Titel

Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsmotor, Recheneinheit und Computerprogramm

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsmotor sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.

Hintergrund der Erfindung

Zum Bremsen eines Fahrzeugs stehen verschiedene technische Vorrichtungen zur Verfügung, beispielsweise Radbremsen oder auch Elektromotoren, die entweder generatorisch betrieben werden, so dass in der Spule des Elektromotors ein bremsendes Magnetfeld induziert wird, oder die gezielt so bestromt werden, dass der Elektromotor mit einem das Fahrzeug verzögernden Moment beaufschlagt ist.

Die Regelung von elektrischen Motoren in Fahrzeugen basiert in der Regel auf einem Sollmoment als Führungsgröße. Da elektrische Motoren unabhängig von der Drehrichtung sowohl ein positives als auch ein negatives Moment stellen können, besteht im Bereich niedriger Geschwindigkeiten das Problem, eine bestimmte Position oder Geschwindigkeit des elektrischen Motors genau zu stellen. Hierbei muss sichergestellt werden, dass zu keinem Zeitpunkt ein Moment erzeugt wird, dass das Fahrzeug entgegen einer gewünschten Bewegungsrichtung beschleunigt. Falls beispielsweise gewünscht ist, das Fahrzeug mittels des elektrischen Motors bis zum Stillstand abzubremsen, muss sichergestellt werden, dass unmittelbar auf den Stillstand keine Rückwärtsfahrt erfolgt, die durch ein entsprechendes Moment des elektrischen Motors eingeleitet wird. Der Stillstand des Fahrzeugs wird üblicherweise basierend auf einer Auswertung der Fahrzeuggeschwindigkeit erkannt, die Fahrzeuggeschwindigkeit wiederum wird aus einer Raddrehzahl abgeleitet. Hierfür werden üblicherweise Inkrementalgeber verwendet, so dass das Geschwindigkeitssignal des Fahrzeugs nur als unstetige Funktion vorliegt. Bedingt durch diese Messungenauigkeit sowie die Tatsache, dass Latenzen bei der Signalverarbeitung vorhanden sind, ist die Verwendung der Raddrehzahl als Eingangsgröße zur Regelung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs im Bereich niedriger Geschwindigkeiten, insbesondere bei Geschwindigkeiten nahe null, nicht geeignet.

Zur Verbesserung wird in der DE 10 2019 205 180 A1 ein Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeugs, das einen elektrischen Antriebsmotor umfasst, vorgestellt, wobei das Fahrzeug unter Verwendung einer Geschwindigkeitsregelung des elektrischen Antriebsmotors zum Stillstand gebracht wird.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsmotor sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung betrifft im Einzelnen ein Verfahren zum Bremsen eines Fahrzeugs mit einem elektrischen Antriebsmotor, wobei in einer ersten Bremsphase ein Sollwert für ein Bremsmoment an den elektrischen Antriebsmotor vorgegeben wird, wobei eine aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs als Istgeschwindigkeit erfasst wird, wobei, wenn die Istgeschwindigkeit einen Schwellwert für eine Fahrzeuggeschwindigkeit erreicht, die Vorgabe des Sollwerts für ein Bremsmoment beendet wird und in einer zweiten Bremsphase eine Geschwindigkeitssollwert- trajektorie vorgegeben wird, wobei die Geschwindigkeitssollwerttrajektorie ausgehend von dem Schwellwert für die Fahrzeuggeschwindigkeit bis zur Geschwindigkeit null verläuft, und wobei der Schwellwert für die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird aus einer aktuellen Verzögerung des Fahrzeugs und einem Ruckwert.

Im Rahmen der Erfindung wird eine verbesserte Möglichkeit zum Abbremsen, insbesondere Anhalten eines Fahrzeugs mit elektrischem Antriebsmotor vorgestellt, wobei eine Geschwindigkeitssollwerttrajektorie in besonderer Weise bestimmt wird.

