Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Bremssystems eines Kraftfahrzeugs, durch das zumindest ein Rad des Kraftfahrzeugs, das durch eine Schlupferkennungseinheit hinsichtlich des Auftretens eines Schlupfs überwacht wird, mittels einer Reibbremse und einer als Generator betreibbaren elektrischen Maschine bremsbar ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung der Rekuperationsrate während des Radschlupfregelbetriebs in einem Kraftfahrzeuges.

Stand der Technik

Bei modernen Kraftfahrzeugen findet eine kontinuierliche Schlupfkontrolle an den Rädern des Fahrzeugs statt, um die Stabilität des Fahrzeugs insbesondere auch während Bremsvorgängen gewährleisten zu können.

Kommt es nämlich bei einem Bremsvorgang zu einem unzulässig hohen Radschlupf bzw. sogar zum Blockieren eines oder mehrerer der Räder, kann es zu einem Kontrollverlust des Fahrzeugs kommen. Es wird daher versucht, den durch ein Abbremsen der Räder jeweils verursachten Radschlupf unterhalb eines kritischen Schlupfwerts zu halten. Bei konventionell angetriebenen Fahrzeugen wird eine derartige Begrenzung mittels eines ABS-Systems als unterlagerte Regelung eines ESP-Systems durchgeführt. Diese Systeme bedienen sich radindividueller Eingriffe in das

Bremssystem, bei denen die Reibbremse des betroffenen Rads entsprechend angesteuert wird. Mit anderen Worten wird der von einem Fahrer des Fahrzeugs durch eine entsprechende Bremspedalbetätigung eigentlich angeforderte Bremsdruck zur Vermeidung von Radblockaden durch Aktu- ierung geeigneter Ventile verringert (Bremsenreduktionsphase B) . Dabei werden verschiedene Bremsstrategien eingesetzt, die an die jeweils vorliegende Fahrsituation angepasst sind. Beispielsweise kann in bestimmten Situationen eine sanfte Bremsstrategie zu Einsatz gelangen, während in anderen Situationen eine aggressive Bremsstrategie angezeigt ist, um die Fahrzeuggeschwindigkeit schnell zu reduzieren.

Bei Fahrzeugen mit zumindest teilweise elektrischem Antrieb kann die kinetische Energie des Fahrzeugs beim Bremsen zur Erzeugung elektri- scher Energie und zum Laden eines Energiespeichers genutzt werden (sog. "Rekuperation"). Beim Bremsen werden zunächst auf Basis eines gewünschten Gesamtbremsmoments ein durch eine elektrische Maschine aufzubringendes Bremsmoment (Rekuperationsmoment) und/ oder ein durch die Reibbremse aufzubringendes Bremsmoment (Reibbremsmo- ment) bestimmt. Befindet sich das Fahrzeug bei dem Bremsvorgang beispielsweise auf einem rutschigen Untergrund (oft als "μ-low Untergrund" bezeichnet), so kann das angeforderte Gesamtbremsmoment jedoch ein Überbremsen eines Rads oder mehrerer Räder bewirken.

Wird jedoch ein kritischer Bremsschlupf überschritten, so wird die Ener- gierückgewinnung teilweise oder vollständig ausgesetzt.

Aus der noch nicht veröffentlichten Abmeldung DE 10201 1 1 14481 ist eine Verwendung eines hybriden Bremssystems (konventionelle Reibbremse und Einzelradtraktionsmotor) bekannt, wobei hier eine Regleranordnung, die Energieeffizienz und Fahrsicherheit gleichzeitig sicherstellt. Allerdings weist diese im Stand der Technik beschriebene Regelung Schwachstellen bei der Ausnutzung des maximal möglichen Rekuperationspotentials auf, wenn Traktionsmotor und Reibbremse gemeinsam im Einsatz sind. Wenn bei einer Rekuperation eine Radschlupfregelung notwendig ist, und das verfügbare/ erlaubte Rekuperationsmoment sehr gering ist, wird ein Teil des Bremsmomentes über die Bremse aufgebracht. Steigt das Rekuperati- onspotential während eines Reglereingriffes an, so ist ein Abbau des mechanischen Bremsmomentes (Bremsdruck), und eine damit verbundene Rekuperationserhöhung mit der oben beschriebenen Regleranordnung, nur sehr schwer möglich.

