Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Fahrzeugbremsanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Fahrzeugbremsanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit hydraulisch betätigbaren Radbremsen an einer Vorderachse und mit elektromechanisch betätigbaren Radbremsen an einer Hinterachse, wobei die einer oder beiden Achsen zugeordneten Fahrzeugräder zumindest zeitweise von einem Elektromotor angetrieben werden, der zur Rekuperation von Bremsenergie als Generator betreibbar ist und im Generatorbetrieb eine Bremskraft an den der Antiebsachse zugeordneten Fahrzeugrädern bewirkt, und wobei ein Pedalwegsensor den Fahrerbremswunsch ermittelt und einer Steuer- und Regeleinheit zuführt, die eine Bremskraftverteilung für die hydraulisch betätigbaren Radbremsen, die elektromechanisch betätigbaren Radbremsen und den im Generatorbetrieb betreibbaren Elektromotor durchführt.
Der Zweck derartiger Bremssysteme bei Kraftfahrzeugen besteht darin, einen möglichst großen Teil der beim Bremsen umgesetzten Energie zurückzugewinnen, im Fahrzeug zu speichern und für den Antrieb des Fahrzeuges wieder zu verwenden. Dadurch kann der Energieverbrauch des Fahrzeuges insgesamt gesenkt, der Wirkungsgrad erhöht und der Betrieb damit
wirtschaftlicher gestaltet werden. Kraftfahrzeuge mit einem Bremssystem, das für Rekuperationsbremsungen ausgelegt ist, weisen dazu in der Regel verschiedene Arten von Bremsen auf, die auch Bremsaktuatoren genannt werden.
Dabei werden ein Paar hydraulische Reibbremsen für die Abbremsung der Vorderachs-Rader sowie ein Paar elektromecha- nisch betatigbarer Reibbremsen für die Abbremsung der Hinte- rachs-Rader, wie sie aus gewohnlichen Kraftfahrzeugen bekannt sind, und Elektromotor eingesetzt, der als Generator betreibbar ist. Über den Generator bzw. den sich im Generatorbetrieb befindlichen Elektromotor wird ein möglichst großer Teil der gesamten Bremskraft aufgebracht. Die gewonnene elektrische Energie wird in ein Speichermedium wie beispielsweise eine Bordbatterie ein- bzw. zuruckgespeist und für den Antrieb des Kraftfahrzeuges über einen geeigneten Antrieb wieder verwendet.
Zur Abbremsung eines derartigen Kraftfahrzeuges, das einen Elektromotor als alleinigen oder zusatzlichen Antrieb und im Generatorbetrieb zur Ruckgewinnung von Bremsenergie aufweist, wird zusatzlich zum Bremsmoment der hydraulisch und/oder elektromechanisch betatigbaren Radbremsen, das durch das Fahrerbetatigte Bremssystem aufgebracht wird, ein weiteres Bremsmoment vom Elektromotor aufgebracht. Dieses Bremsmoment des Elektromotors entsteht aus dem bekannten Effekt bei Elektromotoren, die bei mechanischem Antreiben ohne Zufuhrung von elektrischem Strom als Dynamo bzw. Generator wirken und elektrischen Strom generieren. Dabei entsteht eine Gegenmoment, die dem mechanischen Antrieb entgegenwirkt und im vorliegenden Fall als Bremsmoment wirkt. Der als Generator betriebene Elektromotor wirkt daher als Bremse. Die gesamte Bremskraft des Kraftfahrzeugs setzt sich daher aus der Bremskraft der hydraulisch betatigbaren Rad-
bremsen, der Bremskraft der elektromechanisch betatigbaren Radbremsen und der Bremskraft des als Generator wirkenden Elektromotors zusammen.
