Die Erfindung betrifft ein Brake-by-Wire System für einen ausfallssicheren Betrieb eines Fahrzeugs mittels Zonensteuergeräten.

Der Bremswunsch des Fahrers wird in der Regel über das Bremspedal ausgelesen. Es haben sich zwei Varianten etabliert. Das Bremspedal wirkt direkt auf die Hydraulik, welche die Bremsen ansteuert, oder ein elektronisches Bremspedal gibt ein Signal an die Hydraulik, welche auf die Bremsen wirkt. Bekannt sind beispielsweise elektrohydraulische Bremsen für PKWs und elektronische Bremssysteme für Nutzfahrzeuge.

Weiter bekannt sind Handbremseinheiten, die elektronisch über einen Schalter betätigt werden und auf Hinterräder wirken.

Nachteilig im bekannten Stand der Technik sind, dass elektrohydraulische Bremsen auf eine Hydraulik umfassend Hydroaggregate, Druckspeicher und hydraulische Leitungen angewiesen sind und damit mehrere Komponenten umfassen und eine höhere Gewichtsbelastung bedeuten, was insbesondere im Kontext von Elektrofahrzeugen nachteilig ist. Im Vergleich dazu erscheinen elektromechanische oder elektromagnetische Bremsen in Form von Brake-by-Wire Systemen vorteilhaft, insbesondere hinsichtlich einer sich ergebenden Gewichtseinsparung durch den Verzicht hydraulischer Komponenten. Allerdings ist bei Brake-by-Wire Systeme von einer höheren Ausfallwahrscheinlichkeit durch die Beschränkung auf elektrische Signale auszugehen.

Aufgabe der Erfindung war es, wie ein ausfallsicheres Brake-by-Wire System realisiert werden kann.

Der Gegenstand des Anspruches 1 löst diese Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Definitionen, den Unteransprüchen, der Zeichnung und der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.

Die Erfindung stellt ein Brake-by-Wire System bereit für einen ausfallssicheren Betrieb eines Fahrzeugs mittels Zonensteuergeräten. Das System umfasst wenigstens

• ein erstes Zonensteuergerät, das in einem ersten Bereich des Fahrzeuges anordbar ist, Funktionen von wenigstens in dem ersten Bereich vorhandenen ersten Fahrzeugkomponenten bedient und die ersten Fahrzeugkomponenten regelt und/oder steuert;

• ein zweites Zonensteuergerät, das in einem zweiten Bereich des Fahrzeuges anordbar ist, Funktionen von wenigstens in dem zweiten Bereich vorhandenen zweiten Fahrzeugkomponenten bedient und die zweiten Fahrzeugkomponenten regelt und/oder steuert;

• eine Datenverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Zonensteuergerät, über die mittels Sensoren erhaltene Fahrdynamikdaten bereitgestellt werden;

• eine Betätigungseinrichtung, die bei einem Ausfall der Datenverbindung ein Gateway zwischen dem ersten und dem zweiten Zonensteuergerät, bei einem Ausfall des ersten Zonensteuergeräts und/oder eines Teils der ersten Fahrzeugkomponenten ein Gateway zu dem zweiten Zonensteuergerät oder bei einem Ausfall des zweiten Zonensteuergeräts und/oder eines Teil der zweiten Fahrzeugkomponenten ein Gateway zu dem ersten Zonensteuergerät bildet, wobei über das Gateway wenigstens ein Teil der ersten und/oder ein Teil der zweiten Fahrzeugkomponenten regel- und/oder steuerbar ist.

Ein Brake-by-Wire System ist ein X-by-Wire System, bei dem ein Bremswunsch nicht mechanisch, sondern über Signale übertragen wird.

Mit X-by-Wire wird der Ersatz von mechanischen Verbindungen, Signalen und Systemen zur manuellen Steuerung durch die Leitung elektrischer, elektronischer, optoelektronischer oder optischer Steuersignale zwischen den verwendeten Bedienelementen und den ausführenden Aktuatoren bezeichnet, zum Beispiel drückt Fly-by- Wire aus, dass im Flugzeug nicht mehr wie bisher der Steuerimpuls zwischen Steuerknüppel und Steuerruder mechanisch übertragen wird. Der Inhalt des vorangehenden Satzes ist Wikipedia entnommen und unterliegt der CC-BY-SA-Lizenz.

