DE102015013541A1

DE102015013541A1 - Verfahren zum Betrieb einer Elektromaschine

Info

Publication number: DE102015013541A1
Application number: DE102015013541.4A
Authority: DE
Inventors: Josef Rusch; Andreas Petz; Roman Strasser
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: DE102015013541B4; CN106585621A; US20170106853A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer mit einer Abtriebswelle (2) eines Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs (4) gekoppelten Elektromaschine (3), wobei die Elektromaschine (3) in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) und/oder wenigstens eines Betriebsparameters der Elektromaschine (3) derart angesteuert wird, dass ein Kompensationsmoment, das bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors (1) auftretende Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors (1) aufgrund einer Betriebsphase des Verbrennungsmotors (1) zumindest teilweise kompensiert, auf die Abtriebswelle (2) übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer mit einer Abtriebswelle eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs gekoppelten Elektromaschine. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
Bei Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Viertakt-Hubkolben-Motoren, führt die Taktfolge von Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen dazu, dass ein über die Zeit variierendes Drehmoment von dem Motor auf die Kurbelwelle übertragen wird. Es ist möglich, dass durch diese zeitliche Variation des bereitgestellten Drehmoments Drehschwingungen in die Abtriebswelle eingekoppelt werden. Um diese Schwingungen zu dämpfen, ist es bekannt, ein sogenanntes Zweimassenschwungrad zu verwenden, das zwei Schwungräder umfasst, von denen eines motorseitig und eines getriebeseitig angeordnet ist und die mit Feder- und/oder Dämpfelemente verbunden sind.
Derartige Zweimassenschwungräder sind relativ aufwendig und können bei großen Laufleistungen verschleißen. Zudem können sie die Leistung des Kraftfahrzeugs begrenzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein dem gegenüber verbessertes Verfahren zur Reduzierung von Drehschwingungen im Antriebstrakt eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Elektromaschine in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors und/oder wenigstens eines Betriebsparameters der Elektromaschine derart angesteuert wird, dass ein Kompensationsmoment, das bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors auftretende Drehmomentschwankungen aufgrund einer Betriebsphase des Verbrennungsmotors zumindest teilweise kompensiert, auf die Abtriebswelle übertragen wird.
Es wird somit vorgeschlagen, eine mit der Abtriebswelle gekoppelte Elektromaschine anzusteuern, um Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors aktiv zu kompensieren. Unter Drehmomentschwankungen sind in diesem Zusammenhang die im Wesentlichen periodischen Variationen des Drehmoments des Verbrennungsmotors zu verstehen, die aufgrund der Arbeitstakte einzelner Zylinder beziehungsweise der Phase des jeweiligen Arbeitstaktes entstehen. Diese sind einem Drehmoment, das der Verbrennungsmotor bereitstellen soll, überlagert. Als Elektromaschine kann eine Elektromaschine verwendet werden, die im Kraftfahrzeug genutzt wird, um als Generator Energie zu gewinnen und/oder als Elektromotor die Fahrleistung des Kraftfahrzeugs zu erhöhen.
Als die Elektromaschine kann eine als Außenläufer ausgebildete Elektromaschine verwendet werden. Bei gleicher Baugröße hat der Rotor einer als Außenläufer ausgebildete Elektromaschine eine größere Rotationsträgheit als der Rotor einer als Innenläufer ausgebildeten Maschine, da er einen größeren Radius aufweist. Da die Elektromaschine und somit der Rotor mit der Abtriebswelle gekoppelt sind, wird auch die Rotationsträgheit der Abtriebswelle erhöht. Eine größere Rotationsträgheit der Abtriebswelle führt jedoch dazu, dass hochfrequente Drehmomentschwankungen an der Abtriebswelle gedämpft werden, womit eine verbesserte Dämpfung von Drehschwingungen aufgrund von Betriebsphasen des Verbrennungsmotors erreicht werden kann.
Als die Elektromaschine kann eine Elektromaschine verwendet werden, deren Rotor drehfest mit der Abtriebswelle gekoppelt ist. Dadurch wird eine direkte Bedämpfung der Schwingungen an der Abtriebswelle erreicht. Alternativ wäre es möglich, den Rotor des Elektromotors über Zahnräder, einen Planetenradsatz, Riemen, Getriebe oder Ähnliches an die Abtriebswelle zu koppeln.
