Die Zukunft im Fokus. Mehr Effizienz und Sicherheit, maximale Leistung und optimaler Fahrspaß.

Die Automobilindustrie befindet sich in einem disruptiven Veränderungsprozess. Neben der zunehmenden Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen werden verschiedene SAE-Stufen des automatisierten Fahrens von Stufe 3 (hochautomatisiertes Fahren, HAD) über Stufe 4 (vollautomatisiertes Fahren, FAD) bis Stufe 5 (autonomes Fahren, AD) durchlaufen, wobei bei jeder Stufe die Anforderungen an ein Pkw-Bremssystem steigen.

Dieser Trend forciert auch die Entwicklung neuer Bremssysteme. Die Ablösung von Vakuumbremskraftverstärkern durch elektromechanische Bremskraftverstärker (E-BKV) begann 2013 – nach ersten Lösungsansätzen im Jahr 2005 [1, 2, 3] – mit der Markteinführung von sogenannten Two-Box-Lösungen mit elektrischen Folgebremskraftverstärkern und zusätzlicher ESP-Einheit [4], zeitnah gefolgt durch erste integrierte One-Box-Systeme mit Pedalsimulator im Jahr 2017 [5]. Aktuell werden Lösungen für eine geplante Markteinführung des HAD 2021 entwickelt.

Der neuentwickelte kompakte Bremskraftverstärker X-Boost, TITELBILD, wird aktuell für die HAD-Anforderungen vom Unternehmen LSP Innovative Automotive Systems GmbH in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern entwickelt. Dieser kompakte Verstärker wird im prinzipiellen Aufbau hier erstmalig erläutert und mit einem etablierten Folgebremskraftverstärker [4] verglichen. Dabei werden einige kritische Ausfallmöglichkeiten aufgezeigt. Zudem werden die relevanten Themengebiete Ausfallsicherheit, Diagnosemöglichkeit sowie Voll- und Teilredundanzen diskutiert.

Ein Vergleich soll die Vor- und Nachteile der Systeme von Bremskraftverstärkern unterschiedlicher Ausführungen darlegen. BILD 1 (a) zeigt als System 1 den elektrischen Folgebremskraftverstärker, der durch einen Elektromotor auf Basis der Differenzwegmessung zwischen Pedalweg und Kolbenweg geregelt wird. Das System 1 nutzt elastische Elemente, und seine Steuerung ist in [4, 6, 7] beschrieben. Es wird aktuell als Two-Box- Lösung in Kombination mit einer ESP- Einheit im Markt eingesetzt.

[BILD 1] Vergleich der Systeme: (a) das System 1 als elektrischen Folgebremskraftverstärker mit ESP-Einheit; (b) das System 2 als E-BKV, den X-Boost, mit Pedalsimulator und Standard-ESP-Einheit (© LSP)

BILD 1 (b) zeigt als System 2 einen E-BKV mit Pedalsimulator, den X-Boost. Der E-BKV wird durch einen Elektromotor auf Basis der Messung des Pedalwegs gesteuert. Der Elektromotor treibt eine Kolben-Zylinder-Einheit an, die parallel zum Hauptbremszylinder (HZ) angeordnet ist. Der HZ enthält einen Hilfskolben, der mit einem Pedalsimulator hydraulisch verbunden ist, sowie einen Schwimmkolben, der die beiden Bremskreise trennt, den Druckausgleich schafft und eine einkreisige Druckversorgung (DV) erlaubt. Durch einen kleineren Durchmesser des Hilfskolbens zu dem des Schwimmkolbens ist in der mechanischen Rückfallebene ein höherer Bremsdruck erreichbar. Das System 2 ist in [8] detailliert beschrieben und wird als Two-Box-Lösung mit einer Standard-ESP-Einheit eingesetzt. Eine weitere E-BKV-Lösung mit Pedalsimulator, aber unterschiedlichem HZ- Konzept, ist in [9] beschrieben.