Aber auch ohne Schlupfregelung ist die Optimierung der Rekuperations- rate notwendig.

Zusammenfassung der Erfindung Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das insbesondere in der vorstehend beispielhaft beschriebenen Situation eine optimierte Energierückgewinnung bei gleichzeitiger Komforterhöhung ermöglicht und das auch bei einer ABS-Bremsung an der Rekuperation festhält. Auch Sicherheitsas- pekten soll durch eine Erhöhung der Dynamik des Bremsvorgangs Rechnung getragen werden.

Aus der Veröffentlichung„was du heut' nicht kannst besorgen..." G.

Schneider, Automatisierungstechnik at, 34. Jahrgang, 2/ 1986, Seite 59 ist bekannt, Stellgrößenbeschränkungen zu überwinden. Die in diesem Stand der Technik beschriebene Vorgangsweise zur Berücksichtigung von Stellgrößenbeschränkungen, bildet die Grundlage der erfindungsgemäßen Weiterentwicklung der Verbesserung der Rekuperationsraten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafterweise wird eine Rekuperationserhöhung mit Hilfe eines Stell- größenkompensators im Regelkreis möglich. Bei diesem Ansatz handelt es sich im eigentlichen Sinne um einen Algorithmus, der ungewünschte Ef- fekte in Zusammenhang mit Aktuatorstellgrößenbeschränkungen reduziert bzw. vermeidet.

Die Kompensation der Stellgrößenbeschränkung wird dazu genutzt, um ein mathematisches Referenzmodell des Traktionsmotors aus dessen Ruhelage im regelungstechnischen Sinne auszulenken. Die Auslenkung aus der Ruhelage ist dabei ein Maß für die Summe aller Stellgrößen, die nicht in gewünschter Weise umgesetzt werden konnten. Es wird sozusagen jener Anteil der Stellgröße„gespeichert" die vom Aktuator nicht sofort um- gesetzt werden konnte. Ist der Aktuator zu einem späteren Zeitpunkt wieder im Stande mehr zu leisten als aktuell gefordert wird, so wird mit Hilfe eines Reglers versucht die Auslenkung des Referenzmodells abzubauen. Dies entspricht einem Nachholen aller Stellgrößen, die zuvor nicht umgesetzt werden konnten. Mit der Parametrierung des Kompensations-Reglers lässt sich die Dynamik des„Aufholvorganges" festlegen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, Fig. 2 schematische Reglerstruktur

Fig. 3 Regelkreis mit Stellgrößenkompensator

Fig. 4 Umsetzung der erfindungsgemäßen Lösung Fig. 5 Darstellung der Rekuperationsbremsung in Vergleich zu einer konventionellen Bremsung

Figur 1 zeigt schematisch ein Bremssystem eines Kraftfahrzeugs mit ei- nem elektrischen Einzelradantrieb auf der Hinterachse. Die Verzögerungskräfte auf den einzelnen Rädern 40 werden beispielhaft mit unterschiedlich großen Pfeilen an der Hinterachse und gegen die Fahrtrichtung dargestellt. Im Fahrzeug befindet sich eine Steuereinheit 10, die zur Kontrolle des Bremssystems dient. Das Bremssystem besteht aus hydraulisch oder elektrisch betriebenen Reibbremsen 42 sowie elektrischen Maschinen 44, die an den Hinterrädern angebracht sind.

Das Auslösen der Bremsfunktion durch einen Fahrer oder einem Fahrerassistenzsystem und das Messen der Raddrehzahl als Eingangsgrößen der Regelung sind bekannt und werden nicht weiter beschrieben.

