DE102009032084A1

DE102009032084A1 - Bordnetz für ein Fahrwerkregelsystem

Info

Publication number: DE102009032084A1
Application number: DE102009032084A
Authority: DE
Inventors: Armin Ohletz; Nico Schobess
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-07-08
Also published as: DE102009032084B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrwerkregelsystem mit Aktuatoren (3, 4) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein aktives Fahrwerksystem mit Hochstromverbrauchern als Aktuatoren, wobei die Aktuatoren (3, 4) regelnde Aktuator-Steuergeräte (2) mit einem Systemsteuergerät (1) kommunizieren und das Kraftfahrzeug ein Fahrzeugbordnetz aufweist. Erfindungsgemäß ist ein Inselbordnetz zur Energieversorgung des 2) und das Systemsteuergerät (1) umfassenden Fahrwerkregelsystems vorgesehen, wobei das Inselbordnetz mit dem Fahrzeugbordnetz (5) über einen DC/DC-Wandler (6) verbunden ist und die Inselbordnetzspannung (V) höher als die Fahrzeugbordnetzspannung (V) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrwerkregelsystem mit Aktuatoren für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein aktives Fahrwerksystem mit Hochstromverbrauchern als Aktuatoren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 102 25 888 B4 ist ein Bremssystem als modulares Fahrwerksystem bekannt, bei dem zur Steuerung von Aktuatoren deren Aktuator-Steuergeräte von einem Systemsteuergerät über Kommunikationsverbindungen Steuerbefehle übermittelt werden. Dabei sind jeweils einer Achse ein Aktuator-Steuergerät zugeordnet, das jeweils zwei Radbremsaktuatoren ansteuert.
Aktive Fahrwerkssysteme, bspw. aktive Federungs- und Dämpfungssysteme, werden pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch realisiert. Bei einer elektromechanischen Lösung werden als Aktuatoren Elektromotoren eingesetzt, die im Fall eines aktiven Federungssystems, auch unter der Bezeichnung ABC (Active Body Control) bekannt, eine Federfußpunktverstellung an einer Stahlfeder eines jedem Rad zugeordneten Federbeins vornehmen. Den insgesamt vier Elektromotoren als Teil der Aktuatoren sind in der Regel jeweils ein Aktuator-Steuergerät zugeordnet, die mit einem System-steuergerät kommunizieren, um dessen Steuerbefehle an den Elektromotoren umzusetzen.
Sind solche elektromechanischen, aktiven Federungssysteme in das normale Fahrzeugbordnetz mit einer Bordnetzspannung von 12/14 V eingebettet, können diese Systeme aufgrund der im Betrieb entstehenden hohen Strombedarfe der Elektromotoren und hohen Stromrückflüssen zu einer Destabilisierung der Bordnetzspannung führen, da ein solches Niederspannung-Bordnetz die benötigte Leistung nicht schnell genug zur Verfügung stellen kann und es daher ggf. zu sicherheitskritischen Ausfällen des Fahrzeugbordnetzes oder zur eingeschränkten Funktion des Fahrwerkregelsystems kommen kann. Auch führen die hohen Ströme in Abhängigkeit der Leitungslängen im Fahrzeug zu hohen ohmschen Verlusten, die eine ungenaue Regelung und Probleme mit der EMV-Verträglichkeit des Fahrwerkregelsystems zur Folge hätten.
Um diese Probleme mit derartigen Hochstromverbrauchern, wie es die in solchen Fahrwerkregelsystemen verwendeten Elektromotoren darstellen, zu lösen, ist es bspw. aus der DE 10 2005 015 995 A1 bekannt, ein Inselbordnetz, bestehend aus einem Hochstromverbraucher, einem Kondensator als Ladungsspeicher, bspw. einem Doppelschichtkondensator (auch Ultra-Cap oder Superkondensator genannt) und einem Generator aufzubauen, das über einen Schalter, bspw. einem MOSFET-Schalter mit dem ein eine Fahrzeugbatterie und einen Starter umfassendes Fahrzeugbordnetz verbunden ist. Bei einer Zuschaltung des Hochstromverbrauchers wird dieser Schalter geöffnet, so dass dieser direkt aus dem Ladungsspeicher mit Energie versorgt wird, wobei gleichzeitig die Batterie und das restliche Bordnetz mit den Niederspannungs-Verbrauchern von dem Inselbordnetz getrennt werden. Dadurch tritt in dem restlichen Bordnetz kein Spannungseinbruch auf und gleichzeitig wird die Fahrzeugbatterie nicht belastet.
Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, dass sowohl im normalen Fahrzeugbordnetz als auch in dem von diesem trennbare Inselbordnetz im Wesentlichen die gleichen Spannungswerte auftreten und daher bei Zuschaltung eines Hochstromverbrauchers hohe ohmsche Verluste in den Verbindungsleitungen auftreten, die zu den o. g. nachteiligen Folgen führen.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeugbordnetz für Hochstromverbraucher mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Fahrwerkregelsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein solches für ein Kraftfahrzeug vorgesehenes Fahrwerkregelsystem mit Aktuatoren, insbesondere ein aktives Fahrwerksystem mit Hochstromverbrauchern als Aktuatoren, bei dem die Aktuatoren regelnde Aktuator-Steuergeräte mit einem Systemsteuergerät kommunizieren und das Kraftfahrzeug ein Fahrzeugbordnetz aufweist, ist erfindungsgemäß ein Inselbordnetz zur Energieversorgung des die Aktuatoren, die Aktuator-Steuergeräte und das Systemsteuergerät umfassenden Fahrwerkregelsystems vorgesehen, wobei das Inselbordnetz mit dem Fahrzeugbordnetz über einen DC/DC-Wandler verbunden ist und deren Inselbordnetzspannung höher als die Fahrzeugbordnetzspannung ist.
Mit diesem erfindungsgemäßen Fahrwerkregelsystem werden aufgrund der höheren Inselbordnetzspannung weniger Verluste erzeugt und durch die Trennung des Inselbordnetzes von dem Fahrzeugbordnetz mittels des DC/DC-Wandlers sind Rückwirkungen durch die Aktuatoren als Hochstromverbraucher auf das Fahrzeugbordnetz wesentlich reduziert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Inselbordnetz einen Kurzzeitenergiespeicher auf elektrischer und/oder mechanischer Basis auf. Auf elektrischer Basis eignen sich hierfür vorzugsweise elektrochemische Batterien, also übliche wiederaufladbare Batterien, oder Ultra-Caps (auch Doppelschichtkondensatoren genannt); auf mechanischer Basis können sogenannte Schwungmassenspeicher verwendet werden. Damit wird aufgrund einer Pufferung kurzzeitiger Strombedarfspitzen eine Stabilisierung der Inselbordnetzspannung erzielt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Systemsteuergerät ein Reglermodul zur Durchführung eines Energiemanagements im Inselbordnetz umfasst. Damit wird entsprechend der detektierten Spannungshöhe an den Aktuatoren der Leistungsbedarf und damit auch die Aktivität der Aktuatoren gesteuert und geregelt und infolgedessen eine kontinuierliche Steuerung der Aktivität des Fahrwerkregelsystems in Abhängigkeit der zu Verfügung stehenden Energie erzielt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, das Systemsteuergerät derart auszubilden, dass die Inselbordnetzspannung variabel, bspw. über eine entsprechende Steuerung des DC/DC/Wandlers einstellbar ist. Vorzugsweise kann diese Möglichkeit der einstellbaren Inselbordnetzspannung in das Konzept des Energiemanagements eingebunden werden.
Das erfindungsgemäße Fahrwerkregelsystem, vorzugsweise ein aktives Fahrwerkssystem kann in vorteilhafter Weise als aktives Federungs- und Dämpfungssystem realisiert werden, das elektromotorische Aktuatoren umfasst.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte 1 ausführlich beschrieben.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Systemarchitektur eines aktiven Federungssystems eines Kraftfahrzeugs als Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß dieser 1 nimmt an jedem Federbein eines Fahrzeugrades ein Elektromotor M als Aktuator 3 eine Federfußpunktverstellung der Stahlfeder des Federbeins vor, wobei Elektromotoren in Rotationsbauform zur Abgabe eine Drehmoments auf den Getriebegang des Stellers des Federbeins zum Einsatz kommen. Als weiterer Aktuator 4 ist ebenfalls an jedem Rad bzw. Federbein eine Sperre bzw. Bremse B zur Verhinderung einer Fußpunktbewegung vorgesehen. Zur Ansteuerung der Elektromotoren M (Aktuatoren 3) und der Bremsen B (Aktuatoren 4) sind dezentrale Aktuator-Steuergeräte 2 vorgesehen, welche als Anbau- oder Wegbausteuergeräte ausgeführt sein können. Die Ansteuerung, d. h. die Bestromung eines Motors M und der zugehörigen Bremse B, die Signalauswertung und deren Überwachung übernimmt jeweils ein Aktuator-Steuergerät 2.
