DE102019132437B4

DE102019132437B4 - Verfahren und Antriebssystem zur Schätzung von Gelenkwellenmomenten in Antriebssträngen

Info

Publication number: DE102019132437B4
Application number: DE102019132437.8A
Authority: DE
Inventors: Hong Truc Jung; Tobias Roulet; Leonie Christin Freisinger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2039-11-30
Also published as: DE102019132437A1; US20210163019A1; US11498578B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung von Gelenkwellenmomenten (251, 252, 253, 254) in einem Fahrzeug, wobei eine Zustandsraummodellierung eines physikalischen Modells (200) zu einer Kraftübertragung in mindestens einem Antriebsstrang erstellt wird und wobei bei Überschreiten einer vorbestimmten Belastungsgrenze das jeweilige Antriebsmoment der jeweiligen Antriebsmaschine in Echtzeit vermindert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schätzung von Gelenkwellenmomenten in mindestens einem Antriebsstrang, welcher eine Kraftübertragung zwischen Motor, Seitenwellen und Räder führt. Ferner wird ein Antriebssystem mit dieser Schätzung von Gelenkwellenmomenten beansprucht.
Eine jeweilige Seitenwelle im Antriebsstrang eines Fahrzeugs überträgt ein von mindestens einer Antriebseinheit generiertes Moment auf die Räder und ist somit bei einer Fahrzeugbeschleunigung unmittelbar involviert. Zudem wirken sich Bremsmomente oder Fahrbahnunebenheiten über die Räder auf die Seitenwellen aus. Die Seitenwellen sind damit oft hohen Lasten ausgesetzt. Um derartige Lasten beschreiben zu können, ist es hilfreich, ein jeweiliges Kraftübertragungssystem auf ein jeweiliges physikalisches Modell abzubilden und mit analytischen und/oder numerischen mathematischen Methoden zu berechnen.
So wird in der Druckschrift DE 10 2011 084 844 A1 auf Basis eines Zustandsraummodells und mittels eines Kalman-Filters das von einer Kupplung eines Antriebstrangs tatsächlich übertragene Drehmoment näherungsweise ermittelt. In dem betrachteten hybriden Antriebsstrang mit einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine an einer Achse wird dadurch ein verbessertes Schließen der Kupplung ermöglicht.
Die Druckschrift DE 10 2018 123 818 A1 entwirft einen optimalen Regler, der bspw. die Fahrzeugbeschleunigung regelt und dabei den Kraftstoff minimiert. Dem modellprädiktiven Steuersystem dient dabei ein konventioneller Antriebsstrang mit einer Antriebseinheit.
In der US-amerikanischen Druckschrift US 7 116 068 B2 wird ein diagnostisches System und eine Methode für einen Elektromotor vorgestellt, wobei Drehmomentabschätzungen verwendet werden. Hierzu werden Auffälligkeiten in dem Elektromotor anhand von Stromsensoren diagnostiziert.
Die europäische Druckschrift EP 2 451 686 B1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung des Getriebeausgangsmoments, das dem Fahrerwunschmoment folgt und gleichzeitig Antriebsstrangschwingungen reduziert. Das untersuchte System weist bei einer Antriebseinheit und einem Antriebsstrang mit zwei Rädern insgesamt vier Zustände auf.
DE 698 06 597 T2 beschreibt ein Verfahren, bei welchem die Brennstoffsteuerung des Motors so arbeitet dass der Motor in Gegenphase schwingt und etwaige Schwingungen im Antriebsstrang schneller ausdämpft.
DE 10 2005 033 723 A1 betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Antriebsstranges, wobei beim Schalten der Kupplung die Momente des Verbrennungsmotors durch einen Zustandsregler geregelt werden
In der DE 10 2018 125 206 A1 wird eine Vorrichtung zum Begrenzen einer auf ein drehbares Wellengelenk aufgebrachten Last beschrieben. Hier umfasst die Vorrichtung einen Komparator, um auf Grundlage von wenigstens einem von einem Winkel eines drehbaren Wellengelenks oder einem auf das Gelenk aufgebrachten Drehmoment zu bestimmen, ob wenigstens eines von dem Drehmoment oder dem Winkel einen Schwellenwert überschreitet.
