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503
22
Elektrisches Bremsen
Marcus Bletz und Thorsten Wickenhöfer
22.1
Einleitung – 504
22.1.1
22.1.2
22.1.3
22.1.4
Technische Grundlagen – 504
Fahrzeugkonzepte – 505
Antriebs-/Achskonfigurationen – 506
System-Architektur – 510
22.2
Anforderungen an das Bremssystem – 510
22.2.1
22.2.2
22.2.3
Anforderung Fahrerwahrnehmung – 510
Transition Reib-/Generatorbremse – 511
Notwendigkeit der Adaptierung und Konditionierung der
Reibbremse – 512
22.3
Bremssystemvarianten – 513
22.3.1
22.3.2
22.3.3
Bremssystem ohne Transitionsfähigkeit – 513
Bremssystem mit begrenzter Transitionsfähigkeit – 513
Bremssysteme mit voller Transitionsfähigkeit – 514
22.4
Systemauslegung des Teilsystems Reibbremse – 515
22.4.1
22.4.2
22.4.3
22.4.4
Hydraulik THZ bis Bremssattel – 515
Reibpaarung Bremsbelag/Bremsscheibe – 515
Vakuumbereitstellung – 515
Fahrerwunsch-Sensorik – 515
22.5
Sicherheitskonzepte – 516
22.6
Einfluss auf Verbrauch bzw. CO2 -Emission und Reichweite – 516
22.6.1
Verbrauchszyklen – 517
22.7
Ausblick – 518
© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017
B. Breuer, K.H. Bill (Hrsg.), Bremsenhandbuch, ATZ/MTZ-Fachbuch
DOI 10.1007/978-3-658-15489-9_22
504
Kapitel 22 Elektrisches Bremsen
22.1
Einleitung
22
Die Entwicklung neuer Fahrzeugkonzepte mit elektrifizierten Antriebskomponenten gewinnt in den
letzten Jahren durch Verschärfungen der Abgasgrenzwerte bzw. Limitierungen der CO2 -Emissionen immer mehr an Bedeutung.
Hybridfahrzeuge und insbesondere Elektrofahrzeuge zeichnen sich als einer der Megatrends
für die nächsten Jahre und Jahrzehnte in der Automobilindustrie ab.
Durch die Rekuperation kinetischer Energie
während des Bremsvorgangs ist bei Hybridfahrzeugen je nach Testbedingungen, Fahrzeug- und
Antriebsarchitektur eine deutliche Reduktion der
CO2 -Emissionen möglich.
Bei reinen Elektrofahrzeugen führt die Rekuperation zu einer deutlichen Erhöhung der elektrischen Reichweite.
Bei beiden Varianten kommt eine elektrische
Maschine, die als Generator betrieben wird, als
Bremsaktuator zum Einsatz, der die Verzögerung
des Fahrzeugs alleine oder in Kooperation mit dem
Bremssystem realisiert.
Das Bremssystem ist unterteilt in das klassische
Reibbremssystem und ein elektronisches Bremssystem, welches radindividuelle Eingriffe ermöglicht
und externe Anforderungen verarbeiten kann.
. Abb. 22.1 Bremssystem (abstrahiert)
Die Kommunikation zwischen den Systemen
(z. B. Hybrid-Manager, Radarsysteme o. ä.) erfolgt
über Bussysteme wie CAN oder Flexray.
Während der Generator im Hochvolt-Netz
(> 60 V DC) eingebunden ist, arbeitet das Bremssystem im herkömmlichen 12 V-Bordnetz.
. Abb. 22.1 zeigt eine abstrahierte Architektur
von Hochvoltnetz und Bremssystem.
22.1.1
Technische Grundlagen
Für die Verwendung des elektrifizierten Antriebsstrangs bzw. speziell des Generators als Verzögerungsaktuator gelten spezielle Anforderungen.
Die maximalen Leistungsdaten ergeben sich
nur bei Betrachtung des gesamten elektrischen Antriebsstrangs, typischerweise ist dabei die Batterie
der limitierende Faktor.
Batteriecharakteristik
Die Batterie spielt als Energiespeicher, neben dem
Generator, die zentrale Rolle bei den möglichen
Einsparungen bzw. dem Potenzial bzgl. der Fahrzeugreichweite.
Die Rekuperation hat zum Ziel, die Batterie
möglichst schnell wieder auf einen hohen Ladezustand zu bringen, um in der Folge wieder Antriebsleistung zur Verfügung stellen zu können.
505
22.1 Einleitung
22
. Abb. 22.2 Generatorkennlinie mit Limitierungen
Die Batterie kann jedoch nur in Abhängigkeit
mehrerer Parameter geladen oder entladen werden.