Tritt bei einer Rekuperationsbremsung ein zu hoher Radschlupf λ auf, so muss das Radmoment mithilfe eines Radschlupfreglers begrenzt werden. Da an der Hinterachse ein hybrides Bremssystem bestehend aus elektrischer Maschine 44 und Reibbremse 42 verbaut ist, können beide Systeme verwendet werden, um den Radschlupf λ zu regeln. Aus fahrdynamischer Sicht sollte vorzugsweise der Elektromotor 44 verwendet werden, da die Reaktionsdynamik des Elektromotors größer ist als die Reaktionsdynamik der Reibbremse 42. Auch aus energetischer Sicht, ist die Rekuperation mittels elektrischem System für die Steigerung der Fahrzeugreichweite von Vorteil. Wenn der Elektromotor 44 nicht das gesamte Radmoment aufbringen kann, muss zusätzlich die Reibbremse 42 verwendet werden. Dieser Zustand kann auftreten, wenn der elektrische Motor 44 z.B. im Feldschwächbetrieb betrieben wird, oder eine Aktuierung des Motors auf anderen Gründen nicht möglich ist. Man spricht vom„Feldschwächbetrieb" bei Betrieb eines Motors über die Motorbemessungsfrequenz und gleichbleibender Versorgungsspannung. Das Drehmoment nimmt bei konstanter Leistung umgekehrt proportional der Drehzahl ab. Das Kennfeld eines solchen Elektromotors dient zur Op- timierung des Verhaltens des erfindungsgemäßen Regelkreises.

Figur 2 zeigt eine schematische Regelstruktur, wie sie beispielhaft angewendet wird, um die schnelleren Reaktionszeiten und den höheren Dynamikbereich der elektrischen Maschine 44 für das Rekuperationsbremsen zu verwenden. Figur 2 ist dabei aber nur eine Möglichkeit die Regelung / Verschaltung der Aktuatoren so durchzuführen

Als Eingangsgröße des Regelkreises wird der Referenzradschlupf _re f verwendet. Diese Regelgröße liegt an einer Schlupferkennungs- Regelungseinheit 24 an, die wiederum mit einer Reibbremssteuereinheit 20 verbunden ist. Schlupfkorrekturmoment Τ _Λ sowie das Soll- Reibbremsmoment TB werden über ein Summationsglied 18 an die

Reibbremssteuereinheit 20 sowie die Reibbremse 42 übergeben. Diese Reibbremssteuereinheit 20 steuert über ein anteiliges Bremsmoment ΤΒΛ' wiederum über ein weiteres Summationsglied 18', an dem das Soll- Rekuperationsmoment TE anliegt, eine Maschinensteuereinheit 22 sowie die elektrische Maschine 44. Entsprechend der Vorgaben werden von den Aktuatoren die korrigierten Momente TEM und ΤΒΛ erzeugt. Über ein weiteres Summationsglied 18" werden diese Momente zu einem Radmoment TRad zusammengefasst und an das Radsystem G übergeben, was in einem Radschlupf λ resultiert.

Mit diesem schematischen Aufbau für die Regelung des Bremssystems eingesetzt, werden Fahrdynamikaspekte und energetische Aspekte gut realisiert. Auch wenn die elektrische Maschine 44 das eingestellte Soll- moment aus TE + T _\ - ΤΒΛ' ZU einem bestimmten Zeitpunkt nicht aufbringen kann, kann mithilfe eines gezielten Eingriffes des hydraulischen Bremssystems eine ausreichende Leistung und Anpassung an die Fahrdynamik Forderung erzielt werden. In einem solchen Fall wird für die Bremsung der elektrische Motor 44 in Kombination mit der Reibbremse 42 verwendet. Schon kurz nach Beginn des Bremsvorganges kann der Schlupf λ auf einen gewählten Sollschlupf λι-ef beschränkt werden. Die gewählte Reglerstruktur führt dazu, dass die Aufteilung des Bremsmomentes zwischen konventioneller Reibbremse 42 und dem elektrischen Motor 44 während des gesamten Bremsvorganges annähernd konstant ist. Auch wenn das Potenzial des elektrischen Motors 44 zunimmt, wird die Aufteilung zwischen den beiden Brems-Komponenten nur geringfügig verändert. Dieses Verhalten ist in Figur 5 beispielhaft dargestellt.

Beispielhaft wird für die weitere Ausführung ein Regler 22 mit integralem Verhalten (z.B. ein PI-Regler) verwendet.

Ein PI-Regler, ein Proportional-Integral-Regler, ist auf bekannte Weise aufgebaut, um schnell auf Störungen zu reagieren und sie zu unterdrücken. Ändert sich z.B. das Referenzsignal r, so rechnet der Regler unter Verwendung seiner Möglichkeiten teilweise sehr große Regelstellgrößen. Diese Stellgrößen würden am elektrischen Motor 44 anliegen und können teilweise von diesem nicht umgesetzt werden, was zu unerwünschten Phänomenen wie z.B. den Aufbau von Schwingungen führen könnte. Dem tritt man mit der Begrenzung der Integration auf die Stellgrößen- Grenzen entgegen. Als Maßnahme wird ein Anti-Windup-Kreis eingebaut.

