Patent E132
15.02.2012
IP Portfolio A2
Brake-by-Wire-Systemarchitektur mit THZ und einkreisigem Kolbenaktuator zur Druckerzeugung
5 Kerninnovationen
Patentanspruchsmerkmal (Anspruch 1)
- Bremsbetätigungsvorrichtung, mit einer Betätigungseinrichtung, einem Wegsimulator (21), einer ersten Kolben-Zylinder-Einrichtung (3) mit einem ersten Kolben (2) und einem weiteren Kolben (4),
- wobei der erste (2) und der weitere Kolben (4) jeweils einen Arbeitsraum bilden, wobei von den Arbeitsräumen der ersten Kolben-Zylinder-Einrichtung (3) erste hydraulische Verbindungen (11, 12) zu Radbremsen führen, wobei in den ersten hydraulischen Verbindungen (11, 12) erste Ventileinrichtungen vorgesehen sind, und mit einer elektromotorisch angetriebenen Verstärkereinrichtung (25), die eine zweite Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) mit genau einem Arbeitsraum aufweist, die über eine zweite hydraulische Verbindung, in der eine zweite Ventileinrichtung vorgesehen ist, mit der Radbremse verbunden ist und über eine dritte hydraulische Verbindung in der eine dritte Ventileinrichtung vorgesehen ist, mit einem Vorratsbehälter (7) verbunden ist,
- wobei die elektromotorisch angetriebene Verstärkereinrichtung (25) einen Plungerkolben (29) betätigt,
- dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ventileinrichtungen für jede Radbremse ein Ein-Auslass-Schaltventil (15, 16, 17, 18) aufweisen,
- wobei in den Hydraulikleitungen von der zweiten Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) zu den Radbremsen Sicherheitsventile (33, 34) angeordnet sind,
- wobei zwischen dem Arbeitsraum (30) der zweiten Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) und den Sicherheitsventilen (33, 34) ein Drucksensor (38) angeordnet ist,
- wobei der von der Betätigungseinrichtung betätigte erste Kolben (2) zur Steuerung des Wegsimulators (21) verwendet wird..
Kurzfassung:
Die Erfindung betrifft eine elektrohydraulische Brake-by-Wire-Betätigungseinheit, bei der der mechanisch betätigte Hauptzylinder nicht zur direkten Druckerzeugung dient, sondern zur Ansteuerung eines Wegsimulators verwendet wird. Der eigentliche Bremsdruck wird durch eine elektromotorisch angetriebene Verstärkereinheit mit Plungerkolben erzeugt, die über eigene Ventilpfade mit den Radbremsen und dem Vorratsbehälter verbunden ist. Die Druckversorgung erfolgt über einzeln ansteuerbare Ein-/Auslass-Schaltventile für jede Radbremse sowie Sicherheitsventile und einen Drucksensor zur Überwachung und Regelung des hydraulischen Drucks zwischen Plunger und Radkreisen.
Technische Relevanz
Die Erfindung beschreibt eine minimalistische, aber funktional hochwirksame Brake-by-Wire-Architektur mit einem einkreisigen Plunger, der genau einen hydraulischen Arbeitsraum aufweist. Dieser Arbeitsraum ist über jeweils ein Sicherheitsventil mit zwei getrennten Bremskreisen verbunden, wodurch trotz Einkreiskonfiguration ein hohes Maß an Systemsicherheit erreicht wird. Die Druckregelung erfolgt ausschließlich über einen zentral positionierten Drucksensor zwischen dem Plunger und den Sicherheitsventilen – was den Sensoraufwand reduziert, die Systemkomplexität minimiert und dennoch eine präzise Bremsdruckmodulation im geschlossenen Bremskreis (Verweis auf E102-Patentfamilie) ermöglicht. Diese Regelung basiert auf softwaregestützten Druckmodellen, die den Plungerdruck kontinuierlich mit den erwarteten Radbremsdrücken abgleichen.
