DE10145891A1 - Verfahren und Regelung zum Dämpfen der Drehmoment-Schwingungen des Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Beim vorliegenden Verfahren zum Dämpfen der Drehmoment-Schwingungen des Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugs werden als Eingangsgrößen das Drehmoment bzw. ein Drehmomentschätzwert und die Drehzahl des das Straßenfahrzeug antreibenden Elektromotors sowie die Drehzahl eines Rads oder der Mittelwert der Drehzahlen aller angetriebenen Räder des Straßenfahrzeugs erfasst, wobei ein Beobachter aus den Eingangsgrößen das vom Getriebe an die Räder übertragene Drehmoment abschätzt, ein dem Beobachter nachgeschalteter Regelungsblock aus dem geschätzten Drehmoment ein Kompensationsdrehmoment ermittelt, und das Kompensationsdrehmoment zum Solldrehmoment des Elektromotors addiert wird, wodurch ein Regelkreis vorliegt. Durch diese Maßnahmen werden ein für den Fahrer wesentlich besseres Fahrverhalten erreicht und die Materialbelastung im Antriebsstrang reduziert.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Regelung zum Dämpfen der Drehmoment-Schwingungen des Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugs.
• Ein vorrangiges Problem im Zusammenhang mit Antriebssträngen bei elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugen sind Schwingungsphänomene, welche durch Elastizität und Getriebe- Lose in den mechanischen Verbindungen auftreten. Sie wirken materialermüdend auf die Fahrzeugkomponenten sowie komfortmindernd für den Fahrbetrieb.
• Die grundsätzliche Aufgabe des Antriebssystems ist es, das vom Fahrer in der jeweiligen Situation angeforderte Drehmoment auf die Räder zu übertragen. Da die mechanischen Verbindungen im Antriebsstrang elastisch ausgelegt sind und Lose in den Verbindungen auftreten, werden ohne geeignete Unterdrückung während des Fahrbetriebs immer Resonanzerscheinungen zu beobachten sein, da die natürliche Dämpfung eines Elektroantriebs sehr gering ist.
• Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Dämpfen der Schwingungen bekannt. Aus US 5 821 720 und US 5 994 859 sind beispielsweise einfache Dämpfungsverfahren bekannt, die jeweils nur Motormessgrößen als Eingangsgrößen verwenden. Hierdurch wird eine nicht ausreichende Bedämpfung erzielt, die zudem noch eine unerwünschte Abhängigkeit vom Betriebspunkt ergibt.
• Des weiteren wird in Marcus Menne, Dissertation, RWTH Aachen, 2001, Wissenschaftsverlag Mainz, ein Verfahren zum Dämpfen mit weiteren Parametern als Eingangsgrößen offenbart, welches ebenfalls eine Abhängigkeit vom Betriebspunkt aufweist.
• Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Dämpfen der Drehmoment-Schwingungen des Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugs anzugeben, welches eine ausreichende Bedämpfung gewährleistet und zu einem gegenüber dem Stand der Technik deutlich besseren Fahrverhalten führt. Außerdem soll eine Regelung zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden.
• Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Dämpfen der Drehmoment-Schwingungen des Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugs, wobei gemäß der Erfindung als Eingangsgrößen das Drehmoment oder ein Schätzwert dieses Drehmoments und die Drehzahl des das Straßenfahrzeug antreibenden Elektromotors, sowie die Drehzahl eines oder mehrerer Räder des Straßenfahrzeugs erfasst werden, ein Beobachter aus den Eingangsgrößen das vom Getriebe an die Räder übertragene Drehmoment abschätzt, ein dem Beobachter nachgeschalteter Regelungsblock aus dem geschätzten Drehmoment ein Kompensationsdrehmoment ermittelt, und das Kompensationsdrehmoment zum Solldrehmoment des Elektromotors addiert wird, wodurch ein Regelkreis entsteht.