Die wichtigsten Parameter sind:
4 Batteriekonzept
4 Batterieladezustand
4 Batterietemperatur
4 Maximaler Lade-/Entlade-Strom
Generatorcharakteristik
Die Ladestrategie für die Batterie ist, den Generator
mit einer über die Leistungselektronik geregelten
Leistung in Abhängigkeit der Batterielimitierungen
zu betreiben.
Dadurch ergibt sich bei konstanter Leistung P
über den physikalischen Zusammenhang P D M 2 p n ein variables Drehmoment M über der
Drehzahl n, welche typischerweise proportional zur
Fahrzeuggeschwindigkeit ist.
Abhängig von der installierten Generatorleistung, der Generatoreffizienz und der möglichen
Verwendung bei kleinen Drehzahlen ergibt sich
eine spezifische Generatorcharakteristik bzgl. des
Drehmomentes über der Fahrzeuggeschwindigkeit.
Die Eigenschaften der Batterie beeinflussen die
maximal nutzbare Generatorleistung und damit die
maximal mögliche Fahrzeugverzögerung mit dem
Generator.
Die . Abb. 22.2 zeigt einen typischen Verlauf des
Generatormomentes über der Fahrzeuggeschwin-
digkeit mit einer Darstellung der einzelnen Limitierungen.
22.1.2 Fahrzeugkonzepte
Die Varianten der Fahrzeugkonzepte mit elektrifizierten Komponenten im Antriebsstrang sind vielfältig.
Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Hybridfahrzeugen mit jeweils zwei unterschiedlichen
Energiewandlern und Energiespeichern (z. B. Verbrennungsmotor, betrieben mit flüssigem Kraftstoff, und Elektro-Motor mit Batterie) und reinen
Elektrofahrzeugen.
Die sogenannten „Range-Extender“-Fahrzeuge
nehmen eine Sonderstellung ein, da hier der Verbrennungsmotor ausschließlich zur Erzeugung des
elektrischen Stroms eingesetzt wird und keine direkte Verbindung zu den angetriebenen Rädern besteht.
Folgende Abkürzungen sind gebräuchlich:
4 HEV = Hybrid Electric Vehicle
4 PHEV = Plugin Hybrid Electric Vehicle
4 EV = Electric Vehicle
Hybridfahrzeuge
Abhängig von der installierten elektrischen Leistung, der Batteriegröße und der evtl. vorhandenen
Möglichkeit, rein elektrisches Fahren zu realisieren,
Kapitel 22 Elektrisches Bremsen
506
22
. Tabelle 22.1 Übersicht Hybridfahrzeuge
Generatorgrösse
Bordnetzspannung
Start-StoppFunktion
Boost
Rekuperation
Elektrisches
Fahren
Mikro-Hybrida
< 5 kW
12 V
x
–
(x)
–
Mild-Hybrid
> 10 kW
> 60 V
x
x
x
–
Voll-Hybrid
> 20 kW
> 60 V
x
x
x
< 5 km
Plugin-Hybrid
> 50 kW
> 60 V
x
x
x
> 10 km
a
Kein Hybrid im herkömmlichen Sinne, da kein elektrischer Antrieb vorhanden ist.
Die möglichen Generatordrehmomente in Abhängigkeit verschiedener Generatornennleistung zeigt die . Abb. 22.3.
. Abb. 22.3 Generatorkennlinien für verschiedene Generatorleistungen
unterscheidet man verschiedene Arten von Hybridfahrzeugen.
Die Grenzen sind jeweils fließend, die Werte in . Tab. 22.1 sind nur ungefähre Angaben. Die
möglichen Generatordrehmomente in Abhängigkeit von verschiedenen Generatornennleistungen
zeigt . Abb. 22.3.
Daher muss die kinetische Energie möglichst
effizient durch die Rekuperation umgewandelt, gespeichert und zum Antreiben des Fahrzeugs wieder
genutzt werden.
Es kann sogar sinnvoll und wirtschaftlich sein,
sehr aufwendige und damit auch teure Bremssysteme einzusetzen, um damit Kosten, Gewicht und
Größe bei der Batterie einzusparen.
Elektrofahrzeuge
Bei Elektrofahrzeugen ohne Range-Extender ist die
Reichweite eine entscheidende Kenngröße.
Um hohe Fahrzeugreichweiten zu ermöglichen,
müssen große und schwere Batterien eingesetzt
werden, die zusätzlich sehr teuer in der Anschaffung sind.