Aus der DE 103 19 663 Al ist ein Verfahren zur Einstellung der Pedalkennlinie eines Hybrid-Bremssystems bei veränderter Bremskraftverteilung bekannt. Bei dem vorbekannten Verfahren zum Betrieb einer Bremsanlage, das ein hydraulisches Betriebsbremssystem und ein elektrisches Betriebsbremssystem mit Radbremsen umfasst, die bei Betätigung eines Bremspedals mit Bremsdruck beaufschlagt werden, steuert eine Steuereinrichtung einen Bremsdruckmodulator des hydraulischen Betriebsbremssystems und das elektrische Betriebsbremssystem derart an, dass bei einer Änderung der Bremskraftverteilung zwischen dem hydraulischen und dem elektrischen Betriebsbremssystem das Verhältnis von Pedalkraft und/oder Pedalweg zu dem Fahrzeug-Gesamtbremsmoment im wesentlichen konstant bleibt. Ein als Generator betreibbarer Elektromotor ist nicht vorgesehen.
Das Potential der Bremsenergie-Ruckgewinnung liegt für eine kombinierte Fahrzeugbremsanlage der eingangs genannten Gattung und bei einer Bremskraftverteilung von Vorder- zu Hinterachse von 50% zu 50% bei entsprechenden 50%. Für den unteren Verzogerungsbereich wird es jedoch für möglich und zulassig gehalten den Anteil der Bremskraft an der Hinterachse relativ zur Vorderachse stark erhohen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren darzustellen, das zu einer Verbesserung des Energieruck- gewinnungspotentials beitragt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelost, dass die Bremskraftverteilung im Bereich geringer Fahrzeugverzogerun-
gen derart durchgeführt wird, dass der Anteil der Bremskraft an den Fahrzeugrädern der Hinterachse größer als der Anteil der Bremskraft an den Fahrzeugrädern der Vorderachse ist. Dabei ist zusätzlich vorgesehen, dass der Anteil der Bremskraft an den Fahrzeugrädern der angetriebenen Achse vorzugsweise überwiegend Hinterachse ausschließlich oder nahezu ausschließlich durch den sich im Generatorbetrieb befindlichen Elektromotor erzeugt wird.
Zur Konkretisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Bremskraft an den hydraulischen Radbremsen zwischen 0% und 49% der Bremskraft für das gesamte Kraftfahrzeug beträgt während die durch den sich im Generatorbetrieb befindlichen Elektromotor erzeugte Bremskraft zwischen 51% und 100% der Bremskraft für das gesamte Kraftfahrzeug beträgt.
Im Bereich größerer Fahrzeugverzögerungen ist dagegen vorgesehen, dass die Bremskraftverteilung derart durchgeführt wird, dass der Anteil der Bremskraft an den Fahrzeugrädern der Hinterachse gleich, nahezu gleich oder kleiner als der Anteil der Bremskraft an den Fahrzeugrädern der Vorderachse ist .
Der Bereich geringer Fahrzeugverzögerungen befindet sich unterhalb einer Fahrzeugverzögerung von 0,3g während der Bereich größerer Fahrzeugverzögerungen oberhalb einer Fahrzeugverzögerung von 0,3g liegt.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Pedalwegsensor den Betätigungsweg eines Bremspedals ermittelt und unmittelbar nach Erkennung eines Fahrbremswunsches der E- lektromotor im Generatorbetrieb angesteuert wird. Dabei ist
insbesondere vorgesehen, dass die Ansteuerung des Elektromotors im Generatorbetrieb durchgeführt wird, bevor die hydraulisch betätigbaren Radbremsen eine Bremskraft zur Verfügung stellen. Durch diese Maßnahme wird bei Erkennung eines Fahrerbremswunsches sofort Bremsenergie rekuperiert bevor alle Leerwege des hydraulischen Bremssystems überfahren sind. Es handelt sich hier in der Wirkung um eine Leerwegoptimierung .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein schematisch dargestellter Schaltplan einer kombinierten Fahrzeugbremsanlage mit hydraulisch betätigbaren Radbremsen an der Vorderachse, elekt- romechanisch betätigbaren Radbremsen an der Hinterachse und einem Elektromotor für rekuperative Bremsungen;
Fig. 2 eine aus dem Stand der Technik vorbekannte Bremskraftverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse bei einem konventionellen Bremssystem;
Fig. 3 eine aus dem Stand der Technik vorbekannte Bremskraftverteilung, wie sie bei einer kombinierten Fahrzeugbremsanlage der in Fig. 1 dargestellten Gattung vorgesehen ist;
Fig. 4 eine Bremskraftverteilung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit rekuperativem Bremsen und
Fig. 5 ein Diagramm der Spannkraftverläufe über Fahrverzögerung.
