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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur aktiven Dämpfung von Schwingungen in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung auch einen Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug.
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Elektrofahrzeuge weisen üblicherweise mindestens einen Elektromotor auf, mittels welchem das Elektrofahrzeug rein elektrisch angetrieben wird. Mit anderen Worten ist keine Brennkraftmaschine im Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs vorgesehen. Damit die Drehzahl und das Drehmoment des Elektromotors an den jeweiligen Fahrbetrieb des Elektrofahrzeugs anpassbar sind, wird in der Regel ein Getriebe dem Elektromotor nachgeschaltet.
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Beispielsweise offenbart die
DE 101 26 348 A1 ein Verfahren zur Lieferung einer Vortriebskraft für ein Hybridfahrzeug. Ein Hybridfahrzeug ist ein Fahrzeug, das zumindest zwei Energiequellen aufweist, wobei ein elektrisches Hybridfahrzeug eine elektrische Maschine und einen Verbrennungsmotor aufweist. Der Verbrennungsmotor und die elektrische Maschine, nachfolgend Motor/Generator System genannt, arbeiten zusammen, um eine Eingangswellendrehzahl auf eine Zieldrehzahl für einen neuen Gang zu ändern. Während dieser Periode werden hohe Verstärkungen dazu verwendet, um die Zieldrehzahl so schnell wie möglich zu erreichen. Wenn das Motor/Generator-System und der Verbrennungsmotor die Zieldrehzahl erreichen und sich dort stabilisieren, wird ein gefilterter Wert eines Summendrehmoments gemessen. Dieser Wert ist eine Kombination von Drehmomentfehlern und der Größe des Drehmoments, die erforderlich ist, um die Eingangswelle bei dieser Drehzahl zu drehen. Dieser Wert kann dazu verwendet werden, Drehmomentkarten zu korrigieren, wird aber hauptsächlich für einen Offsetwert und ein Startdrehmoment bei Eingriff des Ganges verwendet. Auf diese Art und Weise kann, wenn der Gang eingerückt ist, ein Drehmoment von wirklich Null an der Eingangswelle gehalten werden, und anschließend, nachdem der Gang eingerückt ist, kann ein neues Drehmomentprofil ausgehend von der wirklichen Null dazu verwendet werden, das Drehmoment auf die Eingangswelle rampenartig zu erhöhen. Dies steigert die Ruckfreiheit des Schaltens merklich.
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Ferner offenbart die
DE 10 2013 104 656 A1 ein elektrisches Hybridfahrzeug sowie ein Verfahren zum Steuern des Hybridfahrzeugs. In einem rein elektrischen Betrieb des Hybridfahrzeugs wird ein Lastwechsel eines Antriebsdrehmoments von einem Zugbetrieb in einem Schubbetrieb oder umgekehrt zwischen einem Ist-Drehmoment und einem Soll-Drehmoment eingeleitet. Zunächst wird eine erste Drehmomentrampe mit einer ersten Drehmomentänderungsrate bis zu einem ersten Drehmomentgrenzwert eingestellt. Beim Erreichen des ersten Drehmomentgrenzwertes wird die erste Drehmomentänderungsrate auf eine zweite Drehmomentänderungsrate reduziert. Eine zweite Drehmomentrampe wird bis zum Erreichen eines zweiten Drehmomentgrenzwertes eingestellt. Anschließend wird eine dritte Drehmomentrampe mit einer dritten Drehmomentänderungsrate bis zum Erreichen des Soll-Drehmoments eingeleitet.