Es hat sich gezeigt, dass für ein komfortables Anhaltemanöver eine relativ hohe Regelgüte erreicht werden muss. Besonders kritisch sind Überschwinger am Ende des Anhaltevorgangs, die das Fahrzeug entgegen der gewünschten Fahrtrichtung beschleunigen und zu einem für den Fahrer unplausiblen Fahrzeugverhalten führen können. Ebenso problematisch sind Ereignisse, die während des Anhaltevorgangs auftreten, wie Bodenwellen oder Hindernisse (Bordsteine). Diese stellen für den Regler eine Störung dar, die er zu kompensieren versucht, was auch für den Fahrer unplausibel sein kann.

Die Erfindung befasst sich daher insbesondere - im Rahmen eines Anhaltevorgangs - mit der Bestimmung der Geschwindigkeitssollwerttrajektorie. Primäre Ziele sind maximaler Fahrkomfort und die Vermeidung von unplausiblem Fahrzeugverhalten. Der Ruck als Änderungsrate der Beschleunigung über die Zeit ist entscheidend für den Komfort eines Fahrmanövers. Je kleiner der Ruck, desto komfortabler wird das Manöver vom Fahrer empfunden. Konstanter Ruck führt zu einer linearen Änderung der Beschleunigung. Umgekehrt ergibt für eine gegebene Änderung der Beschleunigung innerhalb einer festen Zeit eine lineare Beschleunigungskurve den kleinsten Ruck.

In einer Ausgestaltung wird der Schwellwert für die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt als Quotient aus dem Quadrat der aktuellen Verzögerung des Fahrzeugs und dem Doppelten des Ruckwerts. Bei dieser Variante gehen nur wenige Parameter in die Bestimmung ein, so dass diese sehr einfach durchführbar ist.

In einer Ausgestaltung ist der Ruckwert ein vorgegebener Ruckwert. Er kann beispielsweise vom Hersteller anhand von Komfortgesichtspunkten vorgegeben sein. Er kann auch anhand von Fahrzeug- bzw. Antriebsspezifikationen vorgegeben sein, z.B. ein notwendiger minimal vom Fahrzeug bereitstellbarer Ruck.

In einer Ausgestaltung ist in der Geschwindigkeitssollwerttrajektorie eine lineare Abnahme der Verzögerung ausgehend von der aktuellen Verzögerung bei Beginn der zweiten Bremsphase bis zum Wert null bei Geschwindigkeit null enthalten. Dies führt zu einem kleinstmöglichen Ruck und damit größtmöglichem Komfort.

Wenn zu einem Zeitpunkt die Istgeschwindigkeit geringer als die durch die Ge- schwindigkeitssollwerttrajektorie vorgegebene Sollgeschwindigkeit ist, wird in einer Ausgestaltung die Sollgeschwindigkeit auf die Istgeschwindigkeit reduziert und die Geschwindigkeitssollwerttrajektorie ausgehend von dem der Istgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeitssollwert weiter durchfahren. Damit kann eine effektive Störungskompensation erzielt werden.

In einer Ausgestaltung wird aus der Geschwindigkeitssollwerttrajektorie eine Ver- zögerungssollwerttrajektorie bestimmt, und es wird eine Bremsmomentvorsteuer- werttrajektorie in Abhängigkeit von der Verzögerungssollwerttrajektorie berechnet und vorgegeben. Durch eine solche Vorsteuerung muss der Geschwindigkeitsregler möglichst wenig regelnd eingreifen, das die Stellgröße, hier ein Bremsmoment, im Wesentlichen bereits durch einen Vorsteuerwert vorgegeben wird.

