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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Triebstranges eines Kraftfahrzeugs, welches ein Steuergerät zum Übermitteln eines einem Sollmoment entsprechenden Solldatensatzes umfasst. Das Kraftfahrzeug wird von einer Antriebskomponente des Triebstranges angetrieben. Die Antriebskomponente umfasst eine jeweilige Triebstrangschwingungen erfassende Erfassungskomponente, wenigstens einen ein dem Sollmoment entsprechendes Antriebsmoment erzeugenden Elektromotor sowie eine den wenigstens einen Elektromotor mit elektrischer Antriebsenergie versorgende Leistungselektronik. Mittels der Erfassungskomponente wird ein die Triebstrangschwingungen beschreibender Schwingungsdatensatz ermittelt. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Triebstrang zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs.
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Beim Antreiben von Kraftfahrzeugen kommt es zu fahrsituations- und fahrerwunschbedingten Drehmomentanforderungen an einen oder mehrere das Kraftfahrzeug antreibende Motoren. Die Drehmomentanforderungen können also dem Wunsch des Fahrers nach einer Beschleunigung oder Verzögerung entsprechen oder durch Eingriffe von Fahrassistenzsystemen entstehen. Im Rahmen derartiger Drehmomentanforderungen kann es zu ungleichmäßigen, bzw. sprunghaften Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgängen des jeweiligen Kraftfahrzeugs kommen. Infolge der Triebstrangelastizität und einer entsprechend derartiger Drehmomentanforderungen ungleichmäßigen Drehmomentbeaufschlagung, also der Umsetzung der Drehmomentanforderung, können sogenannte Triebstrangschwingungen auftreten. Derartige Triebstrangschwingungen sind demzufolge also nicht nur auf das Fahrverhalten des Fahrers zurückzuführen, sondern auch z.B. auf den Eingriff der Fahrassistenzsysteme, welche zur Aufrechterhaltung der Fahrstabilität in Gefahrensituationen dienen. So ist es beispielsweise bekannt, dass mittels eines sogenannten elektronischen Stabilitätsprogramms (ESC beziehungsweise ESP) unabhängig vom Fahrerwunsch eine gezielte Momentenbeaufschlagung an einem Einzelrad erfolgen kann.
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Um Triebstrangschwingungen, welche sich auf den Fahrtkomfort oder sogar auf die Fahrstabilität des Fahrzeugs auswirken, zu bekämpfen, ist es üblich, mittels eines Störreglers eine zu den Triebstrangschwingungen gegenphasige Schwingung (Gegenschwingung) zu erzeugen. Die dazu erforderliche Regelung wird im Störregler - auch Antiruckel-Regler bezeichnet - der Motorsteuerung berechnet und in einem Verbrennungsmotor mittels Zündwinkelanpassung (Spätverstellung des Zündzeitpunktes beim Ottomotor beziehungsweise Spätverstellung des Einspritzbeginns beim Dieselmotor) oder in einer E-Maschine (Elektromotor) mittels Stromanpassung umgesetzt. Diese Regelung wird auch als Drehmomenteingriff oder Antiruckel-Eingriff bezeichnet. Man arbeitet hier nach dem Prinzip der sogenannten destruktiven Interferenz, was zum Eliminieren der Triebstrangschwingungen führt. Es kommt also mit anderen Worten zu einer sogenannten gegenseitigen Auslöschung zwischen Triebstrangschwingung und Gegenschwingung, da beide Schwingungen gegenphasig zueinander sind und eine bis auf einen vorgebbaren Rest gleiche Amplitude aufweisen.
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Aus der
DE 197 21 298 C2 ist ein Hybrid-Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer mit diesem gekuppelten oder kuppelbaren elektrischen Maschine bekannt. Um auf Ungleichförmigkeiten der Kurbelwellendrehung des Verbrennungsmotors zurückzuführende Schwingungen auszugleichen, umfasst der Hybrid-Fahrantrieb eine Spektralanalyseeinrichtung, die jeweilige Frequenzanteile der Schwingungen nach Amplitude und Phase aus dem gemessenen Istsignal ermittelt. Eine Sollsignal-Vorgabeeinrichtung legt ein Sollsignal mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum fest und ermöglicht es so einer Regelungseinrichtung, die Spektralanteile des Istsignals spezifisch zu dämpfen. Ein von der elektrischen Maschine auf den Verbrennungsmotor ausgeübtes Lastmoment wird dabei im Sinne der Minderung oder Eliminierung spektraler Schwingungsüberhöhungen des Schwingungs-Istsignals mittels einer Steuerung gesteuert.
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Die
DE 40 11 291 A1 offenbart ein Elektrofahrzeug mit einzeln gesteuerten Antriebs-Elektromotoren und einem Verbrennungsmotor, welcher einen Generator antreibt. Der im Generator erzeugte Strom wird in einer Leistungselektronik gleichgerichtet und in einen Gleichspannungszwischenkreis gespeist, an welchen die Elektromotoren angeschlossen sind. Mittels einer übergeordneten Zentralsteuerung werden die Elektromotoren unterschiedlich im Sinn einer Antriebsschlupfverhinderung und/oder einer Bremsblockierverhinderung und/oder eines fahrdynamisch günstigen Rechts/Links-Antriebsunterschieds angesteuert, wobei die Zentralsteuerung und/oder jeweilige Motorsteuerungen Informationen über die momentane elektrische Ist-Leistung und/oder die momentane Ist-Drehzahl der beiden Elektromotoren berücksichtigen.