Zwar kann ein jeweiliges Gelenkwellenmoment in den Seitenwellen mit einer speziell dafür ausgerichteten Messtechnik erfasst werden, jedoch ist die dafür ausgerichtete Messtechnik sehr aufwendig und kostenintensiv und nicht für eine Serienfertigung geeignet. Selbst Versuchsfahrzeuge werden damit in der Regel nicht ausgestattet. Eine weitere Möglichkeit wäre, durch offline-Simulationen jeweilige Fahrmanöver nachzubilden und hierzu die jeweiligen Gelenkwellenmomente zu berechnen. Dies hat jedoch den entscheidenden Nachteil, dass die so berechneten Seitenwellendrehmomente nicht in Echtzeit bei einer Fahrt zur Verfügung stehen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Schätzung von Gelenkwellenmomenten in Antriebssträngen bereitzustellen, bei dem insbesondere Seitenwellen berücksichtigt werden. Die Schätzung der Momente soll dazu dienen, eine Belastung von Bauteilen im gesamten Kraftübertragungsweg zwischen jeweiligem Motor und jeweiligen Rädern in Echtzeit zu erkennen, um so zumindest hohe Lasten instantan abfangen zu können. Ferner soll ein Antriebssystem mit dieser Schätzung von Gelenkwellenmomenten vorgestellt werden.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Schätzung von Gelenkwellenmomenten in einem Fahrzeug vorgeschlagen, wobei eine Zustandsraummodellierung eines physikalischen Modells zu einer Kraftübertragung in mindestens einem Antriebsstrang erstellt wird. Der mindestens eine Antriebstrang wird mit mindestens einer Antriebsmaschine, mindestens einer Achse und mindestens zwei Seitenwellen bzw. Gelenkwellen mit einem jeweiligen Rad gebildet. Das physikalische Modell wird als eine Drehschwingerkette gewählt, bei welcher der jeweiligen Antriebsmaschine ein jeweiliges Antriebsmaschinenträgheitsmoment zugeordnet wird und einem jeweiligen Rad ein jeweiliges Radträgheitsmoment zugeordnet wird. Das jeweilige Antriebsmaschinenträgheitsmoment wird mit dem jeweiligen Radträgheitsmoment des jeweiligen mit der jeweiligen Seitenwelle verbundenen Rades über ein jeweiliges Feder-Dämpfer-Element miteinander verbunden. Eine Fahrzeugmasse wird durch einen jeweiligen Reifenradius mit dem jeweiligen Radträgheitsmoment des jeweiligen Rades über ein jeweiliges Feder-Dämpfer-Element verbunden. Zu der Drehschwingerkette wird mittels Drallsatz ein Bewegungsgleichungssystem aufgestellt. In Echtzeit werden Messsignale eines jeweiligen Antriebsmomentes der jeweiligen Antriebsmaschine, einer jeweiligen Winkelgeschwindigkeit der jeweiligen Antriebsmaschine, eines jeweiligen Bremsmomentes an dem jeweiligen Rad und einer jeweiligen Winkelgeschwindigkeit des jeweiligen Rades bereitgestellt. Mittels eines Kalman-Filters wird in Echtzeit ein jeweiliges der jeweiligen Seitenwelle zugeordnetes Seitenwellendrehmoment geschätzt, wobei bei Überschreiten einer vorbestimmten Belastungsgrenze des jeweiligen Seitenwellendrehmomentes das jeweilige Antriebsmoment der jeweiligen Antriebsmaschine in Echtzeit verkleinert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrachtet eine Rotationsdynamik in einem jeweiligen Antriebsstrang und ermöglicht durch die Abschätzung der in den jeweiligen Seitenwellen wirkenden jeweiligen Seitenwellendrehmomente vorteilhaft eine Schutzfunktion. Einerseits kann so eine Belastungsstatistik der jeweiligen Seitenwellen erstellt werden, andererseits können die jeweiligen in dem jeweiligen Antriebsstrang angeordneten Bauteile anhand von durch das erfindungsgemäße Verfahren abgeschätzter Belastungen ausgelegt werden.
Das hier betrachtete physikalische Modell des jeweiligen Antriebsstranges stellt zusammen mit den fehlerbehafteten Messsignalen ein lineares stochastisches System dar, zu dessen numerische Lösung der Kalman-Filter als ein bayesscher Minimum-Varianz-Schätzer bzw. Optimalfilter herangezogen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt damit vorteilhaft Schätzwerte jeweiliger linker und rechter Seitenwellendrehmomente T_SW,L bzw. T_SW,R, bspw. T_SW,VL bzw. T_SW,VR bei einer Vorderachse (VA) und T_SW,HL bzw. T_SW,HR bei einer Hinterachse (HA), bereit, durch deren Kenntnis Bauteile im Antriebsstrang genauer für tatsächlich auftretende Lasten ausgelegt werden können. Dabei stehen die Abkürzungen SW für Seitenwelle, L für links, R für rechts, VL für vorne links, VR für vorne rechts, HL für hinten links und HR für hinten rechts. Darüber hinaus können erfindungsgemäß die Bauteile vor zu hohen Lasten durch Rücknahme der jeweiligen Antriebsmomente geschützt werden. Solche hohen Lasten können bspw. bei einem sogenannten „Mis-Use-Kick-Down“-Manöver (englisch für missbräuchliches Vollgas) auftreten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können nun die jeweiligen Seitenwellendrehmomente in Echtzeit berechnet werden und einem ein jeweiliges Antriebsmoment beeinflussendes Steuergerät, bspw. eine Leistungssteuerung einer jeweiligen Antriebsmaschine, zur Reduktion des jeweiligen Antriebsmomentes zur Verfügung gestellt werden.