Als der Betriebsparameter der Elektromaschine kann ein erfasster Drehwinkel und/oder eine erfasste Drehzahl der Elektromaschine ausgewertet werden. Die Elektromaschine ist vorzugsweise drehfest oder mit fester Übersetzung an die Abtriebswelle gekoppelt. Somit besteht ein bekannter Zusammenhang zwischen der Drehzahl des Verbrennungsmotors und der Drehzahl der Elektromaschine sowie zwischen einem Drehwinkel der Verbrennungsmaschine und einen Drehwinkel der Elektromaschine.
Bei der Berücksichtigung eines Drehwinkels der Elektromaschine als Betriebsparameter kann ein Drehwinkel derart ausgewertet werden, dass mehrere Umdrehungen der Elektromaschine berücksichtigt werden. Ein viertaktiger Betriebszyklus eines Verbrennungsmotors umfasst beispielsweise vier Kolbenhübe und somit typischerweise zwei Umdrehungen einer Kurbelwelle. Ein Betriebszyklus entspricht somit einer Rotation der Abtriebswelle um 720°. Bei einer drehfesten Verbindung von Rotor und Abtriebswelle rotiert auch der Rotor um 720°. Je nach Verbrennungsmotor und Übersetzung zwischen Abtriebswelle und Rotor der Elektromaschine können unterschiedliche Winkelbereiche erfasst werden. Drehwinkel von mehr als 360° können beispielsweise erfasst werden, indem ein Drehwinkel im Bereich von 0 bis 360° erfasst wird, wobei über einen Zähler die Anzahl der erfolgten Umdrehungen erfasst wird.
Der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors kann durch eine Motorsteuerung des Verbrennungsmotors bereitgestellt werden. Moderne Kraftfahrzeuge umfassen typischerweise Motorsteuerungen, die eine Vielzahl von Betriebsparametern des Motors, beispielsweise die Zündzeitpunkte und eine Stellung einer Kurbel- und/oder einer Nockenwelle, erfassen und Steuersignale für beispielsweise die Einspritzventile und die Zündung bereitstellen. Anhand dieser Betriebsparameter und/oder Steuersignale ist eine momentane Betriebsphase des Verbrennungsmotors und somit eine zu erwartende Schwankung des bereitgestellten Drehmoments ermittelbar. Da eine Datenverarbeitung in der Motorsteuerung typischerweise digital erfolgt, können entsprechende Daten leicht über einen Fahrzeugbus, beispielsweise über einen CAN-Bus, an eine Steuereinrichtung der Elektromaschine bereitgestellt werden. Es ist auch möglich, eine Steuereinrichtung für die Elektromaschine in die Motorsteuerung des Verbrennungsmotors zu integrieren.
Als der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors kann ein momentaner Takt wenigstens eines Zylinders des Verbrennungsmotors und/oder eine Phase innerhalb eines Taktes ausgewertet werden. Unter einem Takt sind bei einem Viertaktmotor die vier Takte des Ansaugens, des Verdichtens, des Verarbeitens und des Ausstoßens zu verstehen. Eine Phase innerhalb des jeweiligen Taktes kann einer Stellung des Kolbens in einem der Zylinder oder einem Drehwinkel der Kurbelwelle entsprechen.
Die Ansteuerung der Elektromaschine kann je nach Art der Elektromaschine unterschiedlich erfolgen. Wird die Elektromaschine ausschließlich als Generator genutzt, kann ein auf die Abtriebswelle ausgeübtes Drehmoment variiert werden, indem eine elektrische Last an der als Generator betriebenen Elektromaschine variiert wird. Bei einem Betrieb als Elektromotor kann die dem Elektromotor zugeführte Leistung variiert werden. Ist für die Elektromaschine ohnehin eine Vektorregelung vorhanden, kann eine Anpassung des Drehmoments auf die Abtriebswelle über diese Vektorregelung erfolgen.
Die Höhe eines durch die Elektromaschine auf die Abtriebswelle zu übertragenden Drehmoments kann fest in Abhängigkeit des oder der erfassten Betriebsparameter des Verbrennungsmotors beziehungsweise der Elektromaschine erfolgen. Beispielsweise können Lookup-Tabellen oder Rechenvorschriften in einer Steuereinrichtung der Elektromaschine vorgehalten werden, die eine Umsetzung des oder der Betriebsparameter in eine oder mehrere Steuergrößen ermöglichen. Es ist jedoch auch möglich, die Steuerung in der Art eines Regelkreises durchzuführen, wobei in Abhängigkeit eines Betriebsparameters oder einer aus einem oder mehreren Betriebsparametern abgeleiteten Größe eine oder mehrere Steuergrößen erhöht oder erniedrigt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Proportional- und/oder eine Integralregelung erfolgen.
