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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Achsen-Antriebssystem eines Fahrzeugs.
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In Fahrzeugen ist eine Vielzahl an elektronischen Steuereinheiten, sogenannten ECUs, verbaut. Diese ECUs dienen dazu, Sensordaten von zu bestimmten Funktionen zugehörigen Sensoren zu erfassen, zu verarbeiten und z.B. als Information an eine Anzeigeeinheit im Fahrzeug oder als Steuersignal zur Steuerung und/oder Regelung eines Aktuators auszugeben. ECUs können also Daten von Sensoren und/oder Aktuatoren empfangen, verarbeiten und Steuersignale ausgeben.
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Es gibt bereits Achsen-Antriebssysteme von Fahrzeugen mit einer oder mehreren angetriebenen Achsen. Entsprechende Achskonzepte enthalten mechanisch integrierte Komponenten, die Einfluss auf die Längs-, Quer- und Vertikaldynamik des Fahrzeugs haben. Ferner sind bereits Achskonzepte vorhanden, wobei das gesamte Antriebssystem inklusive der integrierten Leistungselektronik in einem platzsparenden Achssystem untergebracht ist, welches auch den elektrischen Antrieb umfasst. Da es noch Verbesserungsbedarf unter anderem hinsichtlich der Optimierung der Ansteuerung der Komponenten gibt, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Achsen-Antriebssystem eines Fahrzeugs bereitzustellen, durch welches die Ansteuerung der Komponenten verbessert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Achsen-Antriebssystem eines Fahrzeugs, aufweisend mindestens eine angetriebene Achse, Sensoren zur Überwachung des Achsen-Antriebssystems und Aktuatoren zur Ansteuerung der angetriebenen Achse in Bezug auf ihre laterale, longitudinale und vertikale dynamische Funktionalität. Ferne ist eine erste zentrale Steuereinheit vorgesehen, die in Kommunikationsverbindung mit den Sensoren und Aktuatoren der angetriebenen Achse steht und dazu eingerichtet ist, davon Informationen zu erhalten und zu Signalen zur Steuerung und/oder Regelung der lateralen und/oder longitudinalen und/oder vertikalen dynamischen Funktionalität zu verarbeiten und an den oder die entsprechenden Aktuatoren zu übertragen.
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Durch das Zentralisierung der Steuereinheit, so dass die aktuelle Vielzahl an Steuergeräten durch eine einzige Steuereinheit ersetzt wird, werden sowohl Vorteile beim Gewicht als auch bei der Kommunikation und der Ansteuerung der Achse erzielt.
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In einer Ausführung ist eine zweite zentrale Steuereinheit vorgesehen, die in ihrem Aufbau und/oder ihrer Funktionalität der ersten zentralen Steuereinheit entspricht. Somit kann ein redundantes, also fail operational, System bereitgestellt werden.
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In einer Ausführung ist die mindestens eine angetriebene Achse eine Vorderachse und/oder Hinterachse und/oder eine zwischen Vorder- und Hinterachse liegende Achse des Fahrzeugs ist.
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In einer Ausführung ist werden zusätzliche Informationen von externen, nicht zum Achsen-Antriebssystem zugehörigen externen Sensoren, von der oder den zentralen Steuereinheiten erfasst und zusammen mit den Daten der Sensoren und Aktuatoren des Achsen-Antriebssystems verarbeitet. Vorteilhaft wird als externe Sensoren eine Sensorik eines ADAS-Systems des Fahrzeugs verwendet. Somit können auch auf das Achsen-System einwirkende Kräfte, die nicht direkt von zur Achse zugehörigen Sensoren, erfasst und in die Datenverarbeitung einbezogen werden.
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In einer Ausführung ist bzw. sind die zentrale(n) Steuereinheit(en) mittig auf der angetriebenen Achse oder in einem Bereich mittig im Fahrzeug zwischen Vorder- und Hinterachse angeordnet. Durch eine geeignete Anordnung kann Leitungslänge gespart werden.
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Ferner weist das Achsen-Antriebssystem einen Inverter je angetriebener Achse auf, wobei die zentrale(n) Steuereinheit(en) benachbart zum Inverter der angetriebenen Achse angeordnet ist bzw. sind.
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Ferner wird ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Achsen-Antriebssystem vorgeschlagen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt ein Achsen-Antriebssystem eines Fahrzeugs 100 mit einem an der Vorderachse angeordneten Antrieb gemäß dem Stand der Technik.
