DE102014201005A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs, insbesondere zum Betrieb während des Übergangs des Antriebsstrangs vom Stillstand in den bewegten Zustand auf der Grundlage eines Sollmomentes, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass durch Schwingungsanregung des Antriebsstrangs (310) eine Drehmomentspitze des Abtriebsmoments erzeugt wird, mittels der ein kontrollierter Übergang des Antriebsstrangs vom Stillstand in den bewegten Zustand erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, einen elektronischen Datenträger zur Speicherung des Computerprogramms und ein elektronisches Steuergerät, mittels derer das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
  • Stand der Technik
  • Elektrisch angetriebene Fahrzeuge oder Maschinen weisen einen elektrischen bzw. elektromechanischen Antriebsstrang auf, welcher meist einen Elektromotor und ein aus einen Antrieb und einem Abtrieb gebildeten Getriebe umfasst. Das Getriebe kann in einigen Fällen sehr vereinfacht sein, wobei der Elektromotor den jeweiligen mechanischen Verbraucher nahezu unmittelbar antreibt.
  • Bei solchen Antriebssträngen stellt der Übergang vom Stillstand in den bewegten Zustand bzw. der Betrieb des Elektromotors mit relativ geringer Drehzahl einen besonderen mechanischen Belastungszustand für den Antrieb dar, da im Stillstand eine relativ große Haftreibung sowohl bei den bewegten Teilen des Elektromotors als auch bei denen des Getriebes vorliegt, zu deren Überwindung eine besonders große Kraft bzw. hohes Drehmoment aufgebracht werden muss.
  • Darüber hinaus bedeutet der genannte Übergang in den bewegten Zustand insbesondere bei permanent erregten elektrischen Maschinen (z.B. permanent erregten Synchronmaschinen) bzw. bei der dort eingesetzten Leistungselektronik auch eine hohe elektrische bzw. thermische Belastung, da im Betriebspunkt „hohes Drehmoment im Stillstand“ ein großer Teil des elektrischen Stroms für einen längeren Zeitraum über nur einen von mehreren (meist sechs) Leistungsschaltern der Leistungselektronik und während einer festen Phasenlage der elektrischen Maschine fließt, und dadurch sowohl die Leistungselektronik als auch die elektrische Maschine thermisch stark belastet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, beim Betrieb eines hier betroffenen Elektromotors mit relativ geringer Drehzahl bzw. beim Übergang eines entsprechenden Antriebs vom Stillstand in den bewegten Zustand die genannte Haftreibung dadurch zu überwinden, dass am Abtrieb des elektrischen Antriebsstrangs, im Falle eines Elektrofahrzeugs bevorzugt an den Fahrzeugrädern, durch Anregung einer Antriebsstrangschwingung bzw. durch erzwungene Oszillation des entsprechenden Sollmoments eine, insbesondere im Wesentlichen kurzzeitige, Drehmomentspitze erzeugt wird, mittels der ein kontrolliertes Losbrechen bzw. Losrütteln des elektrischen Antriebsstrangs ermöglicht wird. Dadurch wird das Nutzungspotential des Antriebssystems erheblich erweitert bzw. verbessert.
  • Die Erzeugung einer genannten Antriebsstrangschwingung hat insbesondere bei Anwendung des Verfahrens bei einer permanent erregten elektrischen Maschine den weiteren Vorteil, dass die Antriebsstrangschwingung auf den Elektromotor rückwirkt und dort eine leichte Pendelbewegung um einen durch den Stillstand des Elektromotors bedingten Ruhepunkt hervorruft, welche die genannte thermische Belastung in den genannten Phasen der Leistungselektronik und der elektrischen Maschine erheblich verringert, solange das Getriebe bzw. der Abtrieb des Antriebsstrangs noch stillsteht. Durch die Vermeidung eines genannten ungünstigen Betriebspunktes werden/wird daher die Lebensdauer bzw. Leistungsfähigkeit der Leistungselektronik und/oder der genannten elektrischen Maschine erheblich verbessert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte: Prüfen, ob ein neues Sollmoment vorliegt, Prüfen, ob die einem neuen Sollmoment entsprechende Drehzahl des Antriebsstrangs bzw. dessen Abtriebs einen Schwellenwert nicht überschreitet, bei Erfülltsein der genannten Schritte, Beaufschlagen des Sollmomentes mit einer Schwingung, Erfassen der momentanen Drehzahl des Antriebsstrangs, um zu erkennen, ob sich der Antriebsstrang nicht nur oszillatorisch, sondern effektiv in eine Drehrichtung bewegt, und im Falle einer nicht erkannten effektiven Drehbewegung des Antriebsstrangs bzw. dessen Abtriebs, erneutes Beaufschlagen des Sollmomentes mit einer Schwingung. Dieses Verfahren lässt sich technisch einfach und damit kostengünstig realisieren, z.B. durch entsprechende Programmierung eines bei der elektrischen Maschine oder dem Fahrzeug bereits vorhandenen Steuergeräts.
