AT516674A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Strukturschwingungen in Fahrzeugen mit hohem Elektrifizierungsgrad - Google Patents

Abstract

Vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduktion von lokalen und globalen Schwingungen einer Fahrzeugstruktur, indem die Fahrzeugbatterie (1) in mehrere Teilbatterien (1a bis 1n) aufgeteilt wird. Die Massen m(la) bis m(ln) der Teilbatterien (1a bis 1n) bilden entweder eine zur vibro-akustischen Entkopplung erforderliche Impedanz Fehlanpassung von Strukturbauteilen, abgestimmte Resonatoren zur Bedämpfung dominanter Frequenzen oder aktive Shaker-Elemente,welche die Teilbatterien (1a bis 1n) zur definierten Schwingung anregen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Strukturschwingungen in Fahrzeugen mit hohem Elektrifizierungsgrad

Stand der Technik ln modernen Fahrzeugen mit hohem Elektrifizierungsgrad werden typischerweise Batterien und weitere Energiespeicher wie Supercaps oder Flywheels mit vergleichsweise hoher Masse verbaut um die notwendige Speicherkapazität und Reichweite zur Verfügung zu stellen. Der Begriff Batterie wird hier stellvertretend auch für andere Energiespeicher im Fahrzeug wie Supercasps verwendet. Die Masse dieser Energiespeicher sind je nach Elektrifizierungsgrad und Reichweite meist im Bereich von etwa 100 kg bis 400 kg und mehr, kann also durchaus über 20% der Gesamtfahrzeugmasse ausmachen. Ebenso wird in konventionell, hybrid und elektrisch betrieben Fahrzeugen für den Personenindividualverkehr Verkabelung in einem Gewicht von etwa 30 bis 50 kg verwendet. Diese Verkabelung weist neben dem Gewicht auch strukturelle Eigenschaften wie Steifigkeit und in Kombination mit weicher Kabelisolierung auch Dämpfung auf.

In der Komfortauslegung von Fahrzeugen ist es üblich, Feder-Dämpfer-Massesysteme zur Reduktion von unerwünschten Schwingungen zu verwenden. An ausgewählten Punkten der Fahrzeugstruktur kann damit für jede mechanische Anregung durch geeignete Auslegung des Feder-Dämpfer-Massesystems die Schwingung reduziert bzw. ausgelöscht werden.

Die Fertigung von Leichtbaustrukturen für Fahrzeuge erlaubt neue Möglichkeiten, an nahezu beliebigen Stellen Bauräume vorzusehen, welche einem Feder-Dämpfer-Massesystem Platz bietet.

Ein solches Feder-Dämpfer-Massesystem kann mechanisch an die Fahrzeugstruktur angebunden werden.

Vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion von Strukturschwingungen in Fahrzeugen - vorzugsweise in Fahrzeugen mit hohem Elektrifizierungsgrad und vergleichsweise schweren Energiespeichern und Verkabelung. Dabei werden die Massen der Energiespeicher oder die der Verkabelung gezielt so innerhalb des Fahrzeuges verteilt, dass sie zumindest an den entscheidenden Komfortpunkten des Fahrzeuges wie den Sitzschienen oder der Lenkeinreichung ein Minimum an unerwünschter Schwingung verursacht, d.h. die sonst vorhandenen unerwünschten Schwingungen maximal bedämpft. Die Komfortpunkte können dabei mit vorliegender Erfindung für jedes Fahrzeug individuell gewählt werden.

Vorliegende Erfindung grenzt sich vom Stand der Technik dadurch ab, dass sowohl die Vorrichtung als auch das Verfahren die vorhandenen Gesamtmassen von Energiespeichern und/oder Verkabelung dazu nutzt um geeignete verteilte Systeme aus Feder (Anbindung/Steifigkeit), Dämpfung (adaptive Elastomere und Lager) und Masse (verteilte Massen durch Verteilung der Batteriezellen auf geeignete Positionen im und am Fahrzeug) realisiert.