- 2 zeigt ein Achsen-Antriebssystem eines Fahrzeugs 100 mit einem an der Hinterachse angeordneten Antrieb gemäß dem Stand der Technik.
- 3 zeigt schematisch eine zentrale Steuereinheit für ein Achsen-Antriebssystem gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt schematisch zwei zentrale Steuereinheiten für ein Achsen-Antriebssystem gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 und 2 sind zwei Ausführungen gezeigt, wie Achsen-Antriebssysteme von Fahrzeugen 100 grundsätzlich aufgebaut sind. In 1 ist eine angetriebene Vorderachse 1 eines Fahrzeugs 100 dargestellt. In 2 ist eine nicht angetriebene Vorderachse und eine angetriebene Hinterachse 2 eines Fahrzeugs 100 dargestellt. Nachfolgend werden die Hauptkomponenten kurz erläutert.
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Angetriebene Achsen von Achsen-Antriebssystemen in Fahrzeugen 100 weisen eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren auf, welche dazu dienen, den Status einzelner Komponenten oder Gruppen an Komponenten zu überwachen, die zur Steuerung und/oder Regelung der Achsen 1, 2 benötigt werden, wie nachfolgend aufgelistet.
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EPS: Die Servolenkung kann als elektronische Servolenkung EPS (aus dem Engl: electronic power steering), oder als motorgetriebene Servolenkung MPC (motor power steering) ausgeführt sein und befindet sich möglichst mittig auf der Achse.
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ABS: Das ABS-System (Antiblockiersystem bzw. engl: anti-lock braking system) dient dazu, ein Blockieren der Räder während eines Bremsvorgangs zu verhindern und dabei sicherzustellen, dass die Reifen den Kontakt mit der Straßenoberfläche beibehalten. Somit kann der Fahrer eine bessere Kontrolle über das Fahrzeug behalten.
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EBB: Der elektrische Bremskraftverstärker EBB (engl: electric brake booster) ist dafür ausgelegt, dass weniger Kraft benötigt wird, um das Bremspedal zum Bremsen zu drücken. Mittlerweile werden Sensoren verbaut, um die Intention des Fahrers zum Bremsen zu erkennen und das Bremsen elektrisch unterstützen zu können.
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DC: Das Dämpfungskontrollsystem DC (damping control) dient dazu, die Fahrzeugstabilität durch dynamische Erfassung der Straßenoberflächenzustände zu erhöhen.
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DR: Das System zur Kontrolle der rotierenden Welle DR (rotating shaft control system) weist einen verbesserten Grad an Genauigkeit in Bezug auf Stabilität durch Verringerung des Einflusses einer Drehbewegung eines Hauptkörpers auf, der auf ein mechanisches System übertragen wird.
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PI: Um eine angetriebene Achse bereitstellen zu können, wird eine Leistungselektronik PI (power electronics) benötigt, welche in Form eines an der anzutreibenden Achse angeordneten Inverters realisiert ist.
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S-ECU: Ferner ist eine Lenkungs-Steuereinheit S-ECU vorgesehen, welche die Lenkbewegung erfasst und interpretiert und entsprechende Informationen an die Steuereinheiten der anderen Komponenten EBB, ABS, EPS, DC, PI, DR zur dortigen Weiterverarbeitung und Ansteuerung der jeweiligen Komponente ausgibt.
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Da bisher beinahe für alle der beschriebenen Komponenten EBB, ABS, EPS, DC, PI, DR separate Steuereinheiten bzw. ECUs vorgesehen sind, die miteinander kommunizieren und Daten austauschen müssen, damit das Gesamtsystem Achsen-Antrieb möglichst optimal funktioniert, ist es ein Ziel der Erfindung, diese Anzahl zu reduzieren.
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Deshalb wird eine zentrale Steuereinheit VI-ECU1 vorgeschlagen, die in Kommunikationsverbindung mit den Sensoren und Aktuatoren der angetriebenen Achse 1, 2 steht und dazu eingerichtet ist, Informationen I davon zu erhalten und zu Signalen C zur Steuerung und/oder Regelung der Aktuatoren der angetriebenen Achse 1, 2 zu verarbeiten. Die Signale C zur Steuerung und/oder Regelung dienen dazu, die laterale und/oder longitudinale und/oder vertikale dynamische Funktionalität zu steuern bzw. zu regeln und werden zur Ausführung an den oder die entsprechenden Aktuatoren zu übertragen.