Diese Architektur hat sich in modernen elektrohydraulischen One-Box Brake-by-Wire-Systemen durchgesetzt und wird insbesondere bei Fahrerassistenzfunktionen (Automatic Cruise Control ACC, Automatische Notbremse AEB), beim regenerativen Bremsen eingesetzt und zeigt Verbesserungen im ABS-Betrieb auf Niedrigreibwerten (low-µ).
Patentanspruchsmerkmale (Anspruch 1)
- Bremsbetätigungsvorrichtung, mit einer Betätigungseinrichtung, insbesondere einem Bremspedal (1),
einem Wegsimulator (21), - einem ersten und einem zweiten Bremskreis mit jeweils zwei Radbremsen (15-18),
- einer ersten Kolben-Zylinder-Einrichtung (3) mit einem ersten Kolben (2) und einem zweiten Kolben (4), die jeweils einen ersten Arbeitsraum (5) und einen zweiten Arbeitsraum (6) begrenzen, wobei die Arbeitsräume (5, 6) über hydraulische Verbindungen (11, 12) mit je einem der Bremskreise abtrennbar verbunden sind, und
- einer elektromotorisch angetriebenen Verstärkereinrichtung (25), die eine zweite Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) zum Aufbau und/oder Abbau eines Drucks in einer gemeinsamen hydraulischen Verbindungsleitung aufweist,
- wobei die gemeinsame hydraulische Verbindungsleitung über ein erstes Sicherheitsventil (33) mit dem ersten Bremskreis und über ein zweites Sicherheitsventil (34) mit dem zweiten Bremskreis verbunden ist;
- dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsbetätigungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, eine ABS- und Antriebsschlupfregelung und/oder Assistenzfunktionen unter Verwendung der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit zu realisieren,
- wobei eine Drucksteuerung mit variablen Druckanstiegs- und insbesondere auch Druckabfallgeschwindigkeiten erfolgt
- Und die von der zweiten Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) mit Druck beaufschlagten Bremskreise mittels der Sicherheitsventile abtrennbar sind,
- wobei die Bremsbetätigungsvorrichtung eine Diagnosefunktion zur Bestimmung der Schaltfunktion und/oder der Dichtheit einiger, vorzugsweise aller Magnetventile, implementiert
Kurzfassung:
Die Bremsbetätigungsvorrichtung kombiniert ein Bremspedal mit Wegsimulator, zwei hydraulisch abtrennbaren Bremskreisen, einer elektromotorischen Verstärkereinheit mit separater Kolben-Zylinder-Einheit zur Drucksteuerung (inkl. ABS-/ASR-/Assistenzfunktionen), abtrennbaren Sicherheitsventilen und einer integrierten Diagnosefunktion für MagnetventileTechnische Relevanz
Der Schwerpunkt der Diagnose liegt auf der Überprüfung der Dichtigkeit und Funktionsfähigkeit der Sicherheitsventile zum elektromotorisch angetriebenen Plunger sowie der Dichtigkeit der Trennventile, die im Normalbetrieb bestromt geschlossen sind und den Hauptbremszylinder vom System trennen. Dies ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Hauptbremszylinder im Brake-by-Wire-Modus zuverlässig hydraulisch entkoppelt ist und im Falle eines Energie- oder Motorausfalls des Plungers – in der sogenannten Rückfallebene – bei Betätigung des Bremspedals und Druckaufbau kein Bremsflüssigkeitsvolumen ungewollt in den Arbeitsraum des Plungers gelangt, und den Plunger zurück drückt.Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung eine Diagnose der Radschaltventile zur Erkennung eines Radkreisausfalls – vorausgesetzt, diese sind nicht mit parallelgeschalteten Rückschlagventilen versehen. In derzeit serienmäßig eingesetzten One‑Box-Bremssystemen werden aus Sicherheitsgründen Rückschlagventile eingesetzt. Diese Rückschlagventile verhindern jedoch eine präzise Diagnose, da im Fehlerfall nicht eindeutig festgestellt werden kann, ob eine Undichtigkeit durch das Schaltventil oder durch den Rückschlagpfad verursacht wird. Aus diesem Grund muss bei Fehlersymptomen stets ein gesamter Bremskreis mit zwei Radbremsen abgeschaltet werden.