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Die Patentschrift
DE 103 13 338 B4 zeigt eine Vorrichtung zum Steuern einer Drehmomentschwankung für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, der ein Rotationsdrehmoment für eine Antriebswelle des Fahrzeugs bereitstellt. Die Vorrichtung beinhaltet eine Drehmomentschwankungs-Erfassungseinrichtung die eine durch eine Variation/Schwankung der Drehzahl hervorgerufene Drehmomentschwankung des Fahrzeugs erfasst und eine Kompensationsdrehmoment-Einstelleinrichtung, die ein Kompensationsdrehmoment in einer mit Bezug auf die Drehmomentschwankung entgegengesetzten Phase einstellt. Mit einer ersten Differentialrecheneinrichtung wird eine erste zeitliche Ableitung und mit einer zweiten Differentialrecheneinrichtung wird eine zweite zeitliche Ableitung der Drehzahl berechnet. Eine Drehmomentschwankung liegt vor, wenn die erste Ableitung kleiner oder gleich einem ersten vorgegebenen Wert ist und wenn die zweite Ableitung gleich oder größer als Null ist. Die Kompensationsdrehmoment-Einstelleinrichtung stellt ein positives Kompensationsdrehmoment und die Motor-Steuer/Regeleinrichtung kompensiert das Antriebsdrehmoment des Elektromotors mit diesem positiven Kompensationsdrehmoment.
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Die Anwendung des Prinzips der destruktiven Interferenz in einem einen Hybridantrieb umfassenden Kraftfahrzeug ist beispielsweise der
DE 10 2006 036 217 A1 als bekannt zu entnehmen. Der dortige Hybridantrieb umfasst mindestens einen Verbrennungsmotor und mindestens eine Elektromaschine (Elektromotor). Die Elektromaschine weist mindestens eine Elektromotorfunktion und mindestens eine Generatorfunktion auf. Des Weiteren ist mindestens ein Modulations-Betriebszustand des Hybridantriebs vorgesehen, in welchem mindestens eine Betriebsgröße der mindestens einen Elektromotorfunktion, insbesondere ein Elektromotor-Drehmoment und/oder eine Elektromotor-Drehzahl und/oder eine Elektromotor-Leistung, mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum moduliert wird. Diese Modulation kann insbesondere dadurch bewerkstelligt werden, dass ein Elektromotorstrom mit mindestens einer Modulationsamplitude mit mindestens einer Modulationsfrequenz und mindestens einer Modulationsphase erfolgt. Bei der dortigen Modulation kann eine zu jeweiligen Triebstrangschwingungen gegenphasige Gegenschwingung aus dem vorgegebenen Frequenzspektrum ermittelt und darauf aufbauend eine die Triebstrangschwingung auslöschende Gegenschwingung mittels des Hybridantriebs aufgewendet werden. Diese entsprechenden Gegenschwingungen werden in einem Lastregler oder einem Motorsteuerungsgerät eines mittels des dortigen Hybridantriebs angetriebenen Fahrzeugs berechnet.
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Ein derartiges Ermitteln der entsprechenden Gegenschwingung zur Auslöschung der Triebstrangschwingung weist ein ungünstiges Ansprechverhalten auf und ist dementsprechend träge, wodurch insbesondere sich schnell ändernde Triebstrangschwingungen nicht rechtzeitig mit einer entsprechenden gegenphasigen Gegenschwingung überlagert werden können und somit trotz Antiruckel-Eingriff extreme Schwingungen im Kraftfahrzeug auftreten können. Diese Schwingungen sind zum einen unangenehm für den Fahrer, da sie den Komfort mindern und zum anderen sicherheitskritisch, da es zu einem verlängerten Bremsweg kommen kann oder zu Schäden am Fahrzeug, also z.B. resonanzbedingte Schäden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Triebstranges der eingangs genannten Art sowie einen Triebstrang zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, welches beziehungsweise welcher auch die Elimination von sich schnell ändernden Triebstrangschwingungen zulässt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einen Triebstrang mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Ausgleichsdatensatz anhand des Schwingungsdatensatzes mittels einer von dem Steuergerät verschiedenen, in der Leistungselektronik integrierten Ausgleichskomponente ermittelt, wobei der Ausgleichsdatensatz zur Kompensation der Triebstrangschwingungen ausgelegte Steuerbefehle für eine einen Energiefluss zum Elektromotor steuernde Steuereinheit der Leistungselektronik aufweist. Dabei werden die Triebstrangschwingungen direkt in der Leistungselektronik erfasst. Die Steuerbefehle werden durch die Steuereinheit ausgeführt, so dass dem Antriebsmoment ein die Triebstrangschwingungen verringerndes Ausgleichsmoment überlagert wird, wobei ein minimal zulässiges Bremsmoment sowie ein maximal zulässiges Antriebsmoment als Betriebsgrenzen vorgegeben werden und die Steuerbefehle des Ausgleichsdatensatzes dazu ausgelegt werden, dass die Überlagerung aus Antriebsmoment und Ausgleichsmoment zwischen dem minimal zulässigen Bremsmoment und dem maximal zulässigen Antriebsmoment liegt.
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Anders als bei durch zum Beispiel einen Verbrennungsmotor angetriebenen Antriebssträngen, bei welchen das Antriebsaggregat (der Verbrennungsmotor) vom Triebstrang über eine Kupplung getrennt werden kann, ist eine derartige Trennung bei Kraftfahrzeugen, welche mittels einer E-Maschine (E-Motor) als das Antriebsaggregat angetrieben werden, nicht unbedingt erforderlich und es kann auf eine Kupplung verzichtet werden. Infolgedessen hängt jedoch die Masse des Elektromotors (E-Motor) beziehungsweise der Elektromotoren, sofern mehrere Motoren zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eingesetzt werden, dauerhaft am Triebstrang. Diese große Masse beeinflusst das Dynamikverhalten des Kraftfahrzeugs bei Stabilitätseingriffen, also zum Beispiel bei einem Eingriff durch Fahrassistenzsysteme, also zum Beispiel durch ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP), und ist bei einer Dynamik-Regelung zu berücksichtigen. Des Weiteren hat eine E-Maschine ein generell schnelleres Ansprechverhalten als ein Verbrennungsmotor, so dass Momentenanforderungen (durch ein einem Fahrerwunsch entsprechendes Sollmoment oder durch Fahrerassistenzsysteme) sehr dynamisch umgesetzt werden können. Diese oft sprunghaften Momentenanforderungen beziehungsweise Drehmomentenanforderungen führen infolge der dynamischen Umsetzung durch die E-Maschine dazu, dass der Triebstrang in Schwingung versetzt wird.