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Das heißt, dass in der oder den angetriebenen Achsen 1, 2 Informationen der Leistungselektronik PI, des Getriebes, der elektrischen Motoren, der Lenkung, des Fahrwerks, der Dämpfung und von Systemen zur Rotationskontrolle in eine einzige, zentrale Steuereinheit VI-ECU1 zusammengeführt werden. Dort werden dann die von den Sensoren und Aktuatoren empfangenen Informationen bzw. Signale I verarbeitet und (Steuer-) Signale C zur Steuerung und/oder Regelung an die entsprechenden Komponenten ausgegeben. In 3 ist eine solche einzige, zentrale Steuereinheit VI-ECU1 und ihre Kommunikationsverbindung I, C mit den Sensoren und Aktuatoren des Achsen-Antriebssystems schematisch dargestellt.
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Außerdem kann eine zweite zentrale Steuereinheit VI-ECU2 vorgesehen werden, wie in 4 schematisch gezeigt, um ein fehlertolerantes System bereitzustellen (fail tolerant bzw. fail operational), was durch den Pfeil IPC zwischen den beiden Steuereinheiten VI-ECU1 und VI-ECU2 verdeutlicht wird. Die zweite zentrale Steuereinheit VI-ECU2 ist vorteilhaft gleich wie die erste zentrale Steuereinheit VI-ECU1 aufgebaut und kann also dieselben Sensor- und Aktuatorsignale I empfangen und (Steuer-) Signale C zur Steuerung und/oder Regelung an die Aktuatoren ausgeben.
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Wie aus den Figuren hervorgeht, kann die angetriebene Achse 1, 2 sowohl eine Vorderachse 1 als auch eine Hinterachse 2 eines Fahrzeugs 100 sein. Es kann aber auch eine zwischen Vorder- und Hinterachse 1, 2 liegende Achse des Fahrzeugs 100 sein. Es kann auch mehr als eine angetriebene Achse vorgesehen sein, d.h. es können sowohl Vorder- als auch Hinterachse 1, 2 angetrieben sein, sowie auch alle weiteren, dazwischenliegenden Achsen.
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Je nachdem, welche Achse angetrieben ist, ist es sinnvoll, das bzw. die Steuereinheiten VI-ECU1 und VI-ECU2 entsprechend zu platzieren. Wenn lediglich eine Achse angetrieben ist, ist es vorteilhaft, die eine oder beide Steuereinheiten VI-ECU1 und VI-ECU2 möglichst nahe am Inverter PI vorzusehen, der in der Regel mittig auf der angetriebenen Achse platziert ist. Im Falle mehrerer angetriebener Achsen ist es sinnvoll, die eine oder beide Steuereinheiten VI-ECU1 und VI-ECU2 mittig im Fahrzeug 100 zu platzieren, um optimale, also möglichst kurze, Leitungslängen zu erreichen.
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Des Weiteren ist es möglich, zusätzliche Informationen I von externen, nicht direkt zum Achsen-Antriebssystem zugehörigen Sensoren EXT zu erfassen und in die Verarbeitung einzubeziehen. Solche externen Sensoren EXT sind vorteilhaft solche Sensoren, die einen Einfluss auf die Steuerung und/oder Regelung der Aktuatoren des Achsen-Antriebssystems haben, aber nicht dem Achsensystem zugeordnet sind. Solche Sensoren können Kameras oder ADAS-Sensorik sein, welche z.B. eine Fahrtroute und damit die Straßenbeschaffenheit, Straßenführung und sonstige, das Fahrverhalten und den Fahrkomfort beeinflussende Informationen bzw. Daten erfassen können.
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ADAS (englisch Advanced Driver Assistance System)-Sensorik ist Sensorik von Fahrerassistenzsystemen, welche die Fahrzeugumgebung und ggf. das Fahrzeuginnere bzw. die Insassen beobachtet und das Fahrverhalten in Bezug auf die Streckenführung des Fahrzeugs 100 steuert. Somit haben die Informationen I dieser externen Sensoren EXT einen indirekten Einfluss auf das Achsen-Antriebssystem, da dieses eine Belastung aufgrund der Streckenführung erfährt.