Fahrzeuge umfassen Straßenfahrzeuge umfassend PKWs, People oder Cargo Mover, und Nutzfahrzeuge. Nach einem Aspekt der Erfindung ist das Fahrzeug ein Hybridelektrofahrzeug oder ein Elektrofahrzeug.

Ein Zonensteuergerät oder auch Zone-Controller genannt kontrolliert mehrere Baugruppen oder Fahrzeugkomponenten in einer Zone des Fahrzeuges, beispielsweise kontrolliert ein vorderes Zonensteuergerät die Bremsaktuatoren der vorderen Fahrzeugräder, die Frontbeleuchtung, die vorderen Fahrzeugblinker und ein Entertainmentsystem. Ein hinteres Zonensteuergerät kontrolliert beispielsweise die Bremsaktuatoren der hinteren Fahrzeugräder, die Rückbeleuchtung und die hinteren Fahrzeugblinker. Das Zonensteuergerät bildet einen Knotenpunkt, beispielsweise einen Knotenpunkt in einem Bordnetz des Fahrzeuges, für beispielsweise die Datenverbindungen und Energieverteilung zu Sensoren, Aktuatoren, Peripheriegeräten und externen Baugruppen in seiner Nähe. Damit wird die Anzahl an Steuergeräten reduziert. Durch eine strategische Platzierung in der Zone wird nach einem Aspekt der Erfindung die Komplexität und/oder die Kosten der Verkabelung verringert. Durch die Verringerung der Anzahl an Steuergeräten verringert sich auch die Anzahl an erforderlichen Kühlem für die Steuergeräte. Nach einem Aspekt umfasst das Zonensteuergerät nur einen Kühler. Damit wird Leistung eingespart, was insbesondere bei Hybridelektrofahrzeugen und/oder Elektrofahrzeugen vorteilhaft ist betreffend die Batterieleistung. Betreffend Energieverteilung können in einer derartigen Zonenarchitektur, in der Sensoren und/oder Peripheriegeräte mit dem nächstgelegenen Zonensteuergerät verbunden sind, einzelne Funktionen, die das Zonensteuergerät bedient, temporär ausgeschaltet werden, beispielsweise das Entertainmentsystem, um Energie zu sparen. Die Verwendung von zwei Zonensteuergeräten erhöht die Redundanz in dem System.

Der erste Bereich des Fahrzeuges ist beispielsweise der in eine Vorwärtsfahrtrichtung des Fahrzeuges vordere Bereich des Fahrzeuges. Der zweite Bereich des Fahrzeuges ist beispielsweise der in eine Vorwärtsfahrtrichtung des Fahrzeuges hintere Bereich des Fahrzeuges. Durch die Aufteilung der elektrischen/elektronischen Ansteuerung in einen vorderen Funktionskreis und hinteren Funktionskreis können bei aus eingesparten Steuergeräten und Verkabelung resultierendem geringerem Gewicht die Vorteile eines komplett elektromechanischen oder elektromagnetischen X-by-Wire wirkendem System genutzt werden.

Die Fahrdynamikdaten umfassen Geschwindigkeit und Beschleunigung des Fahrzeuges.

Die Sensoren, die die Fahrdynamikdaten messen, umfassen Raddrehzahlsensoren, nach einem Aspekt mit Drehrichtungssensierung, Drehrate- und Querbeschleunigungssensoren, Lenkwinkelsensoren, Intertialmesseinheiten, auch inertial measurement units genannt, Radar- und/oder Lidarsensoren. Diese Sensoren liefern Daten über die Geschwindigkeit, den Bewegungszustand der Räder, über Fahrzustände wie beispielsweise Kurvenfahrt, und den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug für eine adaptive Geschwindigkeitsregelung, auch adaptive cruise control genannt. Nach einem Aspekt der Erfindung wird die erforderliche Messtechnik in einem Zonensteuergerät integriert.

Diese Daten werden über die Datenverbindung beiden Zonensteuergeräten bereitgestellt. Die Datenverbindung erfolgt nach einem Aspekt fiberoptisch.

Ein Gateway bezeichnet eine Hardware- und/oder Softwarekomponente, welche zwischen zwei Systemen eine Verbindung herstellt. Die Bezeichnung Gateway impliziert, dass die weitergeleiteten Daten bearbeitet werden. Der Inhalt der beiden vorangehenden Sätze ist Wikipedia entnommen und unterliegt der CC-BY-SA-Lizenz. Die Betätigungseinrichtung löst damit über das Gateway einen möglichen Ausfall in der Datenleitung.