22.1.3 Antriebs-/Achskonfigurationen
Mit dem heutigen Stand der Technik wirken die
elektrischen Antriebe in der Regel auf eine bzw. beide Fahrzeugachsen. In der jeweiligen Ausführung
507
22.1 Einleitung
22
. Abb. 22.4 Beispiele Antriebsstrangkonfigurationen
gibt es Systemkonfigurationen mit einer oder mit
mehreren Getriebestufen.
Die . Abb. 22.4 zeigt einige typische Antriebsstrangkonfigurationen. Darüber hinaus sind diverse andere Konfigurationen wie Radnabenmotoren oder mehrere elektrische Antriebe pro Achse
denkbar. Der Verbrennungsmotor ist nur bei Hybridfahrzeugen notwendig oder kommt als RangeExtender in Elektrofahrzeugen zum Einsatz.
Die Integration des Antriebstranges in das
Bremssystem hat zur Folge, dass sich eine geänderte
Bremskraftverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse gegenüber einem konventionellen Bremssystem ergibt.
Im Folgenden sind PKW-typische Bremskraftverteilungsdiagramme (vgl. 7 Abschn. 2.4 Bremsstabilität und Bremskraftverteilung) für drei Antriebsstrangkonfigurationen unter der Annahme angegeben, dass die Bremsmomente der Reibbremse möglichst gering eingestellt werden.
trieb gestellt werden, ab einer Gesamtverzögerung
von größer als 0,3 g begrenzt und die Bremskraftverteilung auf die installierte Verteilung der Reibbremse zurückgeführt werden (s. . Abb. 22.5).
Elektrischer Antrieb an der Vorderachse
Elektrischer Antrieb an beiden Achsen
In dieser Antriebsstrangkonfiguration wirkt der
elektrische Antrieb auf die Vorderachse des Fahrzeugs. Um einen verlängerten Bremsweg auf Fahrbahnen mit Schnee oder Eis zu vermeiden, sollten
die Bremsmomente, die über den elektrischen An-
Die Bremsmomente, die in dieser Antriebsstrangkonfiguration über den elektrischen Antrieb gestellt
werden können, wirken mit einer festen oder mit einer variablen Verteilung auf beide Fahrzeugachsen.
Je nach Auslegung des Antriebsstranges (Momen-
Elektrischer Antrieb an der Hinterachse
Die Bremsmomente, die in dieser Antriebsstrangkonfiguration über den elektrischen Antrieb gestellt
werden können, sind durch die resultierende Einfederung der Hinterachse (subjektives Fahrer-Empfinden bzgl. Nickverhalten) sowie die maximal umsetzbaren Längskräfte am Reifen begrenzt. Um zu
vermeiden, dass die Hinterachse vor der Vorderachse die Blockiergrenze erreicht und es so zu einem
instabilen Fahrverhalten kommt, sollte die Bremskraftverteilung ab einer Gesamtverzögerung von
größer als 0,2 g auf die installierte Verteilung der
Reibbremse zurückgeführt werden (s. . Abb. 22.6).
Zusätzlich sind weitere Limitierungen in Abhängigkeit vom Kraftschluss der Hinterachse notwendig.
508
Kapitel 22 Elektrisches Bremsen
22
. Abb. 22.5 Bremskraftverteilungsdiagramm
. Abb. 22.6 Bremskraftverteilungsdiagramm
509
22.1 Einleitung
. Abb. 22.7 Bremskraftverteilungsdiagramm
. Abb. 22.8 Architektur auf Systemebene
22
510
Kapitel 22 Elektrisches Bremsen
22
Torque at wheel RR
Torque at wheel FR
Brake torque
at wheel RR
Brake torque
at wheel FR
Wheel front right
Wheel rear right
∑= Total powertrain torque at wheels
Powertrain Powertrain
torque at torque at
wheel FR wheel RR
Transmission system
Combustion
on engine
Electric machine torque +/–
(e.g. starter generator,
Clutch
alternator)
Engine
or
converter
Clutch
Transmission
Indicated torque
≥0
Engine
torque
at crankshaft
+/–
Internal engine
Air
torque losses
conditioning
(friction, pumping,
torque
mechanically driven
≤0
water pump ...)
≤0
Countershaft
gearbox
Wheel drive
(transfer case,
differential)
Torque
at
clutch
Other
torque
Transmission Transmission Drivetrain
Powertrain Powertrain
consumers
Converter input
losses
output
torque at torque at
(e.g. power
losses
torque
torque
wheel FL wheel RL
steering,
trans. oil pump,
work machine)
Wheel front left
Wheel rear left
≤0
Brake torque
at wheel FL
Brake torque
at wheel RL
Torque at wheel FL
v1.00
Torque at wheel RL
. Abb. 22.9 AUTOSAR Powertrain Domain V2.0.0 R4.0 Rev.1. (Quelle: AUTOSAR)
tenverteilung zwischen Vorder- und Hinterachse)
sollten auch hier die Bremsmomente, die über den
elektrischen Antrieb gestellt werden, begrenzt und
die Bremskraftverteilung auf die installierte Verteilung der Reibbremse zurückgeführt werden (Beispiel, s. . Abb. 22.7).
