DE102021132391A1

DE102021132391A1 - Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, Steuerungseinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Betrieb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, Antriebsanordnung umfassend einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021132391A1
Application number: DE102021132391.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Witt; Dennis Kuhl; Mikhail Gvozdev; Georg Göppert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-15

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (2) eines Kraftfahrzeugs (1), umfassend eine elektrische Maschine (5) zur Erzeugung eines Antriebsmoments (MEM), das über wenigstens eine Übertragungskomponente (7) des Antriebsstrangs (2) auf wenigstens ein Rad (6) des Kraftfahrzeugs (1) übertragen wird, wobei eine Steuerungseinrichtung (12) ein Steuersignal (25) generiert, mittels dem die elektrische Maschine (5) angesteuert wird und das das aktuell durch die elektrische Maschine (5) zu erzeugende Antriebsmoment (MEM) beschreibt, wobei mittels eines Maschinenrotationserfassungsmittels (13) eine einen aktuellen Rotationswinkel (αRotor) und/oder eine aktuelle Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors (4) der elektrischen Maschine (5) betreffende Maschinenrotationsinformation (19) erfasst wird, wobei das Steuersignal (25) in Abhängigkeit der Maschinenrotationsinformation (19) und/oder einer mittels der Maschinenrotationsinformation (19) ermittelten Eingangsgröße erzeugt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine zur Erzeugung eines Antriebsmoments, das über wenigstens eine Übertragungskomponente des Antriebsstrangs auf wenigstens ein Rad des Kraftfahrzeugs übertragen wird, wobei eine Steuerungseinrichtung ein Steuersignal generiert, mittels dem die elektrische Maschine angesteuert wird und das das aktuell durch die elektrische Maschine zu erzeugende Antriebsmoment beschreibt. Das Antriebsmoment wird nachfolgend mit M_EM abgekürzt.
Typischerweise wird im Zusammenhang mit der Generierung des Steuersignals zur Ansteuerung der elektrischen Maschine ein Regelungsalgorithmus verwendet, wobei als Regelungsbasis bzw. Regelungs-Eingangsgröße ein gewünschtes, mittels der elektrischen Maschine zu erzeugendes und fahrerseitig vorgegebenes Antriebsmoment, das nachfolgend als M_soll bezeichnet wird, und gegebenenfalls eine Radrotationsinformation, die eine aktuelle Rotationsstellung eines Rades des Kraftfahrzeugs betrifft, verwendet wird. Nachteilig ist hierbei, dass die Regelungs-Eingangsgrößen nur mit einer relativ hohen Ungenauigkeit erfasst werden können, was sich wiederum, etwa bezüglich eines möglichst gleichförmigen Beschleunigungsverhaltens des Kraftfahrzeugs, nachteilig auswirkt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein verbessertes Konzept für einen Betrieb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mittels eines Maschinenrotationserfassungsmittels eine einen aktuellen Rotationswinkel und/oder eine aktuelle Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors der elektrischen Maschine betreffende Maschinenrotationsinformation erfasst wird, wobei das Steuersignal in Abhängigkeit der Maschinenrotationsinformation und/oder einer mittels der Maschinenrotationsinformation ermittelten Eingangsgröße erzeugt wird. Der aktuelle Rotationswinkel des Rotors wird nachfolgend mit α_Rotor bezeichnet.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass die Maschinenrotationsinformation nicht nur eine alternative oder zusätzliche Informationsquelle darstellt, die im Zusammenhang mit der Generierung des Steuersignals nutzbar ist, sondern dass Messgrößen betreffend die aktuelle Drehbewegung des Rotors im Vergleich zu den im Stand der Technik für diesen Zweck erfassten Messgrößen grundsätzlich mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden können, worauf Details diesbezüglich später noch erläutert werden. Folglich wird eine optimierte Ansteuerung der elektrischen Maschine dahingehend ermöglicht, dass das zu erzeugende Antriebsmoment M_EM besser an aktuell vorliegende Umstände im Antriebsstrang angepasst werden kann, wodurch sich nachteilig auf den Fahrkomfort auswirkende Beschleunigungsschwankungen verringern oder sogar vermeiden lassen.
Obgleich als Maschinenrotationserfassungsmittel ein eigens hierzu vorgesehener Sensor denkbar ist, wird für diesen Zweck bevorzugt eine bereits vorliegende Komponente genutzt, etwa ein ohnehin vorgesehener Drehwinkelgeber der elektrischen Maschine. So sind zur Realisierung der vorliegenden Erfindung keine zusätzlichen Komponenten zwingend erforderlich.
Der Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs umfasst die Gesamtheit der Bauteile, die zur Erzeugung und Übertragung der Antriebsleistung respektive des Antriebsmoments von der Leistungsquelle bis zu Rädern des Kraftfahrzeugs vorgesehen sind. Konkret wird mittels der elektrischen Maschine das Antriebsmoment M_EM erzeugt, wobei die elektrische Maschine zur Übertragung dieser Leistung über die Übertragungskomponenten mit den Rädern gekoppelt ist. Der Antriebsstrang umfasst mithin die elektrische Maschine, die Übertragungskomponenten und die Räder.
Als Übertragungskomponenten sind häufig Dreh- bzw. Torsionswellen und Kupplungen vorgesehen, mittels denen die Antriebsmomentübertragung entkoppelbar ist.
Ferner sind die Übertragungskomponenten häufig, insbesondere schaltbare, Getriebe, mittels denen sich unterschiedliche Drehzahlen gemäß einem Übersetzungsverhältnis übersetzen lassen, so dass die Räder nicht zwingend dieselbe Drehfrequenz aufweisen wie der Rotor. Das Übersetzungsverhältnis betreffend das Getriebe wird nachfolgend als i_G bezeichnet. Ferner kann im Bereich einer Antriebsachse des Kraftfahrzeugs ein Achsdifferential bzw. Differentialgetriebe vorgesehen sein, mittels dem sich die Antriebsleistung unterschiedlich auf die Räder dieser Achse aufteilen lässt. Zudem sind weitere Übertragungskomponenten denkbar, wobei die grundsätzliche Funktionsweise eines Antriebsstrangs dem Fachmann hinlänglich bekannt ist und daher an dieser Stelle auch nicht weiter erläutert wird.
Die Steuerungseinrichtung kann auch als Steuergerät oder ECU („electronic control unit“) bezeichnet werden und ist ein elektronisches Modul, mittels dem der Steuer- und Regelungsprozess durchführbar ist. Sie umfasst gegebenenfalls ein elektronisches Datenspeichermedium, auf dem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens relevante Daten abgespeichert werden. So kann, etwa bei Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls, die Maschinenrotationsinformation erfasst und ein entsprechender Wert abgespeichert werden, so dass ein Datensatz betreffend den zeitlichen Verlauf dieser Werte generiert wird. Die Steuerungseinrichtung kann mit den am Verfahren beteiligten Komponenten über ein Bussystem des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Die Steuerungseinrichtung kann eigens für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen oder zusätzlich zu weiteren Steuer- bzw. Regelungszwecken im Kraftfahrzeug eingerichtet sein.
