Brake-by-Wire: die Geschichte der Zukunft

2005 bis 2010: Pionierarbeit mit IBS 1

Brake-by-Wire Bremssystem bereits 2005 konzipiert für E-Fahrzeuge und autonomes Fahren

LSP erregte 2010 in Schweden bei der Vorstellung eines Fahrzeuges vor namhaften Automobilherstellern wie Volkswagen AG und BMW sowie den großen Automobilzulieferer Bosch und Continental weltweites Aufsehen. Kaum jemand hatte bis zu diesem Zeitpunkt eine solche Präzision der Bremsdruckregelung durch eine elektrohydraulische Bremsanlage sowie die Machbarkeit einer neuen physikalischen Wirkungsweise für möglich gehalten.

LSP-Team mit ESP Koryphäe Dr. van Zanten in Arjeplog, Schweden

Prominente Besuche von Continental, Bosch und Volkswagen

Prominente Besuche von Continental, Bosch und Volkswagen

Mit IBS1 wurde erstmalig als Weltpremiere ein Brake-by-Wire Bremssystem vorgestellt, das die Funktionen Bremsbetätigung, Bremskraftverstärkung und ABS/ESP-Funktion, erste Funktionen von autonomen Fahren (Notbremsfunktion AEB) sowie uneingeschränktes regeneratives Bremsen mit Generatoren in einer kompakten Einheit vereinte.

Revolutionär war zum einen der kompakte Aufbau der Bremsanlage sowie die zum damaligen Zeitpunkt nicht vorstellbare Präzision der Bremsdruckregelung durch ein elektrohydraulisches System. Dies wurde realisiert, indem der Bremsdruck durch ein über einen bürstenlosen Elektromotor angetriebenes Kolben-Zylinder-System erzeugt wurde und in mehreren Radbremsen über Magnetventile verteilt wurde. Durch einen Wegsimulator konnte der Fahrer komplett vom Systemdruck der Bremsanlage entkoppelt werden, wodurch schon damals der Grundstein für erste autonome Fahrfunktionen wie die elektrische Notbremsung geschaffen wurde. Ferner konnte eine vollvariable Pedalcharakteristik realisiert werden, d.h. ein Systemdruck konnte unabhängig von einer Pedalbetätigung frei variabel und unter Berücksichtigung einer Bremswirkung eines Generators oder rekuperativ wirkenden Elektromotors eines E-Fahrzeuges präzise geregelt oder gesteuert werden. Kern der präzisen Druckregelung war sowohl die hochpräzise Positions- und Drehzahlregelung mittels eines bürstenlosen Elektromotors mit drei Strängen sowie eine sehr genaue Modellbildung des Zusammenhangs zwischen Bremsmoment, Bremsdruck und Drehmoment des Elektromotors. Die Signale Strom des Elektromotors, Kolbenposition und Druck in der Kolben-Zylinder-Einheit waren dabei essentielle Bestandteile bei der Modellbildung. So war eine Bremsdruckregelung nur durch die Stromregelung des Elektromotors, Kernbestandteil von heutigen Redundanzfunktionen, erstmalig möglich. Die ABS-Funktion und das Geräuschniveau auf Schnee, Eis und µ-Split konnte sogar verbessert werden und definierte eine neue Messlatte für Bremsregelung in kritischen Fahrsituationen.

Vortrag moderne Industrie

IBS1 wurde auf einer Fachtagung als wegweisendes integriertes Bremssystem dargestellt, das die bisherigen Lösungen mit Vakuumbremskraftverstärker, Vakuumpumpe und separater ESP-Einheit ablösen wird. Schwerpunkt ist die Darstellung der Regelgüte und der Bremswegperformance im Multiplex-Regelbetrieb sowie das zukünftige Bremsenmanagement von Brake-by-Wire Systemen mit Wegsimulator. IBS1 wird als erstes Bremssystem einer neuen Gattung gesehen. Letztlich wird ein Quervergleich zur elektromechanischen Bremse (EMB) gezogen. Elektrohydraulische Bremssysteme dominieren in Folge den Zukunftsmarkt, die Entwicklung der Keilbremse wird gestoppt. 