22.1.4 System-Architektur
Um elektrisches regeneratives Bremsen zu realisieren, muss das Bremssystem mit dem Antriebssystem vernetzt werden. Das ist mit dem Einsatz heutiger Bremssysteme bereits Stand der Technik.
Die Stellbefehle zum elektrisch regenerativen
Bremsen werden dabei vom Bremssystem generiert,
vom Antriebssystem umgesetzt und aus Sicherheitsgründen vom Bremssystem wieder zurückgelesen (vgl. . Abb. 22.8).
Die Definition des Vorzeichens für die Bremsmomente des elektrischen Antriebsstranges erfolgt
dabei vorzugsweise nach der AUTOSAR-Spezifikation, welche die Momente in der Wirkrichtung von
den Rädern in den Antriebsstrang negativ definiert
(vgl. . Abb. 22.9). Damit bleibt das Vorzeichen für
die Bremsmomente unabhängig von der Fahrtrichtung immer gleich.
22.2
Anforderungen an das
Bremssystem
Durch die zuvor genannten Rahmenbedingungen
ergeben sich spezielle Anforderungen an das Bremssystem, die im Einzelnen näher erläutert werden.
22.2.1 Anforderung
Fahrerwahrnehmung
Der Fahrer erwartet beim Abbremsen des Fahrzeuges ein konstantes, reproduzierbares Bremspedalgefühl und Verzögerungsverhalten. Dafür kann
511
22.2 Anforderungen an das Bremssystem
man bestimmte Wahrnehmbarkeits- und Akzeptanzschwellen annehmen.
Das Pedalgefühl unterscheidet sich von Fahrzeug zu Fahrzeug. Der Fahrer ist aber in der Regel in
der Lage, sich sehr schnell an das jeweilige Fahrzeug
zu adaptieren, solange bestimmte Rahmenbedingungen wie Pedalkraft, Pedalweg, Dämpfung usw.
eingehalten werden.
Eine plötzliche Veränderung des Pedalgefühl
bzw. des Verzögerungsverhaltens während des normalen Fahrzeugbetriebs, zum Beispiel während einer typischen Komfortbremsung, ist allerdings nur
bis zu einem bestimmten Grad akzeptabel. Eine größere Veränderung des Fahrzeugverzögerungsverhaltens ist vom Fahrer nur begrenzt beherrschbar.
Je nach verwendetem Bremssystem (z. B. Teiloder Voll-by-wire-Systeme) muss das Pedalgefühl
möglichst „natürlich“ durch zusätzliche Hardware
simuliert werden.
22.2.2 Transition Reib-/
Generatorbremse
Da die Verzögerungsfähigkeit des Generators in
Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit variabel ist,
muss die Reibbremse entsprechend aus- und eingeblendet werden. Dabei unterscheidet man zwischen
der Transition bei hohen Fahrgeschwindigkeiten
und bei kleineren Fahrgeschwindigkeiten.
. Abb. 22.10 Aufteilung Reibbremse/Rekuperation
22
Transition bei hoher
Fahrgeschwindigkeit
Bei hohen Geschwindigkeiten können über den Generator zunächst nur kleine Fahrzeugverzögerungen realisiert werden. Mit sinkender Fahrgeschwindigkeit steigen das mögliche Drehmoment und
damit auch die mögliche Fahrzeugverzögerung.
Um eine konstante Fahrzeugverzögerung zu
ermöglichen, muss der Reibbremsanteil kontinuierlich angepasst werden, damit die vom Fahrer
gewünschte Fahrzeugverzögerung in der Summe
konstant eingestellt wird.
Transition bei kleiner
Fahrgeschwindigkeit
Bei kleineren Fahrgeschwindigkeiten erreicht das
Verzögerungsvermögen des Generators sein Maximum. Ist dieses Maximum größer oder gleich
dem Fahrerwunsch bremst allein der Generator das
Fahrzeug ab. Die Reibbremse ist in diesem Fall nicht
aktiv. Kurz vor dem Fahrzeugstillstand muss jedoch
die Fahrzeugverzögerung aus dem Generator bis
auf Null reduziert werden.
Das Bremssystem muss diese relativ schnell
stattfindende Transition möglichst nahtlos umsetzen. Auch hier ist eine Rückwirkung auf die Fahrerwahrnehmung möglichst zu vermeiden.