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Zunächst erfolgt eine Erfassung der Triebstrangschwingungen direkt in der Leistungselektronik, welche auch als Umrichter oder Wechselrichter bezeichnet wird. Durch die feste Kopplung zwischen Triebstrang und E-Maschine ist die Triebstrangschwingung, beziehungsweise sind die Triebstrangschwingungen unmittelbar an der E-Maschine messbar. Dementsprechend können mittels eines Sensors die Triebstrangschwingung detektiert und mittels einer Erfassungskomponente, also beispielsweise eines Mikrochips, welcher erfindungsgemäß in die Leistungselektronik integriert ist, ausgewertet und daraus der Schwingungsdatensatz ermittelt werden. Der Schwingungsdatensatz wird nun herangezogen, um mittels der in die Leistungselektronik integrierten Ausgleichskomponente einen zu dem Schwingungsdatensatz komplementären Ausgleichsdatensatz zu ermitteln. Während der Schwingungsdatensatz also den Triebstrangschwingungen entsprechende Daten umfasst, umfasst der Ausgleichsdatensatz durch die Ausgleichskomponente der Leistungselektronik ermittelte Ausgleichsdaten, welche Steuerbefehle enthalten, mittels welchen der Energiefluss zum E-Motor, also zur E-Maschine, mittels der Steuereinheit derart gesteuert werden kann, dass die Triebstrangschwingungen nach dem Prinzip der destruktiven Interferenz ausgelöscht werden. Mit anderen Worten wird also mittels des Ausgleichsdatensatzes die E-Maschine derart mit Energie versorgt, dass diese in Abhängigkeit von dem von dem Ausgleichsdatensatz abhängenden Steuerbefehlen ein Ausgleichsmoment aufwendet, welches einen zu den Triebstrangschwingungen gegenphasigen Schwingungsverlauf aufweist. Die Schwingungsamplitude der entsprechenden gegenphasigen Schwingung kann betragsmäßig einen mit der Amplitude der Triebstrangschwingungen derart ähnlichen Wert aufweisen, dass die Triebstrangschwingungen infolge des Drehmomenteingriffs, also durch das Aufwenden des Ausgleichsmoments bis auf einen vorgebbaren Rest ausgelöscht werden.
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Die Triebstrangschwingungen werden bevorzugt zunächst mit in dem Ausgleichsdatensatz hinterlegten Schwingungen verglichen. Die hinterlegten Schwingungen entsprechen dabei bereits bekannten Schwingungen, welche zur Kompensation der meisten auftretenden Triebstrangschwingungen verwendet werden können. Tritt eine bislang unbekannte Triebstrangschwingung auf, so erfolgt eine Adaption an die bisher unbekannte Schwingung und der Ausgleichsdatensatz wird auf die neu eingetretenen Schwingungen angepasst.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt die Ermittlung des Ausgleichsdatensatzes, beziehungsweise des zum Ausgleichen der Triebstrangschwingungen benötigten Ausgleichsmoments nicht mittels des Steuergeräts (Motorsteuergerät), sondern stattdessen direkt mittels der Leistungselektronik, um keine Bus-Verzugszeiten zu generieren. Dies betrifft auch die Erfassung der Triebstrangschwingungen, da diese in der Leistungselektronik feiner und schneller erfasst werden, als sie aufgrund Bus-Kommunikation in anderen Steuergeräten zur Verfügung stehen würden. Zur Verdeutlichung dieser verbesserten Erfassung soll das folgende Rechenbeispiel nach dem sogenannten Nyquist-Shannon-Abtasttheorem dienen.
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Um ein Signal exakt rekonstruieren zu können, muss für eine Abtastfrequenz f
a, aus deren Periodendauer ein Rechenraster festgelegt werden kann folgender Zusammenhang gelten:
fmax steht dabei für die Grenzfrequenz eines zu erfassenden, also abzutastenden bandbegrenzten Signals. Ist die eben genannte Bedingung, also dass fa mehr als zweimal so groß wie fmax sein soll, erfüllt, so entsteht kein Regelungsfehler (kein Aliasing). Eine optimale Reglerdynamik für einen Triebstrang eines Kraftfahrzeugs liegt im Bereich:
Ist diese Bedingung für die Abtastfrequenz f
a erfüllt, so werden effektiv Regelungsfehler unterbunden und eine optimale Regelungsdynamik erreicht. Üblicherweise sind in einem Kraftfahrzeug als Triebstrangschwingung sogenannte Standardschwingungen im Bereich zwischen 4 Hz bis 8 Hz bei einem Dynamikfaktor von K
v = 12 zu verzeichnen. Somit ergibt sich eine Abtastfrequenz fa (Rechentaster) zu:
was einer Schwingungsdauer von T
a = 0,0104 s und damit ungefähr 10 ms entspricht. Wird nun das Ausgleichsmoment, also das Korrekturmoment zum Ausgleichen der Triebstrangschwingungen auf einem anderen Steuergerät, also nicht mittels der Leistungselektronik berechnet, so kommt eine Kommunikationszeit der Leistungselektronik und dem anderen Steuergerät hinzu.
Im Folgenden soll beispielhaft verdeutlicht werden, dass von der Ermittlung der Triebstrangschwingungen bis zur Umsetzung der Stellgröße in Form des Korrekturmoments (Ausgleichsmoments) durch die Leistungselektronik bei konventionellen Fahrzeugen, bei welchen die Erfassung der Triebstrangschwingungen sowie die Ermittlung des Ausgleichsmoments nicht in der Leistungselektronik erfolgt, eine Verzugszeit von bis zu 35 ms bis zur Umsetzung des Ausgleichsmoments auftreten kann.