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Der Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs ist gegenüber dem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeugs direkter und weniger träge. Insbesondere ist eine elektrische Maschine im Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs starr mit dem Getriebe gekoppelt, wobei in der Regel formschlüssige Verbindungselemente und Schaltelemente in Form von Klauen verwendet werden. Im Antriebsstrang ist ein gewisses Spiel notwendig und somit auch vorhanden. Aufgrund des Spiels im Antriebsstrangs treten bei einem Lastwechsel eines Antriebsdrehmoments von einem Zugbetrieb des Elektrofahrzeugs in einem Schubbetrieb des Elektrofahrzeugs oder umgekehrt ungewünschte Schwingungen und Schlaggeräusche auf. Mithin werden die Schlaggeräusche und Schwingungen durch ein Umschlagspiel bei einem Nulldurchgang des Drehmoments von einem positiven zu einem negativen Drehmoment oder umgekehrt generiert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur aktiven Dämpfung von Schwingungen und somit auch von Schlaggeräuschen in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs zu schaffen. Insbesondere sollen hochdynamische Schwingungen bei einem Lastwechsel eines Antriebsdrehmoments von einem Zugbetrieb des Elektrofahrzeugs in einem Schubbetrieb des Elektrofahrzeugs oder umgekehrt reduziert werden. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur aktiven Dämpfung von Schwingungen in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs wird ein Lastwechsel eines Antriebsdrehmoments von einem Zugbetrieb des Elektrofahrzeugs in einem Schubbetrieb des Elektrofahrzeugs oder umgekehrt zwischen einem Ist-Drehmoment und einem Soll-Drehmoment eingeleitet, wobei zunächst eine erste Drehmomentrampe mit einer ersten Drehmomentänderungsrate bis zu einem ersten Drehmomentgrenzwert eingestellt wird, wobei beim Erreichen des ersten Drehmomentgrenzwertes, der höchstens 20% des maximalen Antriebsdrehmoments des Elektrofahrzeugs beträgt, die erste Drehmomentänderungsrate um mindestens 80% auf eine zweite Drehmomentänderungsrate reduziert wird, wobei eine zweite Drehmomentrampe mit der zweiten Drehmomentänderungsrate mindestens 5 Millisekunden lang bis zum Erreichen eines zweiten Drehmomentgrenzwertes eingestellt wird, und wobei anschließend eine dritte Drehmomentrampe mit einer dritten Drehmomentänderungsrate bis zum Erreichen des Soll-Drehmoments eingeleitet wird.
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Mit anderen Worten wird der Betrieb des Antriebsstrangs, insbesondere der Betrieb der elektrischen Maschine im Antriebsstrang zur aktiven Dämpfung von Schwingungen vorgeschlagen, wobei das Startdrehmoment das Ist-Drehmoment ist, das positiv oder negativ sein kann, und wobei ein Zieldrehmoment das Soll-Drehmoment ist, das aufgrund des Lastwechsels bzw. des Nulldurchgangs negativ oder positiv, und somit entgegengesetzt zum Ist-Drehmoment ist.
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Beispielsweise ist das Soll-Drehmoment negativ, wenn das Ist-Drehmoment positiv ist. Demensprechend ist das Soll-Drehmoment positiv, wenn das Ist-Drehmoment negativ ist. Ein Lastwechsel geht stehts mit einem Umschlagen der rotierenden bzw. drehmomentübertragenden Elemente im Antriebsstrang des Elektrofahrzeugs einher. Dies ist mit Schwingungen bzw. Vibrationen sowie Schlaggeräuschen verbunden.
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Die Schwingungen und Schlaggeräusche werden dadurch reduziert, dass vom Startdrehmoment bis zum Zieldrehmoment drei Drehmomentrampen eingestellt werden, die mit einer jeweiligen Drehmomentänderungsrate vom Ist-Drehmoment über die beiden Grenzdrehmomente bis hin zum Soll-Drehmoment durchlaufen werden. Wesentlich ist, dass der erste Drehmomentgrenzwert höchstens 20% des maximalen Antriebsdrehmoments des Elektrofahrzeugs beträgt und die erste Drehmomentänderungsrate um mindestens 80% auf eine zweite Drehmomentänderungsrate reduziert wird, wobei die zweite Drehmomentrampe mit der zweiten Drehmomentänderungsrate mindestens 5 Millisekunden lang bis zum Erreichen des zweiten Drehmomentgrenzwertes eingestellt wird.
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Beispielsweise beträgt das maximale Antriebsdrehmoment des Elektrofahrzeugs 400 Nm (Newtonmeter). Dann beträgt der erste Drehmomentgrenzwert höchstens 80 Nm. Die erste Drehmomentänderungsrate könnte 3,2 Nm/ms (Newtonmeter/Millisekunden) betragen. Mit anderen Worten wird innerhalb von 100 ms das Drehmoment von 400 Nm auf 80 Nm gedrosselt. Danach wird eine zweite Drehmomentänderungsrate eingestellt, die mindestens 80% kleiner ist als die erste Drehmomentänderungsrate und somit höchstens 0,64 Nm/ms beträgt. Die zweite Drehmomentänderungsrate wird zumindest 5 ms gehalten. Nach Ablauf der Haltedauer bzw. Betriebsdauer mit der zweiten Drehmomentänderungsrate ist der zweite Drehmomentgrenzwert erreicht, sodass die dritte Drehmomentrampe mit der dritten Drehmomentänderungsrate bis zum Erreichen des Soll-Drehmoments eingeleitet wird.
