DE102011012840A1

DE102011012840A1 - Verfahren zum Bestimmen einer Betriebsgröße eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102011012840A1
Application number: DE102011012840A
Authority: DE
Inventors: Martin Rosenberger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Betriebsgröße eines Kraftwagens mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine (12), deren Antriebskraft über eine Welle (14) auf zumindest ein zugeordnetes Rad (10) übertragbar ist, wobei eine erste, einen Rotationszustand des Rades (10) charakterisierende Größe und eine zweite, einen Rotationszustand der elektrischen Antriebsmaschine (12) charakterisierende Größe bestimmt wird, wobei mittels eines Modells, welches als Eingangsgrößen die erste und zweite Größe aufweist, ein Drehmoment des Rades (10) und/oder eine Fahrtgeschwindigkeit des Kraftwagens abgeschätzt wird. Die Verwendung beider Größen ermöglicht eine Berücksichtigung des Schwingungsverhaltens der Welle (14) und damit eine besonders genaue Abschätzung von Drehmoment und Fahrtgeschwindigkeit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Betriebsgröße eines Kraftwagens mit wenigstens einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Um verschiedene Fahrerassistenzsysteme in modernen Kraftwagen betreiben zu können, muss eine Vielzahl von Informationen über den Fahrzustand des Kraftwagens erfasst werden. Manche Betriebsgrößen des Kraftwagens können dabei mittels geeigneter Sensoren direkt gemessen werden, andere werden auf Grundlage solcher Messwerte abgeschätzt.
Besonders wichtige Betriebsgrößen, die üblicherweise nicht direkt gemessen werden, sind die Fahrtgeschwindigkeit des Kraftwagens und das auf die Räder wirkende Drehmoment. Beide Betriebsgrößen werden üblicherweise auf Grundlage der direkt gemessenen Raddrehzahlen geschätzt. Dies ist beispielsweise aus der DE 39 22 182 C2 bekannt.
Bei Kraftwagen mit elektrischem Antrieb, insbesondere mit Einzelradantrieb, ist zudem das zwischen Antriebsmotor und Rad übertragene Drehmoment von Interesse. Um dieses zu bestimmen, wird oft das Drehmoment am Abtrieb der Antriebsmaschine ermittelt, welches sich jedoch oft deutlich vom übertragenen Drehmoment unterscheidet. Die direkte Messgröße ist dabei in der Regel die Drehzahl am Abtrieb der Antriebsmaschine.
Die Bestimmung des Drehmoments an den Rädern auf Grundlage der Raddrehzahl ist mit dem Nachteil behaftet, dass hierbei mögliche Verfälschungen durch Torsionsschwingungen der Gelenkwelle zwischen Rad und Antriebsmaschine, Schlupf des Rades gegenüber der Fahrbahn und dergleichen nicht berücksichtigt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches eine besonders genaue Bestimmung des Drehmoments an den Rädern eines Kraftwagens erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist bei einem solchen Verfahren vorgesehen, dass mittels eines Modells, welches als Eingangsgrößen eine erste, einen Rotationszustand des Rades charakterisierende Größe und eine zweite, einen Rotationszustand der elektrischen Antriebsmaschine charakterisierende Größe aufweist, ein Drehmoment des Rades und/oder eine Fahrtgeschwindigkeit des Kraftwagens abgeschätzt wird. Als solche Größen eignen sich insbesondere die Drehzahl, der Drehwinkel oder die Drehwinkelgeschwindigkeit.
Durch die Einbeziehung des Rotationszustands des Rades und der elektrischen Antriebsmaschine – also der Rotationszustände an beiden Enden der die Antriebsmaschine mit dem Rad verbindenden Gelenkwelle – kann insbesondere das tatsächlich auf das Rad wirkende Drehmoment besonders gut abgeschätzt werden, da hierdurch auch Schwingungen der Welle mit erfasst werden und in die Drehmomentenschätzung eingehen können. Das Verfahren kann beispielsweise mit ohnehin im Fahrzeug vorhandenen Drehzahlsensoren durchgeführt werden, so dass keine Zusatzkosten bei der Herstellung des Kraftwagens anfallen. Die Drehzahl der Antriebsmaschine kann zudem auch direkt von einem Steuergerät der Antriebsmaschine bereitgestellt werden, ohne dass ein eigener Sensor verwendet werden muss.