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Bei der Schwingungserfassung und Übermittlung entsprechender Daten auf einen Can-Bus (CAN-Controller Area Network) des Kraftfahrzeugs kommt es bereits zu einer Verzugszeit von 10 ms. Mit weiteren 20 ms Verzug sind bei der Berechnung des Ausgleichsdatensatzes mittels des nicht in die Leistungselektronik integrierten Steuergeräts (zum Beispiel Antriebsstrangsteuergerät ASG), die Übertragung des Ausgleichsdatensatzes über den Can-Bus an die Leistungselektronik sowie das Ermitteln des Ausgleichsmoments mittels der Leistungselektronik zu rechnen. Hinzu kommen noch weitere fünf ms Ansteuerzeit, welche bei der Umsetzung des Ausgleichsmoments anfallen.
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Bei einem Dynamikfaktor Kv = 12 können demnach Schwingungen von lediglich bis zu 2,38 Hz effektiv ausgeglichen werden. Bei Eingriffen durch Fahrassistenzsysteme treten jedoch Frequenzen von bis zu 20 Hz auf. Somit können nach konventionellen Verfahren, also durch Hinzuziehen eines externen Steuergeräts, Schwingungen mit derart hohen Frequenzen nicht mehr effektiv ausgelöscht werden.
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Das minimal zulässige Bremsmoment sowie das maximal zulässige Antriebsmoment entsprechen wichtigen Betriebsgrenzen, welche durch die sogenannte E-Gas-Sicherheit gebildet werden, und welche durch alle Antriebsaggregate, also durch alle zum Antreiben des Kraftfahrzeug eingesetzten Motoren in Summe einzuhalten sind. Diese beiden Betriebsgrenzen werden somit in allen im Kraftfahrzeug zum Antrieb vorgesehenen Leistungselektroniken (sofern mehrere vorgesehen sind) eingehalten wodurch ausgeschlossen wird, dass das Fahrzeug stärker beschleunigt bzw. verzögert, als der Fahrer sich das wünscht. Um dies zu bewerkstelligen erfolgt zudem eine Kommunikation zwischen diesen Leistungselektroniken, wodurch auch Drehzahlen und Drehmomente von jeweils anderen Leistungselektroniken angetriebenen Motoren berücksichtigt werden. Elektromotoren können sowohl als Antriebsaggregat, als auch als Generator, also im Schubbetrieb eingesetzt werden. Unter dem minimal zulässigen Bremsmoment ist ein verzögerndes Drehmoment zu verstehen, mittels welchem der E-Motor als Generator betrieben werden kann. Das maximal zulässige Antriebsmoment hingegen stellt eine Momentenbegrenzung hinsichtlich eines maximal zum Antreiben des Kraftfahrzeugs durch die E-Maschine zur Verfügung gestellten Drehmoments dar. Sowohl das minimal zulässige Bremsmoment (Mmin) als auch das maximal zulässige Antriebsmoment (Mmax) entsprechen dabei Restriktionen hinsichtlich Fahrkomfort, als auch mechanischer Festigkeitsgrenzen der an dem Antrieb des Kraftwagens beteiligten Maschinenelemente wie beispielsweise jeweilige Wellen oder Zahnräder, als auch Restriktionen hinsichtlich der Betriebssicherheit des Kraftfahrzeugs. Das durch den E-Motor abgegebene minimale Bremsmoment könnte betragsmäßig ebenso groß sein, wie das maximale Antriebsmoment. Umfasst das Kraftfahrzeug z.B. zwei unabhängig voneinander angetriebene Achsen, wobei eine der Achsen mittels eines Verbrennungsmotors und die andere Achse mittels einer E-Maschine angetrieben wird, so kann durch das Schleppen der E-Maschine einerseits das Kraftfahrzeug verzögert werden und andererseits rekuperiert, also Energie zurückgewonnen werden (Generatorbetrieb, bzw. Schubbetrieb der E-Maschine), sobald der Fahrer z.B. aus einer Konstantfahrt heraus das Fahrpedal nicht mehr betätigt. Würde die E-Maschine ein maximales Bremsmoment von -500 Nm aufbringen können, so würde es zu einer besonders sicherheitskritischen, weil schlagartigen Verzögerung des Kraftfahrzeugs, kommen, sobald der Fahrer das Fahrpedal nicht mehr betätigt und dieses maximale Bremsmoment zur Verzögerung des Kraftfahrzeugs herangezogen würde. Durch Limitierung des Bremsmoments auf ein minimal zulässiges Bremsmoment auf einen unkritischen Wert, also z.B. -50 Nm, kann ein besonders sanftes und durch den Fahrer des Kraftwagens als komfortabel empfundenes Verzögern des Kraftfahrzeugs sichergestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Ausgleichsdatensatz unter Heranziehen einer Rotordrehzahl des Elektromotors ermittelt.
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Aufgrund der festen Kopplung zwischen Triebstrang und E-Maschine wirken sich etwaige Triebstrangschwingungen unmittelbar auf die Rotordrehzahl der E-Maschine aus. Dementsprechend können die Triebstrangschwingungen besonders einfach detektiert und erfasst werden, indem die Rotordrehzahl mittels eines Drehzahlsensors hinsichtlich der Schwingungen ausgewertet wird. Das Detektieren und Erfassen der Triebstrangschwingungen anhand der Rotordrehzahl stellt also nicht nur eine besonders zuverlässige, sondern auch eine besonders einfache und exakte Möglichkeit der Schwingungserfassung dar, wobei die Triebstrangschwingungen unter besonders geringem zeitlichen Verzug detektiert werden können.
