Generation 2 – HDS 1: Plunger-Flow-Regelung (Patentfamilie E102)

Die zweite Entwicklungsstufe, bezeichnet als HDS 1 (Hochdynamische Drucksteuerung der ersten Generation), ist in der Patentfamilie E102 (Priorität 13.2.2009) offenbart. Die Erfinder sind H. Leiber, C. Köglsperger, A. van Zanten und die Patentfamilie umfasst 4 erteilte Patente, 2 anhängige Anmeldungen). Die E102-Familie umfasst 20 unabhängige Ansprüche, die in 6 Schutzrechten bzw. Anmeldungen organisiert sind.

Der zentrale Fortschritt gegenüber der MUX-Steuerung besteht in der Einführung des teilsimultanen und simultanen Betriebs: Anstatt die Radbremsen rein sequentiell anzusteuern, können nun Druckauf- und Druckabbau in mehreren Radbremsen zeitlich überlappend erfolgen. Ermöglicht wird dies durch eine kaskadierte Regelarchitektur, bei der ein innerer Regelkreis die Kolbenposition und -geschwindigkeit hochpräzise und hochdynamisch regelt, während ein äußerer Regelkreis den Zieldruck über die Druck-Volumen-Kennlinie (pV-Kennlinie) der jeweiligen Radbremsen einstellt. Ferner wurde beim simultanen und teilsimultanen Betrieb ein Druckmodell genutzt, mittels dessen der zeitliche Verlauf der Raddrücke vorgesagt werden konnte und die Schließzeitpunkte von Ventilen bestimmt werden konnten.

HDS 1 führt eine kaskadierte Regelarchitektur mit zwei Kernmodulen ein: Eine Plunger-Flow-Regelung steuert über einen schnellen inneren Regelkreis die Kolbenposition/-geschwindigkeit und damit den Druckgradienten, während ein äußerer Regelkreis den Zieldruck über die pV-Kennlinie der Radbremsen umsetzt. Ergänzend ermöglicht eine PWM-Ventilmodulation der 2/2-Wege-Einlassventile die radselektive Steuerung. Die Kombination beider Module erlaubt erstmals simultanen oder teilsimultanen Druckauf- und -abbau an mehreren Rädern, ein grundlegender Fortschritt gegenüber der sequenziellen MUX-Steuerung der Vorgängergeneration.

Die 21 Kernerfindungen gliedern sich in vier Kanäle: Plunger-Flow (E102EP – Grundarchitektur), Ventilmodulation (E102DE/DE1 – radselektive PWM), Druckverlauf (E102DE2 – zweiphasige Regelung, bidirektionaler Fluss, Kalibrierung) und Druckmodell (E102DE4 – sensorlose Druckberechnung). E102DE3 verbindet Plunger-Steuerung und Ventilsynchronisation.

Detaillierte Informationen zu HDS 1 auf der IPGATE-Website veröffentlicht: IBS Technologie (https://ipgate.ch/ibs-technology/)  sowie in der E102-Patentfamilienbeschreibung (Quelle1: Dokument 260210_E102_Patentfamilie_Uebersicht.docx.)

Generation 3 – HDS 2: Hochdynamische Drucksteuerung der 2. Generation, auch als Hybride Druckregelstrategie bezeichnet (Patentfamilie E141)

Die dritte Entwicklungsstufe, die HDS 2, wird in der vorliegenden Patentfamilie E141 offenbart (Priorität 16.03.2015; 13 unabhängige Ansprüche in 4 Schutzrechten). HDS 2 erweitert die hochdynamische Drucksteuerung der ersten Generation HDS 1 in acht grundlegenden Dimensionen:

1. Hybride Regelung mit Auslassventilen als zusätzlichem Freiheitsgrad (A1, TA1): Während bei HDS 1 der Druck ausschließlich über die Kolbenbewegung im geschlossenen Bremskreis geregelt wird, kombiniert die HDS 2 die Volumensteuerung über die Fördereinrichtung mit der Zeitsteuerung oder PWM-Steuerung der Auslassventile. Der Druckabbau über Auslassventile (AV) zum Vorratsbehälter wird als kontrollierter Regelkanal in die Drucksteuerung integriert, wahlweise über individuelle Rad-Auslassventile oder alternativ bzw. ergänzend über ein zentrales Auslassventil (ZAV) für mehrere Radbremsen. Dadurch werden erstmals alle Freiheitsgrade der Druckregelung erschlossen: simultaner Druckaufbau in einem Verbraucher und Druckabbau in einem anderen Verbraucher ist möglich. Die Fördereinrichtung dient dabei als duales Regelorgan – beim Plunger (A1) wird gleichzeitig mit dem Öffnen des Auslassventils das Einlassventil geöffnet, sodass der Plunger über Volumensteuerung den Druckabbaugradienten aktiv kontrolliert. Damit kann der nichtlineare, durch das Wurzelgesetz bestimmte Druckabbauverlauf über das Auslassventil (Q = Cd·A·√(2·ΔP/ρ), wobei der Durchfluss Q mit sinkendem Differenzdruck ΔP abnimmt) linearisiert und präzise an das gewünschte Sollmoment angepasst werden.
2. Drei Fördereinrichtungstypen: Die Regelarchitektur wird auf drei Typen von Druckerzeugereinheiten erweitert: Einfachhubkolben (Plunger, HDS 2.1), Doppelhubkolben (DHK, HDS 2.2) und Rotationspumpe (HDS 2.3). Jeder Typ bringt spezifische Eigenschaften mit: Der Plunger kann Druck sowohl auf- als auch abbauen und dient als duales Regelorgan für feindosierten Druckabbau über Volumensteuerung. Der DHK ermöglicht zusätzlich eine unterbrechungsfreie kontinuierliche Förderung im Vor- und Rückhub und löst damit das Volumenproblem strukturell. Die Rotationspumpe, je nach Ausführungsform als ABS-Mehrkolbenpumpe oder Zahnradpumpe, ist eine kostengünstige Variante, kann jedoch konstruktionsbedingt keinen Druckabbau über Volumenrücknahme realisieren und erfordert daher zwingend den Druckabbau über Auslassventile.
3. Duale Sensorstrategie und Offset-Abgleich: Die HDS 2.0 führt eine entkoppelte Sensorik-Strategie ein: Ein Winkelsensor am Motor steuert den Bremsdruck primär über die Fördermenge (Volumensteuerung über Spindelsteigung bzw. Pumpengeometrie), während ein Drucksensor am Ausgang der Fördereinrichtung den Offset-Abgleich übernimmt. Dieser Abgleich ist eine zentrale Voraussetzung für die Hybridstrategie: Beim Druckabbau über geöffnete Auslassventile kann der tatsächliche Druckverlust nur geschätzt werden, da die Abflussmenge von variablen Parametern abhängt. Nach Abschluss des Druckabbaus wird das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil kurzzeitig geöffnet, um über den Drucksensor den Istdruck in der Radbremse zu messen. Damit wird eine kalibrierte Ausgangsbasis geschaffen sowohl für den feindosierten Druckauf- bzw. -abbau über die Fördereinrichtung, bei dem der Startpunkt auf der nichtlinearen Druck-Volumen-Kennlinie entscheidend ist, als auch für einen erneuten Druckabbau über Auslassventile, bei dem der Startdruck exakt bekannt sein muss. Bei Rotationspumpen, die keinen Druckabbau über Volumenrücknahme erlauben, dient der Offset-Abgleich primär als Ausgangsbasis für den feindosierten Druckaufbau im nächsten Regelschritt. Die entkoppelte Sensorarchitektur bietet zudem inhärente Redundanz: Bei Drucksensorausfall kann die Druckregelung über den Winkelsensor allein aufrechterhalten werden – eine wesentliche Voraussetzung für Fail-Operational-Systeme in autonomen Fahrzeugen (Level 3–5).
4. Lösung des Volumenproblems (TA1): Bei Einfachhubkolbensystemen (z. B. Continental MK C1, Bosch IPB) geht im ABS-Betrieb durch das Öffnen der Auslassventile kontinuierlich Volumen in den Vorratsbehälter verloren. Der Plunger wird ständig nach vorne gefahren und braucht sein Fördervolumen auf. Konventionell muss der Bremsregelvorgang dann für ca. 150 ms unterbrochen werden (dies ist bei langen Bremsen auf Schnee und Eis ggf. sicherheitskritisch), damit der Kolben vom Bremskreis getrennt und Volumen aus dem Vorratsbehälter angesaugt werden kann während dieser Unterbrechung ist kein Regelbetrieb möglich, was bei Stabilitätseingriffen sicherheitskritisch ist. HDS 2.1 löst dieses Problem regelungstechnisch: Fluid wird im Regelbetrieb präferiert in den Arbeitsraum des Plungers zurückgeführt, um die Volumenbilanz nicht zu stark zu beeinträchtigen und eine Zeitunterbrechung vollständig zu vermeiden. Der Druckabbau über Auslassventile wird primär beim ersten kritischen Druckabbau eines ABS-Zyklus oder bei µ-Sprung-Situationen eingesetzt, wo ein extrem schneller Druckabbau für kurze Bremswege entscheidend ist. Sobald die Regelung stabilisiert ist oder eine Bremsung auf niedrigem µ-Niveau durchgeführt wird, werden Druckaufbau und Druckabbau primär über das MUX- bzw. HDS-1-Verfahren realisiert. Bei Doppelhubkolben wird das Volumenproblem strukturell gelöst durch kontinuierliche Förderung im Vor- und Rückhub, wobei auch hier die Strategie den Volumendurchsatz optimiert und unnötige Hubwechsel minimiert.