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Vorzugsweise beträgt der Drehmomentgrenzwert mindestens 5% bis höchstens 10% des maximalen Antriebsdrehmoments des Elektrofahrzeugs. Bevorzugt wird die erste Drehmomentänderungsrate um mindestens 90% auf die zweite Drehmomentänderungsrate verringert. Ferner bevorzugt wird die erste Drehmomentänderungsrate um 100% verringert, wobei die zweite Drehmomentänderungsrate dann Null beträgt. Wenn die zweite Drehmomentänderungsrate Null beträgt wird das Drehmoment während des Betriebs mit der zweiten Drehmomentänderungsrate nicht verändert, sodass der erste Drehmomentgrenzwert gleich dem zweiten Drehmomentgrenzwert ist.
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Insbesondere wird die zweite Drehmomentänderungsrate höchstens 100 Millisekunden gehalten, bevor die dritte Drehmomentänderungsrate eingeleitet wird. Somit beträgt die Betriebsdauer mit der zweiten Drehmomentänderungsrate mindestens 5 Millisekunden bis höchstens 100 Millisekunden.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung entspricht eine Dauer des Lastwechsels des Antriebsdrehmoments von dem Ist-Drehmoment bis zum Soll-Drehmoment einer Summe einer doppelten Periodendauer einer Eigenschwingung des Antriebsstrangs und einer Betriebsdauer mit der zweiten Drehmomentänderungsrate. Dadurch ergibt sich eine maximale Schwingungsdämpfung in kürzester Zeit.
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Die Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs kann über Sensoren, die zum Erfassen von Schwingungen vorgesehen sind, ermittelt werden.
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Unter der Periodendauer ist das kleinste örtliche oder zeitliche Intervall, nach dem sich ein regelmäßiger Vorgang, nämlich die Schwingung wiederholt. Die Periodendauer der Schwingung entspricht dem Kehrwert der Frequenz dieser Schwingung. Die zweite Drehmomentänderungsrate beginnt mit dem ersten Drehmomentgrenzwert und endet mit dem zweiten Drehmomentgrenzwert. Der zweite Drehmomentgrenzwert wird abhängig von der Haltedauer nach mindestens 5 Millisekunden jedoch höchstens 100 Millisekunden erreicht, wobei nach der Haltedauer bzw. Betriebsdauer der zweiten Drehmomentänderungsrate die dritte Drehmomentänderungsrate eingeleitet wird.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die erste Drehmomentänderungsrate aus einem Quotienten einer Differenz zwischen dem ersten Drehmomentgrenzwert und dem Ist-Drehmoment sowie genau einer Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs gebildet. Mit anderen Worten wird zunächst die Differenz zwischen dem ersten Drehmomentgrenzwert und dem Ist-Drehmoment gebildet, wobei dieser Differenzwert durch eine einzige Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs geteilt wird. Daraus resultiert die erste Drehmomentänderungsrate. Die erste Drehmomentänderungsrate gibt somit die Steigung der ersten Drehmomentrampe an, deren Anfangsdrehmoment das Ist-Drehmoment ist, wobei deren Enddrehmoment der erste Drehmomentgrenzwert ist, und wobei deren Betriebsdauer genau eine Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs ist.
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Ferner bevorzugt wird die dritte Drehmomentänderungsrate aus einem Quotienten einer Differenz zwischen dem Soll-Drehmoment und einem zweiten Drehmomentgrenzwert sowie einer Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs gebildet, wobei der zweite Drehmomentgrenzwert den Beginn der dritten Drehmomentänderungsrate einleitet. Mit anderen Worten wird zunächst die Differenz zwischen dem Soll-Drehmoment und dem zweiten Drehmomentgrenzwert gebildet, wobei dieser Differenzwert durch eine einzige Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs geteilt wird. Daraus resultiert die dritte Drehmomentänderungsrate. Die dritte Drehmomentänderungsrate gibt somit die Steigung der dritten Drehmomentrampe an, deren Anfangsdrehmoment der zweite Drehmomentgrenzwert ist, wobei deren Enddrehmoment das Soll-Drehmoment ist, und wobei deren Betriebsdauer genau eine Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs ist.
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Ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang für ein Elektrofahrzeug umfasst mindestens eine elektrische Maschine, ein Getriebe und eine Steuereinrichtung, wobei die mindestens eine elektrische Maschine mit dem Getriebe wirkverbunden ist, und wobei die Steuereinrichtung zum Betrieb der mindestens einen elektrischen Maschine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtet ist. Ferner umfasst der Antriebsstrang auch eine Sensoreinrichtung mit mehreren Sensoren zum Ermitteln der Eigenschwingungen des Antriebsstrangs.