In einer Ausgestaltung wird die Bremsmomentvorsteuerwerttrajektorie in Abhängigkeit von dem Sollwert für das Bremsmoment am Ende der ersten Bremsphase, von der aktuellen Verzögerung bei Beginn der zweiten Bremsphase und von einem am Ende der zweiten Bremsphase zur Aufrechterhaltung einer Geschwindigkeit null des Fahrzeugs notwendigen Stillstandsdrehmoment bestimmt. Bei dieser Variante gehen nur wenige Parameter in die Bestimmung ein, so dass diese sehr einfach durchführbar ist, wobei insbesondere auch ein Stillstandsdrehmoment bereits berücksichtigt ist und daher später nicht nachjustiert werden muss. In einer Ausgestaltung dem vorstehenden Anspruch, wobei die Bremsmoment- vorsteuerwerttrajektorie ausgehend von dem Sollwert für das Bremsmoment am Ende der ersten Bremsphase linear bis zu dem zur Aufrechterhaltung einer Geschwindigkeit null des Fahrzeugs notwendigen Stillstandsdrehmoment verläuft. Mit dieser Variante kann eine lineare Verzögerungsabnahme in der Geschwindig- keitssollwerttrajektorie sehr einfach erreicht werden.

Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Fahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.

Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash- Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN- Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, das zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist;

Figur 2 zeigt Verläufe von Fahrtstrecke, Fahrzeuggeschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck bei einem beispielhaften Anhaltevorgang gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 3 zeigt Verläufe von Fahrtstrecke, Fahrzeuggeschwindigkeit, Beschleunigung und Drehmoment bei einem beispielhaften Anhaltevorgang gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.

Ausführungsform(en) der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 10, das zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Das Fahrzeug 10 umfasst eine Steuereinheit 12, bei der es sich insbesondere um die Steuereinheit einer Leistungselektronik handeln kann. Das Fahrzeug 10 umfasst ferner einen elektrische Antriebsmotor 14, der dazu eingerichtet ist, wenigstens ein Rad 11 des Fahrzeugs 10 anzutreiben. An dem elektrischen Antriebsmotor 14 ist eine Sensorvorrichtung 15 derart angeordnet, dass die Sensorvorrichtung 15 eine Winkelposition und/ oder eine Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors 14 erfasst und an die Steuereinheit 12 übermittelt. Die Steuereinheit 12 steht über eine Signalleitung mit dem elektrischen Antriebsmotor 14 in Verbindung, so dass der elektrische Antriebsmotor 14 durch die Steuereinheit 12 geregelt und/oder gesteuert werden kann.

Möchte beispielsweise ein Fahrer das Fahrzeug zum Stillstand bringen, betätigt er dazu üblicherweise eine Bremse. Im Rahmen einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Bremsvorgang unter Einsatz des Antriebsmotors 14 durchgeführt wird, wie es beispielhaft im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren zusammenhängend und übergreifend beschrieben wird. In Figur 2 ist ein beispielhafter Anhaltevorgang in Form eines Graphen dargestellt, in dem Fahrtstrecke bzw. Position 201, Fahrzeuggeschwindigkeit 202, Be- schleunigung/Verzögerung 203 und Ruck 204 gegen die Zeit aufgetragen sind. Es ist erkennbar, dass in einer ersten Bremsphase bis zum Zeitpunkt to mit konstanter Verzögerung gebremst wird, die beispielsweise ao beträgt, und durch Vorgabe eines Sollwerts für ein Bremsmoment an den elektrischen Antriebsmotor erreicht wird.

Zum Zeitpunkt t ₀ wird die Geschwindigkeit v ₀ als Schwellwert für eine Fahrzeuggeschwindigkeit erreicht, was das Auslöseereignis für den Übergang in die zweite Bremsphase darstellt. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Geschwindig- keitssollwerttrajektorie bestimmt, wie weiter unten erläutert, und der Antriebsmotor 14 nach Maßgabe dieser Geschwindigkeitssollwerttrajektorie 202 bis zum Stillstand abgebremst. Insbesondere ergibt sich daraus eine lineare Abnahme der Verzögerung 203 bis zum Wert null bei Geschwindigkeit null zum Zeitpunkt ti.