5. Ventilreduktion durch zentrales Auslassventil: Konventionelle ABS/ESP-Systeme benötigen je ein Einlass- und Auslassventil pro Radbremse – also acht Magnetventile für ein Vierrad-System. TA2 führt eine asymmetrische Auslassventil-Topologie ein: Ein zentrales Auslassventil (ZAV) ist mit mehreren Verbrauchern verbunden, während mindestens ein Verbraucher zusätzlich ein individuelles Auslassventil besitzt und mindestens ein weiterer Verbraucher Druck ausschließlich über das ZAV abbauen kann. Die asymmetrische Auslegung ermöglicht einen unabhängigen Schnelldruckabbau an sicherheitskritischen Rädern (z. B. bei µ-Sprung oder ABS-Eingriff), während die übrigen Radbremsen über das ZAV kostengünstig angebunden bleiben. Damit entsteht eine skalierbare Ventilarchitektur, die Kosten, Bauraum und Gewicht erheblich reduziert.
6. Regeneratives Bremsen und fortgeschrittene Fahrdynamikeingriffe: Die HDS ermöglicht eine feindosierte Blending-Strategie für regeneratives Bremsen: Im Standardfall wird der hydraulische Bremsdruck an der Generatorachse präzise dem variierenden Generatormoment nachgeführt, während zeitgleich an der konventionellen Achse Druck auf- oder abgebaut wird. Bei Allrad-Rekuperation ermöglicht die HDS 2 darüber hinaus radindividuelles Blending, bei dem jede einzelne Radbremse unabhängig dem jeweiligen Radgeneratormoment nachgeführt wird. Dabei spielt die duale Funktion der Fördereinrichtung eine zentrale Rolle: Sofern Auslassventile nur zeitgesteuert und nicht druckgeregelt betrieben werden, kontrolliert der Plunger über Volumensteuerung den Druckabbaugradienten und linearisiert den nichtlinearen Druckabbauverlauf über das Auslassventil. So kann das Bremsmoment genau an das zunehmende Generatormoment angepasst werden. Darüber hinaus können bei regenerativem Bremsen Giermomente erzeugt werden, z. B. beim gleichzeitigen Bremsen und Lenken, wobei Druckauf- und Druckabbau vorzugsweise PWM-gesteuert über die Auslassventile feindosiert erfolgen.
7. Maximierung des Druckabbaugradienten (TA1): Bei allen Fördereinrichtungen mit Druckabbaufähigkeit (Plunger, DHK) kann der Druckabbaugradient durch simultanen Druckabbau über Fördereinrichtung und Auslassventil maximiert werden. Dies ist insbesondere bei Bremsungen auf niedrigem µ-Niveau relevant, da der Druckgradient über das Auslassventil allein physikalisch bedingt eher gering ist. Die Kombination beider Kanäle verkürzt den Bremsweg und verbessert die Fahrzeugstabilität.
8. Schwingungsreduktion und geräuscharmer Druckauf-/abbau mittels Auslassventil-Bypass (TA3): Fördereinrichtungen mit kontinuierlicher Förderung (insbesondere 2-Kolbenpumpen, aber auch Doppelhubkolben bei Umkehr von Vorhub- und Rückhubbewegung) erzeugen konstruktionsbedingt überlagerte Druckschwingungen (Oberwellen), die aus der diskontinuierlichen Kolbenbewegung, hydraulischen Reflexionen in den Leitungen und der Kompressibilität des Bremsmediums resultieren. Diese Oberwellen verursachen Geräusch und belasten die Komponenten – ein NVH-Problem (Noise, Vibration, Harshness), das insbesondere bei leisen Elektrofahrzeugen kritisch ist, da Bremsgeräusche nicht mehr von Motorgeräuschen maskiert werden. Die HDS 2 löst dieses Problem durch eine neuartige Nutzung des Auslassventils als Bypass-Kanal während der Druckaufbausteuerung (E141DE3, Ansprüche 5/6): Während die Fördereinrichtung über das Einlassventil Fluid in den Verbraucher fördert, wird gleichzeitig das Auslassventil – vorzugsweise PWM-gesteuert (E141DE3 Anspruch 2) – derart geöffnet, dass die Druckspitzen und Oberwellen der Kolbenpumpe über den Auslassventil-Bypass abgeleitet und geglättet werden. Durch gezielte Ansteuerung beider Ventile (Öffnungsquerschnitt, Timing, PWM-Frequenz und Tastverhältnis) wird der effektive Druckverlauf im Verbraucher an einen vorgegebenen Soll-Druckverlauf angepasst. Dies ermöglicht zweierlei: Erstens einen geräuscharmen, schwingungsfreien Druckaufbau, bei dem die Oberwellen der Kolbenpumpe eliminiert werden und eine genaue Volumenzumessung auch im zeitlichen Verlauf gewährleistet ist – Voraussetzung für die Präzision der gesamten HDS-2-Volumensteuerungsstrategie. Zweitens einen feindosierten, geräuscharmen Druckabbau, bei dem das PWM-gesteuerte Auslassventil den Druckabbaugradienten präzise kontrolliert und dabei akustisch unauffällig bleibt. Die Schwingungsreduktion ist besonders relevant für die Blending-Strategie beim regenerativen Bremsen: Jede Druckschwingung ist beim Übergang zwischen hydraulischem und elektrischem Bremsen als Ruck spürbar. Das Verfahren ermöglicht einen linearen, schwingungsfreien Druckverlauf, der die Blending-Strategie mit der für Premium-BEV und autonome Fahrzeuge erforderlichen Präzision umsetzt.