Die Systemarchitektur des aktiven Federungssystems nach 1 umfasst daher vier Aktuator-Steuergeräte 2, die mit einem Systemsteuergerät 1 über einen System-Datenbus 7, bspw. realisiert als CAN- oder Flexray-Bus, kommunizieren. Diese Kommunikation umfasst sowohl die Übertragung von Steuerbefehlen, bspw. die Motor-Sollposition, Soll-Betriebszustand, Soll-Sperrenzustand usw., die von den Aktuator-Steuergeräten 2 in Steuersignale für die Aktuatoren 3 und 4 umgesetzt werden, als auch einen Datenaustausch über Motor-Istposition, Motor-Istgeschwindigkeit, Ist-Sperrenzustand, Ist-Betriebszustand, Diagnoseinformationen, Betriebsspannungswerte usw. Aus diesen Daten wird in dem Systemsteuergerät 1 mittels eines Algorithmus die entsprechenden Steuerbefehle für jeden einzelnen Aktuator 3 und 4 derart generiert, das sich die gewünschten Kräfte und Bewegungen im Fahrwerk einstellen.
Anstelle des System-Datenbus 7 können auch andere digitale Schnittstellen zwischen dem Systemsteuergerät 1 und den Aktuator-Steuergeräten 2, bspw. PWM-Schnittstellen eingesetzt werden.
Das Systemsteuergerät 1 ist an einen Fahrzeug-Datenbus 8, bspw. einen CAN-Bus angeschlossen, über den weitere Daten, bspw. von anderen Steuergeräten 9 (bspw. ESP, Motor-Steuergerät usw.) oder Sensoren 9 (z. Bsp. Lenkwinkelsensoren) dem Systemsteuergerät 1 zur Verfügung stehen.
Die Energieversorgung des Systemsteuergerätes 1 und der Aktuator-Steuergeräte 2 und damit auch der Aktuatoren 3 und 4 erfolgt über ein Inselbordnetz, das über einen DC/DC-Wandler 6 mit dem übrigen Fahrzeugbordnetz 5 verbunden ist.
Damit wird eine Trennung der beiden Bordnetze erreicht, wodurch Fehlerrisiken miniert werden, da Fehler im Inselbordnetz im Wesentlichen keine Rückwirkungen auf das Fahrzeugbordnetz 5 haben.
Dieses Inselbordnetz weist eine höhere Spannung V₂ als das übrige Fahrzeugbordnetz mit einer Bordnetzspannung V₁ auf. Beträgt die Bordnetzspannung V₁ bspw. 13 V bzw. 14 V, so wird vorzugsweise für die Inselbordnetzspannung V₂ ein Spannungswert von 24 V oder 42 V gewählt.
Mit den höheren Inselbordnetzspannungen lassen sich die ohmschen Verluste in den Leitungen reduzieren und außerdem können Spannungsvorgaben für unterschiedliche Anwendungen variabel umgesetzt werden.
Im Systemsteuergerät 1 ist ein Reglermodul 10 vorgesehen, mit dem ein Energiemanagement des Systems durchgeführt wird. Hierzu werden die an den Aktuator-Steuergeräten 2 anliegenden Spannungswerte der Inselbordnetzspannung V₂ dem Systemsteuergerät 1 übermittelt, um hieraus den Leistungsbedarf und damit die Aktivität der Aktuatoren, d. h. letztendlich der Federung zu steuern. Damit kann eine kontinuierliche Steuerung der Systemaktivität in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Energie realisiert werden. In eine solches Energiemanagement könnte auch eine Steuerung des DC/DC-Wandlers zur Erhöhung oder Absenkung der Inselbordnetzspannung V₂ integriert werden.