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Die Erfindung sieht vor, dass der Triebstrang wenigstens einen den Triebstrang unabhängig von dem Elektromotor antreibenden weiteren elektrischen Zusatzmotor umfasst. Durch Verwendung des weiteren elektrischen Zusatzmotors kann das Kraftfahrzeug besonders dynamisch angetrieben werden, da gerade im Gegensatz zum Antrieb mittels eines Verbrennungsmotors ein besonders rasches Ansprechverhalten und dementsprechend ein besonders zügiges Umsetzen des einem Fahrerwunsch entsprechenden Sollmoments erfolgen kann. Diese ist insbesondere daher möglich, da Elektromotoren bereits aus dem Stillstand heraus ihr maximales Drehmoment abgeben können. Durch den elektrischen Zusatzmotor wird demzufolge ein besonders durchzugsstarker Antrieb des Kraftfahrzeugs bereitgestellt und eine besonders gleichmäßige Verteilung der jeweiligen Antriebsmomente ermöglicht.
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Ebenso ist gemäß dieser Erfindung vorgesehen, dass der Zusatzmotor ein um ein Differenzmoment von dem Antriebsmoment des Elektromotors verschiedenes weiteres Antriebsmoment erzeugt. Dabei wird das Differenzmoment basierend auf einem Untergrund jeweils unabhängig voneinander angetriebener Räder des Kraftfahrzeugs, oder basierend auf einer Kurvenfahrt oder Geradeausfahrt des Kraftfahrzeugs vorgegeben.
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Das Berücksichtigen des Differenzmoments ist insbesondere bei zwei unabhängig voneinander angetriebenen Antriebsrädern einer Achse beziehungsweise bei zwei unterschiedlich voneinander angetriebenen Achsen von Vorteil. Eines der Räder beziehungsweise eine der Achsen wird dabei von dem Elektromotor angetrieben und das andere Rad beziehungsweise die andere Achse von dem elektrischen Zusatzmotor. Das Differenzmoment zwischen dem Elektromotor und dem elektrischen Zusatzmotor stellt dabei eine Betriebsgrenze dar, bei deren Einhaltung eine besonders hohe Fahrstabilität gewährleistet ist. Werden jeweilige Räder beziehungsweise Achsen des Kraftfahrzeugs unabhängig voneinander angetrieben, so sollte das Differenzmoment zwischen den beiden Achsen beziehungsweise Rädern nicht stark verändert werden, um Instabilitäten des Kraftfahrzeugs infolge zu starker Momentenänderung wirksam zu unterbinden. Die Vorgabe des Differenzmoments erfolgt dabei betriebspunktabhängig, also zum Beispiel abhängig davon, auf welchem Untergrund sich die jeweils unabhängig voneinander angetriebenen Räder beziehungsweise Achsen des Kraftfahrzeugs befinden oder ob das Kraftfahrzeug sich gerade in einer Kurvenfahrt oder Geradeausfahrt befindet. Beim Ausgleichen der Triebstrangschwingungen mittels des Ausgleichsmoments darf also das Differenzmoment zwischen den unabhängig voneinander angetriebenen Rädern beziehungsweise Achsen nicht zu stark verändert, beziehungsweise erhöht werden, um einen sicherheitskritischen Eingriff in die Fahrtstabilität wirksam zu unterbinden.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Steuerbefehle des Ausgleichsdatensatzes dazu ausgelegt werden, dass das Differenzmoment betragsmäßig kleiner als ein vorbestimmter Sicherheitswert ist.
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Eine besonders hohe Fahrstabilität wird gewährleistet, wenn das Differenzmoment betriebspunktabhängig, also abhängig von dem jeweiligen Antriebszustand des Kraftfahrzeugs, also z.B. von der Untergrundbeschaffenheit oder der jeweiligen Momentenanforderung an die E-Maschinen betragsmäßig unterhalb eines vorbestimmten Sicherheitswertes liegt. Bei der Vorgabe des Sicherheitswertes werden beispielsweise physikalische Grenzen, wie die Traktionsfähigkeit der Antriebsräder berücksichtigt. Dadurch dass das Differenzmoment betragsmäßig kleiner als der vorbestimmte Sicherheitswert ist, kann die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs besonders weitgehend sichergestellt werden.
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Schließlich ist es von Vorteil, wenn zur Ermittlung des Ausgleichsdatensatzes Assistenzdatensätze jeweiliger Fahrassistenzkomponenten herangezogen werden, wobei durch die Assistenzdatensätze zumindest ein Grenzwert für das Ausgleichsmoment vorgegeben wird.
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Zu derartigen Fahrassistenzkomponenten gehört beispielsweise ein sogenanntes elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP), welches üblicherweise ein sogenanntes Anti-Blockier-System (ABS) oder eine Antriebsschlupfregelung (ASR) umfasst. Die Fahrassistenzkomponenten umfassen also derartige Fahrzeugsysteme, welche fahrzeugseitig direkt oder indirekt einen Momenteneingriff auf den Triebstrang des Kraftfahrzeugs bewirken können. Ein direkter Eingriff wäre beispielsweise der Eingriff des ESP bei Kurvenfahrt im physikalischen Grenzbereich, wobei ohne Einwirkung des Fahrers des Kraftfahrzeugs jeweilige Einzelräder des Kraftfahrzeugs durch das ESP einer zusätzlichen Momentenbeaufschlagung unterzogen werden. Es ist klar, dass diese Momentenbeaufschlagung sowohl eine Beschleunigung als auch Verzögerung des jeweiligen Rades bewirken kann. Ein indirekter Eingriff wäre beispielsweise das Detektieren von Fußgängern am Straßenrand durch eine als Infrarotkamera ausgebildete Fahrassistenzkomponente, welche daraufhin jeweilige Signale beispielsweise an das ESP oder direkt an die Betriebsbremse übermittelt, welche dann automatisch betätigt wird und basierend auf diesen Signalen eine Verzögerung des Kraftfahrzeugs erfolgt. Um die Fahrstabilität des Kraftfahrzeugs sicherzustellen, können mittels der Assistenzdatensätze der Fahrassistenzkomponenten Grenzwerte für das Ausgleichsmoment vorgegeben werden, so dass beispielsweise bei einer besonders starken Verzögerung des Kraftfahrzeugs, also z.B. bei einer Notbremsung, die Triebstrangschwingungen infolge des hierbei als Verzögerungsmoment ausgebildeten Antriebsmoments nicht durch ein Ausgleichsmoment ausgelöscht werden, da dies unter Umständen zur Verlängerung des Bremswegs des Kraftfahrzeugs führen könnte.