Die Elektromaschine kann zur Steigerung der Fahrleistung oder zur Rekuperation von Energie derart angesteuert werden, dass sie ein Drehmoment auf die Abtriebswelle überträgt, dass die Summe aus einem vorgegebenen Fahrleistungsmoment oder Rekuperationsmoment und einem Kompensationsmoment ist, dass die Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors aufgrund seiner Betriebsphase zumindest teilweise kompensiert. Das Fahrleistungs- beziehungsweise Rekuperationsmoment und das Kompensationsmoment können gleichgerichtet oder einander entgegengerichtet sein.
Neben dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor, eine mit dem Verbrennungsmotor gekoppelte Elektromaschine und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Elektromaschine umfasst, wobei die Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Elektromaschine kann als Außenläufer ausgebildet sein. Der Rotor der Elektromaschine kann drehfest mit der Abtriebswelle gekoppelt sein.
Selbstverständlich lassen sich Merkmale die bezüglich des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs offenbart sind, und Merkmale die bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens offenbart sind, auf den jeweils anderen Erfindungsgegenstand entsprechend übertragen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung zeigen die folgenden Ausführungsbeispiele sowie die zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen schematisch:
1 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, und
3 eine Detailansicht des in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
1 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer mit einer Abtriebswelle eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs gekoppelten Elektromaschine. Das Verfahren wird mit Bezug auf 2 und 3 erläutert, wobei 2 eine Kraftfahrzeug 4 zeigt, das einen Verbrennungsmotor 1, eine Abtriebswelle 2 des Verbrennungsmotors 1 und eine mit der Abtriebswelle 2 gekoppelte Elektromaschine 3 umfasst. 3 zeigt eine Detailansicht dieser Komponenten.
Das Kraftfahrzeug 4 wird durch den Verbrennungsmotor 1 angetrieben, in dem ein Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 über die Abtriebswelle 2 zu einem Getriebe 5 geführt wird, von dem es nach einer Übersetzung auf die Zwischenwelle 8 über das Differential 6 auf die Hinterräder 7 verteilt wird. Bei dem Verbrennungsmotor 1 handelt es sich um einen Viertaktmotor, dessen Drehmoment im Verlauf der Takte seiner Zylinder schwankt. Ein Zylinder des Verbrennungsmotors 1 kann nur in seinem Arbeitstakt ein Drehmoment an die Abtriebswelle 2 bereitstellen. In anderen Takten, insbesondere im Verdichtungstakt, muss Arbeit aufgewandt werden, um den Kolben des Zylinders zu bewegen, weshalb in diesen Takten ein negatives Drehmoment auf die Abtriebswelle 2 übertragen wird. Auch innerhalb der einzelnen Takte variiert das bereitgestellte beziehungsweise aufgenommene Drehmoment. Diese Drehmomentschwankungen können durch eine Nutzung mehrerer Zylinder, die phasenversetzt arbeiten, teilweise kompensiert werden. Um Gewicht im Kraftfahrzeug 4 zu sparen, soll jedoch häufig ein Verbrennungsmotor 1 mit einer kleinen Zylinderzahl, beispielsweise mit drei oder vier Zylindern genutzt werden. Mit sinkender Zylinderzahl steigt die Ungleichmäßigkeit des bereitgestellten Drehmoments, wodurch Vibrationen auf die Abtriebswelle und somit über das Getriebe 5 auf die Zwischenwelle 8 übertragen werden.