  • Die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch noch weiter verbessert werden, dass im Falle einer für das genannte Losbrechen des Antriebsstrangs nicht ausreichenden Drehmomentspitze erneut eine gegenüber der/den vorhergehenden Schwingung/en modifizierte Schwingung angeregt wird. Die Modifikation kann durch Veränderung der Wellenform der zu überlagernden Schwingung und/oder durch Veränderung von Frequenz und/oder Amplitude der zu überlagernden Schwingung erfolgen, wobei die Frequenz im Wesentlichen im Bereich der Eigenschwingungsfrequenz des Antriebsstrangs bzw. dessen Abtriebs verändert wird. Durch die zuletzt genannte Maßnahme wird sichergestellt, dass die Drehmomentspitze möglichst effizient erzeugt werden kann.
  • Die Erfindung kann in elektrisch betriebenen Maschinen oder Fahrzeugen jeglicher Art mit den hierin beschriebenen Vorteilen zur Anwendung kommen. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt schematisch ein Feder-Masse-Modell eines hier betroffenen Antriebsstrangs.
  • 2 zeigt das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Ablaufdiagramms.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Das in 1 gezeigte Feder-Masse-Modell umfasst auf der linken Seite einen Antrieb 100 und auf der rechten Seite einen in dem vorliegenden Beispiel feststehenden Abtrieb 105. Das Modell umfasst demnach drei Torsionsfedern 100, 105, 120 mit jeweiligen Federkonstanten Ks1, Ks2 und Ks3. Die beiden Schwungmassen 110, 115 sind durch ihr jeweiliges Massenträgheitsmoment JM1 und JM2 charakterisiert. Wird nun an der linken Seite ein gezeigtes Drehmoment (τ) 107 ausgeübt, wird – unter der Annahme, dass die Torsionsfedern 100, 105, 120 keine Eigenmasse besitzen – an der rechten Seite ein entsprechendes Drehmoment bewirkt.
  • Ein hier betroffener Antriebsstrang einschließlich einer elektrischen Maschine kann daher als solches Feder-Masse-System betrachtet werden. Durch Anregung von Eigenschwingungen bzw. Resonanzen entstehen im Abtrieb Momentenspitzen, welche größer sind als das rein statisch maximal mögliche Antriebsmoment. Dadurch wird das gewünschte „Losbrechen“ des Antriebsstrangs unterstützt. Sobald sich der gesamte Antriebsstrang bewegt, muss nur noch die Gleitreibung überwunden werden. Daher kann in diesem Fall die Schwingungsanregung, wie in der 2 illustriert, beendet werden.
  • Die 2 veranschaulicht das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von typischen Messkurven. Dabei wird angenommen, dass ein in einem Elektrofahrzeug angeordneter elektrischer bzw. elektromechanischer Antriebsstrang eine Sollwertvorgabe für den Elektromotor bzw. die elektrische Maschine von einem Aktor oder Sensor, z.B. einem Fahrpedal, erhält. Diese Sollwertvorgabe entspricht einem Fahrerwunsch für die Fahrzeugbeschleunigung und wird an ein Motorsteuergerät weitergegeben. Anhand einer in dem Elektrofahrzeug zusätzlich angeordneten Leistungselektronik erfolgt in an sich bekannter Weise die Umrechnung der Sollwertvorgabe in ein Sollmoment 200, dessen Umsetzung durch den Elektromotor bzw. Antriebsstrang mittels eines Drehzahlreglers sichergestellt wird.
  • Unter der weiteren Annahme, dass das Sollmoment 200 so gering ist, dass der Abtrieb des Antriebsstrangs wegen der genannten Haftreibung noch nicht aus dem Stillstand in den bewegten Zustand übergegangen ist, wird auf den Antriebsstrang ein erfindungsgemäß modifiziertes, d.h. oszillierendes Sollmoment 205 angewendet. Die Oszillation verursacht in der 2 dargestellte Schwingungen der Drehzahl 210 des Antriebsstrangs bzw. seines genannten Abtriebs, und zwar im Wesentlichen um einen Nullpunkt herum, welche das genannte Losbrechen des Antriebsstrangs und damit eine gezeigte Erhöhung der Drehzahl 210 ermöglichen. Sobald sich der Abtrieb effektiv in eine Drehrichtung bewegt, wird die Oszillation des Sollmoments beendet.
  • Gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst geprüft 300, ob ein neuer Fahrerwunsch vorliegt. Ist dies der Fall, wird weiter geprüft 305, ob die auf der Grundlage eines neuen Fahrerwunsches von dem Drehzahlregler bestimmte Drehzahl einen Schwellenwert nicht überschreitet, so dass angenommen werden kann, dass eine genannte relativ geringe Drehzahl vorliegt. Ist auch diese Bedingung erfüllt, wird dem wie genannt berechneten Sollmoment eine Schwingung überlagert 310.