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Der erfindungsgemäße Triebstrang zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs weist wenigstens einen zum Erzeugen eines Antriebsmoments ausgebildeten Elektromotor sowie eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines Sollwerts für das Antriebsmoment auf. Des Weiteren weist der Triebstrang eine zum Einstellen des Antriebsmoments ausgebildete Leistungselektronik auf, welche hierzu eine Steuereinheit zum von dem Sollwert abhängigen Steuern eines Energieflusses zum Versorgen des wenigstens einen Elektromotors aufweist. Schließlich weist der Triebstrang eine zum Erfassen jeweiliger Triebstrangschwingungen ausgebildete Erfassungskomponente auf. Die Erfassungskomponente ist zum Ermitteln eines die Triebstrangschwingungen beschreibenden Schwingungsdatensatzes ausgebildet. Die Leistungselektronik weist eine Ausgleichskomponente auf, die dazu ausgebildet ist, anhand des Schwingungsdatensatzes einen Ausgleichsdatensatz zu ermitteln, welcher zur Kompensation der Triebstrangschwingungen ausgelegte Steuerbefehle für die Steuereinheit der Leistungselektronik aufweist. Die Steuereinheit ist schließlich dazu ausgelegt, die Steuerbefehle auszuführen und hierdurch dem Antriebsmoment ein Ausgleichsmoment zu überlagern, wobei ein minimal zulässiges Bremsmoment sowie ein maximal zulässiges Antriebsmoment als Betriebsgrenzen vorgegeben sind und die Steuerbefehle des Ausgleichsdatensatzes dazu ausgelegt sind, dass die Überlagerung aus Antriebsmoment und Ausgleichsmoment zwischen dem minimal zulässigen Bremsmoment und dem maximal zulässigen Antriebsmoment liegt.
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Die Empfangseinrichtung des Triebstrangs kann beispielsweise als Steuergerät ausgebildet sein, welches zum Empfangen eines einem Fahrerwunsch entsprechenden Sollwerts entspricht. Da der Ausgleichsdatensatz im Gegensatz zum Stand der Technik nicht durch ein externes Steuergerät, sondern innerhalb der Leistungselektronik, ermittelt wird, entstehen besonders geringe Verzugszeiten zwischen der Erfassung der Triebstrangschwingungen und der Vorgabe an den Elektromotor, ein die Triebstrangschwingungen ausgleichendes Ausgleichsmoment aufzuwenden. Somit können auch vergleichsweise hochfrequente Triebstrangschwingungen durch diesen Triebstrang wirksam ausgeglichen werden.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für den erfindungsgenäßen Triebstrang und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung jeweiliger Schwingungsverläufe eines Antriebsmoments beziehungsweise eines Ausgleichsmoments, welche sich im Rahmen der aus dem Stand der Technik bekannten destruktiven Interferenz gegenseitig auslöschen; und
- 2 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Triebstrang eines Kraftfahrzeugs, welcher vorliegend in zwei voneinander unabhängig angetriebene Teiltriebstränge aufgeteilt ist und mittels welchem etwaige Triebstrangschwingungen besonders zügig ausgeglichen werden können.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung das aus dem Stand der Technik als bekannt zu entnehmende Prinzip der destruktiven Interferenz mit einem Schwingungsverlauf 80, welcher vorliegend jeweilige Schwingungen eines Drehmomentes beschreibt und einem Schwingungsverlauf 82, welcher vorliegend jeweilige Schwingungen eines die Schwingungen des Drehmoments ausgleichenden Moments beschreibt. Die Schwingungsverläufe 80, 82 sind komplementär zueinander, das heißt dass sie zwar die gleiche Schwingungsfrequenz und den gleichen Betrag ihrer Amplitude aufweisen, aber derart zueinander phasenversetzt sind, dass sich die beiden Schwingungsverläufe 80, 82 gegenseitig auslöschen und sich somit aus den beiden Schwingungsverläufen 80, 82 ein zumindest im Wesentlichen schwingungsfreies Interferenzmuster 84 ergibt. Die beiden Schwingungsverläufe 80, 82 ergänzen sich also mit anderen Worten derart, dass idealerweise durch deren Überlagerung als das Interferenzmuster 84 keinerlei Schwingung mehr zu beobachten ist. Es ist klar, dass die in 1 verdeutlichte Prinzipdarstellung der destruktiven Interferenz eine ideale gegenseitige Auslöschung der Schwingungsverläufe 80, 82 zeigt, welche in realen technischen Anwendungen lediglich näherungsweise erreicht werden kann.
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2 zeigt in einer schematischen Draufsicht eine für die Erfindung beispielhafte Ausführungsform eines Triebstrangs 10, mittels welchem sowohl nieder- als auch hochfrequente Triebstrangschwingungen 56 besonders wirksam unterbunden werden können. Der Triebstrang 10 ist Bestandteil eines Kraftfahrzeugs K und umfasst einen Teiltriebstrang 12 und Teiltriebstrang 16. Die beiden Teiltriebstränge 12, 16 sind im Wesentlichen hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktionalität miteinander vergleichbar. Der Teiltriebstrang 12 treibt unter mechanischer Kopplung mit einem Getriebe 60 ein Antriebsrad 14 an. Der Teiltriebstrang 16 hingegen treibt unter Vermittlung eines Getriebes 72 ein Antriebsrad 18 an. Die beiden Teiltriebstränge 12, 16 sind voneinander mechanisch entkoppelt und dementsprechend die beiden Antriebsräder 14, 18 voneinander unabhängig antreibbar. Die beiden Getriebe 60, 72 können sowohl eine Festübersetzung aufweisen, also auch mechanisch oder automatisch schaltbar sein, wobei die Schaltung sowohl stufenlos als auch durch Wahl einzelner Gänge erfolgen kann. Dementsprechend können die Getriebe 60, 72 also beispielsweise als sogenannte CVT-Getriebe oder in Stufen schaltbar ausgebildet sein. Der Teiltriebstrang 12 umfasst einen Elektromotor 40, mittels welchem das Antriebsrad 14 unter Vermittlung des Getriebes 60 angetrieben wird. Der Teiltriebstrang 16 hingegen umfasst einen Zusatzmotor 70, mittels welchem unter Vermittlung des Getriebes 72 das Antriebsrad 18 angetrieben wird. Ebenso wie der Elektromotor 40 ist auch der Zusatzmotor 70 vorliegend als E-Maschine ausgebildet.
