DE102011012840A1 - Method for determining operating parameter of motor vehicle, involves applying drive force of electric drive machine on assigned wheel through shaft, where torque of wheel or drive speed of motor vehicle is evaluated - Google Patents

Method for determining operating parameter of motor vehicle, involves applying drive force of electric drive machine on assigned wheel through shaft, where torque of wheel or drive speed of motor vehicle is evaluated Download PDF

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Abstract

The method involves applying the drive force of an electric drive machine (12) on an assigned wheel (10) through a shaft (14). A parameter characterizing a rotational position of the wheel and another second parameter characterizing the rotational position of the electric drive machine are determined. The torque of the wheel or drive speed of a motor vehicle is evaluated by using a pattern, which has the both the parameters as input parameters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Betriebsgröße eines Kraftwagens mit wenigstens einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a method for determining an operating variable of a motor vehicle with at least one electric machine according to the preamble of patent claim 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.In order to operate various driver assistance systems in modern motor vehicles, a large amount of information about the driving condition of the motor vehicle has to be detected. Some operating variables of the motor vehicle can be measured directly by means of suitable sensors, others are estimated on the basis of such measured values.

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.Particularly important operating variables that are not usually measured directly are the driving speed of the motor vehicle and the torque acting on the wheels. Both operating variables are usually estimated on the basis of the directly measured wheel speeds. This is for example from the DE 39 22 182 C2 known.

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.In motor vehicles with electric drive, especially with single-wheel drive, also the torque transmitted between the drive motor and the wheel is of interest. To determine this, often the torque is determined at the output of the prime mover, which, however, often differs significantly from the transmitted torque. The direct measure is usually the speed at the output of the prime mover.

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.The determination of the torque at the wheels based on the wheel speed has the disadvantage that in this case possible distortions by torsional vibrations of the propeller shaft between the wheel and the engine, slip of the wheel relative to the road and the like are not taken into account.

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.The present invention is therefore an object of the invention to provide a method according to the preamble of claim 1, which allows a particularly accurate determination of the torque on the wheels of a motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1.

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.According to the invention, it is provided in such a method that a torque of the wheel and / or a travel speed of the motor vehicle are estimated by means of a model having as input variables a first variable characterizing a state of rotation of the wheel and a second variable characterizing a state of rotation of the electric drive machine becomes. In particular, the rotational speed, the rotation angle or the rotational angular velocity are suitable as such variables.

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.By incorporating the state of rotation of the wheel and the electric drive machine - ie the rotational states at both ends of the drive shaft connected to the drive shaft - in particular the actually acting on the wheel torque can be estimated particularly well, as this also vibrations of the shaft are detected and into the torque estimate. The method can be carried out, for example, with speed sensors already present in the vehicle, so that no additional costs are incurred in the production of the motor vehicle. In addition, the rotational speed of the drive machine can also be provided directly by a control unit of the drive machine without having to use a separate sensor.

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.Preferably, the model takes into account at least the inertial mass of the prime mover, the wheel and the motor vehicle. Together with the forces acting between these inertial masses due to the connecting elements forces so the system prime mover-wheel-track can be modeled very easy. For a complete description of the system, at least the transmission behavior between the drive machine and the wheel as well as the transmission behavior between the wheel and the roadway must be taken into account.

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.In a preferred embodiment of the invention, the model comprises an equation of motion for the relative rotational movements between prime mover, shaft, wheel and roadway. By means of such a model, both vibrations of the shaft and effects of the wheel-track contact can be included in the determination of the wheel acting on the wheel or the travel speed, so that particularly accurate results are obtained.

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.For a complete description, conditions must be taken into account in the model by which the angle of rotation between the wheel and the engine and the Verdrehwinkelgeschwindigkeit between the wheel and cars can be determined. For this purpose, the model preferably includes, as state variables, an angle of rotation between the engine and the wheel, a rotational angular velocity between the engine and the wheel, an angular velocity of the wheel and an angular velocity of the motor vehicle. The translational movement of the motor vehicle is thus converted into a rotational movement equivalent to the inertia. With these state variables, the modeled system can be fully described, the model by the consideration in a purely rotational frame of reference is computationally easy to handle.

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.In a further preferred embodiment of the invention, the wheel-carriageway contact of the motor vehicle is modeled by a time-variant attenuator. The modeling can be linear or nonlinear. This allows additional conclusions about short-term state changes of the wheel, in particular its slip state. As a result, an exceeding of the traction maximum, impending blocking or spinning can be detected. The time-variant parameters can be calculated from state variables of the system. Particularly useful is the use of an adaptive model.

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.The model preferably comprises at least one external excitation variable, that is to say an external force acting on at least one element of the model, or an external moment of inertia. This may be, for example, an air gap torque of the prime mover, a force acting on the inertial mass of the wheel torque of a friction brake or acting on the car air or gradient resistance. Information about the at least one excitation variable can be measured directly by suitable sensors, estimated in external control units or calculated within the framework of the model itself.

Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:In the following the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1: eine schematische Darstellung des Antriebsstrangs eines elektrischen Kraftwagens mit Einzelradantrieb und 1 : A schematic representation of the drive train of an electric motor vehicle with independent wheel drive and

2: ein Regelkreisschema zur Modellierung des Antriebsstrangs gemäß 1. 2 a control loop scheme for modeling the powertrain according to 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.In electric vehicles with single-wheel drive, each wheel 10 through its own electric motor 12 driven. The driving force is via a propeller shaft 14 transfer. Both at the engine end 16 the propeller shaft 14 as well as at the wheel end 18 is each a speed sensor 20 . 22 arranged.

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.To get out of the means of the sensors 20 . 22 measured speeds a driving speed as well as on the wheel 10 To calculate acting torque, the system is made of wheel 10 , PTO shaft 14 and electric motor 12 mathematically modeled. At the in 2 The model shown schematically is a so-called observer model, by means of which the physical state of the system is modeled on the basis of the measured rotational speeds used as input variables.

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.From the input variables, the state variables of the system, that is to say quantities which describe the behavior of the system, are first of all calculated. The state variables of the system are the angle of rotation of the PTO shaft 14 and its temporal change selected. For a complete description of the system are still the angular velocity of the wheel 10 and the angular velocity of the motor vehicle as state variables necessary. The latter corresponds to the translatory movement speed of the motor vehicle, which is converted into a rotation by means of a suitable transformation of the reference system in order to simplify the calculation.

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.From the state variables thus determined, finally, the desired information about the on the wheel 10 acting torque and the driving speed of the motor vehicle are derived.

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.For the calculation of the state variables and their temporal change are still more knowledge about the system of wheel 10 , PTO shaft 14 and electric motor 12 necessary. Particularly important here is the behavior of the propeller shaft 14 , which can twist and so the torque transmission between engine 12 and wheel 10 affected. To detect these effects, the propeller shaft is considered as a torsion spring, which according to 2 as a parallel connection of an undamped spring 24 and a torsion damper 26 is modeled. The spring and damping constants are vehicle-dependent and can be determined, for example, in a test bench test.

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.The torque transmission between engine 12 and wheel 10 is further influenced by the wheel-carriageway contact. Since, as described, a co-moving coordinate system is used in the example described, this can by the power transmission between the wheel 10 and the mass movable relative to the wheel 28 of the motor vehicle. Effects such as wheel slip are expressed in this description as damping the power transmission between wheel 10 and mass 20 and are therefore due to a time-varying attenuator 30 modeled.

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.In addition to an accurate estimate of speed and torque on the bike 10 Thus, the model described also allows conclusions about the vibration state of the propeller shaft 14 as well as on the wheel slip. This information can be made available driver assistance systems of the motor vehicle, which then, for example, unwanted vibration states of the propeller shaft 14 through active control of the engine 10 can actively dampen or in unsafe driving conditions, such as a threatening Blocking or spinning the wheel 10 Correspondingly corrective action can intervene.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 3922182 C2 [0003] DE 3922182 C2 [0003]

Claims (7)

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.Method for determining an operating variable of a motor vehicle with at least one electric drive machine ( 12 ), whose driving force via a shaft ( 14 ) to at least one associated wheel ( 10 ), wherein a first, a rotational state of the wheel ( 10 ) characterizing size and a second, a rotational state of the electric drive machine ( 12 ) characterizing size is determined, characterized in that by means of a model having as input variables the first and second size, a torque of the wheel ( 10 ) and / or a driving speed of the motor vehicle is estimated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zumindest die Trägheitsmasse der Antriebsmaschine (12), des Rades (10) und des Kraftwagens berücksichtigt.A method according to claim 1, characterized in that the model at least the inertial mass of the drive machine ( 12 ), of the wheel ( 10 ) and the motor vehicle. 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.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the model has an equation of motion for the relative rotational movements between the drive machine ( 12 ), Wave ( 14 ), Wheel ( 10 ) and roadway. 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.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the model comprises the following state variables: - a rotation angle between the drive machine ( 12 ) and wheel ( 10 ) - a Verdrehwinkelgeschwindigkeit between prime mover ( 12 ) and wheel ( 10 ) - an angular velocity of the wheel ( 10 ) - An angular velocity of the motor vehicle. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (14) als gedämpfte Torsionsfeder modelliert wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the shaft ( 14 ) is modeled as a damped torsion spring. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftübertragung zwischen Rad (10) und Fahrbahn durch ein zeitvariantes Dämpfungsglied modelliert wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that a power transmission between wheel ( 10 ) and roadway is modeled by a time varying attenuator. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zumindest eine externe Anregungsgröße umfasst.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the model comprises at least one external excitation variable.
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