des Motorgehäuses, sitzt. Der Innenring 49 des Lagers sitzt auf dem Außenumfang des Rotors 46. Weitere Einzelheiten der einseitigen Lageranordnung können der PCT/ EP2013/057609 entnommen werden, auf die hier insoweit Bezug genommen wird. Im vorderen Teil des Rotors 46 ist im Innenraum des Rotors eine Mutter 48 angeordnet. Diese ist Bestandteil eines Kugel-Gewindetriebs, zu dem eine in der Mutter 48 angeordnete Spindel 50 gehört, die mit einer Verdrehsicherung 52 versehen ist, so dass sich bei einer Drehung der Mutter 48 eine axiale Verschiebung der Spindel 50 ergibt. In der Spindel 50 sitzt zentral ein Stößel 54, der sich aus der Spindel 50 heraus in Richtung des Plungerkolbens erstreckt. Mit ihrem vorderen Ende stützt ist der Stößel 54 über eine Verbindungseinrichtung mit dem Kolben 22 verbunden so dass dieser bei Bewegung der Spindel in beiden Richtungen von der Spindel 50 mitgenommen wird.
Der Kolben 22 der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit 20 ist in einer entsprechenden Bohrung eines Gehäuses 56 angeordnet. Dieses Gehäuse 56 nimmt in einer Ausnehmung 58 auch die Trennventile und die entsprechenden hydraulischen Verbindungsleitungen ganz oder teilweise auf. Die Längsachsen der Trennventile 19, 28 verlaufen hierbei im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit 20. Im oberen, d.h. vom der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit abgewandten Teil des Gehäuses 56 weist dieses eine seitliche Erweiterung 60 auf um ausreichend Platz zu schaffen, um eine elektronische Steuer-und Regeleinheit (ECU) 64 anzuordnen. Die Kontaktierung der Ventilspulen mit der ECU 64 erfolgt über entsprechende Einrichtungen 68 im Bereich der Platine 66. Seitlich an dem Gehäuse 56 bzw. unterhalb der Gehäuseerweiterung 60 ist das Motorgehäuse 40 angebracht, insbesondere verschraubt.
Bezugszeichenliste

2: erste Kolben-Zylinder-Einheit (1a)
4: Betätigungsvorrichtung, insbesondere Bremspedal
3: erste Kolben-Zylinder-Einheit (2a)
5: Druckraum
5a: Kolben
6: Kolben
6a: Druckraum
7: Wegsensor
8: Kolben
8a: Druckraum
10a: Verbindungsleitung
12a: Verbindungsleitung
14: Vorratsbehälter (VR)
16a: Verbindungsleitung
18a: Verbindungsleitung
19: Trennventil (TR)
20: zweite Kolben-Zylinder-Einheit
22: (Plunger-) Kolben
24: Druckraum
26: Verbindungsleitung
28: Trennventil (DMV)
30: E-Motor
32: Getriebe
40: Motorgehäuse
42: Stator
44: Lager
46: Rotor
47: axialer Vorsprung
48: Mutter
49: Innenring
50: Spindel
52: Verdrehsicherung
54: Stössel
56: Gehäuse
58: Ausnehmung
60: Gehäuseerweiterung
64: Steuer- und Regeleinheit (ECU)
66: Platine
68: Kontakteinrichtung
70: Motorgehäuse
72: Aussenstator
74: Rotor
76: Kolben
78: Kolben-Zylinder-Einheit
80: Ausnehmung
82: Ausnehmung
84: Biegestab
86: Spindel
88: Mutter
92: Bohrung
94: Gehäusedeckel
96: Verdrehsicherung
100: elektronische Steuer- und Regeleinheit (ECU)
h: Wirkungsgrad
p: Druck
x: Weg
M: Moment
a: Verzögerung
n: Drehzahl
T: Temperatur
V_FZG: Fahrzeug-Geschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1907253 B1 [0002]
DE 102005055751 [0003]
DE 102012002791 A1 [0004]
EP 2013/057609 [0005, 0054]