Das als Drehschwingerkette aufgefasste physikalische Modell der Kraftübertragung in dem jeweiligen Antriebsstrang weist mindestens drei Trägheitsmomente J auf, nämlich ein Antriebsmaschinenträgheitsmoment J_EM bspw. einer elektrischen Antriebsmaschine, sowie zwei Radträgheitsmomente J_Rad,L, J_Rad,R eines jeweiligen linken und rechten Rades. Im Falle zweier Antriebsstränge, bspw. für Vorder- und Hinterachse, und einer jeweilig zugeordneten Antriebsmaschine weist die Drehschwingerkette zwei Antriebsmaschinenträgheitsmomente J_EM,VA, J_EM,VA und insgesamt vier Radträgheitsmomente J_Rad,VL, J_Rad,VR, J_Rad,HL, J_Rad,HR auf (siehe zu diesem Beispiel auch 2).
Der Kalman-Filter nutzt erfindungsgemäß in Echtzeit verfügbare Messsignale zu einem jeweiligen Antriebsmoment T_EM und einer jeweiligen Winkelgeschwindigkeit ω_EM einer jeweiligen elektrischen Maschine, bspw. von einer die Vorderachse mit einem Antriebsmoment T_EM,VA und Winkelgeschwindigkeit ω_EM,VA antreibenden elektrischen Maschine (EM) sowie von einer die Hinterachse mit einem Antriebsmoment T_EM,HA und Winkelgeschwindigkeit ω_EM,HA antreibenden elektrischen Maschine. Des Weiteren liegen jeweilige Bremsmomente T_B,L, T_B,R und Winkelgeschwindigkeiten ω_Rad,L, ω_Rad,R des jeweiligen linken und rechten Rades vor, bspw. T_B,VL, T_B,VR und ω_Rad,VL, ω_Rad,VR bei Rädern der Vorderachse sowie T_B,HL, T_B,HR und ω_Rad,HL, ω_Rad,HR bei Rädern der Hinterachse.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden den jeweiligen Antriebsmaschinenträgheitsmomenten und den jeweiligen Radträgheitsmomenten ein jeweiliger rotatorischer Freiheitsgrad und der Fahrzeugmasse ein longitudinaler Freiheitsgrad zugordnet. Dabei wird der jeweilige rotatorische Freiheitsgrad über einen jeweiligen Winkel φ und/oder eine jeweilige Winkelgeschwindigkeit ω beschrieben, und der longitudinale Freiheitsgrad wird über einen Weg s und/oder eine Geschwindigkeit v beschrieben. Im voranstehend angeführten Beispiel zweier Antriebsstränge mit sechs Trägheitsmomenten J_EM,VA, J_EM,VA, J_Rad,VL, J_Rad,VR, J_Rad,HL, J_Rad,HR ergibt sich somit ein siebter Freiheitsgrad über die durch die jeweiligen Reifenradien r_VL, r_VR, r_HL, r_HR abgebildete Fahrzeugmasse m. Die sechs Trägheitsmomente und die Fahrzeugmasse sind über die jeweiligen Feder-Dämpfer-Elemente miteinander verbunden und bilden zusammen sieben Freiheitsgrade eines Zustandsraums für das Beispiel zweier Antriebsstränge ab. Dabei können sich die sechs Trägheitsmomente rotatorisch mit jeweiligen Winkeln φ_EM,VA, φ_EM,HA, φ_Rad,VL, φ_Rad,VR, φ_Rad,HL, φ_Rad,HR bzw. Winkelgeschwindigkeiten ω_EM,VA, ω_EM,HA, ω_Rad,VL, ω_Rad,VR, ω_Rad,HL, ω_Rad,HR, und die Fahrzeugmasse longitudinal mit Weg s bzw. Geschwindigkeit v bewegen.
