Fahrdynamiksteuereinheit für ein Fahrdynamikregelsystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrdynamiksteuerung oder -regelung sowie eine Steuer- oder Regelungsvorrichtung insbesondere in Form von elektronischen Steuereinheiten mit entsprechend programmierten

Funktionsmodulen für ein Kraftfahrzeug zur Durchführung einer

Fahrdynamiksteuerung oder -regelung. Im Folgenden wird zur Vereinfachung der Begriff Steuerung für eine Steuerung und für eine Regelung verwendet.

Bekannt sind zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren für Traktions-,

Antriebsschlupf- und/oder Bremsschlupfsteuersysteme, die allein oder in Verbindung mit übergeordneten Fahrstabilitätssystemen die Brems- und Traktionsleistung sowie die Fahrstabilität bzw. die Fahrdynamik unter verschiedensten Fahrverhältnissen verbessern. Diese Systeme basieren hardwareseitig z. B. auf elektromechanisch-hydraulischer,

elektromechanisch-pneumatischer oder rein eiektromechanischer Aktuatorik in Verbindung mit einer elektronischen Steuer- bzw. Regeleinheit und mit zugeordneter diverser Sensorik. Ferner weisen die bekannten Systeme konventionelle Schnittstellen und/oder Busanbindungen zu Betätigungs- und Schaltelementen sowie weiteren Steuer- bzw. Regeisystemen und Anzeigeeinheiten im Fahrzeugsystemverbund auf.

Übliche Fahrdynamiksteuersysteme steuern im Wesentlichen z. B. schlupf-, kraftschluss-, reibwert-, querbeschleunigungs-, längsbeschleunigungs-, längsneigungs-, querneigungs-, gierwinkel- und/oder

schwimmwinkelabhängig (allgemein also fahrzustandsabhängig) einerseits das Antriebsmoment mindestens eines Antriebsmotors (Verbrennungsmotor und/oder E-Maschine) sowie andererseits auch durch individuelle

Bremseingriffe die Radbremsmomente. Bei Fahrzeugen mit

Verbrennungsmotor wird üblicherweise das Antriebsmoment über Füllungs-, Zündwinkel- und/oder Einspritzausblendungseingriffe gesteuert.

Bei Stabilitäts- und Traktionssystemen heutiger Prägung werden die auszuregelnden Regelabweichungen auf Basis der Differenz eines

Sollschlupfes von einem Istschlupf oder einer Solldrehzahl von einer Istdrehzahl ermittelt. Ein Sollschlupf kann beispielsweise einzelrad- oder achsbezogen sein. Der Istschlupf wird meist auf Basis einer

Einzelraddrehzahl oder einer Achsdrehzahl (= Mittelwert der Raddrehzahlen einer Achse) im Vergleich mit einer Referenzdrehzahl bzw.

Referenzgeschwindigkeit ermittelt, die aus der tatsächlichen

Fahrzeuglängsgeschwindigkeit (v _x ) über Grund hergeleitet wird. Diese tatsächliche Fahrzeuglängsgeschwindigkeit kann beispielsweise direkt gemessen werden oder eine Modellgröße sein, die aus einer Sensorfusion unterschiedlicher Sensoren (z.B. Raddrehzahlfühler, Längsbeschleunigung, etc.) gebildet wird.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für ein bekanntes Verfahren zur

Fahrdynamiksteuerung dargestellt. Hierbei wird in einer Steuereinheit 2 zur Fahrdynamiksteuerung in einem Kraftfahrzeug 1 aus der

Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v _x und den ermittelten Raddrehzahlen nvi_, nvR, nHL und n ein Istschlupf sist ermittelt. In einem Sollwertgenerierungs- Modul S wird insbesondere aus der Querbeschleunigung a _y , dem Reibwert μ, der Gierabweichung Δψ/dt (Sensorgierrate-Modellgierrate) und der

Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v _x ein Sollschlupf Ssoii vorgegeben. Zum Ausregeln der Schlupfabweichung ds wird in einem Regel-Modul MR ein Soll-Moment Msoii ermittelt und zumindest einer elektronischen

Antriebssteuereinheit 3 zur Steuerung eines Verbrennungsmotors 4 und/oder einer elektronischen Antriebssteuereinheit 5 zur Steuerung einer E-Maschine als Sollwert weitergeleitet. Durch in den elektronischen

Antriebssteuereinheiten 3 und 5 vorgesehene Koordinationsmodule K1 und K2 beispielsweise in Form einer sogenannten Momentenstruktur wird dieses Soll-Moment Msoii in Steuersignale zur entsprechenden Ansteuerung der Aktuatoren der Antriebseinheiten 4 und/oder 6 umgesetzt.

Die technischen Gegenstände der DE 10 2010 061 918 A1 und der DE 10 2004 057 834 A1 sind Beispiele für Fahrdynamikregelsysteme nach dem oben beschriebenen Stand der Technik, also insbesondere Steuer- und/oder Regelsysteme für zweispurige und zweiachsige Kraftfahrzeuge, wobei über ein Fahrstabilitäts-, Brems-, Traktions- oder Antriebsschlupf-Regelsystem (wie z.B. DSC oder DXC in den Fahrzeugen der Anmelderin, ESP,

Mittenkupplung oder ASC) eine aktive Beeinflussung des Antriebsmoments (Motormoments) und/oder gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ radselektive Bremseneingriffe an angetriebenen und nicht angetriebenen Rädern bei Auftreten eines vorgegebenen Radschlupfes oder bei Auftreten einer definierten Fahrzeuginstabilität vorgenommen werden können. Dabei wird Radschlupf normalerweise dann erkannt, wenn eine oder mehrere vorgegebene Sollschlupfschwellen überschritten werden und somit eine Regelabweichung auftritt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fahrdynamiksteuerung im Hinblick auf ihre Reaktionsschnelligkeit zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.

Das erfindungsgemäße Fahrdynamikregelsystem weist eine elektronische Fahrdynamiksteuereinheit auf, die mit mindestens einer Antriebssteuereinheit verbunden und derart ausgestaltet ist, dass sie zunächst einen Soll-Schlupf oder einen Soll-Schlupf-Korridor und die tatsächliche

Fahrzeuggeschwindigkeit als Referenzgeschwindigkeit ermittelt. Dabei wird der Soll-Schlupf-Korridor vorzugsweise durch einen minimal zulässigen Soll- Schlupf für den Schubbetrieb und einen maximal zulässigen Soll-Schlupf für den Zugbetrieb in der jeweils aktuellen Fahrsituation vorgegeben.

Gemäß einer ersten Alternative wird entsprechend dem Soli-Schlupf oder dem Soll-Schlupf-Korridor eine Soll-Drehzahl oder ein Soll-Drehzahl-Korridor an die mindestens eine Antriebssteuereinheit ausgegeben. Dabei wird der Soll-Drehzahl-Korridor entsprechend dem Soll-Schlupf-Korridor

vorzugsweise durch eine minimal zulässige Drehzahlschwelle für den

Schubbetrieb und eine maximal zulässige Drehzahlschwelle für den

Zugbetrieb vorgegeben. Der Drehzahlkorridor gemäß der ersten Alternative wird also aus einem - in dieser Fahrsituation - maximal zulässigen Antriebsund Verzögerungsschlupf berechnet.

Gemäß einer zweiten Alternative wird direkt der Soll-Schlupf zusammen mit der Referenzfahrzeuggeschwindigkeit an die mindestens eine

Antriebssteuereinheit ausgegeben, wobei die Antriebssteuereinheit daraus selbst eine Soll-Drehzahl auf Motorebene ermittelt. Auch bei dieser zweiten Alternative kann analog der ersten Alternative anstelle eines Soll- Schlupfwertes ein Soll-Schlupf-Korridor ausgegeben werden, der von der Antriebssteuereinheit wiederum in einen Soll-Drehzahl-Korridor umgerechnet wird. Abhängig von den Soll-Werten oder von den Soll-Korridoren wird in beiden

Alternativen daraufhin von der mindestens einen Antriebssteuereinheit bei Bedarf eine Drehzahlregelung vorgenommen. Die Antriebssteuereinheit erfasst naturgemäß ohnehin kontinuierlich die Ist-Drehzahl.