Der aktuelle Rotationswinkel α_Rotor ist insbesondere ein aktueller, absoluter Rotationswinkel des Rotors, der die aktuelle Rotationsstellung des Rotors bezüglich einer Referenz-Rotationsposition angibt. Mit anderen Worten ist der Rotationswinkel α_Rotor der Rotationswinkel eines fest auf dem Rotor angeordneten Referenzpunkts in Bezug auf eine definierte Rotationsstellung des Rotors, etwa einer 12-Uhr-Position. In der Praxis kann im Zusammenhang mit der Bestimmung des Rotationswinkels α_Rotor anstatt der Erfassung eines konkreten Zahlenwertes zwischen 0 und 360° vorgesehen sein, dass die Rotationsbewegung mittels eines inkrementellen Gebers erfasst wird. Das heißt, dass nach dem Durchlaufen eines Rotationsinkrements ein Zähler um einen Wert von 1 hochgesetzt wird. Falls die elektrische Maschine mehrpolig ist, dann liefert ein Sensor, mittels dem die Änderung des Magnetfeldes erfasst wird, bei jedem Durchlaufen eines Pols ein den Bereich von 0° bis 360° durchlaufendes Signal. So wird beispielsweise ein solcher Sensor eines vierpoligen Elektromotors bei einer kompletten Rotation des Rotors um 360° den Winkelbereich von 0° bis 360° viermal durchlaufen. Zur Erfassung der aktuellen Rotationsstellung des Rotors ist es hierbei mithin erforderlich, nicht nur den aktuellen Wert des Winkels bezogen auf den jeweiligen magnetischen Pol zu erfassen, sondern dass zudem ein sogenannter Überlauf erfasst wird, also ein ganzzahliger Wert, wie oft der Bereich von 0° bis 360° bereits durchlaufen wurde.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass mittels eines Radrotationserfassungsmittels eine einen aktuellen Rotationswinkel und/oder eine aktuelle Rotationsgeschwindigkeit des Rades betreffende Radrotationsinformation erfasst wird, wobei anhand der Maschinenrotationsinformation und der Radrotationsinformation ein aktueller relativer Rotationswinkel des Rotors bestimmt wird, der die aktuelle Rotationsstellung des Rotors bezüglich der aktuellen Rotationsstellung des Rades ist, wobei das Steuersignal in Abhängigkeit des relativen Rotationswinkels und/oder einer mittels des relativen Rotationswinkels ermittelten Eingangsgröße erzeugt wird. Der aktuelle Rotationswinkel des Rades wird im Folgenden mit α_Rad und der aktuelle relative Rotationswinkel des Rotors mit α*_Rotor bezeichnet. Auch zur Bestimmung des Rotationswinkels α_Rad mittels des Radrotationserfassungsmittels muss nicht zwangsläufig ein konkreter Winkel zwischen 0° und 360° erfasst werden, sondern der Winkel kann indirekt anhand einer wie bereits im Zusammenhang mit der Erfassung von α_Rotor erläuterten inkrementellen Erfassung ermittelt werden.
Der aktuelle Rotationswinkel α_Rad ist insbesondere ein aktueller, absoluter Rotationswinkel des Rades, der die aktuelle Rotationsstellung des Rades bezüglich einer Referenz-Rotationsposition angibt. Mit anderen Worten ist der Rotationswinkel α_Rad der Rotationswinkel eines fest auf dem Rad angeordneten Referenzpunkts in Bezug auf eine definierte Rotationsstellung, etwa einer 12-Uhr-Position. Der aktuelle relative Rotationswinkel α*_Rotor ist der Winkelunterschied zwischen diesen beiden Referenzpunkten und ergibt sich somit zu α*_Rotor = α_Rotor - α_Rad oder umgekehrt. Insbesondere wenn der Antriebsstrang ein Differentialgetriebe umfasst, kann vorgesehen sein, dass zu diesem Zweck mehrere, unterschiedlichen Rädern zugeordnete Radrotationserfassungsmittel vorgesehen sind, da sich in diesem Fall die Rotationspositionen der Räder unterscheiden können. Dieser Umstand kann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens berücksichtigt werden.
Die Erfassung des relativen Rotationswinkel α*_Rotor kann in dem in der Praxis häufig relevanten Fall der inkrementellen Erfassung der Rotationsbewegung auch dadurch erfolgen, dass ein Zähler bei dem Durchlaufen eines Rotationsinkrements beim Rotor um 1 hoch- und bei dem Durchlaufen eines Rotationsinkrements beim Rad um 1 heruntergesetzt wird. Der entsprechend erhaltene Zählerwert beschreibt den relativen Rotationswinkel α*_Rotor zwischen dem Rotor und dem Rad unmittelbar. Hierbei ist im Fall einer mehrpoligen elektrischen Maschine der oben erläuterte Umstand zu berücksichtigen, dass bei einem kompletten Umlauf des Rotors der Sensor mehrere Durchläufe des Intervalls von 0° bis 360° sensiert.
Das Radrotationserfassungsmittel ist etwa ein Rotationssensor, der im Zusammenhang mit einem ABS-System des Kraftfahrzeugs ohnehin vorgesehen sein kann. Bei ABS-Systemen erfolgt die Winkelerfassung typischerweise über die oben bereits erläuterte inkrementelle Erfassungsmethode.
Ein Vorteil im Zusammenhang mit der Erfassung des relativen Rotationswinkels α*_Rotor des Rotors ist, dass dieser von weiteren Zustandsgrößen des Antriebsstrangs im Vergleich dazu, dass lediglich der absolute lediglich α_Rotor erfasst wird, anhängt, die bei der Generierung des Steuersignals mit einfließen können. Auf konkrete Aspekte diesbezüglich wird später noch im Detail eingegangen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist bevorzugt vorgesehen, dass mittels der Steuerungseinrichtung ein idealer Rotationswinkel des Rotors in einem störungsfreien, insbesondere drehschwingungsfreien, Zustand des Antriebsstrangs bestimmt, insbesondere berechnet, wird, wobei mittels der Steuerungseinrichtung eine Winkelabweichung zwischen einem aktuellen Rotationswinkel des Rotors und dem idealen Rotationswinkel des Rotors bestimmt wird, wobei das Steuersignal in Abhängigkeit der Winkelabweichung und/oder einer mittels der Winkelabweichung ermittelten Eingangsgröße erzeugt wird. Der ideale Rotationswinkel des Rotors wird nachfolgend mit α_soll, der aktuelle Rotationswinkel des Rotors mit α_ist und die Winkelabweichung mit Δα bezeichnet.
Mittels der Steuerungseinrichtung wird also ein störungsfreier Idealfall angenommen bzw. simuliert und hieraus der zu erwartende ideale Rotationswinkel α_soll bestimmt. Diese Bestimmung kann etwa über einer seitens der Steuerungseinrichtung hinterlegten Lookup-Tabelle oder einer analytischen Berechnung, die etwa auf einem Modell des Antriebsstrangs basiert, erfolgen. Die Winkelabweichung ergibt sich zu Δα = α_soll - α_ist oder umgekehrt. Die Steuerung bzw. Regelung kann derart erfolgen, dass der Wert von Δα möglichst klein wird, also dass der reale Zustand möglichst nahe an den störungsfreien Idealfall angeglichen wird.
Zur Bestimmung des idealen Rotationswinkels α_soll und/oder im Rahmen einer Regelungsvorschrift, die zur Generierung des Steuersignals angewendet wird, kann wenigstens eine Information erfasst und berücksichtigt werden. So kann eine Elastizitätsinformation berücksichtigt werden, die ein elastisches Verhalten der Übertragungskomponenten bei der Übertragung des Antriebsmoments beschreibt. Im Allgemeinen betrifft die Elastizitätsinformation eine sogenannte Elastizitäts-Funktion, die das elastische Verhalten des Antriebsstrangs respektive dessen Komponenten in Abhängigkeit einer Größe oder mehrerer Größen beschreibt. Im Speziellen kann die Elastizitätsinformation eine Elastizitätskonstante der Übertragungskomponenten bei der Übertragung des Antriebsmoments betreffen, die insbesondere von dem Wert des Antriebsmoments abhängt. Die Elastizitätskonstante wird nachfolgend mit E_AS bezeichnet. Hierbei wird der Umstand berücksichtigt, dass die Übertragungskomponenten eine Elastizität beziehungsweise Steifigkeit aufweisen, so dass der Antriebsstrang modellhaft und idealisiert als ein System verstanden werden kann, bei dem der Rotor und das Rad mittels einer elastischen Torsionsfeder miteinander verbunden sind. Wird seitens der elektrischen Maschine ein Antriebsmoment M_EM erzeugt, so wird aufgrund der Elastizität dieser Komponenten eine spannungsverursachte Winkelabweichung, die nachfolgend mit Δα_M bezeichnet wird, der Übertragungskomponenten bewirkt. Diese ist gemäß dem Hooke'schen Gesetz umso größer, je größer das Antriebsmoment M_EM ist. Insbesondere kann ein linearer Zusammenhang zwischen M_EM und Δα_M angenommen werden. Die Elastizitätskonstante E_AS kann somit als Federkonstante des Gesamtsystems der Übertragungskomponenten, die den Rotor mit dem Rad koppeln, verstanden werden. Hierbei kann auch berücksichtigt werden, dass die Elastizitätskonstante E_AS von dem Wert des aktuell vorliegenden Antriebsmoments M_EM abhängt, was etwa durch Schwingungsdämpfer des Antriebsstrangs verursacht wird. Die spannungsverursachte Winkelabweichung Δα_M stellt somit ein Maß für das aktuell mittels des Antriebsstrangs übertragene Antriebsmoment M_EM dar.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Übersetzungsinformation berücksichtigt werden, die ein mittels des Antriebsstrangs, insbesondere mittels eines Getriebes des Antriebsstrangs, bewirktes Übersetzungsverhältnis zwischen dem Rotor und dem Rad betrifft. Das Übersetzungsverhältnis des Antriebsstrangs wird nachfolgend mit i_AS bezeichnet. Würde also im Antriebsstrang ein Übersetzungsverhältnis von i_AS = 1 vorliegen, so würde sich aus der Maschinenrotationsinformation und der Radrotationsinformation ergeben, dass im drehschwingungs- bzw. störungsfreien Fall der relative Rotationswinkel α*_Rotor zeitlich konstant ist, da sich die relative Rotationsstellung zwischen dem Rotor und dem Rad in diesem Fall nicht ändert. Sofern das Übersetzungsverhältnis i_AS ≠ 1 ist, so würde der relative Rotationswinkel α*_Rotor zeitlich nicht konstant sein, sondern gemäß einem linearen Zusammenhang ab- oder zunehmen. Die Steigung der entsprechenden Geraden hängt von dem Übersetzungsverhältnis i_AS ab. Das Übersetzungsverhältnis i_AS ist insbesondere definiert als der Quotient der Umlaufperiode des Rades und der Umlaufperiode des Rotors oder umgekehrt.