Ein Schaltplan der erfindungsgemäßen Fahrzeugbremsanlage ist in Fig. 1 dargestellt. Die erfindungsgemäße Fahrzeugbremsanlage weist einerseits hydraulisch betätigbare Radbremsen 1 und andererseits elektromechanisch betätigbare Radbremsen 2 auf. Die hydraulisch betätigbaren Radbremsen 1 sind an einer ersten Achse des Kraftfahrzeugs, der Vorderachse, angeordnet und werden mit Hilfe eines pedalbetätigten Vakuum- Bremskraftverstärker 4 mit nachgeschaltetem Hauptzylinder 5 mit hydraulischem Druckmittel beaufschlagt. Zu diesem Zweck sind die hydraulisch betätigbaren Radbremsen 1 unter Zwischenschaltung von Einlassventilen 8 über eine Hydraulikleitung 6 mit dem Hauptzylinder 5 verbunden. Zur Ermittlung des eingesteuerten hydraulischen Drucks und zur Durchführung von Regelvorgängen, wie etwa Blockierschutzregelungen, sind mehrere Drucksensoren 10 vorgesehen, deren Ausgangssignale einer zentralen Steuer- und Regeleinheit 14 zugeführt werden. Weiterhin ist eine Ausführung möglich bei der die zwei Drucksensoren radseitig entfallen, jedoch ein weitere im Schwimmkolbenkreis vorgesehen ist der den Druck THz-seitig ermittelt .
Wie Fig. 1 weiterhin entnehmbar ist, sind an einer zweiten Achse, der Hinterachse des Kraftfahrzeugs, elektromechanisch betätigbare Radbremsen 2 angeordnet, die nach Maßgabe des in den hydraulisch betätigbaren Radbremsen 1 eingesteuerten hydraulischen Drucks betätigbar sind. Wie bereits erwähnt, wird der in die hydraulisch betätigbaren Radbremsen 1 eingesteuerte Druck mit Hilfe der Drucksensoren 10 ermittelt. Auf Grundlage dieses Druckwertes werden die elektromechanisch betätigbaren Radbremsen 2 an der Hinterachse angesteuert, d.h. unter Berücksichtigung einer Bremskraftverteilungsfunktion zwischen Vorder- und Hinterachse wird eine Zuspannkraft der elektromechanisch betätigbaren Radbremsen 2 eingestellt. Außerdem können die elektromechanisch betätigbaren Radbrem-
sen 2 nach Maßgabe des Betätigungsweges des Bremspedals 3, das bedeutet gemäß dem Wunsch des Fahrzeugführers, angesteuert werden. Dazu wird der Betätigungsweg des Bremspedals 3 mit Hilfe eines Pedalwegsensors 11 ermittelt. Die Wegermittlung ist ebenfalls durch Winkelmessung oder durch Messung von Linearbewegungen in der Verstärkereinheit (Membranwegsensor) möglich. Die Ansteuerung der elektromechanisch betätigbaren Radbremsen 2 wird dezentral durch zwei elektronische Steuereinheiten 15 vorgenommen, die je einer elektromechanisch betätigbaren Radbremse 2 zugeordnet sind. Die Versorgung mit elektrischer Energie wird über eine Versorgungsleitung 18'', die die elektromechanisch betätigbaren Radbremsen 2 mit dem Bordnetz verbindet, durchgeführt.