• Mit dem vorliegenden Verfahren werden die Antriebsstrangschwingungen wirkungsvoll bedämpft. Das Verfahren funktioniert in allen relevanten Betriebspunkten. Es führt zu einem deutlich besseren Fahrverhalten, welches sich als komfortverbessernd auf den Fahrbetrieb auswirkt. Durch die erzielte Bedämpfung der Drehmomentschwingungen wird der Antriebsstrang deutlich weniger mechanisch belastet, wodurch sich die Materialermüdung des Antriebsstrangs wesentlich herauszögert und seine Lebensdauer entscheidend verlängert wird.
• Insbesondere kann beim Unterschreiten des vom Getriebe an die Räder übertragenen Drehmoments unter einen vorgegebenen Schwellwart die Regelung nach einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung abgeschaltet und erst wieder beim Überschreiten des Schwellwerts eingeschaltet werden. Vorzugsweise wird im Stillstand des Fahrzeugs die Regelung ausgeschaltet. Eine Logik wird hinzugeführt, welche den Regelungsblock bei sehr kleinen oder keinem geforderten Drehmoment ausschaltet. Es wird bei dieser Auslegung kein Kompensationsdrehmoment erzeugt. Wenn das geforderte Drehmoment von der gleichen Größenordnung wie das Rauschniveau ist, ist es vorteilhafter, kein Kompensationsdrehmoment zum Solldrehmoment des Elektromotors hinzu zu addieren.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Regelung nur dann aktiv, wenn sich die Werte für das Kompensationsdrehmoment in einem vorgegebenen Intervall befinden. Dadurch werden Funktionsfehler in extrem ungewöhnlichen Fahrsituationen vermieden. Auch Sensorfehler oder Sensorausfälle können somit berücksichtigt werden. Durch die angegebenen Varianten werden instabile Betriebsweisen vollständig ausgeschlossen.
• Die zweitgenannte Aufgabe wird durch eine Regelung zum Durchführen des Verfahrens gelöst.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
• Die Erfindung ist anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in den FIG näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm für eine Regelung zum Dämpfen der Drehmoment-Schwingungen des Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugs mit einem Controller in schematischer Darstellung auf. Der Controller umfasst einen Beobachter 2 und einen Regelungsblock 4,
• Fig. 2 ein Systemmodell des Antriebsstrangs in schematischer Darstellung.
• Als Eingangsgrößen für den Beobachter 2 werden gemäß Fig. 1 das Drehmoment und die Drehzahl des das Straßenfahrzeug antreibenden Elektromotors 6, sowie die Drehzahl der Räder des Straßenfahrzeugs erfasst. Das Motor-Drehmoment braucht nicht messtechnisch erfasst zu werden. Ein Drehmoment-Schätzwert, der von einer konventionellen unterlagerten Motorregelung zur Verfügung gestellt werden kann, ist ausreichend. Als Rad- Drehzahl wird entweder der Messwert eines Rades oder vorteilhafterweise der Mittelwert der Drehzahlen aller angetriebenen Räder verwendet. Der Beobachter 2 schätzt aus den Eingangsgrößen das vom Getriebe an die Räder übertragene Drehmoment ab, wozu er ein drei Zustandsgrößen aufweisendes dynamisches Modell des Antriebsstranges verwendet. Das vereinfachte Modell erweist sich als sehr robust und benötigt verhältnismäßig geringe Rechenzeit.
• Der dem Beobachter 2 nachgeschaltete Regelungsblock 4 verwendet das geschätzte Getriebedrehmoment als Eingangsgröße und ermittelt aus diesem ein Kompensationsdrehmoment. Der Regelungsblock 4 zeigt ein differenzierendes Verhalten. Das Kompensationsdrehmoment wird zum Solldrehmoment des Elektromotors 6 addiert.
• Der Controller regelt somit die Regelstrecke zwischen dem geforderten und dem vom Getriebe übertragenen Drehmoment. Der erste zu betrachtende Teil ist das Übertragungsverhalten vom geforderten Drehmoment T_dem(s) zum Motordrehmoment T_mot(s) des Elektromotors 6. Dies wird angenähert sehr gut durch ein System zweiter Ordnung
  