Ebenso beschreibt vorliegende Erfindung ein aktives, adaptives System, in dem die einzelnen Massen der verteilten Batterie beispielsweise durch Piezo-Shaker in geeigneter Frequenz zu einer Schwingung angeregt werden, welche der unerwünschten Schwingung entgegenwirkt und diese lokal oder global bedämpft.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Möglichkeit, das Schwingungsverhalten der Massen der verteilten Batterie beispielsweise auch durch Piezo-Transducer (Sensor-Aktuator) zur Zustandsüberwachung für Strukturfehler (z.B. Materialermüdung etc.) zu nutzen.

Beschreibung

Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Vorrichtung umfasst die auf mehrere Teilbatterien (Zellen) la, lb bis ln aufgeteilte Batterie 1 mit den jeweiligen Massen m(la) bis m(ln) und deren elektrischer Verbindung 6 untereinander zu einer elektrischen Einheit des Gesamtsystems Batterie 1. Die Vorrichtung sieht ebenfalls für jede Teilbatterie la bis ln einen an die Fahrzeugstruktur 5 angebundenen Bauraum 2a bis 2n vor, der gegenüber der Struktur eine definierte Steifigkeit s(la) bis s(ln) aufweist. Die Bauräume mit den Anbindungssteifigkeiten s(la) bis s(ln) werden im Herstellungsprozess mit entsprechender Fläche (Länge und Breite) sowie mit entsprechender Bodendicke 3a bis 3n berücksichtig. Die Bodendicke 3a bis 3n kann durch Blechdicke oder Schichtdicke von Leichtbaustrukturen realisiert werden.

Um die Effizienz der Erfindung zu steigern und eine maximale Schwingungsreduktion über einen möglichst breiten Frequenzbereich zu ermöglichen, kann zusätzlich jeweils ein Element 4a bis 4n zwischen Teilbatterien la bis ln und den Anbindungspunkten der Bauräume 2a bis 2n zur Fahrzeugstruktur 5 vorgesehen werden. Diese Elemente 4a bis 4n können für die Funktionalität eines Resonators Dämpfungselemente (z.B. Elastomere oder zum Stand der Technik gehörende Dämpfungselemente mit regel- bzw. steuerbarem Elastizitätsmodul) sein. Für Leichtbaustrukturen ist die mechanische/akustische Entkopplung durch elastische Bauteile zum Teil schwierig. Eine effiziente Entkopplung ist nur dann möglich, wenn eine ausreichende Impedanz-Fehlanpassung (d.h. ausreichender Impedanzsprung) realisiert werden kann, was bei Leichtbaustrukturen nicht immer möglich ist. Mit Hilfe der verteilten Massen m(la) bis m(ln) der Batterie 1 ist es möglich, Resonatoren an der richtigen Stelle der Fahrzeugstruktur 5 zu implementieren bzw. einen hinreichenden Impedanzsprung für eine Entkopplung zu realisieren. Selbst wenn die Elemente 4a bis 4n nicht als elastische Bauteile ausgeführt werden ist eine solche Impedanz Fehlanpassung realisierbar.

Die Massen m(la) bis m(ln) der einzelnen Teilbatterien la bis ln bilden zusammen mit den Steifigkeiten s(la) bis s(ln) der Bodendicken 3a bis 3n und den Dämpfungen d(la) bis d(ln) der Dämpfungselementen 4a bis 4n ein verteiltes Feder-Dämpfer-Masse System, welches unerwünschte Schwingungen vor allem an ausgewählten Komfortpunkten 7 reduziert bzw. auslöscht.

Ebenso können die Elemente 4a bis 4n zwischen Teilbatterien la bis ln und Fahrzeugstruktur 5 auch als aktive Elemente (z.B. als Piezo-Aktoren oder als Piezo-Transducer mit gleichzeitiger Funktion als Sensor und Aktuator, Nutzung des piezoelektrischen und inversen piezoelektrischen Effektes) ausgeführt werden. Die Ausführung als aktive Elemente ermöglicht die aktive Anregung der Massen m(la) bis m(ln) mit gewünschter Anregefrequenz (typischerweise durch eine zum erfassten Beschleunigungssignal gegenphasige Anregung). Eine Steuereinheit 8 steuert bzw. regelt auf Basis von Beschleunigungssignalen von Sensoren 9 oder auf Basis der Signale der aktiven als Sensoren arbeitenden Elemente 4a bis 4n die Auslenkung der aktiven Elemente 4a bis 4n. Die Kommunikation zwischen Sensoren, Aktuatoren und der Steuereinheit erfolgt über zum Stand der Technik gehörigen

Technologien (Bussystem, drahtgebunden, drahtlose). Die Energieversorgung für die (aktiven) Elemente 4a bis 4n kann über die Teilbatterien la bis ln erfolgen.