Ferner kann eine Spielinformation berücksichtigt werden, die ein im Antriebsstrang vorliegendes Spiel bei der Übertragung des Antriebsmoments beschreibt. Hierbei wird ein aufgrund der Übertragungskomponenten vorliegendes Spiel im Antriebsstrang berücksichtigt. Der Wert des Spiels, das nachfolgend als S_AS bezeichnet wird, kann den Drehwinkel des Rotors angeben, um den dieser maximal verdreht werden kann, ohne dass hierdurch eine Drehung des Rades bewirkt wird und gleichzeitig der Antriebsstrang spannungsfrei bleibt.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Antriebsmomentinformation berücksichtigt werden, die ein fahrerseitig vorgegebenes Antriebsmoment betrifft. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn zur Bestimmung von α_soll die spannungsverursachte Winkelabweichung Δα_M berücksichtigt werden soll, da diese, wie bereits erwähnt wurde, von dem Antriebsmoment abhängt. Wie bereits oben erwähnt wurde, wird das fahrerseitig vorgegebene Antriebsmoment mit M_soll abgekürzt.
Ein im Zusammenhang mit einer elektrischen Maschine als Antriebsquelle für ein Kraftfahrzeug bekanntes Problem betrifft im Antriebsstrang entstehende Drehschwingungen. Diese sind im Bereich des Antriebsstrangs vorliegende Schwingungen, die die seitens der Übertragungskomponenten vorliegende Rotationsbewegung überlagern. Häufig ist die elektrische Maschine die Quelle für die Drehschwingungen im Antriebsstrang, da beispielsweise Asymmetrien des elektromagnetischen Feldes in der elektrischen Maschine zu Schwankungen des Antriebsmoments führen können, die auch als „Torque Ripple“ bezeichnet werden. Eine weitere häufige Ursache für Drehschwingungen sind abrupte Änderungen der Stellungen eines Gaspedals und mithin schnelle Wechsel des über den Antriebsstrangs übertragenen Antriebsmoments. Da die Übertragungskomponenten des Antriebsstrangs bezüglich ihrer Torsionsbeanspruchung eine Elastizität respektive Steifigkeit aufweisen, pflanzen sich die Drehschwingungen in den gesamten Antriebsstrang fort, was sich negativ auf das fahrerseitg wahrnehmbare Fahrverhalten des Kraftfahrzeugs auswirkt. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt, wenn seitens der elektrischen Maschine ein Antriebsmomentmoment mit einer Frequenz erzeugt wird, die mit einer Resonanzfrequenz des Antriebsstrangs zusammenfällt Typische Auswirkungen sind etwa ungleichmäßig erfolgende Beschleunigungsvorgänge bzw. ein Ruckeln.
Bezüglich dieser Problematik kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass auf der Basis der Maschinenrotationsinformation und/oder der mittels der Maschinenrotationsinformation ermittelten Eingangsgröße und mittels der Steuerungseinrichtung ermittelt wird, ob in dem Antriebsstrang aktuell eine Drehschwingung vorliegt und/oder das Auftreten einer Drehschwingung, insbesondere mit bekannter Schwingungsperiode, unmittelbar bevorsteht, wobei in diesem Fall auf der Basis der der Maschinenrotationsinformation und/oder der mittels der Maschinenrotationsinformation ermittelten Eingangsgröße ein Parameter der Drehschwingung ermittelt wird, wobei die Steuerungseinrichtung anhand des Parameters das Steuersignal derart generiert, dass eine zeitliche Variation des Antriebsmoments die Drehschwingung zumindest teilweise kompensiert. Unter dem Begriff „kompensieren“ wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass dem schwingenden System, also dem Antriebsstrang, Energie entzogen wird, die in diesem System aufgrund der Drehschwingung vorliegt bzw. gespeichert ist. Anders ausgedrückt erfolgt in dieser Ausführungsform ein Dämpfen der Drehschwingung. So kann das Antriebsmoment M_EM mit einem variablen Drehmoment derart überlagert werden, dass bezüglich der Schwingungsbewegung des schwingenden Systems eine Schwingungsenergie entzogen wird.
Besonders bevorzugt erfolgt diese Auswertung auf der Basis der Winkelabweichung und/oder der mittels der Winkelabweichung ermittelten Eingangsgröße, wobei die Winkelabweichung die Abweichung zwischen der aktuellen Rotationsstellung des Rotors und einer Rotationsstellung des Rotors in einem drehschwingungsfreien Zustand des Antriebsstrangs ist. Die erfasste Maschinenrotationsinformation respektive die Winkelabweichung Δα erlaubt es, dass quasi ohne Zeitverzögerung das Vorliegen einer Drehschwingung sowie deren Parameter ermittelt werden kann. Ausgehend hiervon wird das Antriebsmoment M_EM mittels des Steuersignals derart angepasst respektive variiert, dass eine weitere Drehschwingung gezielt in den Antriebsstrang eingespeist wird, so dass quasi eine aktive Dämpfung der vorliegenden Drehschwingung bewirkt wird um die Drehschwingung abzuschwächen oder im Idealfall komplett zu eliminieren.
Sofern ermittelt wird, ob das Auftreten einer Drehschwingung, etwa mit bekannter Schwingungsperiode, unmittelbar bevorsteht, so kann mittels der der Variation des Antriebsmoments M_EM bewirkt werden, dass diese Drehschwingung bereits von Beginn an, also wenn die Schwingungsamplitude noch sehr schwach ausgeprägt ist, gedämpft bzw. abgeschwächt wird. Hierbei kann insbesondere ausgenutzt werden, dass Drehschwingungen typischerweise bei sogenannten Resonanzfrequenzen entstehen, die aufgrund entsprechender Messungen oder Modellierungen bekannt sein können. Diese bekannten Schwingungsperioden können dahingehend genutzt werden, dass die zeitliche Variation des Antriebsmoments M_EM bereits dann initiiert wird, wenn ersichtlich ist, dass eine solche Drehschwingung im Begriff ist zu entstehen respektive der zeitliche Verlauf von α_Rotor, α_ist und/oder Δα impliziert, dass die Resonanzfrequenz der Drehschwingung erreicht wird.
Im Zusammenhang mit der zumindest teilweisen Kompensation der Drehschwingung kann vorgesehen sein, dass der Parameter

- eine aktuelle oder zu erwartende Amplitude und/oder
- eine aktuelle oder zu erwartende Phase und/oder
- eine aktuelle oder zu erwartende Schwingungsperiode

Insbesondere kann dem Antriebsmoment eine um etwa, insbesondere genau, 180° phasenverschobene Drehschwingung mit gleicher oder ähnlicher Schwingungsperiode und insbesondere gleicher oder ähnlicher Amplitude aufgeprägt werden.