Vorzugsweise berücksichtigt das Modell zumindest die Trägheitsmasse der Antriebsmaschine, des Rades und des Kraftwagens. Zusammen mit den zwischen diesen Trägheitsmassen aufgrund der verbindenden Elemente wirkenden Kräfte kann so das System Antriebsmaschine-Rad-Fahrbahn besonders einfach modelliert werden. Zur vollständigen Beschreibung des Systems muss zudem wenigstens das Übertragungsverhalten zwischen Antriebsmaschine und Rad sowie das Übertragungsverhalten zwischen Rad und Fahrbahn berücksichtigt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Modell eine Bewegungsgleichung für die relativen Rotationsbewegungen zwischen Antriebsmaschine, Welle, Rad und Fahrbahn. Mittels eines derartigen Modells können sowohl Schwingungen der Welle als auch Effekte des Rad-Fahrbahn-Kontaktes in die Bestimmung des am Rad wirkenden Drehmoments bzw. der Fahrtgeschwindigkeit mit einbezogen werden, so dass besonders genaue Ergebnisse erhalten werden.
Zur vollständigen Beschreibung müssen im Rahmen des Modells Zustände berücksichtigt werden, durch die der Verdrehwinkel zwischen Rad und Antriebsmaschine sowie die Verdrehwinkelgeschwindigkeit zwischen Rad und Kraftwagen ermittelt werden kann. Vorzugsweise umfasst das Modell zu diesem Zweck als Zustandsgrößen einen Verdrehwinkel zwischen Antriebsmaschine und Rad, eine Verdrehwinkelgeschwindigkeit zwischen Antriebsmaschine und Rad, eine Winkelgeschwindigkeit des Rads sowie eine Winkelgeschwindigkeit des Kraftwagens. Die translatorische Bewegung des Kraftwagens wird also in eine bezüglich der Trägheit äquivalente rotatorische Bewegung umgesetzt. Mit diesen Zustandsgrößen kann das modellierte System vollständig beschrieben werden, wobei das Modell durch die Betrachtung im rein rotatorischen Bezugssystem rechnerisch besonders einfach handzuhaben ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Rad-Fahrbahn-Kontakt des Kraftwagens durch ein zeitvariantes Dämpfungsglied modelliert. Die Modellierung kann dabei linear oder nichtlinear sein. Dies ermöglicht zusätzliche Rückschlüsse auf kurzfristige Zustandsänderungen des Rades, insbesondere dessen Schlupfzustand. Hierdurch kann ein Überschreiten des Kraftschlussmaximums, ein drohendes Blockieren oder Durchdrehen erkannt werden. Die zeitvarianten Parameter können dabei aus Zustandsgrößen des Systems berechnet werden. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung eines adaptiven Modells.
Vorzugsweise umfasst das Modell zumindest eine externe Anregungsgröße, also eine auf zumindest ein Element des Modells wirkende externe Kraft, bzw. ein externes Trägheitsmoment. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Luftspaltmoment der Antriebsmaschine, ein auf die Trägheitsmasse des Rades wirkendes Drehmoment einer Reibungsbremse oder einen auf den Kraftwagen wirkenden Luft- oder Steigungswiderstand handeln. Informationen über die zumindest eine Anregungsgröße können durch geeignete Sensoren direkt gemessen, in externen Steuergeräten abgeschätzt oder im Rahmen des Modells selbst berechnet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs eines elektrischen Kraftwagens mit Einzelradantrieb und
2: ein Regelkreisschema zur Modellierung des Antriebsstrangs gemäß 1.
In elektrischen Fahrzeugen mit Einzelradantrieb wird jedes Rad 10 durch einen eigenen Elektromotor 12 angetrieben. Die Antriebskraft wird über eine Gelenkwelle 14 übertragen. Sowohl am motorseitigen Ende 16 der Gelenkwelle 14 als auch an deren radseitigen Ende 18 ist jeweils ein Drehzahlsensor 20, 22 angeordnet.
Um aus den mittels der Sensoren 20, 22 gemessenen Drehzahlen eine Fahrtgeschwindigkeit sowie ein auf das Rad 10 wirkendes Drehmoment zu berechnen, wird das System aus Rad 10, Gelenkwelle 14 und Elektromotor 12 rechnerisch modelliert. Bei dem in 2 schematisch dargestellten Modell handelt es sich um ein sogenanntes Beobachtermodell, mittels welchem auf Grundlage der als Eingangsgrößen verwendeten gemessenen Drehzahlen der physikalische Zustand des Systems modelliert wird.