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Aufgrund des funktionsgleichen Aufbaus der beiden Teiltriebstränge 12, 16 des Triebstrangs 10 wird im Folgenden insbesondere lediglich auf den Teiltriebstrang 12 eingegangen.
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Der E-Motor 40 ist Bestandteil einer Antriebskomponente 20 des Teiltriebstrangs 12, welche neben dem E-Motor 40 auch eine Leistungselektronik 30 umfasst. Die Leistungselektronik 30 umfasst wiederum eine Erfassungskomponente 22 sowie eine Ausgleichskomponente 32. Des Weiteren umfasst die Leistungselektronik 30 einen Drehzahlsensor 46 zur Ermittlung einer Rotordrehzahl 48 des Elektromotors 40. Unter Vermittlung der Leistungselektronik 30 wird ein Energiefluss 50 aus einer hier nicht weiter dargestellten Hochvoltbatterie für den Elektromotor 40 bereitgestellt, wobei der Elektromotor 40 infolge des Energieflusses 50 ein Antriebsmoment 52 aufwendet, mittels welchem der Teiltriebstrang 12 und damit das Antriebsrad 14 angetrieben wird. Das Antriebsmoment 52 kann dabei fahrsituationsbedingt sowohl einem positiven als auch einem negativen Moment entsprechen und dementsprechend zur Beschleunigung, Konstantfahrt oder zur Verzögerung des Kraftfahrzeugs K dienen. Infolge dynamischer Beschleunigungs- oder Verzögerungsvorgänge des Elektromotors 40 beziehungsweise des Zusatzmotors 70 oder durch unterschiedliche Fahrbahnbeschaffenheit an unterschiedlichen hier nicht weiter dargestellten Achsen des Kraftfahrzeugs K beziehungsweise an den Antriebsrädern 14, 18, treten die Triebstrangschwingungen 56 auf, welche mittels der Leistungselektronik 30 unter besonders geringem Zeitverzug auch dann zumindest weitgehend ausgeglichen werden, wenn die Triebstrangschwingungen 56 besonders hochfrequent sind. Der Elektromotor 40 überträgt unter Vermittlung des Getriebes 60 das Antriebsmoment 52 direkt an das Antriebsrad 14, es ist also keine Kupplung zur Zugkraftunterbrechung zwischen dem Antriebsrad 14 und dem Elektromotor 40 vorgesehen. Gleiches gilt auch für den Zusatzmotor 70 und dessen Drehmomentübertragung an das Antriebsrad 18. Es ist klar, dass die Momentenübertragung durch den Elektromotor 40 beziehungsweise durch den Zusatzmotor 70 auch direkt auf die Antriebsräder 14, 18 erfolgen könnte, wobei dementsprechend auf die Getriebe 60 verzichtet werden könnte. Die Triebstrangschwingungen 56 werden nun mittels des Drehzahlsensors 46 in Form der ebenfalls schwingungsbehafteten Rotordrehzahl 48 des Elektromotors 40 erfasst. Die Schwingung der Rotordrehzahl 48 korrespondiert dabei mit den Triebstrangschwingungen 56, da der Elektromotor 40 direkt und ohne Kupplung mit dem Teiltriebstrang 12 drehmomentübertragend gekoppelt ist. Dementsprechend erfolgt also keine Dämpfung der Triebstrangschwingungen durch ein Kupplungselement. Die Rotordrehzahl 48 wird nun an die Erfassungskomponente 22 der Leistungselektronik 30 übermittelt, wobei in der Erfassungskomponente 22 ein Schwingungsdatensatz 24 ermittelt wird, welcher wiederum die Triebstrangschwingungen 56 beschreibt. Anhand des Schwingungsdatensatzes 24 wird mittels der in der Leistungselektronik integrierten Ausgleichskomponente 32 ein Ausgleichsdatensatz 34 ermittelt, welcher zur Kompensation der Triebstrangschwingungen 56 ausgelegte Steuerbefehle 36 aufweist. Die Steuerbefehle 36 werden an eine Steuereinheit 38 der Leistungselektronik 30 übermittelt und daraufhin der Energiefluss 50 zu dem Elektromotor 40 durch die Steuereinheit 38 angepasst, so dass dem Antriebsmoment 52 ein die Triebstrangschwingungen 56 verringerndes Ausgleichsmoment 54 überlagert wird. Als Betriebsgrenzen werden sowohl ein minimal zulässiges Bremsmoment, welches hier als Bremsmomentenminimum (Mmin) 44 bezeichnet wird sowie ein maximal zulässiges Antriebsmoment, welches hier als Antriebsmomentenmaximum (Mmax) 42 bezeichnet wird, vorgegeben. Die Steuerbefehle 36 des Ausgleichsdatensatzes 34 sind dazu ausgelegt, dass die Überlagerung aus dem Antriebsmoment 52 und dem Ausgleichsmoment 54 zwischen dem Antriebsmomentenmaximum 42 und dem Bremsmomentenminimum 44 liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass bei der Überlagerung zwischen dem Antriebsmoment 52 und dem Ausgleichsmoment 54 also bei dem zumindest teilweisen Ausgleichen der Triebstrangschwingungen 56 mittels destruktiver Interferenz sowohl Sicherheitsaspekte, als auch der Fahrkomfort sowie die Festigkeit der am Antrieb beteiligten Maschinenelemente berücksichtigt werden. Weitere Betriebsgrenzen werden durch Fahrassistenzsysteme wie beispielsweise ABS oder ASR an die Antriebskomponente 20 und somit an die Leistungselektronik 30 zur Steuerung des Elektromotors 40 weitergegeben. Diese Fahrassistenzsysteme sind vorliegend in einer Fahrassistenzkomponente 62 zusammengefasst. Mit anderen Worten werden also zur Ermittlung des Ausgleichsdatensatzes 34 Assistenzdatensätze der Fahrassistenzkomponenten 62 herangezogen, wobei durch die Assistenzdatensätze zumindest ein Grenzwert für das Ausgleichsmoment 54 vorgegeben wird.
