In den letzten Jahrzehnten wurden Fahrzeuge einem tiefgreifenden Einfluss auf die Anforderungen an Sicherheit, Komfort und Umweltfreundlichkeit ausgesetzt. Heutzutage hat der starke Trend zur Umwandlung traditioneller Fahrzeuge in komplexe Systeme und die ständig steigende Anzahl von Elektro- und Elektronikkomponenten die Industrie dazu gezwungen, neue Regelmethoden und deren Entwicklungsprozesse zu entwerfen. Die Optimierung der Bremsverteilung in elektrischen Antrieben mit Brake-by-Wire-Systemen erfordert die Entwicklung fortgeschrittener Schätzfunktionen. Darüber hinaus fördern die Trends zu strengeren Abgasvorschriften und das nachgewiesene Wachstum der Fahrzeugzulassungen den Bedarf an neuen Anwendungen, die die Hersteller über die Umweltfreundlichkeit ihrer Fahrzeugflotte informieren. In diesem Rahmen werden in der vorliegenden Arbeit Steuerungs- und Schätzlösungen für emissionsarme, multi-aktuierte Fahrzeuge vorgestellt, um die Bremsleistung bei gleichzeitiger Überwachung des Bremsverschleißes und der bremsbedingten Partikelemissionen zu verbessern. Die Erreichung dieses Ziels führt zu interdisziplinären Methoden, die von Fortschritten bei numerischen Modellierungs- und Simulationswerkzeugen über die Anwendung innovativer experimenteller und sensorischer Fusionstechniken bis hin zur Entwicklung und Verifizierung neuartiger Algorithmen zur Zustandsschätzung und -steuerung reichen. Die Entwicklung von Steuerungs- und Schätzfunktionen wird durch Modell-, Software- und Hardware-in-the-Loop-Techniken unterstützt, die durch ein neuartiges, an der Technischen Universität Ilmenau entwickeltes Scheibenbremsmodell verbessert werden. Auf dem Prüfgelände durchgeführte Experimente zeigen, dass die Bremsleistung in Brake-by-Wire-Systemen durch Kompensation unerwünschter Schwankungen des Bremsreibungskoeffizienten verbessert werden kann. Die Kompensationsfunktion bietet dem Fahrer eine Bremsservounterstützung, wenn die erforderliche Verzögerung nicht zu erreichen ist. In Hybrid- und Vollelektrofahrzeugen verbessert die Bremsreibungskompensation das Blending mit Elektromotoren, indem eine bessere Verfolgung der Referenzverzögerung sichergestellt wird. Außerdem ermöglicht die Schätzung des Bremsreibungskoeffizienten zusätzliche Bremsüberwachungsfunktionen. Durch neuartige Design-of-Experiments und Data-Mining-Verfahren werden die relevanten Einflüsse auf den Bremsverschleiß und die Partikelbildung erfasst. Die experimentellen Beweise treiben die Implementierung und Identifizierung fortschrittlicher Schätzverfahren voran, die früheren Schätzverfahren überlegen sind. Die vorgeschlagenen Kontroll- und Schätzfunktionen weisen im Vergleich zu anderen Ansätzen nach dem jüngsten Stand der Technik eine höhere Leistung unter realen Fahrbedingungen aus.
During the past decades, on-road vehicles have undergone profound restrictions in safety, comfort and environmental friendliness requirements. Nowadays the strong trend towards the transformation of traditional on-road vehicles to complex systems interconnected with the environment and users and the constantly increasing number of electric and electronics components has forced the industry to devise new control functions and development processes thereof. Advanced estimation functions are necessary to optimise the control demand distribution in brake-by-wire systems in presence of blended operation with electric motors. Moreover, the trends in stricter tailpipe emissions regulations and the proven growth in vehicle registrations motivate the need for new tools which inform the original equipment manufacturers on the environmental friendliness of their vehicle fleet.
Under this framework, the present work introduces control and estimation solutions for low-emission multi-actuated ground vehicles to improve braking performance with simultaneous monitoring of brake-related wear and particle emissions. The achievement of this goal brings up interdisciplinary methods ranging among advancements in numerical modelling and simulation tools, application of innovative experimental and sensors fusion techniques and development and verification of novel state estimation and control algorithms. The development of control and estimation functions is supported by model-, software- and hardware-in-the-loop techniques enhanced by means of a novel disc brake model developed at Technische Universität Ilmenau.
Experiments performed on the proving ground shows that braking performance can be improved in brake-by-wire systems through compensation of undesired variations in the brake linings’ coefficient of friction. The compensation function provides the driver with brake servo assistance when the required deceleration cannot be achieved. In the case of hybrid and full electric vehicles, the brake linings’ friction compensation improves the control of brake blending with electric motors by ensuring better tracking of the driver reference deceleration. Moreover, the availability of a brake linings’ coefficient of friction estimate enables additional brake monitoring functions. Clever design of experiments and advanced data mining techniques allow identifying the relevant influencing factors on brake-related wear and particle formation process. The experimental evidence drives the mplementation and identification of advanced estimation techniques never dealt with in the past. The proposed control and estimation functions exhibit superior performance when compared to state-of-the-art approaches under real driving conditions.
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