. Abb. 22.10 zeigt die beiden Übergänge über der
Fahrgeschwindigkeit.
512
Kapitel 22 Elektrisches Bremsen
22
22.2.3 Notwendigkeit der Adaptierung aber durch die Streuung der Reibpaarung Bremsbelag/Bremsscheibe eine höhere Abweichung in der
und Konditionierung der
Stellgenauigkeit des Bremsmomentes auf.
Reibbremse
Während einer Bremsung von hoher Fahrgeschwindigkeit bis in den Fahrzeugstillstand wirken zwei unterschiedliche Aktuatorsysteme mit unterschiedlicher Effizienz, um die Verzögerung des
Fahrzeugs zu ermöglichen.
Daher sollte zumindest eines der beiden Systeme entsprechend auf die Umgebungsbedingungen
adaptierbar sein und beide Systeme sollten ein möglichst konstantes, reproduzierbares Regelverhalten
aufweisen.
Gerade der schnelle Wechsel von Generatorbremse auf Reibbremse kurz vor dem Fahrzeugstillstand kann durch Latenzzeiten und Regelabweichungen zu Auffälligkeiten führen.
Adaptierung der Reibbremse
Der Generator lässt sich sehr genau regeln, die Höhe
des maximal zur Verfügung stehenden Generatormoments wird über die Kommunikationsschnittstelle übermittelt und ist somit dem Bremssystem
bekannt.
Die Reibbremse weist durch die Regelabweichungen in Druck- oder Kraftstellung, besonders
. Abb. 22.11 Streuung Bremsbelagreibwerte
Teilweise lassen sich diese Effekte durch Anpassungen in der Ansteuerung ausgleichen. Trotzdem
sollte insbesondere das Langzeitverhalten entsprechend adaptiert werden, um das Verhältnis Bremsdruck bzw. Bremskraft zu Verzögerung möglichst
konstant zu halten.
Konditionierung der Reibbremse
Die Reibbremse muss, gerade bei niedrigen Fahrzeugverzögerungen, nur teilweise eingesetzt werden, da der Generator den Großteil der im
normalen Fahrbetrieb auftretenden Fahrzeugverzögerungen alleine realisieren kann. Mehr als 80 %
aller Fahrerbremsungen liegen bei Verzögerungen
< 3 m=s2 .
Je nach Reibwertverhalten des eingesetzten
Bremsbelags kann es erforderlich sein, die Reibbremse bewusst zu konditionieren, in dem man die
Reibbremse trotz vorhandener Möglichkeit der Rekuperation zeitweise alleine einsetzt.
Beispielhaft zeigt die . Abb. 22.11 eine typische
Streuung des Bremsbelagreibwertes in Abhängigkeit von Bremsflüssigkeitsdruck und Reibflächentemperatur.
513
22.3 Bremssystemvarianten
Dazu kommt noch die Änderung der Belagreibwerte in Folge von Alterung und Umgebungseinflüssen.
22.3
Bremssystemvarianten
Abhängig vom Fahrzeugkonzept und der installierten elektrischen Leistung des Antriebstranges lassen sich unterschiedliche Bremssysteme definieren,
die sich bzgl. der Bremsrekuperation in drei Kategorien einteilen lassen.
Dabei gelten u. a. folgende Auswahlkriterien:
4 Leistungsfähigkeit des Antriebsstrang
4 Angestrebte CO2 -Einsparung bzw. Reichweite
4 Gewünschte Modularität bzw. plattformübergreifende Verwendbarkeit
4 Preis-Leistungs-Verhältnis
4 Möglicher Einfluss auf Bremspedalgefühl
4 Sicherheitsaspekte
22.3.1 Bremssystem ohne
Transitionsfähigkeit
In dieser Systemvariante erfolgt die Rekuperation entweder rein gesteuert durch Lösen des Fahrpedals oder teilweise geregelt durch Erfassen des
Bremspedalwegs über einen zusätzlichen Pedalwegoder Pedalkraft-Sensor ohne Transition des Ver-
. Abb. 22.12 Verzögerungsverlauf ohne Transition
22
zögerungsmomentes von Generator- auf die Reibbremse.
Um die Rückwirkung auf das Fahrerempfinden
durch die fehlende Transitionsfähigkeit möglichst
gering zu halten, gibt es bei dieser Systemvariante
Limitierungen für die maximale Höhe des Generatordrehmoments und eine Limitierung der maximalen Ein- und Ausblend-Gradienten.