Diese Vibrationen sollen durch das in 1 gezeigte Verfahren aktiv gedämpft werden. Hierzu wird in Schritt S1 zunächst ein Betriebsparameter der Elektromaschine 3, nämlich ein Drehwinkel des Rotors 9, erfasst. Wie in 3 dargestellt, ist der Rotor 9 der Elektromaschine 3 starr mit der Abtriebswelle 2 des Verbrennungsmotors 1 verbunden. Der Rotor 9 umläuft als Außenläufer den Stator 10 der Elektromaschine 3. Zur größeren Klarheit sind die Spulen und Permanentmagnete der Elektromaschine 3 nicht gezeigt. Da der Rotor 9 starr mit der Abtriebswelle 2 gekoppelt ist, entspricht ein Drehwinkel des Rotors 9 einem Drehwinkel der Abtriebswelle 2, der direkt einer Stellung der einzelnen Zylinder zugeordnet werden kann. Der Drehwinkel der Elektromaschine 3 beziehungsweise des Rotors 9 kann durch einen Sensor erfasst werden, es ist jedoch auch möglich, einen Drehwinkel direkt aus einer Steuereinrichtung 11 auszulesen, die die Elektromaschine 3 steuert. Im gezeigten Beispiel erfolgt die Steuerung der Elektromaschine 3 durch eine Vektorregelung, bei der ohnehin eine Rotorstellung des Elektromotors erfasst wird.
Da es sich bei dem Verbrennungsmotor 1 um einen Viertaktmotor handelt, umfasst ein Arbeitszyklus jedes Zylinders vier Takte und somit vier Kolbenhübe. Alleine aus einem Drehwinkel des Rotors 9 beziehungsweise einer Abtriebswelle 2 kann daher eine Arbeitsphase des jeweiligen Zylinders und somit des gesamten Verbrennungsmotors 1 nicht eindeutig ermittelt werden. Daher wird in Schritt S2 durch die Steuereinrichtung 11 von einer Motorsteuerung 12 des Verbrennungsmotors 1 zusätzlich eine Taktinformation abgefragt, die den momentanen Takt wenigstens eines Zylinders des Verbrennungsmotors beschreibt.
Aus den in den Schritten S1 und S2 erfassten Informationen wird in Schritt S3 eine Betriebsphase des Verbrennungsmotors 1 eindeutig bestimmt und ein dieser Betriebsphase zugeordnetes Kompensationsmoment ermittelt. Dies erfolgt durch eine vorgegebene Rechenregel. Alternativ könnte eine Lookup-Tabelle genutzt werden.
Die Größe der durch die verschiedenen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors 1 erzeugten Drehmomentschwankungen kann von weiteren Parametern, insbesondere von einer Drehzahl des Verbrennungsmotors 1, abhängen. Daher können in weiteren nicht gezeigten Schritten weitere Parameter der Elektromaschine 3 und/oder des Verbrennungsmotors 1 erfasst werden, insbesondere eine Drehzahl des Verbrennungsmotors 1 oder der Elektromaschine 3 und die Bestimmung des Kompensationsmoments in Schritt S3 kann in Abhängigkeit dieser weiteren Parametern erfolgen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren soll die Elektromaschine 3 zudem nutzbar sein, um bei einem Bremsen des Kraftfahrzeugs 4 Bewegungsenergie als elektrische Energie zu rekuperieren und um bei einem Beschleunigungsvorgang des Kraftfahrzeugs 4 ein zusätzliches Drehmoment zur Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 4 bereitzustellen. In Schritt S4 wird daher ein Drehmoment ermittelt, das als Boost-Moment zusätzlich auf die Abtriebswelle 2 übertragen werden soll oder das als Rekuperationsmoment in elektrische Energie umgesetzt werden soll. Das Boost- beziehungsweise Rekuperationsmoment wird in Abhängigkeit mehrerer Fahrzeugparameter bestimmt, insbesondere in Abhängigkeit einer Gaspedalstellung, eines im Getriebe 5 gewählten Gangs und/oder eines eingestellten Betriebsmodus des Kraftfahrzeugs, der angibt, inwieweit ein besonders sportliches oder ein besonders energiesparendes Fahren gewünscht ist. Verfahren zur Bestimmung von Boost- beziehungsweise Rekuperationsmomenten sind im Stand der Technik bekannt und sollen nicht detailliert geschildert werden.
In Schritt S5 wird das in Schritt S3 bestimmte Kompensationsmoment zu dem in Schritt S4 bestimmten Boost- beziehungsweise Rekuperationsmoment addiert, um ein Gesamtmoment zu bestimmen, das durch die Elektromaschine 3 auf die Abtriebswelle übertragen werden soll. Aus diesem Gesamtmoment werden in Schritt S6 durch die Steuereinrichtung 11 Steuergrößen für die Elektromaschine 3 bestimmt. Bei der genutzten Vektorregelung kann insbesondere ein vorgegebener Soll-q-Wert der Vektorregelung gemäß dem in Schritt S5 bestimmten Gesamtdrehmoment vorgegeben werden. Alternativ wäre es auch möglich, direkt Spulenströme oder -spannungen für Spulen der Elektromaschine 3 zu bestimmen und über einen Digital-Analog-Wandler auszugeben. In Schritt S7 erfolgt die Ansteuerung der Elektromaschine 3 in Abhängigkeit der in Schritt S6 bestimmten Steuergrößen.