Die Steuereinheit 8 ermöglicht weiters die Strukturüberwachung indem die Signale der Sensoren 9 bzw. 4a bis 4n hinsichtlich Abweichungen von berechneten Werten oder in der Vergangenheit gespeicherten Werten überprüft werden. Beispielsweise wird mit der Steuereinheit 8 die Struktur Intaktheit bzw. die Erkennung von Fehlern sichergestellt. Die Steuerung und Regelung um das lokale bzw. das globale Schwingverhalten zu verbessern kann mit Hilfe einer zentralen Steuereinheit 8 oder mit Hilfe von mehreren verteilten und kommunizierenden Steuereinheiten 8 gelöst werden.

Die Verkabelung 6 im Fahrzeug wird ebenso wie die Teilbatterien la bis ln als geeignet verteilte Massen in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet. Zusätzlich kann bei einer in die Fahrzeugstruktur 5 integrierten Verkabelung 6 auch die Steifigkeit der metallischen Leiter sowie die Dämpfung der elastischen Kabelisolation verwendet werden um auf diese Weise die Schwingungseigenschaften in geeigneter Weise zu ändern.

Zur besseren Verdeutlichung der Vorrichtung in vorliegender Erfindung sind Figuren gegeben. In diesen zeigt:

Fig. 1: die in geeignet ausgelegten Bauräumen in der Fahrzeugstruktur 6 integrierte Teilbatterien la bis ln, welche über elastische Elemente 4a bis 4n mit der Fahrzeugstruktur 6 verbunden sind. Die Massen m(la) bis m(ln) der Teilbatterien la bis ln bildet mit den Steifigkeiten s(la) bis s(ln) und den Dämpfungseigenschaften der Elemente 4a bis 4n einen abgestimmten Resonator, welcher so ausgelegt ist, die lokal vorherrschende unerwünschte Schwingung höchstmöglich zu bedämpfen.

Fig. 2: eine Ausführungsform der Erfindung, welche aktive Elemente 4a bis 4n dazu nutzt, die Teilbatterien la bis ln mit geeigneter Frequenz anzuregen, dass die lokal oder global vorherrschende unerwünschte Schwingung höchstmöglich bedämpft wird. Die Steuerung der aktiven Elemente 4a bis 4n erfolgt über eine Steuereinheit 8. Selbst bei geringen Auslenkungen lassen sich durch die vergleichsweisen hohen Massen m(la) bis m(ln) ausreichend hohe dynamische Kräfte generieren, welche unerwünschte Schwingungen kompensieren.

Fig. 3: eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Verkabelung 6 in die Fahrzeugstruktur 5 eingebettet ist und die Masse, Dämpfung und Steifigkeit dieser Verkabelung dazu nutzt, lokale Schwingungen höchstmöglich zu bedämpfen. Dabei können auch Steuereinheit 8 und externe Sensoren 9 in die Bauteilstruktur integriert werden. Für die Vorrichtung ergeben sich demnach je nach Beschaffenheit der Elemente 4a bis 4n folgender Einsatz:

Elemente 4a bis 4n ohne elastische Charakteristik bzw. nicht vorhanden: Verbesserung des modalen Verhaltens durch Veränderung der Impedanz und damit einer für die Entkopplung geeigneten Impedanz Fehlanpassung

Elemente 4a bis 4n als elastische Elemente: abgestimmte Resonatoren, die zur Reduktion v.a. einer dominanten Frequenz verwendet werden (bzw. durch Veränderung der Charakteristik der Elemente 4a bis 4n wird eine Frequenzabstimmung ermöglicht)