Die sich einstellende Verzögerungsveränderung
muss durch den Fahrer kompensiert werden. Ein
beispielhafter Verzögerungsverlauf ohne Fahrerreaktion ist in . Abb. 22.12 dargestellt.
Typische Anwendungen für solche Systeme sind
kleine Mild-Hybrid-Fahrzeuge, da diese ohnehin
bzgl. des maximalen Generatordrehmoments begrenzt sind.
22.3.2 Bremssystem mit begrenzter
Transitionsfähigkeit
Diese Systemvariante ermöglicht eine teilweise Transition des Verzögerungsmomentes von
Generator- auf die Reibbremse. Hauptsächlich
die Absenkung des Rekuperationsmomentes beim
Bremsen bis in den Stillstand kann mit dieser Systemvariante kompensiert werden.
Um die Effizienz zu erhöhen, kann die Rekuperation situationsabhängig höher als der Fahrerwunsch angefordert werden, unter Inkaufnahme
514
Kapitel 22 Elektrisches Bremsen
22
. Abb. 22.13 Verzögerungsverlauf mit begrenzter Transition
. Abb. 22.14 Verzögerungsverlauf mit vollständiger Transition
einer geringen Verzögerungsveränderung, idealerweise unterhalb der Wahrnehmbarkeitsschwelle des
Fahrers.
Auch hier gibt es in der Regel Limitierungen
für die maximale Höhe des Generatordrehmoments
und eine Limitierung der maximalen Ein- und Ausblend-Gradienten.
Einen beispielhaften Verzögerungsverlauf ohne
Fahrerreaktion beim Bremssystem mit begrenzter
Transitionsfähigkeit zeigt die . Abb. 22.13.
Das Anwendungsgebiet für solche Systeme sind
Mild-Hybrid-Fahrzeuge bzw. kleine Voll-Hybridfahrzeuge. Das je nach Fahrzeugkonfiguration ggf.
größere Generatordrehmoment wird nicht voll ausgenutzt, dafür ergeben sich Vorteile bzgl. der geringeren System-Komplexität sowie eines günstigeren
Systempreises.
22.3.3 Bremssysteme mit voller
Transitionsfähigkeit
Diese Systemvariante ermöglicht eine vollständige Transition des Verzögerungsmomentes von
Generator- auf die Reibbremse und damit einen
nahtlosen Wechsel in allen Betriebssituationen.
515
22.4 Systemauslegung des Teilsystems Reibbremse
Je nach verwendeter Antriebskonfiguration
kann es jedoch auch bei dieser Variante Limitierungen geben, um zum Beispiel die Fahrzeugstabilität
nicht negativ zu beeinflussen. Die zur Anwendung
kommenden Systeme bieten jedoch auch hier Vorteile, da die notwendigen Transitionen für den
Fahrer weitgehend rückwirkungsfrei erfolgen.
Typischerweise wird bei diesen Systemen das
Bremspedal vom Bremssystem entkoppelt und das
System wird als Fremdkraftbremssystem ausgeführt
(Brake-by-wire). Dadurch muss das Bremspedalgefühl simuliert werden. Bei Teil-by-wire-Systemen,
bei denen z. B. nur eine Achse by-wire betrieben
wird, entfällt diese Notwendigkeit.
Die Nachteile von By-wire-Systemen liegen in
der resultierenden Komplexität, dem höheren Systempreis sowie der Herausforderung, alle Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.
Die . Abb. 22.14 zeigt einen beispielhaften, konstanten Verzögerungsverlauf ohne Fahrerreaktion.
Das Anwendungsgebiet für solche Systeme sind
Fahrzeugkonzepte mit kleiner und großer elektrischer Reichweite wie HEV-, PHEV- und EV-Fahrzeuge.
22.4
Systemauslegung des
Teilsystems Reibbremse
Durch die neuen Funktionalitäten ergeben sich zum
Teil auch neue Anforderungen an die vorhandenen
Reibbremssysteme.
22.4.1 Hydraulik THZ bis Bremssattel
Bei Verwendung eines konventionellen Bremssystems mit vollständiger oder teilweiser Verkopplung
des Bremspedals mit der Bremsanlage wird in der
Regel der bereits vorhandene Leerweg bis zum ersten Druckaufbau vergrößert.
Die Realisierung dieser Leerwegvergrößerung
lässt sich zum Beispiel im THZ und/oder einem vergrößerten Lüftspiel der Bremssättel darstellen.
Bei By-wire-Bremssystemen ist diese Veränderung aufgrund der mechanischen Entkopplung von
Bremspedal und Bremsanlage nicht notwendig.