Die Dimensionierung der Bremsanlage wird einerseits durch die Druck-Volumen-Kennlinie mit Lüftspiel der Scheibenbremse und andererseits durch Einflussfaktoren wie Luftblasen in der Bremsflüssigkeit bestimmt. Die Beiträge der Einflussfaktoren einer intakten Bremsanlage sind bei einem Bremsdruck von 100 bar in der Größenordnung von 40 % der Volumengrenze eines Tandem- Hauptbremszylinders (THZ), BILD 2. Die Beiträge von Luftblasen und Reibwertschwankungen können durch Dampfblasen oder Fading bei überhitzten Bremsen noch größer werden (gestrichelte Linien in BILD 2 (a)). Dementsprechend müssen der HZ und die DV dimensioniert sein. Der THZ von System 1 ist so ausgelegt, dass der Radblockierdruck von 100 bar bei circa 65 % des maximalen Pedalwegs erreicht wird (Basisvolumen). Mit Einflussfaktoren der Bremse wird der Pedalweg länger (gestrichelte Linie in BILD 2 (b)). Kurz unterhalb von 100 bar wird die Volumengrenze des THZ erreicht. Bei System 2 ist die Pedalcharakteristik unabhängig von diesen Einflussfaktoren und wird weder durch DV-Ausfall, Bremskreisausfall, ESP-Ausfall, regeneratives Bremsen noch durch Torque Vectoring beeinflusst. Das DV-Volumen des Systems 2 ist auf den Radblockierdruck ausgelegt. Ist ein größerer Volumenbedarf erforderlich, wird Bremsflüssigkeit nachgefördert. Zur Nachförderung wird das DV-Ventil (DVV) geschlossen und der Kolben der DV in die gegengesetzte Richtung wie beim Druckaufbau zurückgezogen. Somit können mit einer HZ-Größe mehrere Fahrzeugtypen abgedeckt werden.

[BILD 2] Einflussfaktoren auf Volumenbedarf und Pedalcharakteristik bei den Systemen 1 und 2: (a) für das Volumen der Bremse; (b) für den Bremsdruck (© LSP)

Einige kritische Ausfallmöglichkeiten der beiden Systeme, die bei jeder Konzeption eines Bremssystems berücksichtigt werden müssen, sind illustrativ in BILD 3 als F1 bis F9 dargestellt. Beide Systeme vereinen das positive Merkmal einer hydraulisch geschlossenen Lösung im ABS-Betrieb, zeigen jedoch nach einer genaueren Analyse der Fehlerauswirkungen deutliche Unterschiede. So fällt beispielhaft bei System 2 beim Auftreten des Fehlers F6 das Pedal nicht durch, zudem ändert sich im Fehlerfall F3 die Pedalcharakteristik bei System 2 nicht.

[BILD 3] Hauptausfallmöglichkeiten eines E-BKV-Bremssystems mit ESP (© LSP)

Bei der Gestaltung der Systeme müssen zudem die Aspekte der allgemeinen Ausfallsicherheit, Diagnose sowie Redundanzen oder Teilredundanzen betrachtet und berücksichtigt werden.

Die Entwicklungsprozesse von Kernkraftwerken und der Luft- und Raumfahrt werden auf Bremssysteme der Automatisierungsstufen HAD bis AD angewandt, nachdem beim AD die höchsten Sicherheitsstufen notwendig sind. Die bisherigen relevanten Sicherheitsstufen „Fail Silent“ und „Fail Safe“ werden mit dem Start von HAD durch „Fail Operational“ ersetzt. Das bedeutet, dass bei einem Ausfall beziehungsweise Teilausfall die Grundfunktionen erhalten bleiben müssen. Während für die Hardware- und Softwareentwicklung klare Standards hinsichtlich der Systematik der Fehleranalyse gelten, sind diese im Mechanik- und Hydraulikbereich noch nicht vorhanden.

Die grundsätzliche Methodik und Vorgehensweise ist bekannt. Ziel ist die Erstellung eines Funktions- und Sicherheitskonzepts mit Definition der Diagnose zur Unterscheidung zwischen aktiven und passiven Fehlern.