Nach einem weiteren Aspekt umfasst das erste und/oder das zweite Zonensteuergerät eine Middleware. Computerprogramme zum Regeln und/oder Steuern der ersten und/oder zweiten Fahrzeugkomponenten melden sich über die Middleware an. Middleware ist ein anwendungsneutrales Programm, das zwischen Anwendungen und Betriebssystemen von Hardwaremodulen vermittelt. Mittels der Middleware können Anwendungen oder auch Applikationen genannt unabhängig von einem Hardwaremodul, beispielsweise einem Steuergerät, verwendet werden. Die Zonensteuergerät realisieren zusammen mit der Middleware eine service oriented architecture, was insbesondere im Zusammenhang von Software defined Car, insbesondere E/E Architekturen von Elektrofahrzeugen, vorteilhaft ist.

Nach einem weiteren Aspekt ist das System dadurch gekennzeichnet, dass

• die ersten Fahrzeugkomponenten erste Bremsaktuatoren für vordere Räder des Fahrzeugs umfassen;

• die zweiten Fahrzeugkomponenten zweite Bremsaktuatoren für hintere Räder des Fahrzeuges umfassen;

• die Betätigungseinrichtung eine Handbremseinheit ist, wobei bei einem Ausfall eines des ersten oder zweiten Zonensteuergeräts und/oder der ersten oder der zweiten Bremsaktuatoren die Handbremseinheit ein Bremspedal in Wirkverbindung mit dem jeweils aktiven Zonensteuergerät oder mit den jeweils aktiven Bremsaktuatoren setzt.

Mittels des ersten und zweiten Zonensteuergeräts und der Handbremseinheit erfolgt eine geregelte, elektronische, Rad individuelle Bremskraftverteilung in Abhängigkeit von der Fahrsituation. Aufgrund der vollständig elektronischen Regelung kann das Brake-by-Wire System mit weiteren Fahrzeugführungssystemen, umfassend assistierte Fahrsysteme, auch advanced driver assistance systems, und autonome Fahrsysteme, auch autonomous driving systems genannt, vernetzt werden.

Sollten einzelne Bremsaktuatoren ausfallen, kann damit über die Zonenregelung mittels der Handbremseinheit der Ausfall und das daraus resultierende Moment kompensiert werden.

Nach einem Aspekt wird die Handbremseinheit elektronisch über einen Schalter betätigt. Nach einem Aspekt wirkt die Handbremseinheit auf die hinteren Räder. Die ersten und/oder zweiten Bremsaktuatoren sind nach einem Aspekt elektronische Bremsaktuatoren. Damit fällt eine Hydraulik weg und Gewicht kann eingespart werden. Nach einem weiteren sind in den elektronischen Bremsaktuatoren weitere Funktionen integriert. Dam it werden mehr Funktion als mit herkömmliche Hydraulik Bremszangen geboten. Damit stellt die Erfindung ein vollelektrisches Brake-by-Wire System mit erweiterter Redundanz durch Funktionsverteilung in einer Zonenarchitektur bereit.

Nach einem Aspekt kann das erste oder das zweite Zonensteuergerät die ersten und die zweiten Bremsaktuatoren ansteuern.

Nach einem weiteren ist über die Handbremseinheit eine Notbremsung des Fahrzeuges regel- und/oder steuerbar. Fällt beispielsweise die Datenverbindung zu dem hinteren Zonensteuergerät aus, kann damit für eine Notbremsung der Kommunikationskanal über die Handbremseinheit als dezentrales Gateway genutzt werden. Die Handbremseinheit erhält damit die Bremsfunktionalitäten aufrecht. Selbst bei einem Ausfall der kompletten vorderen Einheit umfassend das erste Zonensteuergerät und die ersten Bremsaktuatoren kann der Fahrer über das mittels Handbremseinheit an das hintere System umfassend das zweite Zonensteuergerät und die zweiten Bremsaktuatoren angeschlossene Bremspedal das Fahrzeug zum Stehen bringen. Damit wird eine ausfallsichere kontrollierbare Notbremsung realisiert.

Nach einem weiteren Aspekt liest das erste und/oder das zweite Zonensteuergerät einen Bremswunsch mehrkanalig ein, beispielsweise dreikanalig, das heißt über ein Voting von mehreren Sensoren, beispielsweise drei Sensoren. Die Zonensteuergeräte können einen Mehrkanalprozessor, beispielsweise einen Mehrkanalprozessor mit Lockstep, umfassen. Dadurch werden Fehler in der Hardware besser erkannt. Damit wird die Betriebssicherheit oder auch safety genannt des Systems erhöht.