  • Nach erfolgter Überlagerung der Schwingung wird die momentane Drehzahl des Antriebsstrangs bzw. des Abtriebs erfasst 315, um zu erkennen, ob sich der Abtrieb nicht nur oszillatorisch um den genannten Nullpunkt, sondern effektiv in eine Drehrichtung bewegt. Wird ein sich bewegender Abtrieb erkannt, erfolgt keine weitere Schwingungsanregung mehr 320. Andernfalls wird zu Schritt 310 zurückgesprungen und erneut eine, wie nachfolgend beschrieben ggf. modulierte, Schwingung überlagert.
  • Als Wellenform dieser zu überlagernden Schwingung kommt bevorzugt eine Sinusschwingung in Betracht, jedoch kann grundsätzlich auch jede andere Wellenform, wie z.B. ein Rechteck, Dreieck oder Sägezahn, oder eine Kombination aus einer oder mehreren der genannten Wellenformen, angewendet werden. Die Frequenz und Amplitude der Schwingung sind bevorzugt variabel und werden während des Betriebs, d.h. bei jeder weiteren Schwingungsanregung 310, jeweils so moduliert, dass der Antriebsstrang auf verschiedene Weise, wie in 2 gezeigt, angeregt wird. Je nach Anwendung kann die Vielfalt bei der genannten Variation der Schwingungsanregung beschränkt werden, z.B. durch Beschränkung der Schwingungsamplitude auf 20% des berechneten Sollmoments.
  • Bei einer eingangs genannten, permanent erregten elektrischen Maschine, z.B. einer permanent erregten Synchronmaschine, ergeben sich bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens die folgenden weiteren Vorteile. Während sich der Abtrieb noch nicht bewegt, die genannte Schwingung aber bereits angeregt wurde, pendelt bzw. oszilliert der Rotor der elektrischen Maschine aufgrund der genannten Rückwirkung. Dadurch verteilt sich der elektrische Strom gleichmäßiger auf alle drei Phasen, was zu einer gleichmäßigeren thermischen Belastung der Leistungsschalter der Leistungselektronik sowie der Wicklungen der Maschine führt.
  • Das beschriebene Verfahren kann in Form eines Steuerprogramms für ein elektronisches Steuergerät zur Steuerung einer elektrischen Maschine oder in Form einer oder mehrerer entsprechender elektronischer Steuereinheiten (ECUs) realisiert werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebsstrangs, insbesondere zum Betrieb des Antriebsstrangs während des Übergangs vom Stillstand in den bewegten Zustand auf der Grundlage eines Sollmomentes, dadurch gekennzeichnet, dass durch Schwingungsanregung des Antriebsstrangs (310) eine Drehmomentspitze erzeugt wird, mittels der ein kontrollierter Übergang des Antriebsstrangs vom Stillstand in den bewegten Zustand erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsanregung eine im Wesentlichen kurzzeitige Schwingungsanregung ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentspitze an einem Abtrieb des Antriebsstrangs erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Anwendung insbesondere bei einer permanent erregten elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsanregung in der Weise erfolgt, dass die Antriebsstrangschwingung auf die elektrische Maschine rückwirkt und dort eine im Wesentlichen leichte Pendelbewegung um einen durch den Stillstand der elektrischen Maschine bedingten Ruhepunkt bewirkt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Prüfen (300), ob ein neues Sollmoment vorliegt, Prüfen (305), ob die einem neuen Sollmoment entsprechende Drehzahl des Antriebsstrangs bzw. dessen Abtriebs einen Schwellenwert nicht überschreitet, bei Erfülltsein der genannten Schritte (300, 305), Beaufschlagen (310) des Sollmomentes mit einer Schwingung, Erfassen (315) der momentanen Drehzahl des Antriebsstrangs, um zu erkennen, ob sich der Antriebsstrang nicht nur oszillatorisch, sondern effektiv in eine Drehrichtung bewegt, und im Falle einer nicht erkannten effektiven Drehbewegung des Antriebsstrangs bzw. dessen Abtriebs, erneutes Beaufschlagen (310) des Sollmomentes mit einer Schwingung.
  5. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erneute Beaufschlagen (310) des Sollmomentes mit einer gegenüber der/den vorhergehenden Schwingung/en modifizierten Schwingung erfolgt. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Modifikation durch Veränderung der Wellenform der zu überlagernden Schwingung erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Modifikation durch Veränderung von Frequenz und/oder Amplitude der zu überlagernden Schwingung erfolgt, wobei die Frequenz im Wesentlichen im Bereich der Eigenschwingungsfrequenz des Antriebsstrangs bzw. dessen Abtriebs verändert wird.
  7. Computerprogramm zur Ausführung aller Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn es auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät ausgeführt wird.
  8. Elektronischer Datenträger zur Speicherung eines Computerprogramms gemäß Anspruch 9, wobei das Computerprogramm alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät oder einem elektronischen Steuergerät ausgeführt wird.
  9. Elektronisches Steuergerät zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
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