Elemente 4a bis 4n als aktive Elemente: z.B. Piezo-Transducer, aktive Auslenkung/Anregung der Teilbatterien la bis ln z.B. in Gegenphasenbetrieb

Mit vorliegender Vorrichtung ist auch eine redundante Messtechnik umsetzbar: Beschleunigungen und Verzögerungen (z.B. im Crashfall) sowie statische Belastungen von z.B. Schräglagen sind mittels aktiver Elemente 4a bis 4n möglich, wenn die Beschleunigungen der Massen m(la) bis m(ln) der Teilbatterien la bis ln gemessen und ebenfalls über eine Steuereinheit 8 ausgewertet werden.

Vorliegende Erfindung beschreibt auch ein Verfahren zur Auslegung der Massen m(la) bis m(ln) an den jeweiligen Orten der Fahrzeugstruktur 5. Dabei wird das Schwingungsverhalten der Fahrzeugstruktur 5 mit Hilfe von zum Stand der Technik gehörenden numerischen Methoden wie der Finiten Elemente Analyse berechnet. Entsprechend der berechneten Auslenkungen wird in einem iterativen Verfahren die Massenverteilung m(la) bis m(ln) der Teilbatterien la bis ln bzw. der Verkabelung 6 die Dämpfungen und Steifigkeiten berechnet werden.

Claims (5)

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Reduktion unerwünschter Schwingungen in Fahrzeugstrukturen 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie 1 in mehrere durch Verkabelung 6 leitend verbundene Teilbatterien la bis ln aufgeteilt wird und die Verteilung der Massen m(la) bis m(ln) der Teilbatterien la bis ln entweder zur Impedanz Fehlanpassung von Strukturbauteilen, zur Implementierung abgestimmter Resonatoren oder als aktive Shaker-Elemente verwendet wird.

2. Vorrichtung zur Reduktion unerwünschter Schwingungen in Fahrzeugstrukturen 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugbatterie 1 in mehrere durch Verkabelung 6 leitend verbundene Teilbatterien la bis ln aufgeteilt wird und die Verteilung der Massen m(la) bis m(ln) der Teilbatterien la bis ln in Verbindung mit den Steifigkeiten s(la) bis s(ln) und den Dämpfungen d(la) bis d(ln) der Elemente 4a bis 4n zur Implementierung lokaler abgestimmter Resonatoren eines Feder-Masse-Dämpfer Systems verwendet werden.

3. Vorrichtung zur Reduktion unerwünschter Schwingungen in Fahrzeugstrukturen 5 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokal vorherrschende Schwingung mit Hilfe von Sensoren 9 oder 4a bis 4n aufgenommen werden, die Beschleunigungssignale einer Steuereinheit 8 zugeführt werden und die Elemente 4a bis 4n die Teilbatterien la bis ln zur Schwingung mit definierter Amplitude und Frequenz anregen, welche der unerwünschten vorherrschenden lokalen oder globalen Schwingung entgegenwirkt und auf diese Weise reduziert bzw. höchstmöglich bedämpft.

4. Vorrichtung zur Reduktion unerwünschter Schwingungen in Fahrzeugstrukturen 5 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse, Dämpfung und Steifigkeit von Verkabelung 6 im Fahrzeug innerhalb und außerhalb von Strukturbauteilen zur Implementierung lokaler abgestimmter Resonatoren oder Dämpfung eines Feder-Masse-Dämpfer Systems verwendet wird.

5. Verfahren zur Auslegung einer Vorrichtung zur Reduktion unerwünschter Schwingungen in Fahrzeugstrukturen 5 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem numerischen iterativen Verfahren die Massenverteilung m(la) bis m(ln) der Teilbatterien la bis ln bzw. der Verkabelung 6 die Dämpfungen d(la) bis d(ln) und Steifigkeiten s(la) bis s(ln) für jeden Ort der Fahrzeugstruktur 5 berechnet werden damit die vorherrschende unerwünschte Schwingung durch Nutzung der Vorrichtungen in Ansprüche 1 bis 3 minimiert wird.