  
  beschrieben oder gröber angenähert durch ein System erster Ordnung
  
  
  mit der Zeitkonstanten τ_ASM.
• Der zweite Teil umfasst das Übertragungsverhalten vom Motordrehmoment zum Getriebedrehmoment. Das beinhaltet die Nichtlinearität des Getriebes, nämlich die Getriebespielcharakteristik.
• Fig. 2 veranschaulicht das zu beschreibende Modell in einem Blockdiagramm in schematischer Darstellung. Bei einer Vernachlässigung des Getriebespiels ergibt sich als lineare Übertragungsfunktion
  
  
  mit den Trägheitsmomenten J₁ und J₂ der Massen 1 und 2 sowie der Frequenzkonstante Ω₀₁ und der Dämpfungskonstante d'₁₂. Ω₀₁ und d'₁₂ sind definiert als
  
  
  
• Die Gleichungen (1) oder (2) zusammen mit (3) und (4) beschreiben somit das zu regelnde System. Mit dem Lastdrehmoment existiert zusätzlich eine Störung, welche proportional zum Traktionsdrehmoment ist. Obwohl das Lastdrehmoment ein Teil des Gesamtsystems ist, ist es im Modell nicht explizit enthalten und muss daher als zusätzliche Störung behandelt werden. Die Störung T_load beeinflusst das Getriebedrehmoment in folgender Weise
  
  
  
• Der Vorteil der Beeinflussung des Getriebedrehmoments T_gear mit dem vorliegenden Modell liegt darin, dass die Dynamik des Fahrzeugs weder modelliert noch in das Systemmodell mit eingeschlossen werden muss. Die Berücksichtigung der Fahrzeugdynamik würde das Modell wesentlich erweitern mit mehr Parametern und Unsicherheiten in der Modellierung. Die hier verwendete vereinfachte Modellierung lässt sich einfacher handhaben.
• Beim Unterschreiten des vom Getriebe an die Räder übertragenen Drehmoments unter einen vorgegebenen Schwellwert wird die Regelung nach einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung abgeschaltet und erst wieder beim Überschreiten des Schwellwerts eingeschaltet. Eine Logik wird hinzugefügt, welche den Regelungsblock bei sehr kleinen oder keinem geforderten Drehmoment ausschaltet. In diesem Falle wird kein Kompensationsdrehmoment erzeugt.
• Die Regelung ist außerdem nur dann aktiv, wenn sich die Werte für das Kompensationsdrehmoment in einem vorgegebenen Intervall befinden. Dadurch werden Funktionsfehler in extrem ungewöhnlichen Fahrsituationen vermieden. Auch Sensorfehler oder Ausfälle können somit berücksichtigt werden. Durch die angegebenen Varianten werden instabile Betriebsweisen vollständig ausgeschlossen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Dämpfen der Drehmoment-Schwingungen des Antriebsstrangs eines elektrisch angetriebenen Straßenfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass
als Eingangsgrößen das Drehmoment oder ersatzweise ein Drehmomentschätzwert des das Straßenfahrzeug antreibenden Elektromotors (6),
die Drehzahl des Elektromotors (6) und
die Drehzahl eines Rads oder der Mittelwert der Drehzahlen aller angetriebenen Räder des Straßenfahrzeugs erfasst werden,
ein Beobachter (2) aus den Eingangsgrößen das vom Getriebe an die Räder übertragene Drehmoment abschätzt,
ein dem Beobachter (2) nachgeschalteter Regelungsblock (4) aus dem geschätzten Drehmoment ein Kompensationsdrehmoment ermittelt, und
das Kompensationsdrehmoment zum Solldrehmoment des Elektromotors (6) addiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelungsblock (4) ein differenzierendes Verhalten aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Unterschreiten des vom Getriebe an die Räder übertragenen Drehmoments unter einen vorgegebenen Schwellwert die Regelung nach einer vorgegebenen zeitlichen Verzögerung abgeschaltet und erst wieder beim Überschreiten des Schwellwerts eingeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Stillstand des Fahrzeugs die Regelung ausgeschaltet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung nur aktiv ist, wenn sich die Werte für das Kompensationsdrehmoment in einem vorgegebenen Intervall befinden.

6. Regelung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.