DE102014222779A1

DE102014222779A1 - Verfahren zur Schwingungsdämpfung eines Antriebsstrangs mittels einer Elektromaschine

Info

Publication number: DE102014222779A1
Application number: DE102014222779.8A
Authority: DE
Inventors: Simon Schwunk
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-05-12
Also published as: WO2016070876A1; CN107074240B; JP2017537830A; CN107074240A; US20170334448A1; DE112015007008A5; US10300920B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung eines Antriebsstrangs (2) mit einer Brennkraftmaschine mit einem an einer Kurbelwelle anliegenden Motormoment (Mvm), einer Elektromaschine (6), einem Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle angeordneten Drehmomentübertragungseinrichtung (4) mit zumindest einer schwingungsfähigen Schwungmasse (3, 5, 9) mit einem Trägheitsmoment (J1, J2, J3) sowie einem Zustandsregler (12) zur Regelung der Elektromaschine (6) mittels eines Drehschwingungen an der Getriebeeingangswelle kompensierenden Kompensationsmoments (Mregler). Um eine hochwertige Schwingungsdämpfung zu erzielen, werden Eingangsgrößen des Zustandsreglers (12) mittels zumindest eines Beobachters (13, 14, 14a, 15) rekonstruierten Drehkennwerten der zumindest einen Schwungmasse (3, 5, 9) aus erfassten Drehzahlen oder Drehwinkeln des Antriebsstrangs (2) ermittelt, wobei die rekonstruierten Drehkennwerte abhängig von Störgrößen in Form eines an einem Abtrieb (11) der Drehmomentübertragungseinrichtung (4) anliegenden Lastmoments (Mlast) und eines über die Drehmomentübertragungseinrichtung (4) übertragenen, von dem Motormoment der Brennkraftmaschine induzierten Moments (Mind) ermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung eines Antriebsstrangs mit einer Brennkraftmaschine mit einem an einer Kurbelwelle anliegenden Motormoment, einer Elektromaschine, einem Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle angeordneten Drehmomentübertragungseinrichtung mit zumindest einer schwingungsfähigen Schwungmasse mit einem Trägheitsmoment sowie einem Zustandsregler zur Regelung der Elektromaschine mittels eines Drehschwingungen an der Getriebeeingangswelle kompensierenden Kompensationsmoments.
Antriebsstränge mit einer Brennkraftmaschine und einer Elektromaschine sind als hybridische Antriebsstränge bekannt, bei denen Brennkraftmaschine und/oder Elektromaschine Momente zum Antrieb des Fahrzeugs beitragen. Bei derartigen Antriebssträngen sind Brennkraftmaschine und Elektromaschine miteinander über eine mechanische Schnittstelle gekoppelt und übertragen jeweils das aufgeprägte Motormoment (Brennkraftmaschine) und Betriebsmoment (Elektromaschine) über eine Getriebeeingangswelle auf ein Getriebe und von dort auf die Antriebsräder. Desweiteren ist zwischen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und der Getriebeeingangswelle eine Drehmomentübertragungseinrichtung vorgesehen, die beispielsweise als Drehschwingungsdämpfer Drehschwingungen dämpft, als Reibungskupplung die Kurbelwelle von der Getriebeeingangswelle ab- und zukoppeln kann und/oder in anderer Weise das Motormoment auf die Getriebeeingangswelle überträgt. Desweiteren kann die Drehmomentübertragungseinrichtung eingangsseitig oder ausgangsseitig mit einem Rotor der Elektromaschine drehschlüssig gekoppelt sein.
Die Brennkraftmaschine ist durch deren Wirkungsprinzip drehschwingungsbehaftet, deren Schwingungsanregungendes Antriebsstrangs und der Fahrzeugkarosserie zu Komforteinbußen im Fahrzeug führen und die in bekannter Weise mittels Schwingungsdämpfungseinrichtungen, beispielsweise Drehschwingungsdämpfern, Fliehkraftpendeln und dergleichen bedämpft werden. Zudem können schnelle Änderungen, beispielsweise Sprünge in den Momenten von Elektromaschine oder Brennkraftmaschine beliebige Resonanfrequenzen im Antriebsstrang anregen. Desweiteren ist beispielsweise aus der DE 10 2011 084 548 A1 eine aktive Dämpfungsregelung für ein Hybridfahrzeug bekannt, bei dem ein reduziertes Triebstrangmodell zugrunde gelegt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Schwingungsdämpfung eines Antriebsstrangs vorteilhaft weiterzubilden.