Wie in Fig.l lediglich schematisch angedeutet ist, weisen die elektromechanisch betätigbaren Radbremsen 2 eine Feststellbremsvorrichtung 12 auf, mit der die Radbremsen zur Durchführung einer Feststellbremsung im zugespannten Zustand verriegelbar sind. Die Feststellbremsvorrichtung 12 ist mit Hilfe eines Bedienelementes 13 ansteuerbar. Das Bedienelement 13 ist als Taster ausgebildet und weist drei Schaltstellungen für die Befehle „Spannen", „Neutral" und „Lösen" auf, wobei lediglich die mittlere Neutralstellung eine sta¬ bile Schaltstellung darstellt.
Der Fahrerbremswunsch wird, wie bereits erwähnt, von dem Pedalwegsensor 11 sensiert und über eine Signalleitung 17 der elektronischen Steuer- und Regeleinheit 14 zugeführt. Der Steuer- und Regeleinheit 14 werden außerdem die Signale des Bedienelements 13 der Feststellbremse zugeführt. Die beiden dezentralen elektronischen Steuereinheiten 15 der elektromechanisch betätigbaren Radbremsen 2 sind ebenfalls über eine Signalleitung 17'' mit der Steuer- und Regeleinheit 14 verbunden.
Ein Elektromotor 16, der einerseits als alleiniger Antrieb bei einem Elektroauto oder als zusätzlicher Antrieb bei einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor wirkt und andererseits im Generatorbetrieb zur Rückgewinnung von Bremsenergie eingesetzt wird, ist über eine weitere Signalleitung 17' mit der Steuer- und Regeleinheit 14 verbunden. Der Elektromotor 16 bezieht seine Versorgungsspannung im Antriebsfall über eine Versorgungsleitung 18' aus dem Bordnetz und speist über dieselbe Versorgungsleitung 18' im Generatorbetrieb elektrische Energie in das Bordnetz zurück. Im eben erwähnten Generatorbetrieb wirkt der Elektromotor 16 als Dynamo und generiert elektrischen Strom. Dabei entsteht eine Gegenkraft, die als ein weiteres Bremsmoment wirkt. Der als Generator betriebene Elektromotor 16 wirkt daher als Bremse. Die gesamte Bremskraft des Kraftfahrzeugs setzt sich daher aus der Bremskraft der hydraulisch betätigbaren Radbremsen 1, der Bremskraft der elektromechanisch betätigbaren Radbremsen 2 und der Bremskraft des als Generator wirkenden Elektromotors 16 zusammen. Diese drei Bremskräfte müssen in einer geeigneten Art und Weise angepasst werden, was durch eine geeignete Bremskraftverteilung ermöglicht wird, wobei zwischen der Fahrervorgabe durch Pedalweg und Reaktionskraft des Bremspedals und dem Vorderachsbremsdrucks eine weitgehend konstante Beziehung besteht. Weiterhin ist dem Pedalweg und dem Vorderachsbremsdruck nach einer festen oder nach einem reproduzierbaren Algoritmus eine entsprechende Beziehung zugeordnet. Die Hinterachsbremskraft der elektromechanischen Bremsen last sich nun aber ohne Rückwirkung auf das Bremspedal frei von Null bis Maximum einstellen. Dadurch ist eine Bilanzierung der Bremskräfte aus Generator und Hinterachsreibungsbremse bei gleicher Fahrzeugverzögerung und ohne Rückwirkung auf das Bremspedal möglich. Bei den nachfolgenden Bremskraftverteilungen ist stets auf
der Ordinate die Bremskraft an der Hinterachse - kurz auch HA - und auf der Abszisse die Bremskraft an der Vorderachse - kurz auch VA - aufgetragen.