Im Folgenden wird ein Verfahren zur Berechnung der Geschwindigkeitssollwert- trajektorie gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Auf der Grundlage der Fahrzeugbeschleunigung wird eine Startgeschwindigkeit berechnet, bei der die Geschwindigkeitsregelung beginnt. Die Ausgangsbedingungen (r=r ₀ ) lauten dementsprechend: v(t ₀ ) Anfangsbeschleunigung v(t ₀ ) Anfangsgeschwindigkeit

Am Ende der Trajektorie (t=ti) muss das Fahrzeug zum Stillstand kommen. Dementsprechend lauten die Endbedingungen v(ti) = 0 v(ti) = 0

Anhand der Randbedingungen kann der zeitliche Verlauf der Geschwindig- keitstrajektorie für eine lineare Abnahme der Beschleunigung berechnet werden.

Die Integration der Beschleunigung a(t) = k ■ t + a ₀ (1) führt zur Geschwindigkeit

Am Ende der Trajektorie erreichen sowohl Geschwindigkeit als auch Beschleunigung den Wert 0: t = T: v = 0, a = 0.

Somit kann Gleichung (1) umgestellt werden zu

0 = k ■ T + a ₀ (3)

Gleichung (2) wird zu k

0 — — T ² + a ₀ T + v ₀ (4)

Durch Kombination von (3) und (4) kann die Steigung k (Ruck) eliminiert werden, was die Dauer der Trajektorie bis zum Erreichen des Stillstandes ergibt:

Nun können die Gleichungen für Beschleunigung v, Geschwindigkeit a und Position x (unter der Annahme, dass x{t = 0) = 0) während des Anhaltevorgangs angegeben werden.

Der Ruck k definiert, wie hart oder weich sich das Anhalten für den Fahrer anfühlt. Daher ist es möglich, k als Kalibrierungsparameter zu definieren und damit den Einstiegspunkt der Geschwindigkeitsregelungssequenz zu berechnen. Auf diese Weise kann die zweite Bremsphase an dem Punkt beginnen, an dem die Beschleunigungsrampe mit der Steigung k ausgehend von der aktuellen Beschleunigung cio genau zum Stillstand führt. llnter der Annahme, dass k für das gegebene Fahrzeug definiert ist, kann die Anfangsgeschwindigkeit berechnet werden, indem die Dauer T aus den Gleichungen eliminiert wird.

Die zweite Bremsphase startet dementsprechend, wenn die Istgeschwindigkeit den Schwellwert vo erreicht, v < vo.

Äußere Kräfte können dazu führen, dass das Fahrzeug schneller als beabsichtigt abbremst, z.B. weil eine Bodenwelle oder Bordsteinkante überfahren wird. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Trajektorie nachzujustieren, was zu einem insgesamt kürzeren Bremsweg führt. Ohne diese Nachjustierung würde die Regelung der Geschwindigkeitsabnahme durch eine Beschleunigung entgegenwirken, um die Sollwerte für die ursprüngliche Trajektorie zu erreichen. Dies soll vermieden werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher eine Störkorrektur vorgesehen, wie sie beispielhaft im Folgenden unter Bezugnahme auf Figur 3 beschrieben wird, in der Verläufe von Beschleunigung a, Fahrzeuggeschwindigkeit v, Fahrtstrecke bzw. Position x, und Drehmoment M bei einem beispielhaften Anhaltevorgang gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung gezeigt sind. Verläufe 301 ohne Störung sind gestrichelt gezeichnet, gestörte und korrigierte Verläufe 302 durchgezogen. Der Störungszeitpunkt ist durch die Linie 303 gekennzeichnet. Ein durch die Störung und Nachjustierung erzielter früherer Anhaltezeitpunkt durch die Linie 304.