Sofern alle drei Größen A, φ und P der entstandenen oder entstehenden Drehschwingung bekannt sind, lässt sich durch eine Generierung der um insbesondere 180° phasenverschobenen Gegendrehschwingung die entstandene Drehschwingung abschwächen oder im Idealfall komplett eliminieren, und zwar wenn die Amplitude und die Schwingungsperiode der Gegendrehschwingung diesen Werten der entstandenen oder entstehenden Drehschwingung entsprechen. Eine Abschwächung bzw. Dämpfung der Drehschwingung kann jedoch auch mittels Schwingungen, die eine von 180° abweichend Phasenverschiebung aufweisen, erfolgen. Das zusätzliche Drehmoment kann eine von der vorliegenden Drehschwingung abweichende Signalform aufweisen. So kann für die Gegendrehschwingung nicht nur eine Sinus-, sondern etwa auch eine Dreiecks- oder Rechteckform vorgesehen sein. Durch die fortlaufende Erfassung und Auswertung der entsprechenden Informationen können etwaige Veränderungen der Parameter der Drehschwingung quasi ohne Zeitverzögerung erfasst und bei der Generierung der Gegendrehschwingung berücksichtigt werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zur Generierung des Steuersignals seitens der Steuerungseinrichtung ein PID-Regelalgorithmus oder PD-Regelalgorithmus mit einem konstanten oder variablen, insbesondere von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängenden, P-Faktor betreffend das P-Glied und einen konstanten oder variablen, insbesondere von der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs abhängenden, D-Faktor betreffend das D-Glied verwendet wird. Der P-Faktor wird nachfolgend mit k_P, der D-Faktor mit k_D und die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs mit v abgekürzt.
Bei dem PID-Regelalgorithmus wird eine von einer Zeit t abhängende Ausgangsgröße a(t) aus einer zeitabhängigen Regelungseingangsgröße e(t) mittels $a (t) = k_{P} \cdot e (t) + k_{l} \cdot \int_{0}^{t} e (τ) d τ + k_{D} \cdot \frac{d}{d t} e (t)$
berechnet, wobei der erste Summand das P-Glied, der zweite Summand ein I-Glied, der dritte Summand das D-Glied und k_I einen I-Faktor betreffend ein I-Glied darstellt. Im Falle eines PD-Regelalgrithmus ist k_I = 0.
Die Winkelabweichung Δα kann als Regelungs-Eingangsgröße verwendet werden. Die Regelung erfolgt bevorzugt dahingehend, dass das Antriebsmoment M_EM der elektrischen Maschine derart geändert wird, dass die Winkelabweichung Δα möglichst klein oder im Idealfall Null ergibt.
Bezüglich der Faktoren k_P und k_D kann vorgesehen sein, dass diese konstant sind. Denkbar ist es auch, dass variable Werte zugrunde gelegt werden. So kann etwa vorgesehen sein, dass k_P und k_D von der aktuellen Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs abhängen und insbesondere umso kleiner sind, je größer die Geschwindigkeit v ist. Bezüglich einer Drehschwingungsdämpfung bedeutet dies, dass diese bei zunehmender Geschwindigkeit bei der Steuerung immer weniger Berücksichtigung findet, was vor dem Hintergrund, dass Drehschwingungen üblicherweise bei hohen Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs nicht mehr oder zumindest weniger stark ausgeprägt auftreten, zweckmäßig ist. Die Kompensation der Drehschwingungen erfolgt somit vorteilhaft verstärkt bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten v.
Ferner wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, das Verfahren gemäß der obigen Beschreibung durchzuführen. Sämtliche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterte Vorteile, Merkmale und Aspekte gelten gleichermaßen für die erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung und umgekehrt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Antriebsanordnung umfassend einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine zur Erzeugung eines Antriebsmoments, das über wenigstens eine Übertragungskomponente des Antriebsstrangs auf wenigstens ein Rad des Kraftfahrzeugs übertragbar ist, wobei eine Steuerungseinrichtung der Antriebsanordnung dazu eingerichtet ist, ein Steuersignal zu generieren, mittels dem die elektrische Maschine ansteuerbar ist und das das aktuell durch die elektrische Maschine zu erzeugende Antriebsmoment beschreibt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer solchen Antriebsanordnung dadurch gelöst, dass mittels eines Maschinenrotationserfassungsmittels der Antriebsanordnung eine einen aktuellen Rotationswinkel und/oder eine aktuelle Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors betreffende Maschinenrotationsinformation erfassbar ist, wobei das Steuersignal in Abhängigkeit der Maschinenrotationsinformation und/oder einer mittels der Maschinenrotationsinformation ermittelten Eingangsgröße erzeugbar ist. Sämtliche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung beschriebenen Merkmale, Vorteile und Aspekte sind gleichermaßen auf die erfindungsgemäße Antriebsanordnung übertragbar und umgekehrt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner gelöst durch ein Kraftfahrzeug umfassend eine Antriebsanordnung gemäß der vorangehenden Beschreibung. Sämtliche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung und der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung erläuterten Vorteile, Merkmale und Aspekte sind gleichermaßen auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug anwendbar und umgekehrt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Diese zeigen schematisch:

1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsanordnung,
2 ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, das anhand des Kraftfahrzeugs der 1 erläutert wird,
3 ein Diagramm betreffend den zeitlichen Verlauf des relativen Rotationswinkels α*_Rotor beim Kraftfahrzeug aus 1 und Verfahren aus 2, wobei ein Übersetzungsverhältnis von i_AS = 1 vorliegt,
4 ein Diagramm betreffend den zeitlichen Verlauf des relativen Rotationswinkels α*_Rotor beim Kraftfahrzeug aus 1 und Verfahren aus 2, wobei ein Übersetzungsverhältnis von i_AS ≠ 1 vorliegt,
5 ein Diagramm betreffend den zeitlichen Verlauf der Drehzahl des Rotors der elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs aus 1,
6 ein Diagramm betreffend den zeitlichen Verlauf der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs aus 1,
7 ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, das anhand des Kraftfahrzeugs der 1 erläutert wird,
8 eine modellhafte Darstellung des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs der 1, und
9 ein Diagramm betreffend den zeitlichen Verlauf des relativen Rotationswinkels α*_Rotor beim Kraftfahrzeug aus 1 und Verfahren aus 7.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 1 mit einem Antriebsstrang 2. Der Antriebsstrang 2 umfasst eine einen Stator 3 und einen Rotor 4 aufweisende elektrische Maschine 5, mittels der ein Antriebsmoment M_EM erzeugbar ist, das auf Räder 6 des Kraftfahrzeugs 1 übertragen wird. Zur Übertragung des Antriebsmoments M_EM sind Übertragungskomponenten 7 des Antriebsstrangs 2 vorgesehen. Diese sind exemplarisch eine erste Antriebswelle 8, die einerseits mit dem Rotor 4 und andererseits mit einem Getriebe 9 des Antriebsstrangs 2 verbunden ist. Ferner umfasst der Antriebsstrang 2 eine einerseits mit dem Getriebe 9 und andererseits mit einer Antriebsachse 11 des Kraftfahrzeugs 1 verbundene zweite Antriebswelle 10. Die zweite Antriebswelle 10 kann hierbei mit der Antriebsachse 11 über ein nicht näher gezeigtes Differentialgetriebe gekoppelt sein. Die Antriebsachse 11 ist mit den Rädern 6 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden. Ersichtlich ist bei dem in 1 gezeigten Kraftfahrzeug 1 ein Vorderachsantrieb vorgesehen, wobei ein Hinterachsantrieb oder ein Allradantrieb gleichermaßen denkbar ist.
Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine Steuerungseinrichtung 12, die unter anderem mit der elektrischen Maschine 5 verbunden ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Verbindungsleitungen in der 1 nicht dargestellt. Die Steuerungseinrichtung 12 ist dazu eingerichtet, ein Steuersignal 25 zu generieren, mittels dem die elektrische Maschine 5 angesteuert wird, wobei das Steuersignal 25 das das aktuell durch die elektrische Maschine 5 zu erzeugende Antriebsmoment M_EM beschreibt.
Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein Maschinenrotationserfassungsmittel 13, nämlich einen Drehwinkelgeber der elektrischen Maschine 5, mittels dem eine Drehbewegung des Rotors 4 erfasst wird. Konkret wird mittels des Maschinenrotationserfassungsmittels 13 eine aktuelle Drehposition des Rotors 4, also ein Drehwinkel α_Rotor, erfasst, der wiederum an die Steuerungseinrichtung 12 zur weiteren Auswertung übertragen wird.
Bei der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der mittels des Maschinenrotationserfassungsmittels 13 erfasste Drehwinkel α_Rotor des Rotors 4 eine Steuerungs- bzw. Regelungsbasis zur Erzeugung des Steuersignals 25 darstellt oder dass anhand des Drehwinkels α_Rotor eine Regelungs-Eingangsgröße berechnet bzw. ermittelt wird, die eine Steuerungs- bzw. Regelungsbasis zur Erzeugung des Steuersignals 25 darstellt. Die Steuerung respektive Regelung der elektrischen Maschine 5 erfolgt somit auf der Basis von α_Rotor oder einer hiervon abgeleiteten Regelungsgröße, wobei bei den erläuterten Ausführungsbeispielen exemplarisch weitere Größen bzw. Informationen genutzt werden, worauf im Folgenden noch im Detail eingegangen wird.