Aus den Eingangsgrößen werden hierbei zunächst die Zustandsvariablen des Systems, also Größen, die das Verhalten des Systems beschreiben, berechnet. Als Zustandsvariablen des Systems werden der Verdrehwinkel der Gelenkwelle 14 und dessen zeitliche Änderung ausgewählt. Zur vollständigen Beschreibung des Systems sind ferner noch die Winkelgeschwindigkeit des Rades 10 sowie die Winkelgeschwindigkeit des Kraftwagens als Zustandsvariablen notwendig. Letztere entspricht der translatorischen Bewegungsgeschwindigkeit des Kraftwagens, die zur Vereinfachung der Berechnung durch eine geeignete Transformation des Bezugssystems in eine Rotation umgesetzt wird.
Aus den so bestimmten Zustandsvariablen kann schließlich die gewünschte Information über das auf das Rad 10 wirkende Drehmoment und die Fahrtgeschwindigkeit des Kraftwagens abgeleitet werden.
Zur Berechnung der Zustandsvariablen und deren zeitlichen Änderung sind noch weitere Kenntnisse über das System aus Rad 10, Gelenkwelle 14 und Elektromotor 12 notwendig. Besonders bedeutsam ist hierbei das Verhalten der Gelenkwelle 14, die sich verwinden kann und so die Momentenübertragung zwischen Motor 12 und Rad 10 beeinflusst. Um diese Effekte zu erfassen, wird die Gelenkwelle als Torsionsfeder betrachtet, welche gemäß 2 als Parallelschaltung aus einer ungedämpften Feder 24 und einem Torsionsdämpfer 26 modelliert wird. Die Feder- und Dämpfungskonstanten sind fahrzeugabhängig und können beispielsweise im Prüfstandsversuch bestimmt werden.
Die Momentenübertragung zwischen Motor 12 und Rad 10 wird ferner durch den Rad-Fahrbahn-Kontakt beeinflusst. Da, wie geschildert, im beschriebenen Beispiel ein mitbewegtes Koordinatensystem verwendet wird, kann dieser durch die Kraftübertragung zwischen dem Rad 10 und der relativ zum Rad beweglichen Masse 28 des Kraftwagens beschrieben werden. Effekte wie beispielsweise Radschlupf drücken sich in dieser Beschreibungsart als Dämpfung der Kraftübertragung zwischen Rad 10 und Masse 20 aus und werden daher durch ein zeitveränderliches Dämpfungsglied 30 modelliert.
Neben einer genauen Abschätzung von Fahrtgeschwindigkeit und Drehmoment am Rad 10 erlaubt das beschriebene Modell somit auch Rückschlüsse auf den Schwingungszustand der Gelenkwelle 14 sowie auf den Radschlupf. Diese Informationen können Fahrerassistenzsystemen des Kraftwagens zur Verfügung gestellt werden, welche dann beispielsweise unerwünschte Schwingungszustände der Gelenkwelle 14 durch aktive Steuerung des Motors 10 aktiv bedämpfen können oder bei unsicheren Fahrzuständen, wie beispielsweise einem drohenden Blockieren oder Durchdrehen des Rades 10 entsprechend korrigierend eingreifen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3922182 C2 [0003]

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Betriebsgröße eines Kraftwagens mit wenigstens einer elektrischen Antriebsmaschine (12), deren Antriebskraft über eine Welle (14) auf zumindest ein zugeordnetes Rad (10) übertragbar ist, wobei eine erste, einen Rotationszustand des Rades (10) charakterisierende Größe und eine zweite, einen Rotationszustand der elektrischen Antriebsmaschine (12) charakterisierende Größe bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Modells, welches als Eingangsgrößen die erste und zweite Größe aufweist, ein Drehmoment des Rades (10) und/oder eine Fahrtgeschwindigkeit des Kraftwagens abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zumindest die Trägheitsmasse der Antriebsmaschine (12), des Rades (10) und des Kraftwagens berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell eine Bewegungsgleichung für die relativen Rotationsbewegungen zwischen Antriebsmaschine (12), Welle (14), Rad (10) und Fahrbahn umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell folgende Zustandsgrößen umfasst: – einen Verdrehwinkel zwischen Antriebsmaschine (12) und Rad (10) – eine Verdrehwinkelgeschwindigkeit zwischen Antriebsmaschine (12) und Rad (10) – eine Winkelgeschwindigkeit des Rads (10) – eine Winkelgeschwindigkeit des Kraftwagens.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) als gedämpfte Torsionsfeder modelliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftübertragung zwischen Rad (10) und Fahrbahn durch ein zeitvariantes Dämpfungsglied modelliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zumindest eine externe Anregungsgröße umfasst.