Ein entsprechendes Vorgehen beruht auf folgenden Annahmen:

Eine Störung wie z.B. Bodenwelle wird erkannt, wenn zu einem bestimmten Zeitpunkt 303 die tatsächliche Geschwindigkeit kleiner ist als der sich zu diesem Zeitpunkt aus der Geschwindigkeitssollwerttrajektorie ergebende Geschwindigkeitssollwert. In diesem Fall wird die Geschwindigkeitssollwerttrajektorie mit neuen Anfangswerten ao, vo, die nach der Störung vorhanden sind, neu initialisiert. Jedoch wird das Beschleunigungsgefälle k beibehalten.

Die neue Ausgangsgeschwindigkeit v ₀ ist gleich der gemessenen Geschwindigkeit nach der Störung. Es ist jedoch anzunehmen, dass - z.B. wegen der numerischen Differenzierung - das gemessene Beschleunigungssignal nach der Störung verrauscht und/oder durch den Filter verzögert ist und daher nicht zur Einstellung des neuen öö verwendet werden kann.

Die neue Anfangsbeschleunigung ergibt sich aus Gleichung (9) zu

Somit entspricht die Reinitialisierung einem Zeitsprung auf der ursprünglichen Geschwindigkeitssollwerttrajektorie, d.h. wenn zu einem Zeitpunkt die Istge- schwindigkeit geringer als die durch die Geschwindigkeitssollwerttrajektorie vorgegebene Sollgeschwindigkeit ist, wird die Sollgeschwindigkeit auf die Istge- schwindigkeit reduziert und die Geschwindigkeitssollwerttrajektorie ausgehend von dem der Istgeschwindigkeit entsprechenden Geschwindigkeitssollwert weiter durchfahren.

Die Störungskorrektur funktioniert auch bei mehreren Störungen innerhalb der gleichen Geschwindigkeitsregelungssequenz oder sogar bei "kontinuierlichen" Störungen, d.h. wenn die tatsächliche Geschwindigkeit kontinuierlich unter der berechneten Geschwindigkeit liegt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Vorgabe eines Bremsmoments im Wege einer Vorsteuerung vorgesehen, wie im untersten Diagramm in Figur 3 dargestellt. Wenngleich sich der Antriebsmotor in der zweiten Bremsphase in einer Drehzahlregelung (Drehzahlsollwert wird vorgegeben, z.B. von einem übergeordneten Steuergerät im Fahrzeug wie der sog. VCU, engl. Vehicle Control Unit) befindet, kann das Ergebnis durch die zusätzliche Bereitstellung eines Vorsteuerungsmoments verbessert werden.

Dies basiert auf den nachfolgenden Annahmen: Das Vorsteuerdrehmoment M _p u so\\ sein:

Zu Beginn der Geschwindigkeitsregelungssequenz (d.h. am Ende der ersten Bremsphase): Sollwert (Mo, EM) für das Bremsmoment am Ende der ersten Bremsphase.

Am Ende der Geschwindigkeitsregelungssequenz (d.h. am Ende der zweiten Bremsphase bzw. im Stillstand): gleich einem Stillstandsdrehmoment MSS.EM, das benötigt wird, um z. B. die Bergabfahrkraft zu kompensieren. Das Stillstandsdrehmoment MSS.EM kann insbesondere geschätzt werden, indem die Ableitung der Geschwindigkeit von der gemessenen Längsbeschleunigung eines Iner- tialsensors subtrahiert wird.

Während der Geschwindigkeitsregelung: proportional zur gewünschten Beschleunigung.

Das Vorsteuerungsmoment für den Antriebsmotor beträgt somit in einer Ausgestaltung

Die Gleichung ist auch für bei der Korrektur von Störungen gültig. Es ist lediglich zu beachten, dass ao und Mo, EM die Anfangswerte zu Beginn der gesamten Geschwindigkeitsregelungssequenz sind und bei einer Bodenwelle nicht neu initialisiert werden dürfen.