In einer fortgeführten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Zustandsvektor x mit dem jeweiligen Winkel φ_EM und der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit ω_EM der jeweiligen Antriebsmaschine, mit dem jeweiligen Winkel φ_Rad,L, φ_Rad,R und der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit ω_Rad,L, ω_Rad,R der jeweiligen Räder, mit dem Weg s und mit der Geschwindigkeit v des Fahrzeuges gebildet. Ein Systemeingangsvektor u wird mit dem jeweiligen Antriebsmoment T_EM der jeweiligen Antriebsmaschine und mit dem jeweiligen Bremsmoment T_B,L, T_B,R der jeweiligen Räder gebildet. Die Bewegungsgleichungen werden in vektorieller Form in einen Zustandsraum mit einer Systemmatrix A, welche mit jeweiligen Federwerten und jeweiligen Dämpfungswerten der jeweiligen Feder-Dämpfer-Elemente sowie jeweilige Trägheitsmomente der Masse der jeweiligen Freiheitsgrade belegt wird, einer Eingangsmatrix B, welche mit Werten des jeweiligen Antriebsmaschinenträgheitsmomentes und des jeweiligen Radträgheitsmomentes und der Masse belegt wird, und einer Ausgangsmatrix C, durch welche jeweilige messbaren Zustände im jeweiligen Antriebsstrang beschrieben werden, überführt. Durch den Kalman-Filter wird durch einem Prädiktionsschritt x_k- eine Modellprädiktion Cx_k- abgeschätzt und daraus in einem Korrekturschritt ein zukünftiger Systemzustand berechnet. Aus einer Differenz aus Modellprädiktion Cx_k-und Messsignalen z_k wird ein Modellfehler berechnet, mit einer vorab bestimmten steady-state-Kalman-Verstärkung K gewichtet bzw. multipliziert und zum abgeschätzten Prädiktionsschritt x_k- addiert. Aus einem derart korrigierten zukünftigen Systemzustand x_k wird dann die Schätzung der Seitenwellendrehmomente erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert vorteilhaft Informationen über das physikalische Modell der Antriebsstränge des Fahrzeugs mit in Echtzeit durchführbaren Messungen und damit in Echtzeit zur Verfügung stehenden Messsignalen von Variablen des physikalischen Modells. Weiter vorteilhaft ist die Anwendung des Kalman-Filters als numerische Methode, welche wiederum in Echtzeit eine Verarbeitung der Messsignale auf der Grundlage des physikalischen Modells erlaubt.
Für das voranstehend angeführte Beispiel zweier Antriebsstränge ergibt sich ein 14-dimensionaler Zustandsvektor x=[φ_EM,VA, φ_EM,HA, φ_Rad,VL, φ_Rad,VR, φ_Rad,HL, φ_Rad,HR, S, ω_EM,VA, ω_EM,HA, ω_Rad,VL, ω_Rad,VR, ω_Rad,HL, ω_Rad,HR, v]^T und ein sechsdimensionaler Systemeingangsvektor u=[T_EM,VA, T_EM,HA, T_B,VL, T_B,VR, T_B,HL, T_B,HR]^T. Nach Überführung der Bewegungsgleichungen in vektorieller Form in den Zustandsraum mit den Systemmatrizen A, B, C, kann gemäß „Kalman, R. E.: A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problems. Transaction of the ASME, Journal of Basic Engineering. 1960, S. 35-45“ der zukünftige Systemzustand x_k- mit dem Prädiktionsschritt $x_{k -} = A x_{k - 1} + B u_{k - 1}$
vorab berechnet werden. In einem weiteren Schritt wird nun die Vorabschätzung in Gl. 1 korrigiert. Hierzu werden für das oben erwähnte Beispiel die Messsignale z_k=[ω_EM,VA,mess, ω_EM,HA,mess, ω_Rad,VL,mess, ω_Rad,VR,mess, ω_Rad,HL,mess, ω_Rad,HR,mess]^T mit der Modellprädiktion $C x_{k -} = {[ω_{E M, V A, m o d e l,} ω_{E M, H A, m o d e l} ω_{R a d, V L, m o d e l,} ω_{R a d, V R, m o d e l}, ω_{R a d, H L, m o d e l}, ω_{R a d, H R, m o d e l}]}^{T}$
verglichen. Dieser Vergleich, etwa als Differenz (z_k - Cx_k) gebildet, entspricht dem Modellfehler. Er wird mit der vorab, d. h. nicht in Echtzeit, berechneten steady-state-Kalman-Verstärkung K gewichtet.