Um eine geeignete Bremskraftverteilung für die drei genannten Bremskräfte zu erstellen wird zunächst anhand von Fig. 2 die vorbekannte Bremskraftverteilung einer konventionellen Bremsanlage betrachtet, das heißt, einer Bremsanlage mit ausschließlich hydraulisch betätigbaren Radbremsen, die von einem Vakuumbremskraftverstärker betätigt werden. Bei einer derartigen hydraulischen Bremsanlage sieht die Bremskraftverteilung vor, dass 65% der Bremskraft für das gesamte Fahrzeug von den Radbremsen der Vorderachse aufgebracht wird, während die restlichen 35% der Gesamt-Bremskraft von den Radbremsen der Hinterachse aufgebracht werden.
In Fig. 3 ist eine aus dem Stand der Technik vorbekannte Bremskraftverteilung, wie sie bei einer anhand von Fig. 1 beschrieben kombinierten Fahrzeugbremsanlage mit hydraulisch betätigbaren Radbremsen 1 an der Vorderachse und elektrome- chanisch betätigbaren Radbremsen 2 an der Hinterachse vorgesehen ist. Die Bremskraftverteilung sieht eine sogenannte 50/50-Aufteilung vor, d.h. dass 50% der Bremskraft für das gesamte Fahrzeug von den hydraulisch betätigbaren Radbremsen 1 der Vorderachse aufgebracht wird 50% der Gesamt-Bremskraft von den elektromechanischen Radbremsen 2 der Hinterachse aufgebracht werden. Im Rekuperationsmodus stellen die elekt- romechanisch betätigbaren Radbremsen 2 allerdings keine oder eine geringere Bremskraft zur Verfügung, der fehlende Anteil der Bremskraft wird durch den als Generator betriebenen E- lektromotor 16 erzeugt. Das Potential der Bremsenergie- Rückgewinnung liegt daher bei der eben genannten Bremskraftverteilung des statischen Fahrzeuggewicht von 50%/50% bei entsprechenden 50% der Bremsenergie.
Das vorliegende Verfahren sieht nun vor, ausgehend von der in Fig. 3 beschriebenen Bremskraftverteilung, das Bremsener- gierückgewinnungspotential zu erhöhen. Wie es in Fig. 4 dargestellt ist, wird dazu im Bereich geringer Fahrzeugverzögerungen die Bremskraftverteilung so geändert, dass der Anteil der Bremskraft an den Fahrzeugrädern der Hinterachse größer als der Anteil der Bremskraft an den Fahrzeugrädern der Vorderachse ist. Da, wie bereits beschrieben, die Bremskraft an den Fahrzeugrädern der Hinterachse im rekuperativen Modus ausschließlich über den Generator erzeugt werden kann, das heißt da der Anteil der Bremskraft an den Fahrzeugrädern der Hinterachse ausschließlich oder nahezu ausschließlich durch den sich im Generatorbetrieb befindlichen Elektromotor 16 erzeugt werden kann, erhöht sich die zurück gewonnene Bremsenergie deutlich. Für den unteren Verzögerungsbereich wird es für möglich und zulässig gehalten, den Anteil der Bremskraft an der Hinterachse relativ zur Vorderachse stark zu erhöhen. Ein typischer Fahrzyklus eines Fahrzeugs im rekuperativen Modus enthält keine Verzögerungen, die oberhalb des genannten Hauptarbeitsbereichs des rekuperativen Bremsens liegen, der in Fig. 4 mit „Hauptarbeitsbereich RB" bezeichnet ist. (Aufgrund der begrenzten Leistung des Generators und der Leistungsaufnahme des elektrischen Speichers ist mögliche Verzögerung auf den genannten Bereich begrenzt.) Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Bremskraft an der Vorderachse von 50% auf 25% verringert, während die Bremskraft an der Hinterachse von 50% auf 75% erhöht wird. Generell ist aber vorgesehen, dass die Bremskraft an den hydraulischen Radbremsen 1 an der Vorderachse zwischen 0% und 49% der Bremskraft für das gesamte Kraftfahrzeug beträgt während die durch den sich im Generatorbetrieb befindlichen Elektromotor 16 erzeugte Bremskraft an der Hinterachse zwischen 51% und 100% der Gesamt-Bremskraft
beträgt .