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Verfahrens des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene Verfahren dient der Schwingungsdämpfung eines Antriebsstrangs mit einer Brennkraftmaschine mit einem an einer Kurbelwelle anliegenden Motormoment. Das Motormoment ist aufgrund des Arbeitsprinzips der Brennkraftmaschine beispielsweise als Diesel- oder Otto-Motor drehschwingungsbehaftet. Der Antriebsstrang ist als hybridischer Antriebsstrang mit einer Elektromaschine ausgestattet, die einen alleinigen Antrieb des Fahrzeugs mit der Brennkraftmaschine oder der Elektromaschine, einen hybridischen Antrieb, einen Start der Brennkraftmaschine durch die Elektromaschine, eine Rekuperation von mechanischer Energie zu elektrischer Energie und deren Speicherung und dergleichen erlaubt. Desweiteren ist ein Getriebe mit mehreren automatisiert geschalteten oder manuell einlegbaren Gängen, automatisiert betätigten Schaltstufen oder stufenlos einstellbarer Übersetzung mit einer Getriebeeingangswelle vorgesehen. Beispielsweise kann ein Doppelkupplungsgetriebe mit zwei Teilgetrieben mit zwei Getriebeeingangswellen vorgesehen sein. Zwischen der Kurbelwelle und der oder den Getriebeeingangswellen ist eine Drehmomentübertragungseinrichtung vorgesehen, die beispielsweise ein aus einem Drehschwingungsdämpfer, beispielsweise einem Zweimassenschwungrad, Mehrmassenschwungrad, einem Einmassenschwungrad mit nachgeschaltetem Drehschwingungsdämpfer wie Torsionsschwingungsdämpfer in einer Kupplungsscheibe, einem Drehschwingungstilger wie beispielsweise einem Fliehkraftpendel einerseits und/oder einer Schalt- und/oder Anfahrkupplung, Verteilerkupplung und/oder dergleichen gebildet sein kann. Die Drehmomentübertragungseinrichtung weist dabei zumindest eine schwingungsfähige, das heißt von dem Motormoment zur Schwingung anregbare und/oder schwingungstilgende Schwungmasse mit einem Trägheitsmoment auf.
Die Elektromaschine kann direkt oder mittels einer Kupplung abkoppelbar mit der Kurbelwelle an der Riemenscheibenebene oder der Getriebeseite der Brennkraftmaschine verbunden sein oder an der Ausgangsseite der Drehmomentübertragungseinrichtung angeordnet und damit direkt oder abkoppelbar mit der Getriebeeingangswelle verbunden sein oder auf einer Schwungmasse der Drehmomentübertragungseinrichtung beispielsweise gegenüber der Kurbelwelle und/oder gegenüber der Getriebeeingangswelle mittels entsprechender Kupplungen abkoppelbar angeordnet sein. Die Elektromaschine wird zur Bereitstellung der Antriebs-, Start-, Rekuperationsfunktion und dergleichen zur Bereitstellung eines Betriebsmomentsvon einer übergeordneten Steuerung gesteuert. Zur Schwingungsdämpfung des Antriebsstrangs mittels der Elektromaschine ist ein Zustandsregler vorgesehen. Dieser regelt an der Elektromaschine ein Kompensationsmoment der Elektromaschine, welches Drehschwingungen am Abtrieb der Drehmomentübertragungseinrichtung, beispielsweisean der Getriebeeingangswelle kompensiert oder mit anderen Worten die Dämpfung oder auch die Frequenzen des Gesamtsystems des Antriebsstrangs mittels Verschiebung der Schwingungseigenwerte verändert.
Hierbei werden nicht erfassbare Drehkennwerte des Antriebsstrangs als rückgeführte Zustandsgrößen des Zustandsreglers mittels zumindest eines Beobachters ermittelt, der die rekonstruierten Drehkennwerte der zumindest einen Schwungmasse aus erfassten Drehzahlen oder Drehwinkeln des Antriebsstrangs bestimmt. Hierbei werden die rekonstruierten Drehkennwerte abhängig von Störgrößen in Form eines an einem Abtrieb der Drehmomentübertragungseinrichtung anliegenden Lastmoments und eines über die Drehmomentübertragungseinrichtung an dem Abtrieb induzierten Moments ermittelt. Aus den mittels des zumindest einen Beobachters rekonstruierten Drehkennwerten wird mittels des Zustandsreglers das Kompensationsmoment ermittelt und die Elektromaschine mittels diesem geregelt. Der zumindest eine Beobachter kann beispielsweise ein Beobachter nach Luenberger oder dergleichen sein.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn durch die Ermittlung des Kompensationsmoments nicht in die Steuerung des Betriebsmoments der Elektromaschine zum Antrieb des Fahrzeugs oder der Rekuperation eingegriffen wird. Es erfolgt daher eine von der Festlegung des Betriebsmoments getrennte Ermittlung des Kompensationsmoments. Diese wird anschließend auf das Betriebsmoment der Elektromaschine zum hybridischen Betrieb des Antriebsstrangs aufmoduliert, beispielsweise aufaddiert.