Bei Hard- und Software wird die ISO 26262 angewandt. Hierbei werden zur Erstellung von Analysen bewährte Werkzeuge und ausreichend Erfahrung eingesetzt.

In der Mechanik und Hydraulik werden vorrangig FMEA und FTA angewandt. Die Fehleranalyse betrachtet Fehler mit ihren Auswirkungen, wobei Erfahrungswerte für die Auftretenswahrscheinlichkeiten der Fehler von Komponenten und Systemen in ppm pro Fahrzeuglebensdauer verwendet werden. Ein Problem ist dabei eine neue oder eine modifizierte Konstruktion, wenn für diese noch keine Erfahrungswerte für die Auftretenswahrscheinlichkeit vorliegen. Um den hohen Sicherheitsstandards gerecht zu werden, sind diagnosefähige Redundanzen für wichtige Funktionen erforderlich.

In TABELLE 1 sind die möglichen Fehler, Auswirkungen der Probleme sowie Diagnosemöglichkeiten einiger ausgewählter kritischer Komponenten von Bremssystemen wie Kolbendichtungen, Magnetventile und Kugel-Gewinde-Trieb aufgeführt. Bei offenen Bremssystemen wird bei ABS-Eingriff durch Öffnen eines Auslassventils der Radkreis mit dem Vorratsbehälter hydraulisch verbunden. Dadurch sind unerkannte Undichtigkeiten bei Ventilen und Dichtungen (schlafende Fehler) besonders relevant. Verbindet ein Magnetventil mit schlafendem Fehler beispielsweise die beiden Bremskreise, kann bei Bremskreisausfall die DV und im schlimmsten Fall auch die gesamte Bremse ausfallen. Aus diesem Grund sind geschlossene Bremssysteme zu bevorzugen. Neben diesen hydraulischen und mechanischen Fehlern sind die im Folgenden erläuterten Fehler im Bordnetz von großer Bedeutung.

Das Bordnetz bekommt in den Stufen HAD bis AD zunehmende Bedeutung. Folgende zwei Hauptfehlerquellen sind zu betrachten:

• der elektrische Anschluss zum Energieverteilerkasten mit Absicherung gegen Kurzschluss
• die Verfügbarkeit des Bordnetzes insbesondere während der Fahrt.

TABELLE 2 zeigt vier mögliche Varianten der Bordnetzverbindung bei redundanten Systemen. Die Variante 3 zeigt mit einer teilredundanten Lösung mit einer Einschränkung der Redundanz auf sicherheitsrelevante Komponenten und Funktionen einen pragmatischen und kostensparenden Weg, indem die Redundanz nur auf bestimmte Funktionen mit zugehörigen Komponenten bezogen wird.

Ein redundantes Bordnetz [11], TABELLE 2, steigert die Ausfallsicherheit. Da der nicht redundante Anschluss aufgrund von vielen Kontakten und elektrischen Verbindungen als nicht ausfallsicher genug gilt, haben diverse OEMs bereits einen redundanten Anschluss eingeführt. Dahingegen gilt das Bordnetz während der Fahrt als sehr ausfallsicher [11].

In Folge der zunehmenden Automatisierung des Fahrens verändern sich Bremssysteme in den in TABELLE 3 dargestellten Modulen und Funktionen 1 bis 7. Für die notwendige Sicherheit muss abhängig von den Anforderungen des OEM oder auch der Behörden die Funktionsweise der Module 1 bis 5 voll- oder teilredundant gestaltet werden.

In Stufe 2 (DAS) ist keine redundante Druckversorgung erforderlich. Redundante Pedalsensoren sind in dieser Stufe bereits Stand der Technik. Ein veränderliches Pedalgefühl wird in dieser Stufe noch akzeptiert.