Die in dieser Erfindung integrierte Diagnosefunktion leistet einen wesentlichen Beitrag zur Betriebssicherheit moderner Brake-by-Wire-Systeme
Patentanspruchsmerkmale (Anspruch 2)
- Bremsbetätigungsvorrichtung, mit einer Betätigungseinrichtung, insbesondere einem Bremspedal (1),
- einem Wegsimulator (21),
- einem ersten und einem zweiten Bremskreis mit jeweils zwei Radbremsen (15-18),
- einer ersten Kolben-Zylinder-Einrichtung (3) mit einem ersten Kolben (2) und einem zweiten Kolben (4), die jeweils einen ersten Arbeitsraum (5) und einen zweiten Arbeitsraum (6) begrenzen, wobei die Arbeitsräume (5, 6) über hydraulische Verbindungen (11, 12) mit je einem der Bremskreise abtrennbar verbunden sind, und
- einer elektromotorisch angetriebenen Verstärkereinrichtung (25), die eine zweite Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) zum Aufbau und/oder Abbau eines Drucks in einer gemeinsamen hydraulischen Verbindungsleitung aufweist,
- wobei die gemeinsame hydraulische Verbindungsleitung über ein erstes Sicherheitsventil (33) mit dem ersten Bremskreis und über ein zweites Sicherheitsventil (34) mit dem zweiten Bremskreis verbunden ist;
- dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsbetätigungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, eine ABS- und Antriebsschlupfregelung und/oder Assistenzfunktionen unter Verwendung der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit zu realisieren,
- wobei eine Drucksteuerung mit variablen Druckanstiegs- und insbesondere auch Druckabfallgeschwindigkeiten erfolgt
- und die von der zweiten Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) mit Druck beaufschlagten Bremskreise mittels der Sicherheitsventile abtrennbar sind,
- wobei die zweite Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) einen Plungerarbeitsraum umfasst, der über eine dritte Ventileinrichtung, nämlich ein Schaltventil, mit einem Vorratsbehälter (7) verbunden ist
Kurzfassung:
Die Bremsbetätigungsvorrichtung kombiniert ein Bremspedal mit Wegsimulator, zwei über Sicherheitsventile hydraulisch abtrennbare Bremskreise und eine elektromotorisch gesteuerte Verstärkereinheit mit variabler Druckregelung, wobei ein integriertes Schaltventil den Plungerarbeitsraum der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit gezielt mit dem Vorratsbehälter verbindet – zur Umsetzung von weiteren Diagnosen und der Restreibmomentsteuerung der Bremsbeläge durch Erzeugung von Unterdruck im PlungerarbeitsraumTechnische Relevanz
In Kombination mit Sicherheitsventilen und einer modellbasierten Druckmodulation über einen Plunger mit zentralem Drucksensor stellt diese Erfindung eine energieeffiziente, diagnosefähige und sicherheitsrelevante Erweiterung moderner Brake-by-Wire-Systeme dar – insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung von Restreibmomenten bei Radbremsen (sog. Low-Drag/Zero-Drag Bremsen) in elektrischen Fahrzeugen. Dies ist besonders in Phasen nach einer Verschiebung der Bremssätelkolben durch den Aktuator der elektrischen Feststellbremse vorteilhaft, da hier die Rückstellung der Bremssättelkolben nicht wie sonst üblich durch die Wirkung der sog. Rollbackringe erfolgen kann. Die Rückstellwirkung ist ohne ein hydraulisches Andrücken der Rollbackringe in ihrer speziell ausgeformten Dichtungsnut mangelhaft. Deshalb kann hier die Unterdruckrückstellung punkten.