Eine Antriebssteuereinheit kann beispielsweise ein Motorsteuergerät oder ein Getriebesteuergerät sein. Die Drehzahlregelung kann beispielsweise mittels eines entsprechend programmierten Funktionsmoduls im Motorsteuergerät durch die Ansteuerung von Aktuatoren des Motors und/oder mittels eines entsprechend programmierten Funktionsmoduls im Getriebesteuergerät durch Ansteuerung von Aktuatoren in einem (Automatik-) Getriebe

durchgeführt werden. In Schaltvorgängen kann das Getriebesteuergerät aktiv auf die Solldrehzahlen regeln und den Schaltvorgang entsprechend anpassen.

Die Ist-Drehzahl des Antriebs wird beispielsweise aus dem Antriebssensor ermittelt (z.B. Kurbelwellensensor oder Rotorlagesensor).

Die Schnittstelle und das Regelprinzip sind in analoger Weise beispielsweise auch übertragbar auf Steuereinheiten von Differenzialen, Mittenkupplungen und Radnabenmotoren, die somit im weiteren Sinne auch unter den Begriff Fahrdynamikregelsysteme fallen. Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse zugrunde:

Insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit elektrischen Antriebsmotoren (E- Maschinen) aber auch bei modernen hochdynamischen

Verbrennungsmotoren mit hoher Leistung stößt die oben beschriebene Vorgabe eines Soll-Moments durch die Steuereinheit zur

Fahrdynamiksteuerung an ihre Grenzen. Die Regelgüte ist aufgrund der Komplexität der Regelstrecke und der Latenzzeit in der Schaltungstechnik der Antriebssteuereinheiten unbefriedigend. Um die vergleichsweise langsame Schlupfregelung der Fahrdynamiksteuersysteme mittels Vorgabe eines Soll-Moments zu verbessern, ist ein hoher Aufwand bei der Applikation und bei der Bauteilauslegung wegen der hohen Materialbelastung notwendig. Das hohe Dynamikpotenzial gerade bei E-Maschinen kann nicht ausreichend genutzt werden.

Daher wird erfindungsgemäß der Schlupfregler aus der elektronischen Steuereinheit des Fahrdynamikregelsystems heraus aktornah verlagert, wobei als Aktor die jeweilige Antriebssteuereinheit angesehen wird.

Die Schnittstelle im Bordnetz zur Kommunikation eines Sollwertes von der Fahrdynamiksteuereinheit zur mindestens einen Antriebssteuereinheit wird erfindungsgemäß von einer Momentenschnittstelle in eine

Drehzahlschnittstelle oder eine Sollschlupfschnittstel!e (einschließlich

Übertragung der Referenzgeschwindigkeit bzw. Referenzdrehzahl) geändert.

Der Regelbeginn wird in konventionellen Schlupfregelsystemen von der Fahrdynamiksteuereinheit vorgegeben. Hierbei kann aufgrund der

Übertragungszeiten zwischen den Steuergeräten ein spürbarer Ruck im Fahrzeug auftreten. Mit Hilfe der Erfindung entscheidet das

Antriebssteuergerät selbstständig, wann Regelbedarf entsteht. Der Ruck wird damit vermieden.