Die vorgesehenen, in den zumindest einen Beobachter eingespeisten Drehkennwerte können Drehwinkelund Drehwinkelgeschwindigkeit einer Schwungmasse, Differenzwinkel und/oder Differenzwinkelgeschwindigkeiten zwischen zwei Schwungmassen, beispielsweise einer Primärschwungmasse und einer Sekundärschwungmasse einer als Zweimassenschwungrad ausgebildeten Drehmomentübertragungseinrichtung sein. Beispielsweise können die Drehkennwerte direkt mittels den Schwungmassen zugeordneten Sensoren, beispielsweise an der Kurbelwelle, an der Getriebeeingangswelle angeordneten Inkrementwinkelsensoren, Resolvern oder dergleichen erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Erfassung der Drehkennwerte indirekt beispielsweise mittels an anderen Orten, kinematisch mit den Schwungmassen verbundenen Sensoren, beispielsweise über eine Gangübersetzung des Getriebes mit der Getriebeeingangswelle kinematisch verbundenen Raddrehzahlsensoren der Antriebsräder oder dergleichen vorgesehen sein. Aus den Drehkennwerten in Form von Winkeln, Differenzwinkeln, Differenzwinkelgeschwindigkeiten und dergleichen können dabei mittels Schätzung die fehlenden, das heißt durch Erfassung nicht zugänglichen Drehkennwerte ermittelt werden.
Das Verhalten beispielsweise mittels einer Federeinrichtung miteinander gekoppelter Schwungmassen beispielsweise in Form eines Drehschwingungsdämpfers wie eines Zweimassenschwungrads kann nicht linear sein.
Ein linear ausgelegter Beobachter kann für derartige nichtlinear wirksame Drehmomentübertragungseinrichtungen verwendet werden, indem die Drehkennwerte abhängig von abtriebsseitig wirksamen Störgrößen in Form eines an der Getriebeeingangswelle anliegenden Lastmoments und eines über die Drehmomentübertragungseinrichtung induzierten Moments ermittelt werden. Hierzu kann eine explizite Schätzung von den Störgrößen vorgesehen werden, für diese extern beispielsweise mittels eines Neuro-Fuzzy-Systems, so dass diese als bekannter Eingang vom Beobachter verwendet werden können. Zudem können die Störgrößen über beispielsweise einen Unknown Input Observer vom restlichen System entkoppelt oder als Zustände beispielsweise mittels eines PI-Beobachters geschätzt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann die Schätzungdes über die Drehmomentübertragungseinrichtung übertragenen Momentsmittels eines Neuro-Fuzzy-Systems durchgeführt werden. Hierbei können die Drehkennwerte der Drehmomentübertragungseinrichtung, beispielsweise die Winkelgeschwindigkeiten der Schwungmassen eines Zweimassenschwungrads als Eingangsgrößen, beispielsweise die Drehzahlen der Primär- und Sekundärseite dienen. Alternativ kann unter Annahme periodisch wiederkehrender Nichtlinearitäten ein harmonisch aktiviertes neuronales Netz (HANN) vorgesehenwerden. Vorteil der Verwendung eines HANN ist, dass nur die Sekundärdrehzahl benötigt wird. Alternativ kann die Entkopplung von den Störgrößenmittels eines Beobachters mit unbekanntem Eingang (Unknown Input Observer), beispielsweise Raddrehzahlen der Antriebsgrößen oder dergleichen durchgeführt werden. Alternativ kann die Berücksichtigung der Störgrößenmittels eines Proportional-Integral-Beobachters durchgeführt werden. Im Fall einer Verwendung neuronaler Netze wird das bestimmte Störmoment der Drehmomentübertragungseinrichtung wie beispielsweise eines Zweimassenschwungradsals Eingang auf einen konventionellen, linearen Beobachter gegeben, der das Lastmoment als Zustand schätzen oder geeignet entkoppeln kann. Dieser Beobachter bestimmt dann die fehlenden Drehkennwerte. Die nicht auf neuronalen Netzen beruhenden Methoden zur Linearisierung der Drehmomentübertragungseinrichtung können bereits in die Drehkennwerte bestimmenden Beobachtern integriert sein.
Mit anderen Worten dient ein Zustandsregler, der das benötigte Kompensationsmoment zur aktiven Schwingungsdämpfung anhand von Drehwinkeln und Drehwinkelgeschwindigkeiten der einzelnen Trägheitsmomente des Antriebstrangs der Schwingungsdämpfung beispielsweise von Drehschwingungen, beispielsweise Oberwellen der Brennkraftmaschine, durch Momentensprünge verursachte Schwingungen und dergleichen regelt, der Schwingungsisolation des Antriebsstrangs. Neben dem Beobachter des Antriebsstrangs, beispielsweise zur Rekonstruktion des auf einen Abtrieb einer Drehmomentübertragungseinrichtung wie beispielsweise eines Zweimassenschwungradsoder Eingang eines Getriebes wie beispielsweise Getriebeeingangswelle wird ein Beobachter für die Brennkraftmaschine, insbesondere deren Motormomentvorgesehen und zur Regelung des Zustandsreglers eingesetzt. Die Beobachtung des Motormoments kann auch in den Beobachter des Antriebsstrangs integriert werden.