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Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs für ein Elektrofahrzeug,
- 2 ein vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur aktiven Dämpfung von Schwingungen in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, und
- 3 ein vereinfachtes Diagramm zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur aktiven Dämpfung von Schwingungen in einem Antriebsstrang eines Elektrofahrzeugs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Gemäß 1 umfasst ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang 1 für ein Elektrofahrzeug eine elektrische Maschine 8, ein Getriebe 9 und eine Steuereinrichtung 10. Die elektrische Maschine 8 ist über eine Antriebswelle 11 mit dem Getriebe 9 wirkverbunden, wobei das Getriebe 9 über eine Abtriebswelle 12 mit einem Fahrzeugabtrieb 13 wirkverbunden ist. Die Steuereinrichtung 10 ist zum Betrieb der elektrischen Maschine 8 nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zur aktiven Dämpfung von Schwingungen im Antriebsstrang 1 des Elektrofahrzeugs eingerichtet. Die Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1 wird über eine dafür vorgesehene Sensoreinrichtung 14 im Antriebsstrang 1 ermittelt. Dazu ist die Steuereinrichtung 10 über eine erste elektrische Leitung 15a mit der elektrischen Maschine 8 und über eine zweite elektrische Leitung 15b mit der Sensoreinrichtung 14 verbunden.
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Gemäß 2 und 3 ist das erfindungsgemäße Verfahren in zwei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt, wobei die beiden Diagramme zur Veranschaulichung des jeweiligen Verfahrens zur aktiven Dämpfung von Schwingungen im Antriebsstrang 1 des Elektrofahrzeugs vorgesehen sind. Auf der Ordinate Y ist das Antriebsdrehmoment des Elektrofahrzeugs in Newtonmeter (Nm) aufgetragen, wobei auf der Abszisse X die Zeit in Millisekunden (ms) aufgetragen ist.
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Unabhängig von dem jeweiligen Ausführungsbeispiel wird ein Lastwechsel eines über die elektrische Maschine 8 in den Antriebsstrang 1 eingeleiteten Antriebsdrehmoments von einem Zugbetrieb 2 des Elektrofahrzeugs in einem Schubbetrieb 3 des Elektrofahrzeugs (siehe 2) oder umgekehrt (siehe 3) zwischen einem Ist-Drehmoment 4 und einem Soll-Drehmoment 5 eingeleitet. Erfindungsgemäß wird zunächst eine erste Drehmomentrampe A mit einer ersten Drehmomentänderungsrate 6a bis zu einem ersten Drehmomentgrenzwert 7a eingestellt. Beim Erreichen des ersten Drehmomentgrenzwertes 7a, der mindesten 5% bis höchstens 20% des maximalen Antriebsdrehmoments des Elektrofahrzeugs beträgt, wird die erste Drehmomentänderungsrate 6a um mindestens 80% (siehe 2) bis zu 100% (siehe 3) auf eine zweite Drehmomentänderungsrate 6b reduziert. Eine zweite Drehmomentrampe B wird mit der zweiten Drehmomentänderungsrate 6b mindestens 5 ms bis höchstens 100 ms lang bis zum Erreichen eines zweiten Drehmomentgrenzwertes 7b eingestellt. Anschließend wird eine dritte Drehmomentrampe C mit einer dritten Drehmomentänderungsrate 6c bis zum Erreichen des Soll-Drehmoments 5 eingestellt. Dadurch werden die Schwingungen beim Lastwechsel des Antriebsdrehmoments minimiert.
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Eine Dauer des Lastwechsels des Antriebsdrehmoments von dem Ist-Drehmoment 4 bis zum Soll-Drehmoment 5 entspricht jeweils der Summe einer doppelten Periodendauer einer Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1 und einer Betriebsdauer mit der zweiten Drehmomentänderungsrate 6b, wobei die Betriebsdauer mit der zweiten Drehmomentänderungsrate 6b mindestens 5 ms bis höchstens 100 ms beträgt. Dadurch ergibt sich eine maximale Schwingungsdämpfung in kürzester Zeit. Die erste Drehmomentänderungsrate 6a wird aus einem Quotienten einer Differenz zwischen dem ersten Drehmomentgrenzwert 7a und dem Ist-Drehmoment 4 sowie genau einer Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1 gebildet. Die Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1 wird über die Sensoreinrichtung 14 im Antriebsstrang 1 ermittelt. Ferner wird die dritte Drehmomentänderungsrate 6c aus einem Quotienten einer Differenz zwischen dem Soll-Drehmoment 5 und einem zweiten Drehmomentgrenzwert 7b sowie genau einer Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1 gebildet. Der zweite Drehmomentgrenzwert 7b leitet den Beginn der dritten Drehmomentänderungsrate 6c ein.