Die Anordnung umfassend den Antriebsstrang 2 und die Steuerungseinrichtung 12 stellt eine erfindungsgemäße Antriebsanordnung 14 des Kraftfahrzeugs 1 dar.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand des Kraftfahrzeugs 1 der 1. Die im Zusammenhang mit diesem Ausführungsbeispiel erläuterten Aspekte betreffen schwerpunktmäßig die Kompensation etwaiger, im Antriebsstrang 2 vorliegender Drehschwingungen, die insbesondere aufgrund sogenannter „Torque ripple“, also Schwingungen des seitens der elektrischen Maschine 5 bereitgestellten Antriebsmoments, entstehen. Das Verfahren umfasst die Schritte 15 bis 18, zu deren Durchführung insbesondere die Steuerungseinrichtung 12 eingerichtet ist.
Im ersten Schritt 15 werden eine Maschinenrotationsinformation 19 und eine Radrotationsinformation 20 erfasst und an die Steuerungseinrichtung 12 übertragen. Die Erfassung der Maschinenrotationsinformation 19 erfolgt mittels des Maschinenrotationserfassungsmittels 13, wobei diese Information die aktuelle Drehposition respektive den aktuellen Drehwinkel α_Rotor des Rotors 4 ist bzw. beschreibt. Zur Erfassung der Radrotationsinformation 20 ist ein Radrotationserfassungsmittel 21 vorgesehen, das exemplarisch ein ohnehin im Rahmen eines ABS-Systems des Kraftfahrzeugs 1 vorgesehener Sensor ist, mittels dem die aktuelle Drehposition respektive ein aktueller Drehwinkel α_Rad des Rades 6 erfasst wird. Obgleich im gezeigten Ausführungsbeispiel lediglich ein Radrotationserfassungsmittel 21 an einem der Räder 6 vorgesehen ist, ist gleichermaßen denkbar, insbesondere wenn der Antriebsstrang 2 ein Differentialgetriebe umfasst, dass zu diesem Zweck mehrere, unterschiedlichen Rädern 6 zugeordnete Radrotationserfassungsmittel 21 vorgesehen sind, da sich in diesem Fall die Rotationspositionen der Räder 6 unterscheiden können, was bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens berücksichtigt werden kann.
Im zweiten Schritt 16 des Verfahrens wird ein aktueller relativer Rotationswinkel α*_Rotor des Rotors 4 ermittelt respektive berechnet, und zwar mittels der Maschinenrotationsinformation 19 und der Radrotationsinformation 20. Der relative Winkel α*_Rotor ist der Winkelunterschied zwischen dem aktuellen absoluten Rotationswinkel α_Rotor des Rotors 4 und dem aktuellen absoluten Rotationswinkel α_Rad des Rades 6. Der Wert für α*_Rotor berechnet sich gemäß α_Rotor - α_Rad oder umgekehrt. Der relative Winkel α*_Rotor stellt einen tatsächlich aktuell vorliegenden relativen Rotationswinkel α_ist zwischen dem Rotor 4 und dem Rad 6 dar. Im Rahmen des zweiten Schritts 16 wird zudem ein idealer absoluter oder relativer Rotationswinkel α_soll des Rotors 4 berechnet, der in einem störungs- bzw. drehschwingungsfreien Zustand des Antriebsstrangs 2 vorliegen würde.
Zum besseren Verständnis werden diese Größen nachfolgend anhand der 3 und 4 erläutert. 3 zeigt ein Diagramm, dessen x-Achse die Zeit und dessen y-Achse den relativen Winkel α*_Rotor betrifft. Bezüglich 3 sei angenommen, dass der Antriebsstrang 2 ein Übersetzungsverhältnis i_AS = 1 aufweist, also dass die Rotationsfrequenz des Rotors 4 der Rotationsfrequenz des Rades 6 entspricht. In diesem Fall ist der ideale Rotationswinkel α_soll des Rotors 4 ein konstanter Wert, was anhand des Graphen 22, der eine horizontale Gerade mit einer Steigung = 0 ist, deutlich wird. Dies gilt jedoch nur für den Idealfall, dass aktuell keine Störung, insbesondere Drehschwingung, im Antriebsstrang 2 vorliegt. Der reale Verlauf des relativen Winkels α_ist wird in 3 anhand des Graphen 23 gezeigt. Aufgrund der Drehschwingung oszilliert der Verlauf des Graphen 23 um den Graphen 22.
Das in 4 gezeigte Diagramm zeigt dasselbe wie 3, jedoch mit dem Unterschied, dass der Antriebsstrang 2 ein Übersetzungsverhältnis i_AS ≠ 1 aufweist, wobei i_AS ein Übersetzungsverhältnis i_G des Getriebes 9 ist. So ist in 4 der Graph 22 eine Gerade mit einer Steigung ≠ 0, wobei die Drehschwingung zu einem realen Verlauf des relativen Rotationswinkels α_ist gemäß dem Graphen 23 führt.
Im Rahmen des zweiten Schritts 16 wird anschließend eine Winkelabweichung Δα zwischen dem aktuellen Rotationswinkel α_ist und dem idealen Rotationswinkel α_soll gemäß Δα = α_soll - α_ist berechnet. Die Winkelabweichung Δα ist in den 3 und 4 durch den Pfeil 24 angedeutet. In einem störungs- bzw. drehschwingungsfreien Zustand des Antriebsstrangs 2 läge eine Winkelabweichung Δα von konstant 0 vor.
Im nächsten Schritt 17 des Verfahrens erfolgt eine Auswertung der Winkelabweichung Δα dahingehend, ob in dem Antriebsstrang eine Drehschwingung vorliegt. Sofern dies nicht der Fall ist, also wenn Δα konstant 0 oder kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist, wird das Verfahren erneut im Schritt 15 gestartet. Sofern sich ergibt, dass eine Drehschwingung vorliegt, dann werden Parameter betreffend die Drehschwingung ermittelt. Konkret wird anhand Winkelabweichung Δα eine Amplitude A, eine Phase φ und eine Schwingungsperiode P der Drehschwingung ermittelt.
Anschließend wird im letzten Schritt 18 das Steuersignal 25 generiert. Dies erfolgt in Abhängigkeit der im Schritt 17 ermittelten Parameter A, φ und P. Das mittels des Steuersignals 25 durch die elektrische Maschine 5 generierte Antriebsmoment M_EM variiert zeitlich derart, dass die vorliegende Drehschwingung kompensiert respektive gedämpft wird. Anders ausgedrückt wird dem System umfassend die schwingenden Komponenten Schwingungsenergie entzogen. Konkret wird dem Antriebsmoment M_EM eine Schwingung aufgeprägt, die dieselbe Schwingungsperiode P und dieselbe Amplitude A wie die Drehschwingung aufweist, wobei die aufgeprägte Gegendrehschwingung um 180° phasenverschoben ist. Durch diese Maßnahme wird eine Dämpfung respektive Kompensation der Drehschwingung bewirkt. Bezüglich der Gegendrehschwingung kann gleichermaßen vorgesehen sein, dass diese eine von 180° abweichend Phasenverschiebung aufweist. Die Signalform der Gegendrehschwingung kann sinus-, dreiecks- oder rechteckförmig sein.
Einige bei der vorliegenden Erfindung bewirkten Vorteile werden nachfolgend anhand der 5 und 6 erläutert. 5 zeigt ein Diagramm betreffend einen Anfahrvorgang des Kraftfahrzeugs 1, wobei die x-Achse die Zeit und die y-Achse eine aktuelle Drehzahl des Rotors 4 darstellt. Bei dem in 5 gezeigten Graphen 26 erfolgt keine Kompensation der Drehschwingung gemäß der obigen Beschreibung. Es wird deutlich, dass, sobald der Rotor 4 zu rotieren beginnt, die Drehzahl aufgrund der auftretenden Drehschwingungen vor allem in niedrigem Drehzahlbereich schwankt. 6 zeigt einen hierdurch bewirkten und insbesondere fahrerseitig wahrnehmbaren Effekt dieser Drehschwingungen. So betrifft die x-Achse die Zeit und die y-Achse eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 1, die aufgrund der Variation der Drehzahl des Rotors 4 gemäß 5, vor allem im niedrigen Geschwindigkeitsbereich, deutlich variiert. So wird bei dem in 6 gezeigten Graphen 27 der Effekt bewirkt, dass das Anfahren aus Fahrersicht nicht sanft und gleichmäßig, sondern vielmehr ruckelartig und ungleichmäßig erfolgt, was bezüglich des Fahrtkomforts nachteilig ist. Durch die Kompensation der Drehschwingungen gemäß des anhand der 2 erläuterten Verfahrens werden die in den 5 und 6 dargestellten Graphen 26, 27 deutlich geglättet, so dass das Kraftfahrzeug 1 sanft und gleichmäßig anfährt bzw. beschleunigt.