Die 5 Säulen von modernen Bremssystemen ab SAE Stufe 2

Durch die Entwicklung eines der ersten Brake-by-Wire Systeme (IBS1 Basic: Folgebremskraftverstärker und IBS1 Premium: Brake-by-Wire mit Wegsimulator) aus dem Hause LSP und IPGATE wurden elementare Grundlehren geschaffen, die in moderne Bremssysteme ab SAE Stufe 2 eingeflossen sind. Diese Grundlehren haben die technische Entwicklung bis zum heutigen Tag geprägt und dürfen ohne Zögern als Fundament für die „Zukunft des Bremsens“ bezeichnet werden.

Im Wesentlichen sind hier fünf Säulen hervorzuheben.

Säule 1: Modernes Bremsenmanagement durch Brake-by-Wire mit bürstenlosen Motor und Wegsimulator

Uneingeschränkte Rekuperation von Bremsenergie für E-Mobilität und Grundlagen der lebensrettenden automatischen Notbremsfunktion (AEB)

Zwei Grundlagenpatente aus dem Jahr 2005 beschreiben das moderne Bremsenmanagement von Brake-by-Wire-Systemen. Es wurde erstmalig ein Brake-by-Wire Bremssystem eingeführt, das eine Bremsdruckregelung unabhängig von der Fahrereinwirkung voll variabel und mit hoher Präzision und Dynamik umsetzen konnte. Kern des Bremsenmanagements war ein leistungsstarker bürstenloser EC-Motor sowie die komplette Entkopplung des Systemdrucks der Bremsanlage vom Fahrer. In Folge war erstmalig die Rekuperation von kinetischer Energie durch einen Generator nicht begrenzt und es konnte durch den leistungsstarken EC-Motor die hochdynamische Notbremsfunktion (AEB) erstmalig umgesetzt werden. Die beiden neuen Funktionalitäten haben sich als grundlegende Funktionskerne von aktuellen Bremssystemen im Markt etabliert. Vor 15 Jahren hatte man bereits vorhergesehen, dass sich E- und Hybridfahrzeuge sowie autonome Fahrfunktionen in der heutigen Gegenwart durchsetzen werden.

Säule 2: Hochpräzise Bremsdruckregelung durch Kolben-Zylinder-Einheit (Piston Pressure Control)

Präzision und Robustheit von PPC verabschiedet die elektromechanische Bremse (EMB, Keilbremse) nur vorerst, oder endgültig?

PPC ist der Kernbegriff der hochpräzisen Bremsdruckregelung (Link zu E87SA, E87T1, E90SA) über einen bürstenlosen Elektromotor und eine Kolben-Zylinder-Einheit, wobei der Bremsdruck durch Vorwärtsbewegung des Kolbens und Verschieben des Hydraulikfluides (Druckaufbau) aufgebaut wird und durch Rückbewegung des Kolbens (Druckabbau) hochdynamisch abgebaut wird. Kernelemente der PPC sind Phasenstromsensor und Winkelgeber des EC-Motors sowie adaptive Kennfelder. Kennfelder zur Abbildung von Umweltfaktoren (z.B. Luftblasen, Temperatur) werden zur Vorsteuerung im hochdynamischen Betrieb sowie zur Diagnose von z.B. Leckagen verwendet. Mittels intelligenter mathematischer Modelle erreicht PPC damit eine hohe Präzision unter Berücksichtigung von Umweltfaktoren.

Die hochdynamische und präzise Druckregelung wurde von LSP konsequent verfolgt und weiter optimiert und hat daher zu den herausragenden Eigenschaften des Brake-by-Wire-Bremssystems IBSe geführt.