Das Inselbordnetz wird noch durch einen Kurzzeitenergiespeicher 11 als energetischer Puffer komplettiert, wodurch eine Stabilisierung der Inselbordnetzspannung V₂ und eine Pufferung von kurzzeitigen Strombedarfsspitzen erzielt wird.
Das Fahrzeugbordnetz 5 umfasst die üblichen Komponenten, eine Batterie Bat, einen Generator G, einen Starter S sowie Niederspannungs-Verbraucher V.
In der Systemarchitektur nach 1 sind an jeder Achse des Fahrzeugs jeweils zwei Aktuator-Steuergeräte 2 vorgesehen. Es ist auch möglich, je Fahrzeugachse nur ein Aktuator-Steuergerät 2 einzusetzen, also die beiden Aktuator-Steuergeräte 2 einer Achse durch ein einziges Aktuator-Steuergerät 2 zu ersetzen.
Vorteilhaft bei dieser Architektur mit einer reduzierten Anzahl von Aktuator-Steuergeräten ist, dass sich die im Betrieb möglicherweise in beide Richtungen (Stromverbrauch und Rückspeisung) in den beiden einer Achse zugeordneten Motoren bzw. Bremsen auftretenden hohen Stromspitzen im Systemsteuergerät unmittelbar kompensieren können und damit ein unnötiger Stromfluss in das Inselbordnetz unterbleibt.
Schließlich führt eine Reduzierung der Aktuator-Steuergeräte 2 von vier auf zwei Steuergeräten auch zu Kostenvorteilen.
Bezugszeichenliste

1: Systemsteuergerät
2: Aktuator-Steuergerät
3: Aktuator
4: Aktuator
5: Fahrzeugbordnetz
6: DC/DC-Wandler
7: System-Datenbus
8: Fahrzeug-Datenbus
9: Fahrzeugsteuergeräte, Sensoren
10: Reglermodul im Systemsteuergerät 1
11: Kurzzeitenergiespeicher
B: Bremse bzw. Sperre
Bat: Fahrzeugbatterie
G: Generator
M: Elektromotor
S: Starter
V: Verbraucher
V1: Fahrzeugbordnetzspannung
V2: Inselbordnetzspannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10225888 B4 [0002]
- DE 102005015995 A1 [0005]

Claims

Fahrwerkregelsystem mit Aktuatoren (3, 4) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere aktives Federungssystem mit Hochstromverbrauchern als Aktuatoren, wobei die Aktuatoren (3, 4) regelnden Aktuator-Steuergeräte (2) mit einem Systemsteuergerät (1) kommunizieren und das Kraftfahrzeug ein Fahrzeugbordnetz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Inselbordnetz zur Energieversorgung des die Aktuatoren (3, 4), die Aktuator-Steuergeräte (2) und das Systemsteuergerät (1) umfassenden Fahrwerkregelsystems vorgesehen ist, welches mit dem Fahrzeugbordnetz (5) über einen DC/DC-Wandler (6) verbunden ist, und – die Inselbordnetzspannung (V₁) höher als die Fahrzeugbordnetzspannung (V₂) ist.
Fahrwerkregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inselbordnetz einen Kurzzeitenergiespeicher (11) auf elektrischer und/oder mechanischer Basis, auf elektrischer Basis vorzugsweise eine Batterie und/oder einen Ultra-Cap, auf mechanischer Basis einen Schwungmassenspeicher aufweist.
Fahrwerkregelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Systemsteuergerät (1) ein Reglermodul (10) zur Durchführung eines Energiemanagements im Inselbordnetz umfasst.
Fahrwerkregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Systemsteuergerät (1) derart ausgebildet ist, dass die die Inselbordnetzspannung (V₂) variabel einstellbar ist.
Fahrwerkregelsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktives Federungssystem als Fahrwerkregelsystem vorgesehen ist.
Fahrwerkregelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktives Federungs- und Dämpfungssystem als Fahrwerksystem vorgesehen ist.
Fahrwerkregelsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Federungs- und Dämpfungssystem elektromotorische Aktuatoren umfasst.