Ein im Zusammenhang mit der Erfassung der Rotationwinkel, also der bereits erläuterten Winkel α_Rotor, α_Rad, α*_Rotor, α_soll, α_ist und Δα sowie weiterer später noch erläuterter Größen betreffend die Rotationswinkel, häufig relevanter Aspekt wird nachfolgend erläutert. So wird bei den vorliegend erläuterten Ausführungsbeispielen von einer Erfassung eines Winkels dahingehend ausgegangen, dass dieser mittels eines Zahlenwerts von 0° bis 360° beschrieben wird. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. So ist denkbar, dass die Winkelerfassung im Rahmen eines inkrementellen Gebers erfolgt, und zwar sowohl seitens der elektrischen Maschine 5 als auch seitens der Räder 6. Das heißt, dass nach dem Durchlaufen eines Rotationsinkrements bei der elektrischen Maschine 5 ein Zähler um einen Wert von 1 hoch- und nach dem Durchlaufen eines Rotationsinkrements bei dem Rad 6 und 1 herabgesetzt wird. Hierdurch wird unmittelbar ein den relativen Rotationswinkel α*_Rotor zwischen dem Rotor 4 und dem Rad 6 beschreibender Wert ermittelt. Sofern die elektrische Maschine 5 mehrpolig ist, dann ist hierbei zu berücksichtigen, dass ein Sensor, mittels dem die Änderung des Magnetfeldes erfasst wird, bei jedem Durchlaufen eines Pols ein den Bereich von 0° bis 360° durchlaufendes Signal liefert.
Nachfolgend wird eine mögliche, ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegende Variation des anhand der 2 dargelegten Verfahrens erläutert. Bei dieser Abwandlung ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Radrotationsinformation 20 erfasst und ausgewertet wird, so dass der zweite Schritt 16 betreffend die Ermittlung des relativen Winkels α*_Rotor des Rotors 4 entfallen kann. Der Schritt 17 unterscheidet sich zu dem anhand der 2 erläuterten Verfahren dahingehend, dass die Kenntnis einer Schwingungsperiode P respektive Resonanzfrequenz einer typischerweise auftretenden Drehschwingung vorausgesetzt wird. Sofern die Werte für α_Rotor implizieren, dass eine Resonanzfrequenz erreicht wird, so können selbst in dem Fall, dass die Drehschwingung aktuell erst ganz schwach ausgeprägt vorliegt, zeitliche Variationen des Antriebsmoments M_EM im Schritt 18 generiert werden, so dass die Drehschwingung bereits von Beginn an gedämpft respektive kompensiert wird und letztlich aus Fahrersicht gar nicht erst spürbar auftritt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der 7 erläutert. Dieses Verfahren umfasst die Schritte 28 bis 30, wobei der erste Schritt 28 dem Schritt 15 des Verfahrens der 2 entspricht, nämlich betreffend die Erfassung der Maschinenrotationsinformation 19 und der Radrotationsinformation 20, also der Winkelstellung α_Rotor des Rotors und der Winkelstellung α_Rad des Rades.
Im zweiten Schritt 29 des Verfahrens wird, genau wie im zweiten Schritt 16 des Verfahrens der 2, der aktuelle relative Rotationswinkel α*_Rotor des Rotors 4, also der Winkel α_ist, der Winkel α_soll und die Winkelabweichung Δα bestimmt. Als Unterschied wird bei der Bestimmung von α_soll eine spannungsverursachte Winkelabweichung Δα_M zwischen der tatsächlichen Rotationsstellung des Rotors 4 und einer Rotationsstellung des Rotors 4 in einem spannungsfreien Zustand des Antriebsstrangs 2 berücksichtigt.
Zum besseren Verständnis der spannungsverursachten Winkelabweichung Δα_M wird auf die 8 und 9 Bezug genommen. 8 zeigt modellhaft den Antriebsstrang 2, wobei der Rotor 4 und das Rad 6 über die Übertragungskomponenten 7 aneinandergekoppelt sind. Die Rotation der Übertragungskomponenten 7 wird durch den Pfeil 31 angedeutet. Die Übertragungskomponenten 7 sind in 8 symbolhaft als eine elastische Torsionsfeder angedeutet. So weisen die Übertragungskomponenten 7 eine Elastizität respektive Steifigkeit bezüglich der Übertragung des Antriebsmoments M_EM auf. Sofern kein Antriebsmoment M_EM übertragen wird, dann befinden sich die Übertragungskomponenten 7 in einem spannungsfreien Zustand, so dass keine elastische Verformung auftritt. Wird ein Antriebsmoment M_EM über den Antriebsstrang 2 übertragen, so bewirkt dies eine elastische Verformung bezüglich des Rotationswinkels der Übertragungskomponenten 7. Gemäß dem Hooke'schen Gesetz ist eine aufgrund der Elastizität der Übertragungskomponenten 7 verursachte zusätzlich Verdrehung der Rotationsposition des Rotors 4 um eine spannungsverursachte Winkelabweichung Δα_M die Folge. Ersichtlich ist die spannungsverursachte Winkelabweichung Δα_M ein Maß für das mittels des Rotors 4 respektive der elektrischen Maschine 5 generierte Antriebsmoment M_EM.
9 zeigt ein Diagramm, dessen x-Achse die Zeit und dessen y-Achse den aktuellen Winkel α*_Rotor des Rotors 4 betrifft. Gezeigt ist eine Beschleunigungsphase des Kraftfahrzeugs 1, wobei in einem ersten Zeitabschnitt 32 ein erstes Antriebsmoment M_EM1 und in einem zweiten Zeitabschnitt 33 ein zweites Antriebsmoment M_EM2 mittels der elektrischen Maschine 5 erzeugt wird, wobei M_EM1 größer als M_EM2 ist. Beim Übergang vom ersten Zeitabschnitt 32 zum zweiten Zeitabschnitt 33 wird mittels des Getriebes 9 von einem ersten in einen zweiten Gang geschaltet, so dass sich die Steigungen aufgrund der unterschiedlichen Werte des Übersetzungsverhältnisses i_AS ändert. Der Graph 34 zeigt den Verlauf, wenn der Antriebsstrang 2 spannungsfrei wäre respektive keine Elastizität, sondern ein starres Verhalten aufweisen würde. Der Graph 35 zeigt den bezüglich der Elastizität der Übertragungskomponenten 7 korrigierten Verlauf. Es wird deutlich, dass im ersten Zeitabschnitt 32 im Vergleich zum zweiten Zeitabschnitt 33 dadurch, dass M_EM1 größer als M_EM2 ist, eine stärkere elastische Verformung im Antriebsstrang 2 auftritt. Konkret wird im ersten Zeitabschnitt 32 ein Gaspedal 36 des Kraftfahrzeugs 1 stärker gedrückt als im zweiten Zeitabschnitt 33. Die spannungsverursachten Winkelabweichung Δα_M wird in der 9 durch den Pfeil 37 angedeutet.
Nachfolgend werden Details bezüglich der konkreten Regelungsvorschrift erläutert, die im Rahmen des zweiten Schritts 29 des Verfahrens der 7 angewandt wird, wobei Δα die Regelungs-Eingangsgröße ist. So werden zur Bestimmung von Δα zunächst eine Elastizitätsinformation 38, eine Spielinformation 39 und eine Antriebsmomentinformation 40 ermittelt. Die Ermittlung der Informationen 38 und 39 kann dadurch erfolgen, dass diese seitens der Steuerungseinrichtung 12 gespeichert sind und vorgegeben werden.