Um eine effiziente Dämpfung von durch Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors 1 an der Abtriebswelle 2 angeregten Schwingungen zu erreichen, ist, wie in 3 dargestellt, der Rotor 9 der Elektromaschine 3 starr mit der Abtriebswelle 2 verbunden. Durch die starre Verbindung wird vermieden, potentiell verschleißanfällige Kopplungselemente zwischen dem Rotor 9 und der Abtriebswelle 2 zu nutzen.
Die Elektromaschine 3 ist zudem als Außenläufer ausgebildet, bei dem der Rotor 9 um einen innerhalb des Rotors 9 angeordneten Stators 10 rotiert. Diese Ausbildung der Elektromaschine 3 führt dazu, dass die Rotationsträgheit der Elektromaschine 3 beziehungsweise des Rotors 9 gegenüber einer Elektromaschine gleicher Größe, die als Innenläufer ausgebildet ist, größer ist. Dies führt aufgrund der starren Kopplung des Rotors 9 mit der Abtriebswelle 2 dazu, dass auch die Rotationsträgheit der Abtriebswelle 2 größer ist als bei der Nutzung eines Innenläufers, womit effektiv eine Tiefpassfilterung der auf die Abtriebswelle 2 übertragenen Drehmomente erreicht wird. Die aufgrund der unterschiedlichen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors 1 erzeugten Drehmomentschwankungen sind hochfrequenter als Drehmomentänderungen aufgrund von Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen des Kraftfahrzeugs 4. Daher können die Drehmomentschwankungen im Wesentlichen als eine Überlagerung eines hochfrequenten Schwingungsmoments auf ein langsam veränderliches Drehmoment aufgefasst werden. Aufgrund der Trägheit der Elektromaschine 3 werden sie daher zusätzlich gedämpft.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer mit einer Abtriebswelle (2) eines Verbrennungsmotors (1) eines Kraftfahrzeugs (4) gekoppelten Elektromaschine (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (3) in Abhängigkeit wenigstens eines Betriebsparameters des Verbrennungsmotors (1) und/oder wenigstens eines Betriebsparameters der Elektromaschine (3) derart angesteuert wird, dass ein Kompensationsmoment, das bei einem Betrieb des Verbrennungsmotors (1) auftretende Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors (1) aufgrund einer Betriebsphase des Verbrennungsmotors (1) zumindest teilweise kompensiert, auf die Abtriebswelle (2) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die Elektromaschine (3) eine als Außenläufer ausgebildete Elektromaschine (3) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als die Elektromaschine (3) eine Elektromaschine (3) verwendet wird, deren Rotor (9) drehfest mit der Abtriebswelle (2) gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Betriebsparameter der Elektromaschine (3) ein erfasster Drehwinkels und/oder eine erfasste Drehzahl der Elektromaschine (3) ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (1) durch eine Motorsteuerung (12) des Verbrennungsmotors (1) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (1) ein momentaner Takt wenigstens eines Zylinders des Verbrennungsmotors (1) und/oder eine Phase innerhalb eines Taktes ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (3) zur Steigerung der Fahrleistung des Kraftfahrzeugs (4) oder zur Rekuperation von Energie derart angesteuert wird, dass sie ein Drehmoment auf die Abtriebswelle (2) überträgt, dass die Summe aus einem vorgegebenen Fahrleistungsmoment oder Rekuperationsmoment und einem Kompensationsmoment ist, dass die Drehmomentschwankungen des Verbrennungsmotors (1) aufgrund seiner Betriebsphase zumindest teilweise kompensiert.
Kraftfahrzeug, umfassend einen Verbrennungsmotor (1), eine mit dem Verbrennungsmotor (1) gekoppelte Elektromaschine (3) und eine Steuereinrichtung (11) zur Steuerung der Elektromaschine (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (11) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (3) als Außenläufer ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (9) der Elektromaschine (3) drehfest mit der Abtriebswelle (2) gekoppelt ist.