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Wenn diese externen Informationen I also einbezogen werden, kann der Fahrkomfort noch zusätzlich erhöht werden, da eine prädiktive Anpassung der Achsen-Komponenten erfolgen kann.
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Wie in 3 und 4 gezeigt, erhalten die zentrale(n) Steuereinheit(en) VI-ECU1, VI-ECU2 Informationen I von der Lenkung, dem Fahrwerk, der Dämpfung, Rotations- und anderen Sensoren, also möglichst allen dem Achsen-Antriebssystem zugeordneten Sensoren, sowie weitere extern Signale bzw. Informationen z.B. über analoge oder andere Kommunikationswege, z.B. BUS, Ethernet, Flexray etc.. Die in der bzw. den zentrale(n) Steuereinheit(en) VI-ECU1, VI-ECU2C verarbeiteten Sensordaten werden dann als Signale C zur Steuerung bzw. Regelung der Aktuatoren des Achsen-Antriebssystems bezüglich der lateralen und/oder longitudinalen und/oder vertikalen dynamischen Funktionen bzw. Funktionalitäten des Fahrzeugs 100 verwendet.
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Im Falle, dass zwei zentrale Steuereinheiten VI-ECU1, VI-ECU2 vorhanden sind, ist eine Kommunikation IPC (inter process communication) zwischen den Steuereinheiten VI-ECU1, VI-ECU2 vorgesehen, so dass im Fehlerfall eine Fehlertoleranz vorhanden ist und das Achsen-Antriebssystem weiter betrieben werden kann.
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Durch die Verwendung von lediglich einer zentralen Steuereinheit VI-ECU1 (mit ggf. einer gleichartigen zweiten Steuereinheit VI-ECU2 zur Absicherung bzw. Redundanz) kann die Steuereinheit VI-ECU1 mehr Rechenleistung aufweisen als jede einzelne der bisherigen, vorhandenen Steuereinheiten.
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Vorteile und Hauptmerkmale der Erfindung sind:
- - Möglichkeit der Umwandlung von unterschiedlichen, verteilten Architekturen (Hardware und Software) in eine einzige, als Domain- oder Zonen Steuereinheit bezeichnete, hochperformante Steuereinheit VI-ECU1
- - Durch die reduzierte Anzahl an Steuereinheiten ist ein Gewichtsvorteil vorhanden und der Entwicklungsaufwand wird reduziert, z.B. weil weniger Schnittstellen vorhanden sein müssen und weniger unterschiedliche Hardware und/oder Software vorhanden ist
- - Es können durch die zentrale Platzierung und die Verminderung der Anzahl der Steuereinheiten Einsparungen in der Länge der Leitungen erreicht werden
- - Aufgrund der geringeren Anzahl an Hardware wie Prozessoren und Chips, kann eine Kosten- und Energieersparnis erreicht werden
- - Durch die Zentralisierung wird eine höhere Funktionsdichte für Hardware und Software erreicht
- - Die Konfiguration wird erleichtert und eine nahtlose Redundanz erreicht
- - Es kann eine geringe Latenzzeit für Steuerschleifen zwischen den lateralen, longitudinalen und vertikalen Steuer-Funktionen aufgrund den internen Software-zu-Software-Interfaces der Steuereinheiten erreicht werden. Bisher sind höhere Latenzzeiten vorhanden, da über ein Fahrzeugnetzwerk kommuniziert werden muss, z.B. CAN
- - Es kann eine einfachere Überprüfungs- und Diagnoseabdeckung bereitgestellt werden
- - Aufgrund der geringeren Latenzzeit und der größeren Anzahl an Signalschnittstellen zwischen den lateralen, longitudinalen und vertikalen Steuer-Funktionen kann eine geringere Zeit für eine Fehlererkennung erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 1
- Vorderachse
- 2
- Hinterachse
- VI-ECU1
- erste zentrale Steuereinheit
- VI-ECU2
- zweite zentrale Steuereinheit
- I
- Informationen von Sensoren/Aktuatoren
- C
- Signale zur Steuerung/Regelung an Aktuatoren
- ABS
- Antiblockiersystem
- EPS
- Servolenkung
- EBB
- elektrischer Bremskraftverstärker
- DC
- Dämpfungskontrollsystem
- DR
- System zur Kontrolle der rotierenden Welle
- EXT
- externe Sensoren