Hierbei wird mittels der beiden Beobachter ein sogenannter X-Massenschwinger mit der Anzahl x an schwingungsanregbaren, um eine Drehachse drehenden Schwungmassen mit entsprechenden Trägheitsmomenten beobachtet. Von einem derartigen X-Massenschwinger sind beispielsweise an sich bereits drehschwingungsdämpfende Drehschwingungsdämpfer, Zweimassenschwungräder, gegebenenfalls in Kombination mit einem oder mehreren Fliehkraftpendeln und andere Drehmomentübertragungseinrichtungen, beispielsweise Einmassenschwungräder mit zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle angeordneten Drehschwingungsdämpfern wie beispielsweise einem in eine Reibungskupplung integrierten Torsionsschwingungsdämpfer umfasst.
In nicht abschließender Aufzählung sind hierzu folgende Beobachter einsetzbar:

• Neuro-Fuzzy-System auf Basis von zwei Drehzahlen, bevorzugt der Primär- und Sekundärdrehzahl eines Zweimassenschwungrads,
• Beobachter mit unbekanntem Eingang (Unknown-Input-Observer), auf Basis von zwei Drehzahlen, beispielsweise abtriebsseitig wie sekundärseitig und Raddrehzahl
• Proportional-Integral-Beobachter (PI-Observer) auf Basis von zwei Drehzahlen, beispielsweise abtriebsseitig wie sekundärseitig und Raddrehzahl,
• Harmonisch aktiviertes neuronales Netz (HANN) mit nur einer Drehzahl, beispielsweise sekundärseitig,
• Extended-Kalman-Filter
• Partikelfilter
• Zustandsbeobachter für periodische Signale

In dem Beobachter zur Rekonstruktion der Brennkraftmaschine können neben den Drehkennwerten weitere motorspezifische Eingangsgrößen beispielsweise der obere Totpunkt (OT), Zündwinkel und/oder dergleichen verarbeitet werden.
Der Beobachter des Antriebsstrangs kann auch für nicht lineare Systeme wie X-Massenschwinger ausgelegt sein.
Die durch die Kopplungen der Trägheitsmomente im rotatorischen System des Antriebsstrangs entstehenden mechanischen Schwingungen werden im Gegensatz zu einer nicht vorteilhaften Drehzahlregelung mittels einer Sollmomentregelung in verbessertem Maße mittels des Zustandsreglers gedämpft. Hierdurch kann durch Ermittlung und Rückführung der Drehkennwerte wie Winkelgeschwindigkeiten und Verdrehwinkel über einen Regler die Dämpfung und die Steifigkeit des Antriebsstrangs, insbesondere der Drehmomentübertragungseinrichtung wie Zweimassenschwungrad in vorteilhafter Weise erhöht werden. Durch eine Regelung auf ein Sollmoment, bevorzugterweise das Kompensationsmoment der Elektromaschine kann vorteilhafterweise eine aktive Dämpfung vorgeschlagen werden, die eine einfache Integration der Schwingungsdämpfung beispielsweise als unterlagerter Regler ermöglicht, ohne dass eine Einbindung in die Gesamtfahrzeugregelung erforderlich ist.
Die Verwendung einer Zustandsregelung hat zudem weitere Vorteile:

• Es ist ein geschlossener Reglerentwurf mit Einsatz eines Beobachters,
• Es lassen sich die Eigenwerte des Systems beliebig verschieben und auch bei geeigneter vereinfachter Betrachtung physikalisch direkt interpretieren,
• Es bieten sich Dynamikvorteile gegenüber konventionellen Regelungen,
• Bei einer Zustandsraumdarstellung ist grundsätzlich eine Erweiterung auf einen Mehrgrößenregler möglich,
• Durch die Verringerung der maximalen Wellen- und Luftspaltmomente bei Führungssprüngen kann eine Erhöhung der durch Schwingungen veringerten Lebensdauer des Antriebsstrangs ermöglicht werden.

Weiterhin kann der Zustandsregler eine gezielte Einstellung der Dämpfung und der Steifigkeit des Systems wie Drehmomentübertragungseinrichtung ermöglichen und so die Amplituden in den Resonanzstellen des Antriebsstrangs vermindern. Hierbei werden die Winkel und Winkelgeschwindigkeiten der Trägheitsmomente des zugrundegelegten X-Massenschwingers sowie das Lastmoment über einen Beobachter geschätzt. Mittels des vorgeschlagenen Verfahrens einer aktiven Dämpfung in Hybridfahrzeugen können mittels der beiden Beobachter sowohl Sprünge des Elektromotors als auch die Schwingungsanregung durch die Brennkraftmaschine identifiziert und bedämpft werden. Hierbei ist die aktive Dämpfung mittels der Elektromaschine insbesondere durch die Verbindung des Zustandsreglers mit einem Beobachter insbesondere nach Luenberger, einem Kalmanfilter zur Bestimmung des Kurbelwellenmomentes oder ähnlicher Methoden besonders vorteilhaft.
Auf Basis der geschätzten Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine kann das momentane, hochaufgelöste Motormoment geschätzt werden. Eine Erweiterung des Beobachters auf die Schätzung über eine Drehmomentübertragungseinrichtung als nichtlineares Bauteil kann dabei vorteilhaft sein.