Säule 3: Vorteilhafte Nutzung neue Gattung Druckversorgungseinheit

Deutliche Fortschritte in der Druckversorgereinheit reduzieren Bremsweg und Geräusch

In einem ersten Basisverfahren (E87TA1) wird der Vordruck über den Kolben bei ABS-Betrieb über eine variable Vordrucksteuerung geregelt, d.h. der Vordruck wird variabel an die Fahrbahnsituation angepasst. Bei Betrieb auf niedrigem Straßenreibbeiwert (Schnee, Eis) wird der Vordruck reduziert, bei Betrieb auf Asphalt wird der Vordruck erhöht. Mit dem variablen Vordruck kann Modulationsgeräusch reduziert werden. Letztere ist entscheidend für eine ABS-Regelung mit hoher Güte und minimiert damit den Bremsweg im ABS-Betrieb. Die Auslegung auf größere Durchlassquerschnitte der Einlassventile führt zudem zu geringen Drosselwiderständen und verkürzt die Druckaufbauzeit bei der AEB-Notbremsfunktion.

Wird PPC in Druckregelbetrieb bei einem offenen Bremssystem eingesetzt, z.B. es wird ein Vordruck gehalten, muss der Kolben Schritt für Schritt vorgefahren werden, weil Volumen über Auslassventile im Regelbetrieb in den Vorratsbehälter abgelassen wird. Bei langen Bremsvorgängen (z.B. ABS auf Schnee oder Eis) ist in Folge das Volumen in der Arbeitskammer der Druckversorgung nach einer bestimmten Zeit aufgebraucht und es muss nachgefördert (G2.4) werden. Beim Nachfördern wird der Kolben zurückbewegt und aus einem Vorratsbehälter wird Volumen gezogen, wobei der Regelvorgang kurzzeitig unterbrochen wird.

Säule 4: Revolution in der Druckmodulation

Unmögliches möglich – gemacht Kern von ABS-Redundanzfunktionen von Bremssystemen für autonomes Fahren

In einem modernen Computer wird Multitasking realisiert, indem sequentielle Arbeitsschritte so schnell abgearbeitet werden, dass diese für den Menschen nicht auflösbar sind und als Multitasking wahrgenommen werden. Diese Denke wurde auf Bremssysteme mit 4 Radbremsen im hochanspruchsvollen und dynamischen ABS-Betrieb übertragen.

Das revolutionäre Multiplexverfahren mit einer Power-on-Demand Druckversorgungseinrichtung wird in (E90EP, E102EP) beschrieben.

Druckaufbau und Druckabbau erfolgt ausschließlich über den Kolben und es wurde auf konventionelle Auslassventile komplett verzichtet, indem die Einlassventile als bidirektional wirkende Schaltventile eingesetzt wurden. Um unterschiedliche Drücke in den Radbremsen einzustellen, wurde der Druck durch Schließen der Schaltventile gehalten und der Druck in den anderen Radbremsen sequentiell oder simultan auf- und abgebaut. Nur ein Druckgeber und die p-v-Kennlinie ist erforderlich, um eine hochpräzise Regelung mit unterschiedlichen Druck-Gradienten zu realisieren.

Die Multiplex ABS-Regelung erzielte im ersten Anlauf bessere Bremswege und sehr geringeres Geräusch auf Straßenbedingungen mit Niedrigreibwert (Schnee und Eis), begründet durch die variable Druckdosierung und fehlender Begrenzung des Minimaldruckes i.V. zu klassischen ABS-Systemen mit Speicherkammer, hatte in der Anwendung auf regennasser inhomogener Fahrbahn jedoch Nachteile, bzw. insbesondere dann, wenn ein simultaner Druckabbau erforderlich ist. Der 4-Kanal-Mulitplex-Betrieb wurde eher als zu risikobehaftet bewertet, da neben den Grenzen bei Hochreibwert die hohen Anforderungen an die Dynamik des Elektromotors die Entwicklung eines Elektromotors mit neuem Wirkprinzip (E88EP) zur Folge gehabt hätten. Die 2-Kanal-Multiplexregelung kann im X-Boost-Produkt vorteilhaft eingesetzt werden für die Funktionen der elektronischen Bremskraftverteilung (EBV), unterschiedliche Rekuperation durch Elektromotoren an 2-Achsen als auch für Redundanzfunktionen. Ferner kann durch die Multiplexregelung eine spezielle 2-Kanal-ABS-Funktion realisiert werden, die sowohl kurze Bremswege als auch eine hohe Fahrstabilität bei Ausfall der ESP-Einheit durch den X-Boost sicherstellt. Letztere Funktion ist insbesondere für den autonomen Fahrbetrieb von eminenter Bedeutung, da auch auf inhomogener Fahrbahn eine sichere redundante ABS-Funktion bei Ausfall der primären ABS-Funktion (realisiert durch die ESC-Einheit) gewährleistet werden muss.