Nach einem weiteren Aspekt sind auf dem ersten und/oder dem zweiten Zonensteuergerät Funktionen für ein assistiertes und/oder ein autonomes Fahren allokiert. Die Funktionen umfassen ein Regeln und/oder Steuern von Bremseingriffen für eine adaptive Geschwindigkeitsregelung des Fahrzeuges. Damit kann das System die Bremsen ohne Pedalwirkung ansteuern.

Nach einem weiteren Aspekt umfasst das System die ersten und/oder zweiten Bremsaktuatoren. Die ersten und/oder zweiten Bremsaktuatoren sind unabhängig von dem ersten und/oder zweiten Zonensteuergerät abhängig von einer Geschwindigkeit des Fahrzeuges aktivierbar zum Einleiten einer kontrollierten Vollbremsung. Damit kann auch im Falle eines Komplettausfalls des ersten und des zweiten Zonensteuergeräts und/oder der ersten und der zweiten Bremsaktuatoren, beispielsweise im Falle eines kompletten Energieausfalls, das Fahrzeug kontrolliert zum Stehen gebracht werden. Nach einem Aspekt werden die ersten und/oder die zweiten Bremsaktuatoren über eine Geschwindigkeitskennlinie des Fahrzeuges aktiviert.

Nach einem weiteren Aspekt regelt und/oder steuert das System bei einem längeren Stillstand des Fahrzeuges die ersten und/oder zweiten Bremsaktuatoren derart, dass Bremsen des Fahrzeuges geöffnet und geschlossen werden zum Verhindern einer Blockage der Bremsen. Damit kann ein Festbacken und/oder ein Festfrieren der Bremsen verhindert werden.

Nach einem weiteren Aspekt regelt und/oder steuert das System bei Nässe die ersten und/oder zweiten Bremsaktuatoren derart, dass Bremsen des Fahrzeuges regelmäßig von einem Wasserfilm befreit werden. Damit wird ein sogenanntes Trockenbremsen realisiert. Durch diese Maßnahme wird ein Anhalteweg bei Nässe verkürzt. Die Information zum Aktivieren dieser Funktion wird nach einem Aspekt aus dem Scheibenwischersignal abgeleitet.

Nach einem weiteren Aspekt umfassen das erste und/oder das zweite Zonensteuergerät eine Middleware. Computerprogramme zum Regeln und/oder Steuern der ersten und/oder zweiten Bremsaktuatoren, umfassend Computerprogramme, die in Abhängigkeit der mittels Sensoren erhaltenen Fahrdynamikdaten eine Bremsstrategie für eine Verzögerung des Fahrzeuges bestimmen, melden sich über die Middleware an, umfassend das Anmelden über Plug and Play und/oder Software-over-the-Air. Damit können bereits vorhandene X-by-Wire Systeme zu Brake-by-Wire Systeme aktualisiert oder erweitert werden. Die Computerprogramme können bestimmte Algorithmen umfassen, gemäß denen Regel- und/oder Steuerbefehle berechnet werden, die die Zonensteuergeräte an die Bremsaktuatoren weiterleiten zum Bremsen des Fahrzeuges.

Nach einem Aspekt, insbesondere bei einem Anmelden über Plug and Play, stellt die Erfindung computerlesbare Datenträger bereit, auf denen die die Computerprogramme zur Verzögerungsbestimmung des Fahrzeuges gespeichert sind. Die Datenträger umfassen flüchtige Speicher, beispielsweise RAM, DRAM, SRAM, und nichtflüchtige Speicher, beispielsweise ROM, Flash-EEPROM. Die Datenträger sind beispielsweise Flash-Speicherkarten oder USB-Sticks.

Nach einem Aspekt, insbesondere bei einem Anmelden über Software-over-the-Air, stellt die Erfindung Datenträgersignale bereit, die die Computerprogramme zur Verzögerungsbestimmung des Fahrzeuges übertragen.

Nach einem Aspekt adaptieren die Zonensteuergeräte, beispielsweise mittels der entsprechenden Computerprogramme zur Verzögerungsbestimmung des Fahrzeuges, die Bremscharakteristik an die Fahrsituation, zum Beispiel durch sportlicheres Ansprechen bei hoher Geschwindigkeit.