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Gemäß 2 wird das Elektrofahrzeug mit einem positiven Ist-Drehmoment 4 im Zugbetrieb 2 angetrieben. Ein negatives Soll-Drehmoment 5 soll angefahren werden. Dazu wird zunächst die erste Drehmomentrampe A mit der ersten Drehmomentänderungsrate 6a für eine einzige Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1, beispielsweise 70 ms eingestellt. Der erste Drehmomentgrenzwert 7a, der 20% des maximalen Antriebsdrehmoments des Elektrofahrzeugs beträgt, wird nach einer Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1 erreicht. Die zweite Drehmomentrampe A mit der zweiten Drehmomentänderungsrate 6b, die mindestens 80% kleiner als die erste Drehmomentänderungsrate 6a ist, wird für 50 ms eingestellt. Danach wird der zweite Drehmomentgrenzwert 7b erreicht. Anschließend wird die dritte Drehmomentrampe C mit der dritten Drehmomentänderungsrate 6c für ebenfalls eine einzige Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1, also 70 ms eingestellt, wobei nach Ablauf der Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1 das Soll-Drehmoment 5 erreicht wird. Mit anderen Worten wird ausgehend von dem Ist-Drehmoment 4 das Soll-Drehmoment 5 nach der Summe der doppelten Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1, vorliegend 140 ms und den 50 ms Betriebsdauer mit der zweiten Drehmomentänderungsrate 6b, also insgesamt 190 ms erreicht. Aufgrund des Betriebs des Elektrofahrzeugs gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden insbesondere hochdynamische Schwingungen beim Lastwechsel aktiv gedämpft.
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Gemäß 3 wird das Elektrofahrzeug mit einem negativen Ist-Drehmoment 4 im Schubbetrieb 3 betrieben und somit verzögert. Ein positives Soll-Drehmoment 5 soll angefahren werden. Dazu wird zunächst die erste Drehmomentrampe A mit der ersten Drehmomentänderungsrate 6a für eine einzige Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1 eingestellt. Der erste Drehmomentgrenzwert 7a, der 10% des maximalen Antriebsdrehmoments des Elektrofahrzeugs beträgt, wird nach einer Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1, beispielsweise 70 ms erreicht. Die zweite Drehmomentrampe A mit der zweiten Drehmomentänderungsrate 6b, die 100% kleiner als die erste Drehmomentänderungsrate 6a ist und somit Null beträgt, wird für 50 ms eingestellt. Danach wird der zweite Drehmomentgrenzwert 7b erreicht. Anschließend wird die dritte Drehmomentrampe C mit der dritten Drehmomentänderungsrate 6c ebenfalls für eine einzige Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1, also 70 ms eingestellt, wobei nach Ablauf der Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1 das Soll-Drehmoment 5 erreicht wird. Mit anderen Worten wird ausgehend von dem Ist-Drehmoment 4 das Soll-Drehmoment 5 nach der Summe der doppelten Periodendauer der Eigenschwingung des Antriebsstrangs 1, vorliegend 140 ms und den 50 ms Betriebsdauer mit der zweiten Drehmomentänderungsrate 6b, also insgesamt 190 ms erreicht. Aufgrund des Betriebs des Elektrofahrzeugs gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden insbesondere hochdynamische Schwingungen beim Lastwechsel aktiv gedämpft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsstrang
- 2
- Zugbetrieb
- 3
- Schubbetrieb
- 4
- Ist-Drehmoment
- 5
- Soll-Drehmoment
- 6a
- erste Drehmomentänderungsrate
- 6b
- zweite Drehmomentänderungsrate
- 6c
- dritte Drehmomentänderungsrate
- 7a
- erster Drehmomentgrenzwert
- 7b
- zweiter Drehmomentgrenzwert
- 8
- elektrische Maschine
- 9
- Getriebe
- 10
- Steuereinrichtung
- 11
- Antriebswelle
- 12
- Abtriebswelle
- 13
- Fahrzeugabtrieb
- 14
- Sensoreinrichtung
- 15a
- erste elektrische Leitung
- 15b
- zweite elektrische Leitung
- A
- erste Drehmomentrampe
- B
- zweite Drehmomentrampe
- C
- dritte Drehmomentrampe
- X
- Abszisse
- Y
- Ordinate
