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Die Erfindung betrifft ein Fahrwerkregelsystem mit Aktuatoren für ein Kraftfahrzeug.
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Aus der
DE 102 25 888 B4 ist ein Bremssystem als modulares Fahrwerksystem bekannt, bei dem zur Steuerung von Aktuatoren deren Aktuator-Steuergeräte von einem Systemsteuergerät über Kommunikationsverbindungen Steuerbefehle übermittelt werden. Dabei sind jeweils einer Achse ein Aktuator-Steuergerät zugeordnet, das jeweils zwei Radbremsaktuatoren ansteuert.
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Aktive Fahrwerkssysteme, bspw. aktive Federungs- und Dämpfungssysteme, werden pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch realisiert. Bei einer elektromechanischen Lösung werden als Aktuatoren Elektromotoren ein-gesetzt, die im Fall eines aktiven Federungssystems, auch unter der Bezeichnung ABC (Active Body Control) bekannt, eine Federfußpunkt-verstellung an einer Stahlfeder eines jedem Rad zugeordneten Federbeins vornehmen. Den insgesamt vier Elektromotoren als Teil der Aktuatoren sind in der Regel jeweils ein Aktuator-Steuergerät zugeordnet, die mit einem Systemsteuergerät kommunizieren, um dessen Steuerbefehle an den Elektromotoren umzusetzen.
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Sind solche elektromechanischen, aktiven Federungssysteme in das normale Fahrzeugbordnetz mit einer Bordnetzspannung von 12/14V eingebettet, können diese Systeme aufgrund der im Betrieb entstehenden hohen Strombedarfe der Elektromotoren und hohen Stromrückflüssen zu einer Destabilisierung der Bordnetzspannung führen, da ein solches Nieder-spannung-Bordnetz die benötigte Leistung nicht schnell genug zur Verfügung stellen kann und es daher ggf. zu sicherheitskritischen Ausfällen des Fahrzeugbordnetzes oder zur eingeschränkten Funktion des Fahrwerkregelsystems kommen kann. Auch führen die hohen Ströme in Abhängigkeit der Leitungslängen im Fahrzeug zu hohen ohmschen Verlusten, die eine ungenaue Regelung und Probleme mit der EMV-Verträglichkeit des Fahrwerkregelsystems zur Folge hätten.
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Um diese Probleme mit derartigen Hochstromverbrauchern, wie es die in solchen Fahrwerkregelsystemen verwendeten Elektromotoren darstellen, zu lösen, ist es bspw. aus der
DE 10 2005 015 995 A1 bekannt, ein Inselbordnetz, bestehend aus einem Hochstromverbraucher, einem Kondensator als Ladungsspeicher, bspw. einem Doppelschichtkondensator (auch Ultra-Cap oder Superkondensator genannt) und einem Generator aufzubauen, das über einen Schalter, bspw. einem MOSFET-Schalter mit dem ein eine Fahrzeugbatterie und einen Starter umfassendes Fahrzeug-bordnetz verbunden ist. Bei einer Zuschaltung des Hochstromverbrauchers wird dieser Schalter geöffnet, so dass dieser direkt aus dem Ladungsspeicher mit Energie versorgt wird, wobei gleichzeitig die Batterie und das restliche Bordnetz mit den Niederspannungs-Verbrauchern von dem Inselbordnetz getrennt werden. Dadurch tritt in dem restlichen Bordnetz kein Spannungseinbruch auf und gleichzeitig wird die Fahrzeugbatterie nicht belastet.
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Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, dass sowohl im normalen Fahrzeugbordnetz als auch in dem von diesem trennbare Inselbordnetz im Wesentlichen die gleichen Spannungswerte auftreten und daher bei Zuschaltung eines Hochstromverbrauchers hohe ohmsche Verluste in den Verbindungsleitungen auftreten, die zu den o. g. nachteiligen Folgen führen.