Alternativ oder zusätzlich kann aus zumindest einer drehschwingungsrelevanten Größe der Brennkraftmaschine, beispielsweise einer Stellung des Lasthebels, dem oberen Totpunkt (OT) und/oder dergleichen das Motormoment, beispielsweise deren Frequenzverhalten ermittelt und als Eingangsgröße zur Vorsteuerung des Motormoments, beispielsweise dessen gegenüber einem mittleren Moment abweichendes Frequenzverhalten, in dem zumindest einen Beobachter verwendet werden. Beispielsweise kann die Vorsteuerung mit einem um den Einfluss der Drehmomentübertragungseinrichtung wie Zweimassenschwungrad verringerten Beobachter des X-Massenschwingers kombiniert werden. Hierdurch können gegebenenfalls Nichtlinearitäten der Drehmomentübertragungseinrichtung übergangen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein dabei nur stationär erfasster Zustand der Drehmomentübertragungseinrichtung überwunden werden, indem die Nichtlinearitäten der Drehmomentübertragungseinrichtung beispielsweise in Tabellenform im Zustandsregler des X-Massenschwingers hinterlegt werden, um die Güte der Regelung zu erhöhen. Beispielsweise kann eine erste Oberwelle der Brennkraftmaschine abhängig vom Lasthebel in einer Tabelle mit Bezugspunkt zum oberen Totpunkt (OT), zu deren Frequenz und Amplitude hinterlegt werden und entsprechend einem ermittelten wie gemessenen OT verschoben werden. Bei der Drehmomentübertragungseinrichtung in Form eines Zweimassenschwungrads kann dabei ein zwischen den beiden Schwungmassen wirksames Reibmoment und eine Federkonstante einer zwischen den beiden Schwungmassen wirksamen Federeinrichtung hinterlegt werden. Zur Vereinfachung und Verbesserung des Zustandsreglers kann zur Bildung des Kompensationsmoments jeweils nur diejenige Differenz in den Winkelgeschwindigkeiten berücksichtigt werden, welche am stärksten das Schwingverhalten der Brennkraftmaschine beeinflusst. Dies vereinfacht den Reglerentwurf, prinzipiell können jedoch alle Zustände zur Regelung herangezogen werden.
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Antriebsstrangs mit aktiver Schwingungsdämpfung in verschiedenen Ausführungsformen,
2 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung eines rekonstruierten und über eine Drehmomentübertragungseinrichtung übertragenen Motormoments
und
3 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung eines Regler- und Beobachtersystems einer aktiven Schwingungsdämpfung.
Die 1 zeigt das Blockschaltbild 1 mit dem schematisch dargestellten Antriebsstrang 2. Die Schwungmassen 3, 5, 9 bilden dabei einen X-Massenschwinger mit drei Massen, wobei die Schwungmasse 3 mit dem Trägheitsmoment J₁ mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist. Die Schwungmasse 5 mit dem Trägheitsmoment J₂ ist mittels der Federeinrichtung 7 und der Reibeinrichtung 8 mit der Schwungmasse 3 elastisch drehgekoppelt und bildet die Drehmomentübertragungseinrichtung 4 in Form eines Zweimassenschwungrads. Die Drehmomentübertragungseinrichtung 4 ist mittels des Abtriebs 11, beispielsweise mit einer Getriebeeingangswelle eines Getriebes oder dergleichen drehschlüssig gekoppelt und überträgt das Abtriebsmoment M_ab auf die Getriebeeingangswelle. Über die Antriebsräder besteht über die Kopplung 10 eine Drehkoppelung zu der Schwungmasse 9 mit dem Trägheitsmoment J₃ zwischen der Getriebeeingangswelle und den Antriebsrädern.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Schwungmasse 5 mit dem Rotor der Elektromaschine 6 drehgekoppelt oder aus diesem gebildet. Die Elektromaschine 6 bildet mit der Brennkraftmaschine den hybridischen Antrieb des Fahrzeugs, startet gegebenenfalls die Brennkraftmaschine und rekuperiert während Bremsvorgängen des Fahrzeugs mechanische Energie in elektrische Energie. Hierzu wird die Elektromaschine 6 mittels des Betriebsmoments M_boost von einer Gesamtsteuerung des Fahrzeugs gesteuert. Von der Gesamtsteuerung wird zudem die Brennkraftmaschine gesteuert und überträgt abhängig von deren Steuerung das drehschwingungsbehaftete Motormoment M_vm auf die Schwungmasse 3. Über die mechanische Regelstrecke mit entsprechenden Systemzuständen und einem gegebenenfalls nicht linearen Verhalten der Drehmomentübertragungseinrichtung 4 wird die Kombination aus Motormoment M_vm und Elektromaschinenmoment M_em (3) der Elektromaschine 6 als Abtriebsmoment M_ab auf das Getriebe und anschließend auf die Antriebsräder des Fahrzeugs übertragen.