Die Elastizitätsinformation 38 betrifft bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielhaft lediglich die Elastizitätskonstante E_AS des Antriebsstrangs 2, die bei der Übertragung des Antriebsmoments M_EM vorliegt, wobei E_AS konstant sein oder vom Wert des Antriebsmoments M_EM abhängen kann. Allgemein kann die Elastizitätsinformation 38 eine sogenannte Elastizitäts-Funktion betreffen, die das elastische Verhalten des Antriebsstrangs 2 respektive dessen Komponenten in Abhängigkeit des Antriebsmoments M_EM und gegebenenfalls weiterer Zustandsgrößen des schwingenden Systems respektive Antriebsstrangs 2 beschreiben lässt.
Die Spielinformation 39 betrifft ein im Antriebsstrang 2 vorliegendes Spiel S_AS bei der Übertragung des Antriebsmoments M_EM. Die Größe S_AS beschreibt den Drehwinkel des Rotors 4, um den dieser maximal verdreht werden kann, ohne dass hierdurch eine Drehung des Rades 6 bewirkt wird, wobei im Antriebsstrang 2 keine elastische Verformung auftritt.
Die Antriebsmomentinformation 40 betrifft das fahrerseitig vorgegebene Antriebsmoment M_soll und wird mittels des Gaspedals 36 des Kraftfahrzeugs 1 vorgegeben. Das Vorgabe-Antriebsmoment M_soll liegt im Rahmen einer Fahrzeugsteuerung 41 vor und wird an die Steuerungseinrichtung 12 übertragen. Ferner wird im Rahmen des Schritts 29 die Übersetzungsinformation 42 ermittelt, die das mittels des Antriebsstrangs 2, insbesondere mittels des Getriebes 9, bewirkte Übersetzungsverhältnis i_AS zwischen dem Rotor 4 und dem Rad 6 beschreibt. Auch diese Information liegt im Rahmen der Fahrzeugsteuerung 41 vor.
Konkret wird anhand der Radrotationsinformation 20 der ideale Rotationswinkel α_soll des Rotors 4 gemäß $α_{s o l l} = \frac{M_{s o l l}}{E_{A S}} + S_{A S} + α_{R a d} \cdot i_{A S}$
berechnet. Diese Größe entspricht dem Graphen 35 in 9 und ist bereits bezüglich Δα_M bereinigt. Der aktuelle Rotationswinkel α_ist entspricht dem ermittelten relativen tatsächlichen Rotationswinkel α*_Rotor des Rotors 4, der in 9 durch den Graphen 43 angedeutet wird und, etwa aufgrund einer Drehschwingung, von dem idealen Graphen 35 abweicht. Die Regelungs-Eingangsgröße Δα, die in 9 durch den Pfeil 44 angedeutet ist, ergibt sich zu $Δ α = α_{s o l l} - α_{i s t} .$
Mittels eines PD-Regelalgorithmus wird das mittels der elektrischen Maschine 5 zu erzeugende Antriebsmoment M_EM bestimmt, so dass Δα annähernd 0 wird oder sich einem anderen Zielwert annähert. Die entsprechende Regelungsvorschrift lautet $M_{E M} = Δ α \cdot k_{P} + Δ^{\cdot} α \cdot k_{D} + M_{s o l l} \cdot k_{M} .$
Hierbei ist k_P der P-Faktor und k_D der D-Faktor betreffend das P- bzw. D-Glied des PD-Regelalgorithmus. Der Faktor k_M ist ein Proportionalitäts-Faktor für den Anteil eines Sollantriebsmoments M_soll, das bei der Regelung mit einfließt, wobei durch k_M der aufgrund der Übertragungskomponenten 7 bewirkte Unterschied zwischen dem motorseitig generierten und dem an den Rädern 6 anliegenden Antriebsmoment berücksichtigt wird. Bezüglich der Faktoren k_P, k_D und k_M ist exemplarisch vorgesehen, dass diese von der aktuellen Fahrsituation abhängen, nämlich von der aktuellen Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs. Konkret ist vorgesehen, dass die Faktoren k_P und k_D bei steigender Fahrgeschwindigkeit v kontinuierlich verringert und ab einer bestimmten vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit 0 werden.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 respektive des erfindungsgemäßen Verfahrens können weitere Aspekte berücksichtigt werden. So kann vorgesehen sein, dass die Drehzahl des Rotors 4 nach oben begrenzt ist. Ferner ist zudem eine maximal mögliche Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 1 denkbar. Derartige Begrenzungen, insbesondere der Beschleunigung, können zu einer Begrenzung etwaiger Drehschwingungs-Effekte im Antriebsstrang 2 führen. Ob eine entsprechende Beschleunigungsbegrenzung vorgenommen wird oder die Wahl des konkreten Begrenzungswertes, auf den die Beschleunigung begrenzt wird, kann insbesondere davon abhängen, ob die Beschleunigung des Rotors 4 und dessen Drehrichtung gleiche oder entgegengesetzte Vorzeichen haben, wobei im ersten Fall eine Begrenzung nicht zwingend erforderlich ist. Zur Überprüfung kann Δα respektive dessen Vorzeichen genutzt werden.
Nachfolgend wird ein allgemeiner Vorteil im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung dargelegt. So stellt die Erfassung der Maschinenrotationsinformation 19 eine zusätzliche oder alternative Datenbasis zur Steuerung der Antriebsleistung der elektrischen Maschine 5 bereit. Darüber hinaus ist die Erfassung der Maschinenrotationsinformation 19 bzw. der Drehposition des Rotors 4 mit einer geringeren Ungenauigkeit behaftet als die Erfassung der Radrotationsinformation 20 betreffend die Rotationsposition des Rades 6, auf deren Grundlage diese Steuerung im Stand der Technik häufig erfolgt. Diese Wirkung ist noch gravierender, sofern im Antriebsstrang 2 das Getriebe 9 vorgesehen ist. Dies wird nachfolgend etwas detaillierter erläutert, wobei beispielhaft ein Übersetzungsverhältnis von i_G = i_AS = 1/10 angenommen wird.
Das im Folgenden dargelegte Beispiel, insbesondere die hierzu verwendeten Zahlenwerte sind lediglich exemplarisch. Konkret wird gezeigt, dass die Drehposition des Rotors 4 zur Kompensation von Drehschwingungen, im Gegensatz zur Drehposition des Rades 6, als Regelungs-Eingangsgröße gut geeignet ist. Zur Erläuterung wird ein Anfahr-Szenario angenommen, bei dem aktuell eine Geschwindigkeit v des Kraftfahrzeugs 1 von 2,7 cm/s vorliegt. Bei einem Umfang der Räder 6 von 2 m beträgt die Rotationsfrequenz 0,0135 Umdrehungen pro Sekunde. Eine typischerweise auftretende Drehschwingung hat eine Frequenz von 5 Hz, was einer Periodendauer von 2 s entspricht. Das Durchlaufen einer kompletten Periode der Drehschwingung dauert somit 0,0027 Umdrehungen des Rades. Sofern das Radrotationserfassungsmittel 21 ein zur Detektion der Drehbewegung des Rades 6 vorgesehenes Zahnrad mit 96 Flanken umfasst, so bedeutet dies, dass während einer Periode der Drehschwingung 0,26 Flanken durchlaufen werden, so dass letztlich eine hierdurch erfasste Rad-Rotationsposition als Regelgröße nicht geeignet ist.