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Aus der
DE 10 2006 016 186 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einem ersten Bordnetz und einem über einen DC/DC-Wandler gekoppelten zweiten Bordnetz bekannt. Das erste Bordnetz umfasst einen Generator, eine Fahrzeugbatterie und zumindest einen ersten Verbraucher, wie bspw. eine Heckscheibenheizung, eine Sitzheizung, ein Fahrlicht oder ein Radio, während das zweite Bordnetz einen Energiespeicher, bspw. einen Ultra-Cap und zumindest einen zweiten Verbraucher, wie bspw. eine elektrische Lenkung oder eine elektrische Wankstabilisierung aufweist. Diese beiden Bordnetze können unterschiedliche Spannungen aufweisen. Ferner ist ein erstes Energiesteuermodul zur Steuerung des ersten Bordnetzes und ein zweites Energiesteuermodul zur Steuerung des zweiten Bordnetzes vorgesehen, wobei die beiden Energiesteuermodule zusammenwirken. Durch die Aufteilung der Energie steuerfunktion auf zwei verschiedene Energiesteuermodule soll erreicht werden, dass das gleiche Fahrzeugmodell je nach darin verbauter Sonderausstattung, und damit je nach Bordnetzanforderungen mit nur einem oder bei Bedarf zusätzlich mit einem zweiten Energiesteuermodul ausgestattet werden kann.
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Nach der
EP 1 405 767 A1 weist ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug mindestens einen Generator zur Energieerzeugung sowie mindestens eine Batterie zur Zwischenspeicherung von Energie auf, wobei das Bordnetz mittels eines Gleichspannungswandlers in einen spannungsstabilisierten Konstantzweig und einen nicht-stabilisierten Normalzweig unterteilt ist. Im Konstantzweig befinden sich spannungssensitive Verbraucher, wie bspw. eine Fahrzeugbeleuchtung. Im Normalzweig befinden sich spannungsrobuste Verbraucher, wie bspw. ein Anlasser oder ein elektrisches Lenkunterstützungssystem. Plötzliche und hohe Lastwechsel an den spannungsrobusten Verbrauchern sollte somit nicht störend in den Konstantzweig auswirken.
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Ein Mehrspannungsbordnetz mit mindestens zwei Teilbordnetzen nach der
DE 101 60 266 A1 weisen im Normalbetrieb unterschiedliche Spannungsniveaus auf, nämlich ein Teilbordnetz mit 42 V als Versorgungsspannung und ein Teilbordnetz mit 12 V als Versorgungsspannung. Bei einem Motorstillstand werden die Spannungsniveaus der Teilbordnetze auf einen einheitlichen Wert abgesenkt. Das Teilbordnetz mit 42 V Versorgungsspannung versorgt Steuergeräte von sicherheitsrelevanten Systemen, wie bspw. Aktoren der elektromechanischen Bremsen. Jedes dieser Teilbordnetze ist mit einem Energiespeicher, bspw. mit einer 36 V-Batterie bzw. mit einer 12 V-Batterie ausgestattet.
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Die
DE 197 55 050 A1 beschreibt ebenso ein Mehrspannungsbordnetz mit zwei unterschiedlichen Spannungen. Mittels eines Leistungssteuergerätes wird die Ausgangsspannung eines Startergenerators auf 42 V geregelt und mittels eines Gleichspannungswandler in eine niedrigere Spannung von 14 V gewandelt. An diese beiden Spannungen wird jeweils eine Batterie mit einer Nennspannung von 36 V bzw. 12 V angeschlossen. Ein erstes Bremssystem mit Steuergerät und elektrisch betätigbaren Aktuatoren wird von der Batterie mit der Spannung von 14 V versorgt. Ein zweites Bremssystem wird von der Batterie mit der höheren Spannung von 42 V versorgt.
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Schließlich ist auch aus der
DE 102 08 981 A1 ein Kraftfahrzeug mit zwei Bordnetzen und zwei Batterien mit unterschiedlichen Spannungen bekannt. Für die verschiedenen Verbraucher werden zwei intelligente Stromverteiler mit Powermanagement eingesetzt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeugbordnetz für Hochstromverbraucher mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrwerkregelsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solches für ein Kraftfahrzeug vorgesehenes Fahrwerkregelsystem umfasst
- - Hochstromverbraucher als Aktuatoren,
- - die Aktuatoren regelnde Aktuator-Steuergeräte, welche mit einem Systemsteuergerät kommunizieren,
- - ein Fahrzeugbordnetz,
- - ein Inselbordnetz zur Energieversorgung der Aktuatoren, der Aktuator-Steuergeräte und des Systemsteuergerätes, wobei das Inselbordnetz mit dem Fahrzeugbordnetz über einen DC/DC-Wandler verbunden ist und deren Inselbordnetzspannung höher als die Fahrzeugbordnetzspannung ist, und
- - ein Reglermodul des Systemsteuergerätes zur Durchführung eines Energiemanagements im Inselbordnetz.