Die steady-state-Kalman-Verstärkung K berücksichtigt frei wählbare Parameter in Designmatrizen Q und R. Dabei ist Q eine quadratische Matrix und hat für das voranstehende Beispiel eine Dimension 14 mal 14 entsprechend dem 14-dimensionalen Zustandsvektor x. Mit Q werden Unsicherheiten der Bewegungsgleichungen beschrieben. R ist ebenfalls eine quadratische Matrix und hat eine Dimension sechs mal sechs entsprechend der sechs messbaren Zustände aus z_k. Mit R werden Unsicherheiten der Messungen beschrieben. Um nun die steady-state-Kalman-Verstärkung K zu berechnen, wird zuerst eine stationäre Fehlerkovarianzmatrix Pst berechnet, indem eine sogenannte Riccati-Gleichung $P_{s t}_{-} = A P_{s t} A^{T} - A P_{s t} C^{T} {(C P_{s t} C^{T} + R)}^{- 1} {(C P_{s t} A)}^{T} + Q$
gelöst wird. Anschließend ergibt sich die steady-state-Kalman-Verstärkung K zu $K = P_{s t} C^{T} {(C P_{s t} C^{T} + R)}^{- 1}$
Durch Adjustierung der Parameter in den Matrizen A, B, C, K, Q, R kann die Schätzung der Seitenwellendrehmomente fahrzeugindividuell angepasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das jeweilige Antriebsmaschinenträgheitsmoment über eine jeweilige Getriebeübersetzung mit dem jeweiligen Feder-Dämpfer-Element der jeweiligen Seitenwelle verbunden. Ein jeweiliges Getriebeübersetzungssignal zu einer jeweiligen Getriebeübersetzung der jeweiligen Achse wird in Echtzeit bereitgestellt. Das zu der Drehschwingerkette mittels Drallsatz erhaltene Bewegungsgleichungssystem wird jeweils für die jeweilige Getriebeübersetzung aufgestellt. Erfindungsgemäß werden damit dem Kalman-Filter zusätzlich ein jeweiliges Getriebeübersetzungssignal i_A in einem jeweiligen Antriebsstrang zur Verfügung gestellt, bspw. die Getriebeübersetzungssignale i_VA, i_HA für Vorder- bzw. Hinterachse.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren auf eine Antriebsachse mit zwei Seitenwellen angewendet. Das betrachtete System entspricht damit einem 2WD, d. h. es werden insgesamt zwei Räder des Fahrzeugs angetrieben.
In einer fortgeführt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren auf eine Antriebsachse mit vier Seitenwellen angewendet. Das betrachtete System entspricht damit einem 4WD, d. h. es werden insgesamt vier Räder des Fahrzeugs angetrieben.
In einer noch weiter fortgeführten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren auf zwei Antriebsachsen mit jeweils zwei Seitenwellen angewendet. Das betrachtete System entspricht damit einem 4WD, d. h. es werden insgesamt vier Räder des Fahrzeugs angetrieben.
In einer fortgeführt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zu den Messsignalen auch eine jeweilige Verteilungsgröße einer jeweiligen geregelten Quersperre bereitgestellt. Auch dieses Messsignal wird dem Kalman-Filter zugeführt.