Wie Fig. 4 weiterhin entnehmbar ist, kehrt die Bremskraftverteilung bei größeren Fahrzeugverzögerungen wieder zur idealen Bremskraftverteilung zurück. Das heißt im Bereich größerer Fahrzeugverzögerungen ist der Anteil der Bremskraft von Vorder- zu Hinterachse gleich groß, sodass es einer 50%- 50%-Aufteilung entspricht oder der Anteil der Bremskraft an der Hinterachse ist kleiner als der Anteil an der Bremskraft an der Vorderachse, sodass es einer 70%-30%-Aufteilung oder einer 65%-35%-Aufteilung entspricht. Als Trennung zwischen dem Bereich geringerer Verzögerung und größerer Verzögerung bietet sich der Wert von 0,3g an. Je nach Situation kann dieser Wert aber auch kleiner sein und im Extremfall sogar nur 0,15g betragen. Diese Werte sind allerdings nur Beispielhaft und hängen sehr stark von der Leistung des genera- tors bezogen auf der Fahrzeuggewicht, von der Fahrwerksgeo- metrie und weiteren fahrzeugspezifischen Parametern ab.
Wie bereits beschrieben, ermittelt der Pedalwegsensor 11 den Betätigungsweg des Bremspedals 3 erkennt den Fahrerwunsch. Besonders vorteilhaft wird dabei unmittelbar nach Erkennung eines Fahrbremswunsches der Elektromotor 16 im Generatorbetrieb angesteuert, wie es Fig. 4 entnehmbar ist. Dabei wird die Ansteuerung des Elektromotors 16 im Generatorbetrieb durchgeführt, bevor die hydraulisch betätigbaren Radbremsen 1 eine Bremskraft zur Verfügung stellen. Durch diese Maßnahme wird sofort nachdem ein Fahrerbremswunsch erkannt wurde mit der Rekuperation der Bremsenergie begonnen.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, bei dem die Spannkräfte der hydraulischen Radbremsen 1 an der Vorderachse und die Bremskraft der Hinterachse, die durch den Generator erzeugt wird, gegenüber der Fahrzeugverzögerung dargestellt ist. Die
Bremskraft des Generators ist mit +-Symbolen dargestellt, während die Spannkräfte der Vorderachs-Radbremsen gestrichelt dargestellt ist. Hier ist zu ersehen, dass bis 0,1g nahezu ausschließlich die Hinterachse die Verzögerung übernimmt .
Die vorgeschlagenen Bedienstrategie verbessert das Energie- rückgewinnungsspotential bei kombinierten Bremsanlagen in Hybridfahrzeugen, bzw. kann hierdurch bei Hinterachs-Antrieb nahezu das volle Potential genutzt werden wie es sonst nur mit speziellen Bremsanlagen vom Typ „Brake-by-wire" möglich ist. Im Vergleich zu diesen Bremsanlagen kann zudem bei höheren Verzögerungsanforderungen eine optimal Bremskraftverteilung eingestellt werden, ohne dass Ventilschaltungen in notwendig werden.
Bezugszeichenliste
1 hydraulisch betätigbare Radbremsen
2 elektromechanisch betätigbare Radbremsen
3 Bremspedal
4 BremskraftVerstärker
5 Hauptzylinder
6 hydraulische Leitung
7 Auslassventile
8 Einlassventile
9 Druckmittelvorratsbehälter
10 Drucksensor
11 Pedalwegsensor
12 Feststellbremsvorrichtung
13 Bedienelement
14 Steuer- und Regeleinheit
15 Steuereinheit
16 Elektromotor
17 Signalleitung
18 Versorgungsleitung