Sind zwei unabhängige Antriebsmotoren (wie z. B. bei straßengekoppelten Achs-Hybriden) vorhanden, können rad- oder achsindividuelle Soll- Drehzahlen bzw. Soll-Drehzahl-Korridore oder Soll-Schlupfwerte bzw. Soll- Schlupf-Korridore einschließlich Referenzgeschwindigkeit vorgegeben werden.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlichen Komponenten und ihre Wirkungsweise bei einem Kraftfahrzeug mit Hinterradantrieb und nur einem Antriebsmotor sowie hier beispielhaft mit einer Soll-Schlupfschnittstelle und

Fig, 2 schematisch die für das erfindungsgemäße Verfahren wesentlichen Komponenten und ihre Wirkungsweise bei einem Kraftfahrzeug mit einem straßengekoppelten Achs-Hybrid-Allradantrieb sowie hier beispielhaft mit einer Soll-Drehzahlschnittstelle.

In Fig. 1 ist schematisch ein Fahrdynamikregelsystem für ein Kraftfahrzeug 1 bzw. in einem Kraftfahrzeug 1 mit einer elektronischen

Fahrdynamiksteuereinheit 2 dargestellt, die mit einer elektronischen

Antriebssteuereinheit 3 verbunden ist. Die elektronische

Antriebssteuereinheit 3 ist beispielsweise für die Steuerung eines

Verbrennungsmotors 4 zum Antrieb einer Hinterachse HA vorgesehen.

Die Fahrdynamiksteuereinheit 2 ist insbesondere durch entsprechend programmierte Funktionsmodule _» beispielsweise durch ein

Sollwertgenerierungs-Modul S, derart ausgestaltet, dass zunächst wie beim oben beschriebenen Stand der Technik beispielsweise aus den gemessenen Raddrehzahlen nvL, nvR, mi und nnR sowie aus dem Signal a _x eines

Längsbeschleunigungssensors die tatsächliche

Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v _x als Referenzgeschwindigkeit bzw.

Referenzdrehzahl ermittelt wird. Weiterhin wird aus der Querbeschleunigung a _y , dem Reibwert μ, der Gierabweichung Δψ/dt und der

Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v _x ein Sollschlupf Ssoii für die Hinterachse HA ermittelt. Dabei wird vorzugsweise ein minima! zulässiger Sollschlupf s _S oii_min für den Schubbetrieb und ein maximal zulässiger Sollschlupf s _S oii_max für den Zugbetrieb ermittelt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird also ein Sollschlupf-Korridor in Form der Soll-Schlupfwerte Ssoii_min_HA und s _S oii_max_HA zusammen mit der Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v _x als Referenzgeschwindigkeit an die

Antriebssteuereinheit 3 direkt übermittelt. Die Antriebssteuereinheit 3 berechnet daraus ihrerseits unter Kenntnis des dynamischen Radradius die jeweils erforderliche Soll-Drehzahl N_min für den Schubbetrieb und N_max für den Zugbetrieb;

N_min = Vx X (1 - Sso!l_min_HA) N_maX = Vx X (1 + Ssol!_max_HA)

Weiterhin wird von der Antriebssteuereinheit 3 die Istdrehzahl Nwust des Antriebsmotors 4 erfasst. In einem entsprechend programmierten

Drehzahlregel-Modul N R1 wird dann die Drehzahldifferenz dNw zwischen der Istdrehzahl Nwi _j st und einer außerhalb des durch die beiden Motor- Drehzahlschwellen (Nmax/Nmin) gebildeten Drehzahlbandes ausgeregelt; also bei einer Istdrehzahl Nwjst > Nmax oder < Nmin.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem eine erste Antriebssteuereinheit 3 zur Steuerung eines Verbrennungsmotors 4 zum Antrieb einer ersten Achse HA (z.B. Hinterachse) und eine zweite

Antriebssteuereinheit 5 zur Steuerung einer E-Maschine 6 zum Antrieb einer zweiten Achse VA (z.B. Vorderachse) vorgesehen ist.