Zur aktiven Schwingungsdämpfung des Antriebsstrangs 2 ermittelt der Zustandsregler 12 das Kompensationsmoment M_regler, das auf das Betriebsmoment M_boost aufmoduliert, beispielsweise diesem aufgeprägt und im einfachsten Fall aufaddiert wird. Insoweit ist die aktive Schwingungsdämpfung durch die Elektromaschine 6 unabhängig von der Gesamtsteuerung des Fahrzeugs und kann daher als Zusatzmodul im Wesenlichen für alle Hybridantriebsstränge zur Verfügung gestellt, gegebenenfalls auch nachgerüstet werden.
Der Zustandsregler 12 wird mit rückgeführten Zustandsgrößen wie erfassbaren oder rekonstruierten Drehkennwerten des Antriebsstrangs 2, beispielsweise Drehwinkeln φ₁, φ₂, φ₃, Drehwinkelgeschwindigkeiten ω₁, ω₂, ω₃ und dergleichen der Schwungmassen 3, 5, 9 betrieben, wobei aus diesen in vorgesehenen Taktraten die jeweiligen Differenzwinkel- und Differenzwinkelgeschwindigkeiten gebildet und ausgewertet werden. Diese Drehkennwerte werden mittels der Beobachter 13, 14, 15 gewonnen, wobei die Zusammenstellung, Anordnung und Verknüpfung der Beobachter 13, 14, 15 in Form mehrerer Ausführungsformen dargestellt ist.
In einem ersten Ausführungsbeispiel dient zumindest der Beobachter 13 der Rekonstruktion der Brennkraftmaschine beziehungsweise deren rekonstruiertem Motormoment M_vm,r beziehunsgweise deren Drehkennwerten. Diese Rekonstruktion erfolgt hier anhand der Drehwinkelgeschwindigkeit ω₁ der Schwungmasse 3, also der Kurbelwelle und der Drehkennwerte wie Drehwinkelgeschwindigkeit ω₂ der Schwungmasse 5, also der Sekundärseite der Drehmomentübertragungseinrichtung 4 und des zugehörigen Drehwinkels φ₂. Mittels des rekonstruierten Motormoments M_vm,r wird in dem Beobachter 14 der X-Massenschwinger des Antriebsstrangs 2 beispielsweise abhängig von dessen Eigenschaften wie Dynamik und dergleichen und dem am Abtrieb anliegenden Lastmoment M_last identifiziert und die Drehkennwerte der Schwungmassen 3, 5 rekonstruiert. In dem Beobachter 15 wird die Elektromaschine 6 mittels vorgegebener Stromgrößen I, des Drehwinkels φ₂ oder dergleichen identifiziert und das rekonstruierte Elektromaschinenmoment M_em,r wird ermittelt. Hierbei wird die gegebenenfalls vorhandene Nichtlinearität der Drehmomentübertragungseinrichtung 4 in dem Beobachter 14 abgebildet. Alternativ kann das rekonstruierte Motormoment M_vm,r mittels eines beispielsweise über CAN-Bus bereitsgestellten mittleren Motormoments M_vm,m durch Schätzung, ein Neuro-Fuzzy-System, ein Kalmann-Filter oder dergleichen ermittelt werden.
In einer zweiten Ausführungsform wird anstatt des rekonstruierten Motormoments M_vkm,r anhand derselben Eingangsgrößen das an der Schwungmasse 5 induzierte Moment M_ind geschätzt, welches als Eingangsgröße des Beobachters 14 dient.
In einer dritten Ausführungsform wird das induzierte Moment M_ind über eine Vorsteuerung oder ähnliche Einrichtung aus der Lasthebelstellung w_L, dem oberen Totpunkt OT ermittelt und dem Beobachter 14 zugeführt.
In einer vierten Ausführungsform entfällt der Beobachter 13 und die als Störgrößen in dem Beobachter 14 entkoppelten beziehunsgweise berücksichtigten Momente in Form des induzierten Moments M_ind und des Lastmoments M_last werden mittels der dem Trägheitsmoment J₃ zugeordneten Drehkennwerte, beispielsweise in Form der Drehwinkel φ₃ und/oder der Drehwinkelgeschwindigkeiten ω₃ identifiziert und entkoppelt beziehungsweise geschätzt. Der Beobachter 14 kann hierzu beispielsweise als Unknown-Input-Pbserver oder PI-Beobachter ausgebildet sein.
Die 2 zeigt unter Bezug auf das Blockschaltbild 1 der 1 das Blockschaltbild 16, das die Identifizierung der als Zweimassenschwungrad ausgebildeten Drehmomentübertragungseinrichtung 4 und die Rekonstruktion des auf den Abtrieb 11 induzierten Moments M_ind schematisch darstellt. Das Referenzmodell 17 des Beobachters benutzt die Differenzwinkel Δφ₁₂ und die Differenzwinkelgeschwindigkeiten Δω₁₂ zwischen den Schwungmassen 3, 5. Eine Linearisierung wird erzielt, indem in dem Referenzmodell 17 ein Satz von lokalen linearen, die Systemeigenschaften der Drehmomentübertragungseinrichtung 4 charakterisierenden Modulen 18, 19, ... 20 entsprechend der Gleichung M_ind = c·Δφ₁₂ + d·Δω₁₂ mit den Parametrierungsfaktoren c, d eingesetzt wird.