Patentanspruchsmerkmal (Anspruch 1)
- Bremssystem zur Diagnose von Ausfällen und/oder Undichtigkeiten mit einer elektromotorisch angetriebenen Kolben-Zylinder-Einheit (26),
- wobei zwischen einem ersten Bremskreis und der Kolben-Zylinder-Einheit sowie einem zweiten Bremskreis und der Kolben-Zylinder-Einheit jeweils ein Sicherheitsventil (33, 34) angeordnet ist,
- um bei einem Bremskreisausfall den jeweiligen Bremskreis von der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit zu trennen,
- wobei das Bremssystem dazu ausgebildet ist, einen Ausfall mindestens eines Bremskreises durch Druckmodulation im geschlossenen Bremskreis zu erkennen,
- wobei die elektromotorisch angetriebene Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) ausgelegt ist, die Druckmodulation durch Antreiben eines Plungerkolben (29) der Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) zu erreichen
Kurzfassung:
Das Bremssystem erkennt Undichtigkeiten oder Ausfälle eines Bremskreises durch gezielte Druckmodulation im geschlossenen System mittels eines elektromotorisch betätigten Plungerkolbens einer Kolben-Zylinder-Einheit, wobei Sicherheitsventile die Trennung fehlerhafter Bremskreise von der Kolben-Zylinder-Einheit ermöglichen.
Technische Relevanz
Die technische Relevanz dieser Innovation ist hoch – sie adressiert ein zentrales Sicherheitsproblem moderner Brake-by-Wire- und One-Box-Bremssysteme, nämlich die frühe, aktive und redundanzfähige Diagnose von Bremskreisausfällen und Undichtigkeiten, ohne auf konventionelle haptische Rückmeldungen oder externe Drucksensoren angewiesen zu sein.
Der Schwerpunkt der Diagnose liegt auf der Überprüfung der Dichtigkeit und Funktionsfähigkeit der Sicherheitsventile zum elektromotorisch angetriebenen Plunger sowie der Dichtigkeit der Trennventile, die im Normalbetrieb bestromt geschlossen sind und den Hauptbremszylinder vom System trennen. Dies ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der Hauptbremszylinder im Brake-by-Wire-Modus zuverlässig hydraulisch entkoppelt ist und im Falle eines Energie- oder Motorausfalls des Plungers – in der sogenannten Rückfallebene – bei Betätigung des Bremspedals und Druckaufbau kein Bremsflüssigkeitsvolumen ungewollt in den Arbeitsraum des Plungers gelangt, und den Plunger zurück drückt.
Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung eine Diagnose der Radschaltventile zur Erkennung eines Radkreisausfalls – vorausgesetzt, diese sind nicht mit parallelgeschalteten Rückschlagventilen versehen. In derzeit serienmäßig eingesetzten One‑Box-Bremssystemen werden aus Sicherheitsgründen Rückschlagventile eingesetzt. Diese Rückschlagventile verhindern jedoch eine präzise Diagnose jedes Radkreises, da im Fehlerfall nicht eindeutig festgestellt werden kann, ob eine Undichtigkeit durch das Schaltventil oder durch den Rückschlagpfad verursacht wird. Aus diesem Grund muss bei Fehlersymptomen bei 1-Box-Bremssystemen stets ein Bremskreis mit zwei Radbremsen abgeschaltet werden. Die Architektur mit Radbremsen Einlass/Auslassventilen jedoch Einlassventilen ohne parallelgeschaltete Rückschlagventile ist daher in neueren Innovationen von ipgate AG weiterverfolgt worden.