Zur grundsätzlichen erfindungsgemäßen Funktionsweise der

Antriebssteuereinheiten 3 und 5 wird auf die Ausführungen zur

Antriebssteuereinheit 3 gemäß Fig. 1 verwiesen. Zunächst werden also in der Fahrdynamiksteuereinheit 2 minimale und maximale Soll-Schlupfwerte Ssoitmin und s _S o!i_max hier sowohl für die Hinterachse HA als auch für die Vorderachse VA ermittelt. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird hier von der Fahrdynamiksteuereinheit 2 basierend auf diesen

Sollschlupfwerten und der ermittelten Fahrzeugreferenzgeschwindigkeit v _x eine minimal zulässige Drehzahlschwelle n _m in_HA und eine maximal zulässige Drehzahlschwelle rimax_HA für die erste Achse HA sowie eine minimal zulässige Drehzahlschwelle n _m in_vA und eine maximal zulässige

Drehzahlschwelle nmaxj/A für die zweite Achse VA bestimmt und an die erste und/oder zweite Antriebssteuereinheit 3 und/oder 5 ausgegeben.

Die in diesem Fall so bestimmten Soll-Drehzahl-Korridore werden von der Fahrdynamiksteuereinheit 2 an die Antriebssteuereinheit 3 übermittelt. Die Antriebssteuereinheit 3 ist insbesondere ebenfalls durch entsprechende Programmierung eines Funktionsmoduls, z. B. Koordinationsmodul K1 , derart ausgestaltet, dass die minimal zulässige Drehzahlschwelle nmin und die maximale zulässige Drehzahlschwelle nmax auf Radebene jeweils in eine minimal zulässige Drehzahlschwelle min und eine maximal zulässige Drehzahlschwelle Nmax auf Antriebsmotorebene umgerechnet wird, sofern die Fahrdynamiksteuereinheit 2 diese Drehzahlwerte nicht schon selbst auf Motorebene vorgibt.

In diesem Beispiel werden alle Werte nur an die Antriebssteuereinheit 3 ausgegeben, die ihrerseits die minimal zulässige Drehzahlschwelle n _m in_HA und die maximal zulässige Drehzahlschwelle n _m ax_HA für die Hinterachse HA selbst verarbeitet sowie die minimal zulässige Drehzahlschwelle nmin_vA und die maximal zulässige Drehzahlschwelle n _ma x_vA für die Vorderachse VA an die Antriebssteuereinheit 5 zur weiteren Verarbeitung weiterleitet. Die Drehzahlregelungen werden daraufhin für jede Achse HA und VA getrennt jeweils von den Drehzahlregelmodulen NR1 und NR2 der beiden

Antriebssteuereinheiten 3 und 5 analog der Vorgehensweise gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vorgenommen.

Es wurde erkannt, dass erstens die Drehzahl und/oder der Schlupf als Soliwert anstelle des Moments als Sollwert zu einer schnelleren Ausregelung einer Schlupfabweichung führt und dass zweitens auch die Verwendung eines Soll-Korridors anstelle eines Soll-Wertes den Komfort spürbar erhöht. Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung der Erfindung für

Allradfahrzeuge, wonach bei Allrad-Antrieben eine Differenzschlupfregelung durchgeführt wird, bei der die Sollwertvorgabe einer Achse (z.B. der

Vorderachse) eine Funktion des Istwerts der anderen Achse (z.B. der Hinterachse) ist. Im Anwendungsbeispiei gemäß Fig. 2 ergibt sich der Soll- Schlupf der Vorderachse aus dem gemessenen Ist-Schlupf der Hinterachse plus einem Differenzschlupf-Faktor, der in Abhängigkeit der Fahrsituation empirisch ausgeprägt werden kann. Durch den Differenzschlupf-Faktor lässt sich ein definiertes Allrad-Fahrverhalten vergleichbar einer Misch bereif ung mit unterschiedlichen Radradien an Vorder- und Hinterachse ausprägen. Dieser Mischbereifungsansatz wirkt sich in Testfahrten sehr positiv auf Fahrbarkeit und Reproduzierbarkeit aus. Mit dem oben beschriebenen Regelansatz lässt sich dieses Fahrverhalten nun unabhängig von der Bereifung darstellen.