Claims

Bremsvorrichtung, insbesondere für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge, mit - einem Traktionsmotor an einer Achse eines Fahrzeuges, der sowohl als Antriebsmotor als auch Bremssystem mit Rekuperation von Bremsenergie eingesetzt wird, - einer ersten Kolben-Zylinder-Einheit, die mittels einer Betätigungseinrichtung, insbesondere Bremspedal, betätigbar ist, - einer zweiten Kolben-Zylinder-Einheit, die mittels eines elektromotorischen Antriebes und einer nicht-hydraulischen Getriebevorrichtung, insbesondere Spindeltrieb betätigbar ist, - wobei die Kolben-Zylinder-Einheiten über hydraulische Verbindungsleitungen mit Radbremsen des Kraftfahrzeuges verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Druckraum (8a) der ersten Kolben-Zylinder-Einheit (2) mit zwei Radbremsen (RB3, RB4) einer Fahrzeugachse (Achse 2) verbunden ist, und - dass ein Druckraum (22) der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit (EHB) (20) mit einer Fahrzeugachse (Achse 1) verbunden ist zur aktiven Bremskraftregelung und Rekuperationssteuerung im Zusammenwirken mit dem Traktionsmotor.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung (ECU) die Aufteilung der Bremsmomente an den Radbremsen bzw. den entsprechenden Achsen auf den Traktionsmotor (TM) und die zweite Kolben-Zylinder-Einheit (20) erfolgt.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zweiten Kolben-Zylindereinheit (EHB) (20) eine bedarfsgerechte Druckdosierung vorgenommen wird, wobei insbesondere die Steuerung über eine Wegsteuerung oder kombinierte Weg- und Drucksteuerung des Kolbens (22) durch Nutzung der Druck-Volumen-Kennlinie erfolgt,
Bremsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druck-Volumen-Kennlinie nach jeder Bremsung adaptiv angepasst wird.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Kennfeld die Veränderung des Zusammenhangs zwischen Bremsdruck und Verzögerung unter Nutzung der Temperaturen der Radbremsen zur verfeinerten Bremskraftregelung genutzt wird.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum schnellen Erreichen eines Zieldruckes bzw. zum Anpassen an die Traktionsmotor-Bremsregelung eine Vorsteuerung über ein Ventil (DMV) (28) und Regelung der Druckänderung erfolgt.
Bremsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch genaue Drucksteuerung , insbesondere im Sinne einer optimalen Verzögerung, der Druckänderungsgradient p_EHB/dt geregelt wird, so dass Anfangsbremsmoment und Endbremsmoment in einem Zeitintervall genau eingestellt werden können.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zeitweiser Bremsung nur über den Traktionsmotor (TM) die Rekuperation des Fahrzeuges maximiert wird.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Druck-Volumen-Charakteristik einer Radbremse bzw. mehrere Radbremsen einer Achse ein Pedalgefühl abgebildet wird.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass in eine Verbindungsleitung (16) von der ersten Kolben-Zylinder-Einheit (2) zu den Radbremsen (RB1, RB2) einer Achse des Kraftfahrzeuges ein erstes, insbesondere stromlos offenes, Trennventil (TV) geschaltet ist, und - dass in eine Verbindungsleitung (26) von der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit (20) zu den Radbremsen (RB1, RB2) insbesondere derselben Achse des Kraftfahrzeuges ein zweites, insbesondere stromlos geschlossenes Trennventil (DMV) geschaltet ist.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der ersten Kolben-Zylinder-Einheit (2) ausschließlich die Radbremsen (RB3, RB4) der nicht angetriebenen Fahrzeugachse (Achse 2) betätigbar sind. (2a)
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Kolben-Zylinder-Einheiten (2, 20) räumlich getrennt im Fahrzeug angeordnet sind.
Bremsvorrichtung insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kolben-Zylinder- Einheit (2) mit der zugehörigen Betätigungseinrichtung (4) und zugehörigen Sensoren in einer Bau- bzw. Montageeinheit zusammengefasst ist.
Bremsvorrichtung insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kolben-Zylinder-Einheit (20) mit der zugehörigen Antriebseinrichtung (Motor, Getriebe), den Trennventilen (19, 28) und zugehörigen Sensoren in einer separaten Bau- bzw. Montageeinheit (EMB-Modul) zusammengefasst ist.
Bremsvorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kolben-Zylinder-Einheit (20) und die zugehörigen Ventileinrichtungen und Sensoreinrichtungen in einem gemeinsamen Gehäuseteil (56) angeordnet sind, mit dem die in einem separaten Gehäuseteil angeordnete elektronische Steuer- und Regeleinheit (ECU) mit zugehörigen Sensoreinrichtungen verbunden ist, wobei eine direkte Kontaktierung zugehöriger Elemente vorgesehen ist.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolben (8) der ersten Kolben-Zylinder-Einheit (2) als Stufenkolben ausgebildet ist.
Bremsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (DMV) (28) einen geringen Drosselwiderstand aufweist, insbesondere so, dass die Strömungswiderstände derart klein sind, dass die Kolbengeschwindigkeit des Kolbens der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit den Druckaufbaugradienten und Druckabbaugradienten bestimmt, insbesondere dass der Strömungswiderstand des Ventils gleich oder kleiner ist wie die hydraulische Leistung zu den Radbremsen.
Kraftfahrzeug mit einem Traktionsmotor, insbesondere zum Antrieb der Fahrzeughinterachse, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bremsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 vorgesehen ist.
Verfahren zur Regelung der Verzögerung einer Bremsanlage, wobei an mindestens einer Achse die Verzögerung mit Traktionsmotor und einer hydraulischen Bremse geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das anteilige Bremsmoment der hydraulischen Bremsanlage durch Kolbenwegsteuerung auf Basis der Druckvolumenkennlinie sowie dem Zusammenhang zwischen Bremsmoment und Druck in der Radbremse geregelt wird.
Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit Traktionsmotor bzw. einer Bremsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug bzw. die Bremsvorrichtung die Merkmale nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.