Für die erfindungsgemäße Lösung ist das Regelverhalten eines Regelsystems mit Anti-Windup-Regelkreis aber noch nicht ausreichend. Daher wird ein Stellgrößenkompensator 30 eingesetzt.

In Figur 3 zeigt schematisch eine solche Lösung für einen Standardregel- kreis, gemeinsam mit einem Stellgrößenkompensator 30 dargestellt. Der Stellgrößenkompensator 30 besteht aus einem Referenzmodell R und einem Korrekturregler K. Dabei wird die maximale Stellgröße des Aktuators mit der Wunschstellgröße u eines Reglers verglichen und die Differenz der beiden Signale zur Auslenkung eines Referenzmodells aus dem Gleichge- wichtzustand, der Ruhelage, verwendet.

Dadurch kann eine Information ykorr generiert werden, die in Kombination mit der Systemausgangsgröße y wieder dem Regler zugeführt wird. Die Auslenkung des Referenzmodells bzw. die Zustandsgrößen des Referenz- modells stellen aber auch Informationen dar, die Aufschluss geben, wie viel Stellgröße nicht umgesetzt werden konnte.

Ist das Potential des Elektromotors 44 zu einem späteren Zeitpunkt wieder höher als die Stellgröße u des Reglers, so kann diese mit einem Kor- rekturregler K zum Signal Ukorr verknüpft werden, und direkt dem Elektromotor 44 zugeführt werden. Damit ist es möglich, Auslenkungen aus dem Gleichgewichtszustand zu reduzieren. Kann das Referenzmodell wieder in die Ruhelage überführt werden, so bedeutet dies, dass die zuvor nicht verfügbare Stellgröße zu einem späteren Zeitpunkt wieder nachge- holt wurde.

Das Prinzip des Referenzmodels und der aktiven Beeinflussung von Systemzuständen aufgrund von vergangenen Anforderungen, wird auf die Fahrzeug Topologie mit zwei elektrischen Radantrieben übertragen und in Figur 4 dargestellt.

Die Anordnung aus Figur 2 wird nun mit Hilfe dieses Prinzips erweitert. Dadurch können die zuvor erwähnten nachteiligen Effekte beseitigt, bzw. Rückschlüsse auf Rekuperationsanforderungen gezogen werden. Das Aus- lenken eines Referenzmodells aus dessen Ruhelage wird dabei genutzt, um die internen Systemzustände des Referenzmodells oder dessen Ausgang ykorr einem zusätzlichen Regler zuzuführen. Stellgrößen, die durch die Begrenzung weggefallen sind, werden erfasst und durch gleichwertige Regelimpulse in einem oder mehrerer Abtastintervallen ersetzt.

Natürlich muss das Fahrzeug in jeder Situation gebremst werden können, unabhängig von der Strategie, die Energie durch den Elektromotor zurückzuholen. Deshalb wird das System aus einer ersten Regelschleife S l für die Kompensation und einer zweiten Regelschleife S2 für die eigentliche Steuerung des Elektromotors und der Bremse aufgebaut.

Zusätzlich zu den begrenzende Parametern des Elektromotors 44 werden noch die Ladezustände der Speicherbatterie sowie interne Parameter wie etwa Drehgeschwindigkeit oder Temperatur zur Optimierung der Energiestrategie herangezogen und die Parameter an den Energiemanager 1 1 weitergegeben. Aus der Vielzahl der Parameter erstellt der Energiemanager die minimalen und maximalen Rekuperationsmomente T _mm und T _ma x.

Wenn der Elektromotor das geforderte Moment nicht zur Verfügung stellen kann, bzw. aufgrund der Vorgaben von T _m in und T _ma x nicht zur Verfügung stellen darf, muss die Reibbremse 42 eingeschaltet werden. Das Maß, in dem die Reibbremse gefordert ist, stellt dabei das Maß der Energie dar, die durch Rekuperation hinsichtlich der Straßenzustand genutzt werden könnte. Also wird dieses Maß ebenfalls dazu verwendet, um das Referenzmodell aus seiner Ruhelage auszulenken, damit die Forderung nach erhöhter Rekuperation in den Folgezyklen / -momenten erfüllt wer- den kann /könnte.