Ab Stufe 3 (HAD) ist eine redundante Druckversorgung erstmalig zwingend erforderlich mit ausreichender Volumenbereitstellung aufgrund der genannten Einflussfaktoren. Zudem ist wie bereits ausgeführt eine Verbindung der Bremskreise bei offenen Bremssystemen mit einem Vorratsbehälter (VB) zu vermeiden, und Pedalsimulatoren sind wegen Vorteilen bei Pedalgefühl und Volumenbedarf einzusetzen. Weiter muss auch der E-BKV eine Druckmodulations-Funktion bei ESP.
Ausfall übernehmen, um stets eine hohe Fahrzeugverzögerung zu gewährleisten. Hier wird im ersten Schritt eine ABS- Select-low-Regelung eingeführt.

Ab Stufe 4 (FAD) werden für eine ausreichende Systemverfügbarkeit dreifache Redundanzen erwartet, bei den Pedalwegsensoren mit der Regel „2 aus 3“.
Zudem ist ein Pedalsimulator wegen zunehmender Rekuperationsleistung von E-Fahrzeugen und fehlender Akzeptanz der Veränderung der Pedalcharakteristik zwingend, weil FAD über eine längere Zeitdauer betrieben werden kann und der Fahrer bei Übergang auf das pilotierte Fahren nicht auf eine Veränderung der Pedalcharakteristik vorbereitet ist. Zur Überwachung der Druckversorgung ist ein redundanter Druckgeber vorzusehen. Weiterhin wird eine redundante ABS-Funktion mit zumindest achsindividueller Regelung gefordert werden, und es werden Teilredundanzen eingeführt. Bremssysteme mit geschlossenen Bremskreisen werden bei der ABS-Funktion Sicherheitsvorteile haben.

In Stufe 5 (AD) sind Pedalwegsensoren und Pedalsimulatoren sowie deren Charakteristik einerseits nicht mehr relevant. Andererseits werden die restlichen Komponenten und Teilsysteme eine dreifache Redundanz, mit der Regel „2 aus 3“ bei Sensoren, ESP-Einheit und Teil-ECU, oder mehrfache Redundanz, aufweisen müssen.

Bremssysteme für Stufe 3 (HAD) und vermehrt in Stufe 4 (FAD) müssen redundant oder teilredundant ausgeführt werden. Im Fehlerfall muss eine hohe Fahrzeugabbremsung mit reduzierter ABS-Funktion gewährleistet werden. Ebenso werden Bauvolumen und kürzere Baulänge der Aggregate an der Spritzwand immer wichtiger.

Bei HAD konkurrieren verschiedene Systeme wie Two Box mit E-BKV mit Pedalsimulator inklusive ESP-Einheit oder One-Box-Systeme mit Pedalsimulator und reduzierten Zusatzaggregaten für die Druckregelung. Bei FAD wird eine redundante Integration in eine One-Box- Einheit beziehungsweise eine Optimierung der Two-Box-Module erfolgen sowie der Umbruch in reine Brake-by-Wire- Lösungen mit neuen Betätigungskonzepten eingeleitet.

X-Boost und ESP [8] erfüllen HAD- Anforderungen, zudem ist eine Ausbaustufe mit geringen nicht ausgeführten Änderungen für FAD für die Anforderungen bereits definiert. AD wird aufgrund nicht unerheblicher technischer Herausforderungen des fahrerlosen Fahrens noch Zeit in Anspruch nehmen. Neue innovative Lösungen mit den Merkmalen geschlossener Bremssysteme, Redundanz des ABS-Betriebs ohne funktionale Einschränkungen, Einbeziehen der Parkbremse in die Gesamtlösung sowie systembezogene E/E-Teil- und -Vollredundanzen sind jedoch bereits konzeptionell vorhanden.

Ab 2021 werden integrierte One-Box- Systeme [5] sowie Two-Box-Lösungen [4, 10] mit unterschiedlichen Ausstattungsraten in den Hauptautomobilmärkten Europa, USA und China koexistieren und große Stückzahlen erreichen. Nachdem in Indien ab dem Jahr 2022 ESP-Systeme in jedem neuen Kraftfahrzeug eingebaut wird, ist von ESP als Standard auszugehen.