Ferner wird ein Antriebssystem zur Schätzung von Gelenkwellenmomenten in einem Fahrzeug beansprucht. Das Antriebssystem umfasst mindestens einen mit jeweiligen Messsensoren versehenen Antriebstrang mit mindestens einer Antriebsmaschine, mindestens einer Achse und mindestens zwei Seitenwellen mit einem jeweiligen Rad und einer jeweiligen Bremse. Das Antriebssystem ist dazu konfiguriert ist, in Echtzeit Messsignale eines jeweiligen Antriebsmomentes der jeweiligen Antriebsmaschine, einer jeweiligen Winkelgeschwindigkeit der jeweiligen Antriebsmaschine, eines jeweiligen Bremsmomentes an dem jeweiligen Rad und einer jeweiligen Winkelgeschwindigkeit des jeweiligen Rades bereitzustellen. Über das Antriebssystem ist ein physikalisches Modell gebildet, bei welchem der jeweiligen Antriebsmaschine ein jeweiliges Antriebsmaschinenträgheitsmoment und einem jeweiligen Rad ein jeweiliges Radträgheitsmoment zugeordnet ist, wobei das jeweilige Antriebsmaschinenträgheitsmoment mit dem jeweiligen Radträgheitsmoment des jeweiligen mit der jeweiligen Seitenwelle verbundenen Rades durch ein jeweiliges Feder-Dämpfer-Element miteinander verbunden ist, wobei eine Fahrzeugmasse über einen jeweiligen Reifenradius mit dem jeweiligen Radträgheitsmoment des jeweiligen Rades durch ein jeweiliges Feder-Dämpfer-Element verbunden ist. Das physikalische Modell ist durch eine Drehschwingerkette beschrieben, wobei zu der Drehschwingerkette mittels Drallsatz ein Bewegungsgleichungssystem aufgestellt ist. Das Antriebssystem weist eine Recheneinheit auf, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, die Messsignale zu empfangen und mittels eines auf der Recheneinheit implementierten Kalman-Filters einen jeweiligen Schätzwert eines jeweiligen der jeweiligen Seitenwelle des Antriebssystems zugeordneten Seitenwellendrehmomentes in Echtzeit zu berechnen. Außerdem ist das Antriebssystem dazu konfiguriert, bei Überschreiten des jeweiligen Schätzwertes über eine vorbestimmte Belastungsgrenze der jeweiligen Seitenwelle das jeweilige Antriebsmoment der jeweiligen Antriebsmaschine in Echtzeit zu vermindern.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystem weist das Antriebssystem zusätzlich an einer jeweiligen Achse ein jeweiliges Getriebe auf. Das Antriebssystem ist dazu konfiguriert, in Echtzeit ein jeweiliges Getriebeübersetzungssignal zu einer jeweiligen Getriebeübersetzung des jeweiligen Getriebes bereitzustellen, wobei in dem physikalischen Modell des Antriebssystems das jeweilige Antriebsmaschinenträgheitsmoment über eine jeweilige Getriebeübersetzung mit dem jeweiligen Feder-Dämpfer-Element der jeweiligen Seitenwelle verbunden ist, und wobei das zu der Drehschwingerkette mittels Drallsatz erhaltene Bewegungsgleichungssystem jeweils für die jeweilige Getriebeübersetzung aufgestellt ist.
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 jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

1 zeigt ein elektrifiziertes Allrad-Antriebssystem gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt ein physikalisches Modell des Allrad-Antriebssystems gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 wird ein elektrifiziertes Allrad-Antriebssystem 100 mit je zwei Seitenwellen 121, 122, 123, 124 an jeweils einem Antriebsstrang für Vorder- und Hinterachse eines Fahrzeuges gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Das in Pfeilrichtung 101 fahrende Fahrzeug verfügt über eine vordere elektrische Maschine 141 und eine hintere elektrische Maschine 142, welche im vorderen bzw. hinteren Antriebsstrang über eine vordere Transmission 131 bzw. hintere Transmission 132 eine Vorderachse bzw. eine Hinterachse antreiben. Die Vorderachse weist eine vordere linke (VL) Seitenwelle 121 mit einem linken Vorderrad 111 und eine vordere rechte (VR) Seitenwelle 122 mit einem rechten Vorderrad 112 auf. Die Hinterachse weist eine hintere linke (HL) Seitenwelle 123 mit einem linken Hinterrad 113 und eine hintere rechte (HR) Seitenwelle 124 mit einem rechten Hinterrad 114 auf.
In 2 wird ein physikalisches Modell 200 für das Allrad-Antriebssystem aus 1 gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Die auf eine Vorderachse (VA) mit einem Antriebsmoment T_EM,VA 221 einwirkende vordere elektrische Maschine (EM) weist ein Trägheitsmoment J_EM,VA 201 auf und dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω_EM,VA 231. Die auf eine Hinterachse (HA) mit einem Antriebsmoment T_EM,HA 222 einwirkende hintere elektrische Maschine weist ein Trägheitsmoment J_EM,HA 202 auf und dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω_EM,HA 232. In dem jeweiligen Antriebsstrang ist ein jeweiliges Getriebe angeordnet, über dessen jeweilig eingelegter Getriebegang ein Getriebeübersetzungssignal i_VA, i_HA Auskunft gibt. Die jeweilige Seitenwelle, an welcher sich das jeweilige Rad mit jeweiligem Trägheitsmoment J_Rad,VL 211, J_Rad,VR 212, J_Rad,HL 213, J_Rad,HR 214 befindet, wird als Feder-Dämpfer-Element aufgefasst, auf das ein jeweiliges Seitenwellendrehmoment T_SW,VL 251, T_SW,VR 252, T_SW,HL 253, T_SW,HR 254 einwirkt. Auf das jeweilige mit Winkelgeschwindigkeit ω_Rad,VL 233, ω_Rad,VR 234, ω_Rad,HL 235, ω_Rad,HR 236 rotierende Rad wirkt ein jeweiliges Bremsmoment T_B,VL 223, T_B,VR 224, T_B,HL 225, T_B,HR 226 ein. Eine Ankopplung des jeweiligen Rades an das Fahrzeug 290, welches durch Parameter Weg s, Geschwindigkeit v und Fahrzeugmasse m gekennzeichnet ist, wird als ein jeweiliges Feder-Dämpfer-Element 271, 272, 273, 274, welches die Fahrzeugmasse m über einen jeweiligen Reifenradius r_VL 281, r_VR 282, r_HL 283, r_HR 284 ankoppelt, beschrieben.