Hierbei erfolgt eine Gewichtung der einzelnen Module 18, ... 20 anhand der Gewichtungsfunktionen Φ₁, Φ₂, ... Φ_M mittels der Eingangsgrößen der Drehzahl ω₂ der Schwungmasse 5 und des Differenzwinkels Δφ₁₂ der beiden Schwungmassen 3, 5. Alternativ kann beispielsweise als Modell folgende Übertragungsfunktion der Drehmomentübertragungseinrichtung ŷ_i(u) = w_i,0 + w_i,1·u₁ + w_i,2·u₂ + w_i,3·u₁ ² + w_i,4·u₂ ² + w_i,5·u₁·u₂ mit den Eingangswerten u₁, u₂, beispielsweise den Differenzwinkeln Δφ₁₂und den Differenzwinkelgeschwindigkeieten Δω₁₂ (2) und Parametrierungsfaktoren w_i,0, w_i,1, w_i,2, ... w_i,5 zugrunde gelegt werden.
Die 3 zeigt das Blockschaltbild 21, bei dem der Beobachter 14a zur Identifizierung dessich gegebenenfalls aufgrund der Drehmomentübertragungseinrichtung 4a nicht linear verhaltenden Antriebsstrangsund Rekonstruktion derenrekonstruierten Drehkennwerte als linearer Beobachter in verschiedenen Ausführungsmöglichkeitenausgebildet wird. Die Eingänge des Beobachters 14a sind das in Block 23 aus dem Betriebsmoment M_boost und dem Kompensationsmoment M_regler gebildete Elektromaschinenmoment M_em. In einer ersten Ausführungsform übernimmt die nicht lineare Schätzung das Neuro-Fuzzy-Sytem 22, welches als Eingangsgrößen die Drehwinkelgeschwindigkeiten ω₁, ω₂ der Schwungmassen der Drehmomentübertragungseinrichtung, also der Primär- und Sekundärseite eines Zweimassenschwungrads verarbeitet. Der Zustandsregler 12a erzeugt aus den Drehkennwerten des Beobachters 14a entsprechend dem Zustandsregeler 12 und dem Beobachter 14 der 1 das Kompensationsmoment M_regler. Hierbei wird das über die Drehmomentübertragungseinrichtung 4a übertragene Motormoment M_vkm als Störeingang identifiziert und als Eingangsgröße dem Beobachter 14a zugeführt. Hierbei ermöglicht eine entsprechende Parametrierung des Zustandsreglers 12a eine freie Eingabe von Systemeigenschaften, beispielsweise Fequenzen, Dämpfungsfaktoren und dergleichen der Drehmomentübertragungseinrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform kann unter Verwendung des linearen Beobachters 14a unter Weglassung des Neuro-Fuzzy-Systems 22 unter Annahme einer periodisch in einem vorgegebenen Drehwinkel auftretenden Nichtlinearität ein harmonisch aktiviertes neuronales Netz trainiert werden. Hierbei wirdbevorzugt offline, das heißt, beispielsweise vor dem Einsatz der aktiven Schwingungsdämpfung, für jeden Betriebszustand der Verlauf der Drehkennwerte der Drehmomentübertragungseinrichtung ermittelt und beispielsweise als Tabelle abgelegt, so dass jeder Betriebszustand im Betrieb in Echtzeit abgerufen und zur Regelung des Kompensationsmoments verwendet werden kann. Als Eingangsgröße für das HANN reicht dabei ein sekundärseitiger Drehkennwert, beispielsweise die sekundärseitige Drehzahl eines Zweimassenschwungrads aus.
In einer weiteren Ausführungsform kann unter Verzicht auf das Neuro-Fuzzy-System 22 der Beobachter 14 mit unbekannten Eingängen (Unknown-Input-Observer), beispielsweise dem Lastmoment M_Last und dem induzierten Motormoment M_ind versehen werden. Hierbei werden diese als unbekannte Störgrößen mittels regelungstechnischer Methoden berücksichtigt. Als unbekannte Eingangsgrößen in den Unknown-Input-Oberserver dienen zur Entkoppelung der Störgrößen zwei abtriebsseitige Drehkennwerte, beispielsweise die sekundärseitige Drehzahl und eine Raddrehzahl der Antriebsräder. Hierbei kann beispielsweise auf über CAN-Bus übertragene und mit einer Totzeit behaftete Raddrehzahlsignale der Antriebsräder zurückkgegriffen werden.
Desweiteren kann der lineare Beobachter 14a als PI-Beobachter entsprechend einem Unknown-Input-Observer ausgelegt werden. Im Unterscheid zu diesem werden in dem PI-Beobachter anstatt einer Entkopplung der Störgrößen die Störgrößen als Zustände geschätzt.