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Mit diesem erfindungsgemäßen Fahrwerkregelsystem werden aufgrund der höheren Inselbordnetzspannung weniger Verluste erzeugt und durch die Trennung des Inselbordnetzes von dem Fahrzeugbordnetz mittels des DC/DC-Wandlers sind Rückwirkungen durch die Aktuatoren als Hochstromverbraucher auf das Fahrzeugbordnetz wesentlich reduziert.
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Mit dem Reglermodul zur Durchführung eines Energiemanagements im Inselbordnetz wird entsprechend der detektierten Spannungshöhe an den Aktuatoren der Leistungsbedarf und damit auch die Aktivität der Aktuatoren gesteuert und geregelt und infolgedessen eine kontinuierliche Steuerung der Aktivität des Fahrwerkregelsystems in Abhängigkeit der zu Verfügung stehenden Energie erzielt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Inselbordnetz einen Kurzzeitenergiespeicher auf elektrischer und/oder mechanischer Basis auf. Auf elektrischer Basis eignen sich hierfür vorzugsweise elektrochemische Batterien, also übliche wiederaufladbare Batterien, oder Ultra-Caps (auch Doppelschichtkondensatoren genannt); auf mechanischer Basis können sogenannte Schwungmassenspeicher verwendet werden. Damit wird aufgrund einer Pufferung kurzzeitiger Strombedarfspitzen eine Stabilisierung der Inselbordnetzspannung erzielt.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, das Systemsteuergerät derart auszubilden, dass die Inselbordnetzspannung variabel, bspw. über eine entsprechende Steuerung des DC/DC/Wandlers einstellbar ist. Vorzugsweise kann diese Möglichkeit der einstellbaren Inselbordnetzspannung in das Konzept des Energiemanagements eingebunden werden.
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Das erfindungsgemäße Fahrwerkregelsystem, vorzugsweise ein aktives Fahrwerkssystem kann in vorteilhafter Weise als aktives Federungs- und Dämpfungssystem realisiert werden, das elektromotorische Aktuatoren umfasst.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte 1 ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Systemarchitektur eines aktiven Federungssystems eines Kraftfahrzeugs als Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gemäß dieser 1 nimmt an jedem Federbein eines Fahrzeugrades ein Elektromotor M als Aktuator 3 eine Federfußpunktverstellung der Stahlfeder des Federbeins vor, wobei Elektromotoren in Rotationsbauform zur Abgabe eine Drehmoments auf den Getriebegang des Stellers des Federbeins zum Einsatz kommen. Als weiterer Aktuator 4 ist ebenfalls an jedem Rad bzw. Federbein eine Sperre bzw. Bremse B zur Verhinderung einer Fußpunktbewegung vorgesehen. Zur Ansteuerung der Elektromotoren M (Aktuatoren 3) und der Bremsen B (Aktuatoren 4) sind dezentrale Aktuator-Steuergeräte 2 vorgesehen, welche als Anbau- oder Wegbausteuergeräte ausgeführt sein können. Die Ansteuerung, d. h. die Bestromung eines Motors M und der zugehörigen Bremse B, die Signalauswertung und deren Überwachung übernimmt jeweils ein Aktuator-Steuergerät 2.
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Die Systemarchitektur des aktiven Federungssystems nach 1 umfasst daher vier Aktuator-Steuergeräte 2, die mit einem Systemsteuergerät 1 über einen System-Datenbus 7, bspw. realisiert als CAN- oder Flexray-Bus, kommunizieren. Diese Kommunikation umfasst sowohl die Übertragung von Steuerbefehlen, bspw. die Motor-Sollposition, Soll-Betriebszustand, Soll-Sperrenzustand usw., die von den Aktuator-Steuergeräten 2 in Steuersignale für die Aktuatoren 3 und 4 umgesetzt werden, als auch einen Datenaustausch über Motor-Istposition, Motor-Istgeschwindigkeit, Ist-Sperrenzustand, Ist-Betriebszustand, Diagnoseinformationen, Betriebsspannungswerte usw. Aus diesen Daten wird in dem Systemsteuergerät 1 mittels eines Algorithmus die entsprechenden Steuerbefehle für jeden einzelnen Aktuator 3 und 4 derart generiert, das sich die gewünschten Kräfte und Bewegungen im Fahrwerk einstellen.
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Anstelle des System-Datenbusses 7 können auch andere digitale Schnittstellen zwischen dem Systemsteuergerät 1 und den Aktuator-Steuergeräten 2, bspw. PWM-Schnittstellen eingesetzt werden.