In einem zweiten Grundlagenpatent (E112-TA2) wird durch Vor- und Zurückstellen des Kolbens der Druck in den Radbremsen auf- und abgebaut. Ohne wirksame Radbremsventile kann damit eine rudimentäre ABS-Regelung in Form einer automatisierten Stotterbremse realisiert werden und die elektronische Bremskraftverteilung (EBV) umgesetzt werden. Dies wird bei einigen 2-Box-Bremssystemen im Markt als HAD-ABS-Redundanzfunktion beworben.

Säule 5: Kernelemente von 2-Box-Bremssystemen mit Folgebremskraftverstärker und konventionellen ESP

Differenzwegregelung verhilft Folgebremskraftverstärker zum Durchbruch

Wird auf einen Wegsimulator verzichtet, kann mittels des sehr einfachen Prinzips der Differenzwegregelung von Pedalweg und Verstärkerkolbenweg und einem elastischen Element (Link zu E112SA) die verschiedenen Bremskraftverstärkermodi bei einem Folgebremskraftverstärker sehr kostengünstig und robust umgesetzt werden.

Je nach gewünschter Pedalcharakteristik wird ein spezifischer Differenzweg geregelt, welcher die Verstärkerkennlinie, d.h. Verstärkung der Eingangskraft (Fußkraft) variabel über Software einstellbar macht. Als Ergebnis der Verstärkerkennlinie wird dann ein Phasenstrom im bürstenlosen Motor eingestellt. Proportional zum Phasenstrom wird aufgrund des einfachen physikalischen Zusammenhangs Drehmoment = Drehmomentkonstante x Phasenstrom damit ein Motordrehmoment eingestellt, das wiederum über ein Getriebe auf den Kolben wirkt und eine Kraft ausübt. Die Kraft führt wiederum zu einem Druck im Hauptbremszylinder. Sensoren, die für einen Betrieb eines bürstenlosen Motors erforderlich sind, werden auch für das Bremssystem genutzt. So kann der Motorwinkelgeber für die Kolbenpositionsbestimmung und somit den Differenzweg und der Motorstrom zur Kraftverstärkung genutzt werden. Das Regelverfahren sowie die kostengünstige Nutzung des Winkelgebers des EC-Motors ist in den Patenten E87TA1 und E112TA1 beschrieben.

Um auch eine gewünschte Pedalcharakteristik bei Wirken eines Generators zum Zwecke der Rekuperation von kinetischer Energie aufrechtzuerhalten, muss in diesem Betriebsfall Volumen vom Hauptbremszylinder in einen Fluidspeicher geführt und die Verstärkerkraft reduziert werden. Dies ist in Patent LINK E117DE und diversen Publikationen von Bremssystemherstellern ausgeführt.

Ferner wurde auch vorgedacht in Richtung autonomes Fahren. So wurden Abhilfen für Redundanzfunktionen definiert, wenn z.B. der elektrische Bremskraftverstärker ausfällt und die ABS-Funktion der zweiten Einheit noch aufrechterhalten werden muss oder Druck in einem geschlossenen System bei Notfunktionen abgelassen werden muss.