Bezugszeichenliste

100: Elektrifiziertes Allrad-Antriebssystem
101: Fahrtrichtung
111: Linkes Vorderrad
112: Rechtes Vorderrad
113: Linkes Hinterrad
114: Rechtes Hinterrad
121: Seitenwelle vorne links
122: Seitenwelle vorne rechts
123: Seitenwelle hinten links
124: Seitenwelle hinten rechts
131: Vordere Transmission
132: Hintere Transmission
141: Vordere elektrische Maschine
142: Hintere elektrische Maschine
200: Physikalisches Modell des Antriebssystems
201: Trägheitsmoment J_EM,VA vordere elektrische Maschine
202: Trägheitsmoment J_EM,HA hintere elektrische Maschine
211: Trägheitsmoment J_Rad,VL vorderes linkes Rad
212: Trägheitsmoment J_Rad,VR vorderes rechtes Rad
213: Trägheitsmoment J_Rad,HL hinteres linkes Rad
214: Trägheitsmoment J_Rad,HR hinteres rechtes Rad
221: Antriebsmoment T_EM,VA vordere elektrische Maschine
222: Antriebsmoment T_EM,HA hintere elektrische Maschine
223: Bremsmoment T_B,VL vorderes linkes Rad
224: Bremsmoment T_B,VR vorderes rechtes Rad
225: Bremsmoment T_B,HL hinteres linkes Rad
226: Bremsmoment T_B,HR hinteres rechtes Rad
231: Winkelgeschwindigkeit ω_EM,VA vordere elektrische Maschine
232: Winkelgeschwindigkeit ω_EM,HA hintere elektrische Maschine
233: Winkelgeschwindigkeit ω_Rad,VL vorderes linkes Rad
234: Winkelgeschwindigkeit ω_Rad,VR vorderes rechtes Rad
235: Winkelgeschwindigkeit ω_Rad,HL hinteres linkes Rad
236: Winkelgeschwindigkeit ω_Rad,HR hinteres rechtes Rad
241: Getriebeübersetzungsignal i_VA Vorderachse
242: Getriebeübersetzungsignal i_HA Hinterachse
251: Seitenwellendrehmoment T_SW,VL vorderes linkes Feder-Dämpfer-Element
252: Seitenwellendrehmoment T_SW,VR vorderes rechtes Feder-Dämpfer-Element
253: Seitenwellendrehmoment T_SW,HL hinteres linkes Feder-Dämpfer-Element
254: Seitenwellendrehmoment T_SW,HR hinteres rechtes Feder-Dämpfer-Element
271: Feder-Dämpfer-Element Fahrzeugmasse/linkes vorderes Rad
272: Feder-Dämpfer-Element Fahrzeugmasse/rechtes vorderes Rad
273: Feder-Dämpfer-Element Fahrzeugmasse/linkes hinteres Rad
274: Feder-Dämpfer-Element Fahrzeugmasse/rechtes hinteres Rad
281: Reifenradius r_VL vorderes linkes Rad
282: Reifenradius r_VR vorderes rechtes Rad
283: Reifenradius r_HL hinteres linkes Rad
284: Reifenradius r_HR hinteres rechtes Rad
290: Fahrzeug der Masse m mit Weg s und Geschwindigkeit v

Claims

Verfahren zur Schätzung von Gelenkwellenmomenten (251, 252, 253, 254) in einem Fahrzeug, wobei eine Zustandsraummodellierung eines physikalischen Modells (200) zu einer Kraftübertragung in mindestens einem Antriebsstrang erstellt wird, wobei der mindestens eine Antriebstrang mit mindestens einer Antriebsmaschine (141, 142), mindestens einer Achse und mindestens zwei Seitenwellen (121, 122, 123, 124) mit einem jeweiligen Rad (111, 112, 113, 114) gebildet wird, wobei das physikalische Modell (200) als eine Drehschwingerkette gewählt wird, bei welcher der jeweiligen Antriebsmaschine (141, 142) ein jeweiliges Antriebsmaschinenträgheitsmoment (201, 202) zugeordnet wird und einem jeweiligen Rad ein jeweiliges Radträgheitsmoment (211, 212, 213, 214) zugeordnet wird, wobei das jeweilige Antriebsmaschinenträgheitsmoment (201, 202) mit dem jeweiligen Radträgheitsmoment (211, 212, 213, 214) des jeweiligen mit der jeweiligen Seitenwelle (121, 122, 123, 124) verbundenen Rades (111, 112, 113, 114) über ein jeweiliges