Bezugszeichenliste

1: Blockschaltbild
2: Antriebsstrang
3: Schwungmasse
4: Drehmomentübertragungseinrichtung
4a: Drehmomentübertragungseinrichtung
5: Schwungmasse
6: Elektromaschine
7: Federeinrichtung
8: Reibeinrichtung
9: Schwungmasse
10: Kopplung
11: Abtrieb
12: Zustandsregler
12a: Zustandsregler
13: Beobachter
14: Beobachter
14a: Beobachter
15: Beobachter
16: Blockschaltbild
17: Referenzmodell
18: Modul
19: Modul
20: Modul
21: Blockschaltbild
22: Neuro-Fuzzy-System
23: Block
24: Block
25: Block
I: Stromgröße
J₁: Trägheitsmoment
J₂: Trägheitsmoment
J₃: Trägheitsmoment
M_ab: induziertes Motormoment
M_boost: Betriebsmoment
M_ind: induziertes Moment
M_em: Elektromaschinenmoment
M_em,r: konstruiertes Elektromaschinenmoment
M_last: Lastmoment
M_regler: Kompensationsmoment
M_vm: Motormoment
M_vm,r: rekonstruiertes Motormoment
M_vm,m: rekonstruiertes Motormoment
OT: oberer Totpunkt
w_L: Lasthebelstellung
Δφ₁₂: Differenzwinkel
Δω₁₂: Differenzwinkelgeschwindigkeit
Φ₁: Gewichtungsfunktion
Φ₂: Gewichtungsfunktion
Φ_M: Gewichtungsfunktion
φ₁: Drehwinkel
φ₂: Drehwinkel
φ₃: Drehwinkel
ω₁: Drehwinkelgeschwindigkeit
ω₂: Drehwinkelgeschwindigkeit
ω₃: Drehwinkelgeschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011084548 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Schwingungsdämpfung eines Antriebsstrangs (2) mit einer Brennkraftmaschine mit einem an einer Kurbelwelle anliegenden Motormoment (M_vm), einer Elektromaschine (6), einem Getriebe mit einer Getriebeeingangswelle und einer zwischen Kurbelwelle und Getriebeeingangswelle angeordneten Drehmomentübertragungseinrichtung (4, 4a) mit zumindest einer ein vorgegebenes Trägheitsmoment (J₁, J₂, J₃) aufweisenden, schwingungsfähigen Schwungmasse (3, 5, 9) sowie einem Zustandsregler (12, 12a) zur Regelung der Elektromaschine (6) mittels eines Drehschwingungen kompensierenden Kompensationsmoments (M_regler), dadurch gekennzeichnet, dass Eingangsgrößen des Zustandsreglers (12, 12a), welche rekonstruierte Drehkennwerte der zumindest einen Schwungmasse (3, 5, 9) sind, mittels zumindest eines Beobachters (13, 14, 14a, 15), aus erfassten Drehzahlen oder Drehwinkeln des Antriebsstrangs (2) ermittelt werden, wobei die rekonstruierten Drehkennwerte abhängig von Störgrößen in Form eines an einem Abtrieb (11) der Drehmomentübertragungseinrichtung (4, 4a) anliegenden Lastmoments(M_last) und eines über die Drehmomentübertragungseinrichtung (4, 4a) übertagenen, abhängig von dem Motormoment (M_vm) der Brennkraftmaschine ermittelten, induzierten Moments (M_ind) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsmoment (M_regler) auf ein Betriebsmoment (M_boost) der Elektromaschine (6) aufmoduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Drehkennwerte Drehwinkel (φ₁, φ₂, φ₃), Differenzwinkel (Δφ₁₂) zwischen zwei Schwungmassen und/oder Winkelgeschwindigkeiten (ω₁, ω₂, ω₃) oder Differenzwinkelgeschwindigkeiten (Δω₁₂) zwischen zwei Schwungmassen (3, 5) verarbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Schätzung aus einzelnen Drehkennwerten alle erforderlichen Drehkennwerte ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Beobachter (14, 14a) linear ausgebildet ist und ein nichtlineares Verhalten der Drehmomentübertragungseinrichtung (4, 4a) mittels eines nichtlinearen Schätzers rekonstruiert wird oder die Nichtlinearität mittels einer Entkopplung der Störgrößen oder Bestimmung der Störgröße kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schätzung nichtlinearer Drehkennwerte der Drehmomentübertragungseinrichtung mittels eines Neuro-Fuzzy-Systems (22) mittels der Drehkennwerten zweier Schwungmassen der Drehmomentübertragungseinrichtung (4, 4a) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schätzung mittels eines harmonisch aktivierten neuronalen Netzes auf Basis der Drehkennwerte der Drehmomentübertragungseinrichtung (4, 4a) am Abtrieb (11) oder eines Rotors der Elektromaschine (6) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplung von den Störgrößen mittels eines Beobachters mit unbekanntem Eingangmittels zweier abtriebsseitiger Drehkennwerte durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schätzung der Störgrößen mittels eines Proportional-Integral-Beobachtersmittels zweier abtriebsseitiger Drehkennwerte durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus zumindest einer drehschwingungsrelevanten Größe der Brennkraftmaschine das induzierte Moment (M_ind) ermittelt und als Eingangsgröße zur Vorsteuerung des induzierten Moments (M_ind) in dem zumindest einen Beobachter (14) verwendet wird.