Die Erfindung wird in dem folgenden Ausführungsbeispiel verdeutlicht. Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brake-by-Wire Systems.

Fig. 1 zeigt als ein Fahrzeug 100 einen PKW. Das X-by-Wire System ist ein Brake- by-Wire System des Fahrzeuges. Ein Bremswunsch des Fahrers oder eines Fahrassistenzsystems oder eines autonomen Fahrsystems wird beispielsweise dreikanalig von einem nächstgelegenen Zonensteuergerät 10, 20 aufgenommen. Sofern eine ADAS/ AD Funktion 13 beispielsweise auf dem ersten Zonensteuergerät 10 allokiert ist, ist die Kommunikation zwischen den Funktionsblöcken redundant ausgeführt.

In dem ersten Steuergerät 10 laufen Fahrdynamikdaten 1 und die Rückmeldung der ersten Fahrzeugkomponenten 11 , 12. Die ersten Fahrzeugkomponenten umfassen einen ersten Bremsaktuator 11 für die vordere rechte Bremse und einen zweiten Bremsaktuator 12 für die vordere linke Bremse. Basierend darauf wird eine optimale Bremsstrategie für die Verzögerung des Fahrzeugs 100 berechnet und an die Aktuatoren 11 , 12, 21 , 22 weitergeleitet. Die Fahrdynamikmessung umfasst Daten einer Inertia Measurement Unit, beispielsweise Daten aus einer Airbag ECU, sowie Radrehzahlen der Bremsen. Die Fahrdynamikdaten werden an beiden Zonensteuergeräten 10, 20 bereitgestellt.

Die Ansteuerung kann dabei entweder direkt von einem Primär-Steuergerät an alle Bremsaktuatoren 11 , 12, 21 , 22 geleitet werden. Um zusätzliche Redundanz im System zu haben, werden die zweiten Fahrzeugkomponenten 21 , 22, umfassend einen zweiten Bremsaktuator 21 für die hintere rechte Bremse und einen zweiten Bremsaktuator 22 für die hintere linke Bremse, über das zweite Zonensteuergerät 20 hinten angesteuert.

Falls der Primär-Pfad zum hinteren Zonensteuergerät 20 ausfällt, kann für Notbremsung ein Kommunikationskanal über eine Handbremseinheit 30 als dezentrales Gateway genutzt werden. Sollten einzelnen Bremsaktuatoren 11 , 12, 21 , 22 ausfallen, kann über die Regelung der Ausfall und das daraus resultierende Moment kompensiert werden.

Das Zonensteuergerät 10 vorne kann neben der Bremsfunktion auch unter Beachtung der Rückwirkungsfreiheit weiter Funktionen bedienen.

Durch den Wegfall der Hydraulik kann Gewicht eingespart werden. Elektronische Bremsaktuatoren 11 , 12, 21 , 22 können durch weitere Funktionsintegration mehr Funktion bieten als herkömmliche Hydraulik Bremszangen.

Sicherheit wird durch den getrennten Aufbau und den möglichen dezentralen Gateway über die Handbremseinheit 30 geboten. Selbst beim Ausfall der kompletten vorderen Einheit 10, 11 , 12 kann der Fahrer über das m ittels Handbremseinheit 30 an das hintere System 20, 21 , 22 angeschlossene Bremspedal 3 das Fahrzeug 100 zum Stehen bringen. Ein Fahrpedal 2 kann auch zu dem X-by-Wire System gehören. Sofern ein Kontroller 10, 20 aktiv ist, kann über die Dynamikmessung noch eine Notbremsung durchgeführt werden, um die Auswirkung eines Unfalls zumindest zu mindern.

Intelligent Bremsaktuatoren 11 , 12, 21 , 22 können im Falle eines kompletten Energieausfalls über eine Geschwindigkeitskennlinie das Fahrzeug 100 kontrolliert zum Stehen bringen.

Bei längerem Stillstand können die Aktuatoren 11 , 12, 21 , 22 der Bremse kaskadie- rend öffnen und schließen, um ein Festbacken/ festfrieren zu verhindern.

Bezuqszeichen

Fahrdynamikdaten

Fahrpedal

Bremspedal erstes Zonensteuergerät erste Fahrzeugkomponente erste Fahrzeugkomponente

ADAS/AD Funktion zweites Zonensteuergerät zweite Fahrzeugkomponente zweite Fahrzeugkomponente

Fahrzeug