22
22.4.2 Reibpaarung
Bremsbelag/Bremsscheibe
Aufgrund der geringeren Verwendung der Reibbremse bei typischen Komfortbremsungen ergeben sich veränderte Anforderungen bezüglich Reibwert- und Verschleißverhalten der Reibpaarung
Bremsbelag und Bremsscheibe. Für ein optimales
Transitionsverhalten ist zum Beispiel ein möglichst
konstanter Reibwert für alle möglichen Einflussfaktoren zielführend. Bei dem Verschleißverhalten
muss man je nach Fahrzeugkonfiguration Unterschiede zwischen Vorder- und Hinterachse beachten.
22.4.3 Vakuumbereitstellung
Durch die neuen Fahrzeug-Betriebszustände des
elektrischen Fahrens muss bei Verwendung von
Bremsanlagen mit Vakuum-Bremskraftverstärker
eine entsprechende Vakuumversorgung sichergestellt werden. In der Regel kommen dafür elektrische Vakuumpumpen zum Einsatz, die bezüglich
Laufzeit und Schaltzyklen entsprechend ausgelegt
werden müssen.
Bei reinen Fremdkraftbremssystemen entfällt
diese Notwendigkeit.
22.4.4 Fahrerwunsch-Sensorik
Für die Realisierung der regenerativen Bremsfunktion ist es erforderlich, den Fahrerbremswunsch
kontinuierlich zu erfassen.
Da die relevanten Bremsmanöver für die regenerative Bremsfunktion vorwiegend im Teilbremsbereich liegen und der Fahrer die Verzögerung in
diesem Bereich über den Bremspedalweg steuert,
wird für die Ermittlung des Fahrerwunsches vorzugsweise die Position der Bremsbetätigung messtechnisch erfasst. Zusätzlich kann auch ein Messverfahren eingesetzt werden, das die Kraft an der
Bremsbetätigung erfasst. Idealerweise werden beide Größen messtechnisch erfasst, um das Bremspedalgefühl möglichst gut darstellen zu können.
(vgl. . Abb. 22.15)
516
Kapitel 22 Elektrisches Bremsen
22
. Abb. 22.15 Teilarchitektur Fahrerwunsch
22.5
Sicherheitskonzepte
Für die Erfassung des Fahrerbremswunsches mit
anschließender Umsetzung über den elektrischen
Antriebsstrang müssen generell die Sicherheitsanforderungen des Gesamtbremssystems hinsichtlich
möglicher auftretender Fehler betrachtet werden.
Dabei sind im Wesentlichen zwei Aspekte relevant,
die im Folgenden beschrieben werden sollen.
Ist das Gesamtbremssystem so ausgelegt, dass
das System mit der Reibbremse die Betriebsbremswirkung nach der ECE-Regelung 13 erreicht, so
kann der elektrische Antriebsstrang in der Sicherheitsrelevanz für den Top-Event „fehlerhafte Unterbremsung“ heruntergestuft werden. Trifft dies nicht
zu, muss der elektrische Antriebsstrang die Sicherheitsanforderungen des Gesamtbremssystems mit
abdecken.
Ist die maximale Verzögerung des elektrischen
Antriebsstrangs auf ein Maß limitiert, welches bei
einer ungewollten Bremsung für den Fahrer beherrschbar bleibt, so kann der elektrische Antriebsstrang in der Sicherheitsrelevanz für den Top-Event
„fehlerhafte Überbremsung“ heruntergestuft werden. Anderenfalls muss der elektrische Antriebsstrang die Sicherheitsanforderungen des Gesamtbremssystems mit abdecken.
Zusammengefasst bedeutet dies, je höher die
Bremsmomente über den Antriebsstrang ausgelegt
werden, desto höher sind die Sicherheitsanforderungen, die an den elektrischen Antriebsstrang ge-
stellt werden müssen. Auf der Grundlage der statistischen Verteilung der Bremsprofile sowie der
Aufwände für die Umsetzung der jeweiligen Sicherheitsanforderungen ist es sinnvoll, die elektrischen
Bremsmomente generell in Ihrer Höhe zu begrenzen, selbst wenn die elektrische Leistung des Antriebstranges höhere Bremsmomente zulassen würde.
22.6
Einfluss auf Verbrauch bzw.
CO2 -Emission und Reichweite
Der Hauptgrund für die Verwendung eines komplexen Bremssystems mit großen Freiheitsgraden
ist das Potenzial für die CO2 -Emissionsreduzierung
bzw. die Reichweiten-Verlängerung.
Unterscheiden kann man dabei zwischen dem
möglichen Vorteil bei den vorgeschriebenen und
definierten Verbrauchszyklen und dem Potenzial,
im alltäglichen Fahrbetrieb echte Einsparungen mit
dem Gesamtfahrzeug zu erzielen. In der Gesamtbetrachtung muss die Effizienzsteigerung dem höheren Aufwand an Kosten und Gewicht gegenüber
gestellt werden.