Sofern dieselben Annahmen getroffen werden und stattdessen die Rotationsposition des Rotors 6 als Regelungs-Eingangsgröße vorgesehen sein soll, wobei das Getriebe 9 eine Übersetzung i_G = 1/10 aufweist, so dauert das Durchlaufen einer Periodendauer der Drehschwingung 0,027 Umdrehungen des Rades 6. Angenommen, das Maschinenrotationserfassungsmittel 13 respektive der Drehwinkelgeber hat bei einer elektrischen Maschine 5 mit sechs Polpaaren eine Auflösung von 1,6°, so ergeben sich bezüglich dieses Drehwinkelgebers 6,1 Flanken, die während einer Periode der Drehschwingung durchlaufen werden. Ersichtlich ist die Drehposition des Rotors 4, etwa im Vergleich zur Drehposition des Rades 6, sehr gut als entsprechende Regelgröße geeignet.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Antriebsstrang
3: Stator
4: Rotor
5: elektrische Maschine
6: Rad
7: Übertragungskomponente
8: erste Antriebswelle
9: Getriebe
10: zweite Antriebswelle
11: Antriebsachse
12: Steuerungseinrichtung
13: Maschinenrotationserfassungsmittel
14: Antriebsanordnung
15: Verfahrensschritt
16: Verfahrensschritt
17: Verfahrensschritt
18: Verfahrensschritt
19: Maschinenrotationsinformation
20: Radrotationsinformation
21: Radrotationserfassungsmittel
22: Graph
23: Graph
24: Pfeil
25: Steuersignal
26: Graph
27: Graph
28: Verfahrensschritt
29: Verfahrensschritt
30: Verfahrensschritt
31: Pfeil
32: erster Zeitabschnitt
33: zweiter Zeitabschnitt
34: Graph
35: Graph
36: Gaspedal
37: Pfeil
38: Elastizitätsinformation
39: Spielinformation
40: Antriebsmomentinformation
41: Fahrzeugsteuerung
42: Übersetzungsinformation
43: Graph
44: Pfeil
MEM: Antriebsmoment
Msoll: Antriebsmoment
αRotor: aktueller Rotationswinkel des Rotors
iG: Übersetzungsverhältnis des Getriebes
αRad: aktueller Rotationswinkel des Rades
α*Rotor: aktueller relativer Rotationswinkel des Rotors
αsoll: idealer Rotationswinkel des Rotors
αist: aktueller Rotationswinkel des Rotors
Δα: Winkelabweichung
EAS: Elastizitätskonstante der Übertragungskomponenten
ΔαM: spannungsverursachte Winkelabweichung
iAS: Übersetzungsverhältnis des Antriebsstrangs
SAS: Spiel
A: Amplitude
φ: Phase
P: Schwingungsperiode
v: Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs
kP: P-Faktor
kD: D-Faktor
kI: I-Faktor
t: Zeit
a(t): Ausgangsgröße
e(t): Regelungseingangsgröße
MEM1: erstes Antriebsmoment
MEM2: zweites Antriebsmoment
kM: Proportionalitäts-Faktor

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Antriebsstrangs (2) eines Kraftfahrzeugs (1), umfassend eine elektrische Maschine (5) zur Erzeugung eines Antriebsmoments M_EM, das über wenigstens eine Übertragungskomponente (7) des Antriebsstrangs (2) auf wenigstens ein Rad (6) des Kraftfahrzeugs (1) übertragen wird, wobei eine Steuerungseinrichtung (12) ein Steuersignal (25) generiert, mittels dem die elektrische Maschine (5) angesteuert wird und das das aktuell durch die elektrische Maschine (5) zu erzeugende Antriebsmoment (M_EM) beschreibt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Maschinenrotationserfassungsmittels (13) eine einen aktuellen Rotationswinkel (α_Rotor) und/oder eine aktuelle Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors (4) der elektrischen Maschine (5) betreffende Maschinenrotationsinformation (19) erfasst wird, wobei das Steuersignal (25) in Abhängigkeit der Maschinenrotationsinformation (19) und/oder einer mittels der Maschinenrotationsinformation (19) ermittelten Eingangsgröße erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Radrotationserfassungsmittels (21) eine einen aktuellen Rotationswinkel (α_Rad) und/oder eine aktuelle Rotationsgeschwindigkeit des Rades (6) betreffende Radrotationsinformation (20) erfasst wird, wobei anhand der Maschinenrotationsinformation (19) und der Radrotationsinformation (20) ein aktueller relativer Rotationswinkel (α*_Rotor) des Rotors (4) bestimmt wird, der die aktuelle Rotationsstellung des Rotors (4) bezüglich der aktuellen Rotationsstellung des Rades (6) ist, wobei das Steuersignal (25) in Abhängigkeit des relativen Rotationswinkels (α*_Rotor) und/oder einer mittels des relativen Rotationswinkels (α*_Rotor) ermittelten Eingangsgröße erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerungseinrichtung (12) ein idealer Rotationswinkel (α_soll) des Rotors (4) in einem störungsfreien Zustand des Antriebsstrangs (2) bestimmt wird, wobei mittels der Steuerungseinrichtung (12) eine Winkelabweichung (Δα) zwischen einem aktuellen Rotationswinkel (α_ist) des Rotors (4) und dem idealen Rotationswinkel (α_soll) des Rotors (4) bestimmt wird, wobei das Steuersignal (25) in Abhängigkeit der Winkelabweichung (Δa) und/oder einer mittels der Winkelabweichung (Δα) ermittelten Eingangsgröße erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des oder eines idealen Rotationswinkels (α_soll) und/oder dass im Rahmen einer Regelungsvorschrift, die zur Generierung des Steuersignals (25) angewandt wird, - eine Elastizitätsinformation (38), die ein elastisches Verhalten der Übertragungskomponenten (7) bei der Übertragung des Antriebsmoments (M_EM) beschreibt, und/oder - eine Übersetzungsinformation (42), die ein mittels des Antriebsstrangs, insbesondere mittels eines Getriebes (9) des Antriebsstrangs (2), bewirktes Übersetzungsverhältnis (i_AS) zwischen dem Rotor (4) und dem Rad (6) betrifft, und/oder - eine Spielinformation (39), die ein im Antriebsstrang vorliegendes Spiel (S_AS) bei der Übertragung des Antriebsmoments (M_EM) beschreibt, und/oder - eine Antriebsmomentinformation (40), die ein fahrerseitig vorgegebenes Antriebsmoment (M_soll) betrifft, erfasst und berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Basis der Maschinenrotationsinformation (19) und/oder der mittels der Maschinenrotationsinformation (19) ermittelten Eingangsgröße und mittels der Steuerungseinrichtung (12) ermittelt wird, ob in dem Antriebsstrang (2) aktuell eine Drehschwingung vorliegt und/oder das Auftreten einer Drehschwingung, insbesondere mit bekannter Schwingungsperiode, unmittelbar bevorsteht, wobei in diesem Fall auf der Basis der der Maschinenrotationsinformation (19) und/oder der mittels der Maschinenrotationsinformation (19) ermittelten Eingangsgröße ein Parameter der Drehschwingung ermittelt wird, wobei die Steuerungseinrichtung (12) anhand des Parameters das Steuersignal (25) derart generiert, dass eine zeitliche Variation des Antriebsmoments (M_EM) die Drehschwingung zumindest teilweise kompensiert.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter - eine aktuelle oder zu erwartende Amplitude (A) und/oder - eine aktuelle oder zu erwartende Phase (φ) und/oder - eine aktuelle oder zu erwartende Schwingungsperiode (P) der Drehschwingung ist, wobei die elektrische Maschine (5) mittels des Steuersignals (25) derart angesteuert wird, dass dem Antriebsmoment (M_EM) ein sich, insbesondere periodisch, änderndes und von der Amplitude (A) und/oder der Phase (φ) und/oder der Schwingungsperiode (P) abhängendes Drehmoment derart aufgeprägt wird, dass die Drehschwingung gedämpft wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Generierung des Steuersignals (25) seitens der Steuerungseinrichtung (12) ein PID-Regelalgorithmus oder PD-Regelalgorithmus mit einem konstanten oder variablen, insbesondere von der Geschwindigkeit (v) des Kraftfahrzeugs (1) abhängenden, P-Faktor (k_P) betreffend das P-Glied und einem konstanten oder variablen, insbesondere von der Geschwindigkeit (v) des Kraftfahrzeugs abhängenden, D-Faktor (k_D) betreffend das D-Glied verwendet wird.
Steuerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.
Antriebsanordnung umfassend einen Antriebsstrang (2) eines Kraftfahrzeugs (1) mit einer elektrischen Maschine (5) zur Erzeugung eines Antriebsmoments (M_EM), das über wenigstens eine Übertragungskomponente (7) des Antriebsstrangs (2) auf wenigstens ein Rad (6) des Kraftfahrzeugs (1) übertragbar ist, wobei eine Steuerungseinrichtung (12) der Antriebsanordnung (14) dazu eingerichtet ist, ein Steuersignal (25) zu generieren, mittels dem die elektrische Maschine (5) ansteuerbar ist und das das aktuell durch die elektrische Maschine (5) zu erzeugende Antriebsmoment (M_EM) beschreibt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Maschinenrotationserfassungsmittels (13) der Antriebsanordnung (14) einen aktuellen Rotationswinkel (α_Rotor) und/oder eine aktuelle Rotationsgeschwindigkeit eines Rotors (4) betreffende Maschinenrotationsinformation (19) erfassbar ist, wobei das Steuersignal (25) in Abhängigkeit der Maschinenrotationsinformation (19) und/oder einer mittels der Maschinenrotationsinformation (19) ermittelten Eingangsgröße erzeugbar ist.
Kraftfahrzeug umfassend eine Antriebsanordnung (14) nach Anspruch 9.