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Der Zusatzmotor 70 ist in der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungsform von 2 derart angeordnet, dass mit dem Elektromotor 40 die beiden Antriebsräder 14, 18 einer Achse voneinander unabhängig angetrieben werden können. Es ist klar, dass der Zusatzmotor jedoch auch auf einer anderen Achse des Kraftfahrzeugs K angeordnet sein könnte, also dementsprechend zum Beispiel der Elektromotor 40 ein Hinterrad und der Zusatzmotor 70 ein Vorderrad des Kraftfahrzeugs K antreiben könnte. Der Zusatzmotor 70 erzeugt ein um ein Differenzmoment von dem Antriebsmoment 52 des Elektromotors 40 verschiedenes, hier nicht weiter dargestelltes weiteres Antriebsmoment. Die Steuerbefehle 36 des Ausgleichsdatensatzes 34 sind dazu ausgelegt, dass dieses Differenzmoment betragsmäßig kleiner als ein vorbestimmter Sicherheitswert ist. Es wird also mit anderen Worten durch Vorgabe des Sicherheitswerts verhindert, dass das Differenzmoment betragsmäßig zu groß wird, wodurch es zu sicherheitskritischen Fahrinstabilitäten kommen könnte.
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Um ein einem Fahrerwunsch entsprechendes Sollmoment 68 mittels des Triebstrangs 10 umzusetzen, wird dieses Sollmoment 68 an ein Steuergerät 64 übermittelt und daraus ein Solldatensatz 66 für die beiden Teiltriebstränge 12, 16 bereitgestellt. Unter Vorgabe dieses Solldatensatzes 66 erfolgt die Abgabe des Antriebsmoments 52 durch den Elektromotor 40 beziehungsweise des weiteren Antriebsmoments durch den Zusatzmotor 70.
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Die Überlagerung zwischen dem Antriebsmoment 52 und dem Ausgleichsmoment 54 zur zumindest teilweisen Auslöschung der Triebstrangschwingungen 56 wird auch als Antiruckel-Funktion bezeichnet. Die Antiruckel-Funktion dämpft also auftretende Triebstrangschwingungen 56 des Triebstrangs 70, welche für den Fahrer unangenehm spürbar wären. Diese Triebstrangschwingungen 56 weisen im Normalfall eine bestimmte Frequenz auf, welche auch anhand der Rotordrehzahl 48 erkennbar ist. Diese Frequenz ist abhängig von jeweiligen Massenträgheiten der am Antrieb beteiligten Maschinenelemente der jeweiligen Teiltriebstränge 12, 16 sowie der Übersetzung der Teiltriebstränge 12, 16, also vorliegend der Übersetzung der beiden Getriebe 60, 72. Zur Dämpfung dieser Triebstrangschwingungen 56 wird das Ausgleichsmoment 54 als zu dem Antriebsmoment 52 gegenphasiges und damit komplementäres Drehmoment bereitgestellt. In die Berechnung des Ausgleichsmoments 54 geht unter anderem die Periodendauer der Schwingung ein, welche durch Messungen ermittelt und in der Leistungselektronik 30 parametriert wird. Durch die überlagerten Drehmomentanforderungen anderer Fahrzeugregler, wie den Fahrassistenzkomponenten 62, durch sogenanntes hier nicht gezeigtes Torque Vectoring, Rekuperationsbremsen, sowie durch Bremseingriffe an einer Reibbremse beziehungsweise durch bauliche Änderungen am Fahrzeug zum Beispiel infolge einer Neubereifung durch andere Räder (unterschiedliches Abrollverhalten zwischen jeweiligen Bereifungen verschiedener Hersteller, bzw. zwischen Sommer- und Winterreifen), kann sich diese Periodendauer der Triebstrangschwingungen 56 jedoch ändern. Dadurch würde es zu Abweichungen der Triebstrangschwingungen 56 von den bereits bekannten Werten kommen. Diesem Problem wird damit begegnet, dass die Schwingungsdauer des Ausgleichsmoments 54 im laufenden Betrieb des Kraftfahrzeugs K adaptiert wird und somit immer die richtige Periodendauer zum Ausgleichen der Triebstrangschwingungen 56 ermittelt wird. Das erforderliche Ausgleichsmoment 54 zur Dämpfung der Triebstrangschwingungen 56 wird also zunächst mit einem in der Leistungselektronik 30 hinterlegten Standard-Parametersatz berechnet, um in den häufigsten Fahrsituationen keine Zeit zu verlieren und die Triebstrangschwingungen 56 gleich im Entstehen zu eliminieren (destruktive Interferenz). Falls die nunmehr neu eintretende Periodendauer von dem vorparametrierten Wert der Periodendauer abweicht, kann dementsprechend auf einen anderen Parametersatz umgeschaltet werden. Die Abweichung der neuen Periodendauer von dem vorparametrierten Wert der Periodendauer kann alternativ dazu auch direkt übernommen werden und die Triebstrangschwingungen 56 dementsprechend anhand der neu ermittelten Periodendauer ausgeglichen werden.