2010 bis 2020: Evolution von Brake-by-Wire Bremssystemen

2-Box (iBooster + ESC, X-Boost) und 1-Box-Bremssysteme (MKC1) werden Schritt für Schritt in den Markt eingeführt

Im Jahr 2013 erschien erstmals eine sogenannte 2-Box bzw. 3-Box Lösung, bestehend aus einem elektrohydraulischen Bremskraftverstärker, einem Smart Aktuator und einer ESP Einheit. In einem ersten Schritt wurde die Bremskraftverstärkung elektrifiziert mit dem primären Zweck, auf den Vakuumverstärker sowie die Vakuumpumpe zu verzichten. Bei Betätigung des Bremspedals wird der Fahrerwunsch erfasst und mittels des Bremskraftverstärkers verstärkt, man spricht von einem Folgeverstärkersystem ohne Pedalsimulator.

Im Jahre 2017 folgten eine zweite Generation des elektrohydraulischen Bremskraftverstärkers sowie eines angepassten ESP Systems (ESPHEV). Es wurde auf den Smart Aktuator verzichtet, indem die Rekuperationssteuerung als Funktion in die ESPhev-Einheit integriert und die Aufrechterhaltung der Pedalcharakteristik durch Rücknahme der Bremskraftverstärkung realisiert wurde. Zur selben Zeit wurde der X-Boost ausgewählten Kunden vorgestellt und lizenziert. Hierbei handelt es sich ebenfalls um ein 2 Box-System welches sich maßgeblich durch einen Pedalsimulator und sehr kurzen Bauweise zum vorhergenannten System unterscheidet. X-Boost weist wesentliche Vorteile im Bereich der Rekuperation, Packaging und insbesondere der Sicherheit auf und zielt auf einen Einsatz für automatisiertes Fahren ab SAE Stufe 3 in Kombination mit einem Standard ESP. Im Gegensatz zum Folgebremskraftverstärker kann die Rekuperationssteuerung durch den X-Boost erfolgen und bietet Kunden den essentiellen Vorteil der zunehmenden Unabhängigkeit von spezifischen Herstellerlösungen wie z.B. ESPhev, d.h. die Rekuperationssteuerung konnte zentral durch den Automobilhersteller weitestgehend selbstständig implementiert werden, d.h. es wurde die Abhängigkeit von spezifischen und komplex zu applizierenden Lösungen (ESPhev) reduziert. Die zentrale einfache Applikation bildet einer der wichtigsten Bedürfnisse von OEMs bei der heutigen Einführung der Domänenstruktur ab.

Auch in den Jahren von 2010 bis 2020 war LSP sehr aktiv wie die Entwicklung des X-Boost sowie auch weiterer Baustufen eines integrierten 1-Box-Bremssystems IBS2 und IBS3 zeigen. Ein Hauptaugenmerk zu dieser Zeit waren das Package und Gewicht sowie die konsequente Verbesserung der Systeme hinsichtlich Sicherheit. LSP war auch in dieser Phase immer einen Schritt voraus und in gewisser Weise Trendsetter. Das Ergebnis dieser langjährigen Entwicklungen zwischen LSP und IPGATE mündete in einem revolutionären Ansatz, unserer sogenannten Modularen System Architektur mit Safety Gate. MSA.

Neben der ständigen Weiterentwicklung unserer eigenen Systeme führen wir regelmäßig umfassende technische Analysen und Leistungsvergleiche der wichtigsten am Markt existierenden Bremssysteme durch. Die Ergebnisse zeigen nicht nur für unsere Entwickler den aktuellen Stand der Technik, Schwachstellen des Wettbewerbs und Potenziale für eigene Optimierungen auf – auch OEMs und Zulieferer können dieses Wissen erwerben und von den umfassenden und detailtiefen Expertisen profitieren.

Ansprechpartner

Sie suchen einen Partner für innovative Bremssysteme oder möchten Ihre Gedanken zu den Grundlehren austauschen? Oder Sie haben Interesse an einer umfassenden Benchmark-Analyse der aktuell auf dem Markt befindlichen Lösungen? Ich freue mich auf Ihre Anfrage!

Carsten Hecker
Projektleiter Bremse
Tel: +49 (89) 2872468-26
E-Mail: carsten.hecker@lsp-ias.com