Besitzt der Motor das Potential der Rekuperationsmomentenerhöhung und wird dies durch Tmin und Tmax freigegeben, so wird neben dem aktuell geforderten Rekuperationsmoment der Maschinensteuereinheit 22 ein Zu- satzmoment T _CO mp zugeführt. Dieses Moment bewirkt ein geringfügiges Erhöhen des Gesamtmomentes TRad. Dadurch veranlasst der Radschlupfregler, dass TA betragsmäßig gesenkt wird. Als Folge dieser Anpassung wird auch das Bremsmoment Tßrk gesenkt, das proportional dem Bremsdruck folgt, was zur weiteren Erhöhung des Motormoments führt.

Das Motormoment TEM im Elektromotor 44 wird dabei solange betragsweise erhöht, bis entweder die Motorgrenzen wieder erreicht werden, oder der Bremsdruck vollständig abgebaut ist, oder der Schlupfregler 21 einer weiteren Erhöhung entgegenwirkt.

Welcher der drei Fälle zur Beendigung der Momentenanpassung herange- zogen wird ist z.B. je nach Fahrzeug-, Antriebsstrang- und Batterieladezustand bzw. Straßenzustand unterschiedlich.

Durch die Parametrierung des Kompensationsreglers K kann der Verlauf von Tcomp beeinflusst werden. Dadurch lässt sich das Übergangsverhalten von Verlustbremsung auf gesteigerte Energieeffizienz wirkungsvoll und für den Passagier kaum bemerkbar gestalten, ohne den Sicherheitsaspekt zu vernachlässigen.

Im Gegensatz zu einem gesteuerten Übergang zwischen den Elektromotoren erfolgt in der erfindungsgemäßen Lösung der Übergang geregelt. D. h. im Falle von auftretenden Störungen (Reibwertwechsel, erneute Reduktion des verfügbaren Rekuperationsmoment,...) ist man im Stande, ohne zusätzliche Maßnahmen darauf zu reagieren.

Im Weiteren bietet sich der Vorteil, dass der Maschinenregler so ausgelegt werden kann, als ob es keine Stellgrößenbeschränkungen gäbe, d.h er kann optimal auf Störgrößenunterdrückung ausgelegt werden.

In Figur 5a ist beispielhaft die Bremsung mit Hilfe eines Reibbremssystems (ohne Rekuperationsmöglichkeit) dargestellt.

In Figur 5b-d ist der gleiche Bremsvorgang mit Hilfe eines Reibbremssys- tems mit Rekuperationsmöglichkeit (mit Traktionsmotor) dargestellt. Auf der linken Seite ist dabei eine Bremsung ohne Kompensator und auf der rechten Seite mit Rekuperationsverbesserung mit Hilfe eines Kompensa- tors dargestellt. Bei einem Anstieg des Motorpotentials wird der Bremsdruck derart verringert, dass der Radschlupf auf einem Wunschwert (nicht dargestellt) gehalten wird, und gleichzeitig ein Maximum an Reku- peration erzielt wird.

Das beschriebene Verfahren ist nicht nur auf Einzelradtraktionsantriebe beschränkt, sondern kann auch für ein Bremssystem mit Reibbremse und Zentralachsmaschine verwendet werden.

Bezugszeichenliste

10 Steuereinrichtung

1 1 Energiemanager

18, 18', 18" Summationsglied

20 Reibbremssteuereinheit

21 Schlupfregler

22 Maschinensteuereinheit

24 Schlupferkennungs-Regelungseinheit

30 Stellgrößenkompensation

40 Rad

42 Reibbremse

44 Elektrische Maschine

Xrei Referenzradschlupf

λ Radschlupf

G Radsystem

K Korrekturregler

R Referenzmodell

Τ _λ Schlupf-Korrekturmoment

TB Soll-Reibbremsmoment

TE Soll-Rekuperationsmoment

Tcomp Zusatz- Rekuperationsmoment

Tßrk korrigiertes Reibbremsmoment

Tßrk' anteiliges Reibbremsmoment

TEM korrigiertes Rekuperationsmoment min/Tmax Rekuperationsgrenzen

TRad Radmoment

r Referenzgröße

t Zeitpunkt

u, Ukorr Stellgröße

y Systemausgangsgröße

ykorr korrigierte Systemausgangsgröße