Patentanspruchsmerkmal (Anspruch 1)
- Bremsbetätigungsvorrichtung, miit einer Betätigungseinrichtung, insbesondere einem Bremspedal (1);
- einem Wegsimulator (21);
- einem ersten und einem zweiten Bremskreis mit jeweils zwei Radbremsen;
- einer ersten Kolben-Zylinder-Einrichtung (3) mit einem ersten Kolben (2) und einem zweiten Kolben (4), die jeweils einen ersten Arbeitsraum und einen zweiten Arbeitsraum begrenzen, wobei die Arbeitsräume über hydraulische Verbindungen (11, 12) mit je einem der Bremskreise abtrennbar verbunden sind; und
- einer elektromotorisch angetriebenen Verstärkereinrichtung (25), die eine zweite Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) zum Aufbau und/oder Abbau eines Drucks in einer gemeinsamen hydraulischen Verbindungsleitung aufweist,
- wobei die gemeinsame hydraulische Verbindungsleitung über ein erstes Sicherheitsventil (33) mit dem ersten Bremskreis und über ein zweites Sicherheitsventil (34) mit dem zweiten Bremskreis verbunden ist,
- dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsbetätigungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, eine ABS- und Antriebsschlupfregelung und/oder Assistenzfunktionen unter Verwendung der zweiten Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) zu realisieren,
- wobei die von der zweiten Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) mit Druck beaufschlagten Bremskreise mittels der Sicherheitsventile (33, 34) abtrennbar sind, wobei zwischen einem Arbeitsraum (30) der zweiten Kolben-Zylinder-Einrichtung (26) und den Sicherheitsventilen (33, 34) ein Drucksensor (38) angeordnet ist
Kurzfassung:
Die Bremsbetätigungsvorrichtung kombiniert ein pedalbetätigtes System mit einer elektromotorischen Verstärkereinheit, die ABS-, Antriebsschlupf- und Assistenzfunktionen durch Druckaufbau oder -abbau durch Vor- und Rückbewegung eines Plunger-Kolbens druckregelt bzw. drucksteuert, wobei über zwei Sicherheitsventile eine Kreistrennung vorgenommen wird
Technische Relevanz
Brake-by-Wire-Kernarchitektur zur Umsetzung von ABS-Regelungen und fahrdynamischen Assistenzfunktionen.
Während marktübliche One‑Box-Systeme im ABS-Betrieb auf hohen Reibwerten (sog. high-µ, z. B. trockene Fahrbahn) den Druck klassischerweise über Auslassventile direkt in den Vorratsbehälter abbauen, bietet die vorliegende Erfindung eine ergänzende Regelstrategie: Bei niedrigen Reibwerten (z. B. Schnee oder Eis – low-µ) kann der Druckabbau alternativ über den Plunger erfolgen. Dies bringt erhebliche Vorteile für das Volumenmanagement bei längeren ABS-Bremsungen mit hohen Volumenverschiebungen und trägt zugleich zur Reduktion der Geräuschentwicklung bei.
Ein wesentliches Problem konventioneller Systeme besteht darin, dass der Plunger durch wiederholten Druckabbau in den Vorratsbehälter an seine Volumengrenze stößt, wodurch der ABS-Regelvorgang typischerweise für etwa 150 ms unterbrochen werden muss, um Volumen aus dem Vorratsbehälter nachzuführen. Diese Unterbrechung kann nicht nur zu verlängerten Bremswegen führen, sondern auch die Fahrstabilität beeinträchtigen. Die Erfindung bietet hier eine wirksame Lösung durch eine adaptive Regelstrategie, bei der der Druckabbau je nach Fahrsituation entweder über die Auslassventile (Stand der Technik), jedoch in bestimmten Situationen, z.B. langen Bremsungen auf Schnee und Eis auch gezielt über den Plunger erfolgt. Durch eine vorteilhafte Hybrid-Strategie der beiden Druckregelverfahren wird eine kontinuierliche, reaktionsschnelle und stabilitätsfördernde ABS-Regelung auch unter schwierigen Fahrbahnverhältnissen ermöglicht – ohne sicherheitskritische Unterbrechungen.
Im Gegensatz zum ABS-Betrieb erfolgt die Druckregelung bei weiteren zentralen Fahrfunktionen – insbesondere beim Abstandsregeltempomat (ACC) oder automatisierten Notbremsen (AEB) mit extrem schnellem Druckaufbau sowie beim regenerativen Bremsen – im geschlossenen Bremskreis, d.h. Druckaufbau und Druckabbau über Plunger. In diesen Fällen wird der Bremsdruck hochdynamisch über eine Kolbenweg-Druckregelung in Kombination mit bidirektional wirksamen Ventilen moduliert, was gemäß der Lehre der E102-Familie (Verweis) eine präzise, feinfühlige und zugleich energieeffiziente Bremssteuerung ermöglicht.