Das Bremssystem kann nur den Anteil der genutzten Rekuperation beeinflussen. Ausgehend von
100 % möglicher Rekuperation bei idealem Bremssystem ergibt sich eine kleinere Effizienz je weniger Rekuperationspotenzial ein Bremssystem besitzt.
517
22.6 Einfluss auf Verbrauch bzw. CO2 -Emission und Reichweite
22
. Abb. 22.16 Beispiele Verbrauchszyklen
22.6.1 Verbrauchszyklen
Je nach Einsatzgebiet des jeweiligen Fahrzeugs gelten unterschiedliche Fahrzyklen. Typischerweise ist
in diesen Fahrzyklusdefinitionen ein Geschwindigkeitsprofil über der Zeit definiert. Dieses Profil
wird in der Regel auf einem Rollenprüfstand gefahren und die CO2 -Emmission bzw. der Energieverbrauch für die gefahrene Strecke gemessen.
Die typischen Fahrzyklen weisen nur relativ wenige und niedrige Fahrzeugverzögerungen auf. Daher ist der mögliche Einfluss der Rekuperation vergleichsweise gering. In Zukunft sollen hier Fahrzyklen eingesetzt werden, die aus realen Fahrprofilen
und einer größeren statistischen Breite gewonnen
wurden. (z. B. HYZEM o. ä.)
Beispiele für Fahrprofile
4 NEFZ (Europa)
4 FTP75 (USA)
4 10–15 Mode (Japan)
4 WLTC (Weltweit)
Die . Abb. 22.16 zeigt die beiden Profile NEFZ (englisch NEDC) und WLTC im Vergleich.
Realer Einfluss
Je nach Einsatzgebiet des Fahrzeugs ergeben sich
unterschiedliche Potenziale durch den Einsatz der
Rekuperation.
Bei HEVs ergibt sich durch den Einsatz der Rekuperation ein CO2 -Einsparpotenzial vorwiegend
im Stop-und-Go-Verkehr, während es bei längeren
Überlandfahrten nur ein geringes CO2 -Einsparpotenzial gibt.
Bei EVs ergibt sich durch den Einsatz der Rekuperation kein direktes CO2 -Einsparpotenzial aber
eine Verlängerung der Reichweite, die im Zuge der
518
Kapitel 22 Elektrisches Bremsen
22
. Abb. 22.17 Reichweiten Potenzial
Elektromobilität eine zunehmend wichtige Rolle
einnehmen wird.
Das Reichweitenpotenzial für einen Kleinwagen
ohne Rekuperation und mit optimaler Rekuperation bei einem Fahrprofil ähnlich dem US-Zyklus
wird in . Abb. 22.17 gezeigt.
22.7
Ausblick
Durch die neuen Fahrzeugarchitekturen und Bordnetze mit höheren Betriebsspannungen ergeben
sich Potenziale für Neuentwicklungen.
Die erste Anforderung, gerade bei reinen Elektrofahrzeugen, ist es, eine vakuumunabhängige
Bremskraftverstärkung darzustellen. Das Bremssys-
. Abb. 22.18 Zukunftssystem
tem soll dabei möglichst viele Freiheitsgrade bieten,
um unabhängig vom Fahrer Bremsmomente radindividuell stellen zu können.
Die zur Verfügung stehenden Rekuperationspotenziale sollen möglichst zu 100 % nutzbar sein,
ohne funktionale oder sicherheitskritische Einbußen.
Antriebsstrangseitig sind dafür intelligente Allradsysteme notwendig, die achs- oder radindividuell über den Generator bremsen können, um
eine möglichst ideale Bremskraftverteilung einzustellen.
Bremsenseitig müssen dafür bei Zentralaktuatoren, wie elektrischen Betätigungssystemen, Modulationseinheiten vorgesehen werden, die radindividuelle Verteilungen ermöglichen.
Eine mögliche Entwicklung könnten rein elektrisch betätigte bzw. betriebene Bremsen sein. Aber
auch vollständig integrierte Fahrwerksmodule pro
Rad inkl. Feder, Dämpfer, Aufhängung, optional
Antriebsmotor und Bremse sind denkbar. Diese so
genannten „intelligent corner“ würden dann neben
der mechanischen Anbindung nur noch eine elektrische Schnittstelle an das Fahrzeug benötigen.
Eine solche, vereinfachte Fahrzeugarchitektur
ist in . Abb. 22.18 exemplarisch dargestellt.
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