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Das Systemsteuergerät 1 ist an einen Fahrzeug-Datenbus 8, bspw. einen CAN-Bus angeschlossen, über den weitere Daten, bspw. von anderen Steuergeräten 9 (bspw. ESP, Motor-Steuergerät usw.) oder Sensoren 9 (z. Bsp. Lenkwinkelsensoren) dem Systemsteuergerät 1 zur Verfügung stehen.
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Die Energieversorgung des Systemsteuergerätes 1 und der Aktuator-Steuergeräte 2 und damit auch der Aktuatoren 3 und 4 erfolgt über ein Inselbordnetz, das über einen DC/DC-Wandler 6 mit dem übrigen Fahrzeugbordnetz 5 verbunden ist.
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Damit wird eine Trennung der beiden Bordnetze erreicht, wodurch Fehlerrisiken minimiert werden, da Fehler im Inselbordnetz im Wesentlichen keine Rückwirkungen auf das Fahrzeugbordnetz 5 haben.
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Dieses Inselbordnetz weist eine höhere Spannung V2 als das übrige Fahrzeugbordnetz mit einer Bordnetzspannung V1 auf. Beträgt die Bordnetzspannung V1 bspw. 13V bzw. 14V, so wird vorzugsweise für die Inselbordnetzspannung V2 ein Spannungswert von 24V oder 42V gewählt.
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Mit den höheren Inselbordnetzspannungen lassen sich die ohmschen Verluste in den Leitungen reduzieren und außerdem können Spannungsvorgaben für unterschiedliche Anwendungen variabel umgesetzt werden.
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Im Systemsteuergerät 1 ist ein Reglermodul 10 vorgesehen, mit dem ein Energiemanagement des Systems durchgeführt wird. Hierzu werden die an den Aktuator-Steuergeräten 2 anliegenden Spannungswerte der Inselbordnetzspannung V2 dem Systemsteuergerät 1 übermittelt, um hieraus den Leistungsbedarf und damit die Aktivität der Aktuatoren, d. h. letztendlich der Federung zu steuern. Damit kann eine kontinuierliche Steuerung der Systemaktivität in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Energie realisiert werden. In ein solches Energiemanagement könnte auch eine Steuerung des DC/DC-Wandlers zur Erhöhung oder Absenkung der Inselbordnetzspannung V2 integriert werden.
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Das Inselbordnetz wird noch durch einen Kurzzeitenergiespeicher 11 als energetischer Puffer komplettiert, wodurch eine Stabilisierung der Inselbordnetzspannung V2 und eine Pufferung von kurzzeitigen Strombedarfsspitzen erzielt wird.
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Das Fahrzeugbordnetz 5 umfasst die üblichen Komponenten, eine Batterie Bat, einen Generator G, einen Starter S sowie Niederspannungs-Verbraucher V.
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In der Systemarchitektur nach 1 sind an jeder Achse des Fahrzeugs jeweils zwei Aktuator-Steuergeräte 2 vorgesehen. Es ist auch möglich, je Fahrzeugachse nur ein Aktuator-Steuergerät 2 einzusetzen, also die beiden Aktuator-Steuergeräte 2 einer Achse durch ein einziges Aktuator-Steuergerät 2 zu ersetzen.
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Vorteilhaft bei dieser Architektur mit einer reduzierten Anzahl von Aktuator-Steuergeräten ist, dass sich die im Betrieb möglicherweise in beide Richtungen (Stromverbrauch und Rückspeisung) in den beiden einer Achse zugeordneten Motoren bzw. Bremsen auftretenden hohen Stromspitzen im Systemsteuergerät unmittelbar kompensieren können und damit ein unnötiger Stromfluss in das Inselbordnetz unterbleibt.
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Schließlich führt eine Reduzierung der Aktuator-Steuergeräte 2 von vier auf zwei Steuergeräten auch zu Kostenvorteilen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Systemsteuergerät
- 2
- Aktuator-Steuergerät
- 3
- Aktuator
- 4
- Aktuator
- 5
- Fahrzeugbordnetz
- 6
- DC/DC-Wandler
- 7
- System-Datenbus
- 8
- Fahrzeug-Datenbus
- 9
- Fahrzeugsteuergeräte, Sensoren
- 10
- Reglermodul im Systemsteuergerät 1
- 11
- Kurzzeitenergiespeicher
- B
- Bremse bzw. Sperre
- Bat
- Fahrzeugbatterie
- G
- Generator
- M
- Elektromotor
- S
- Starter
- V
- Verbraucher
- V1
- Fahrzeugbordnetzspannung
- V2
- Inselbordnetzspannung