Feder-Dämpfer-Element (251, 252, 253, 254) verbunden wird, wobei eine Fahrzeugmasse (290) durch einen jeweiligen Reifenradius (281, 282, 283, 284) mit dem jeweiligen Radträgheitsmoment (211, 212, 213, 214) des jeweiligen Rades (111, 112, 113, 114) über ein jeweiliges Feder-Dämpfer-Element (271, 272, 273, 274) verbunden wird, wobei zu der Drehschwingerkette mittels Drallsatz ein Bewegungsgleichungssystem aufgestellt wird, wobei in Echtzeit Messsignale eines jeweiligen Antriebsmomentes (221, 222) der jeweiligen Antriebsmaschine (141, 142), einer jeweiligen Winkelgeschwindigkeit (231, 232) der jeweiligen Antriebsmaschine (141, 142), eines jeweiligen Bremsmomentes (223, 224, 225, 226) an dem jeweiligen Rad (111, 112, 113, 114) und einer jeweiligen Winkelgeschwindigkeit (233, 234, 235, 236) des jeweiligen Rades (111, 112, 113, 114) bereitgestellt werden, wobei mittels eines Kalman-Filters in Echtzeit ein jeweiliges der jeweiligen Seitenwelle (121, 122, 123, 124) zugeordnetes Seitenwellendrehmoment (251, 252, 253, 254) geschätzt wird, und wobei bei Überschreiten einer vorbestimmten Belastungsgrenze des jeweiligen Seitenwellendrehmomentes (251, 252, 253, 254) das jeweilige Antriebsmoment der jeweiligen Antriebsmaschine in Echtzeit verkleinert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem dem jeweiligen Antriebsmaschinenträgheitsmoment (201, 202) und den jeweiligen Radträgheitsmomenten (211, 212, 213, 214) ein jeweiliger rotatorischer Freiheitsgrad und der Fahrzeugmasse (290) ein longitudinaler Freiheitsgrad zugordnet werden, wobei der jeweilige rotatorische Freiheitsgrad über einen jeweiligen Winkel und/oder eine jeweilige Winkelgeschwindigkeit (231, 232, 233, 234, 235, 236) beschrieben wird, und der longitudinale Freiheitsgrad über einen Weg (290) und/oder eine Geschwindigkeit (290) beschrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Zustandsvektor mit dem jeweiligen Winkel und der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit (231, 232) der jeweiligen Antriebsmaschine (141, 142), mit dem jeweiligen Winkel und der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit (233, 234, 235, 236) des jeweiligen Rades, mit dem Weg (290) und mit der Geschwindigkeit (290) des Fahrzeuges gebildet wird, wobei ein Systemeingangsvektor mit dem jeweiligen Antriebsmoment (221, 222) der jeweiligen Antriebsmaschine (141, 142) und dem jeweiligen Bremsmoment (223, 224, 225, 226) des jeweiligen Rades (111, 112, 113, 114) gebildet wird, wobei die Bewegungsgleichungen in vektorieller Form in einen Zustandsraum mit einer Systemmatrix A, welche mit jeweiligen Federwerten und jeweiligen Dämpfungswerten der jeweiligen Feder-Dämpfer-Elemente (271, 272, 273, 274) belegt wird, einer Eingangsmatrix B, welche mit Werten des jeweiligen Antriebsmaschinenträgheitsmomentes (201, 202) und des jeweiligen Radträgheitsmomentes (211, 212, 213, 214) und der Fahrzeugmasse (290) belegt wird, und einer Ausgangsmatrix C, durch welche jeweilige messbare Zustände im jeweiligen Antriebsstrang beschrieben werden, überführt werden, wobei durch den Kalman-Filter in einem Prädiktionsschritt ein zukünftiger Systemzustand abgeschätzt wird, daraus in einem Korrekturschritt eine Modelprädiktion berechnet wird, durch eine Differenz aus Modellprädiktion und Messsignalen ein Modellfehler berechnet wird, der Modellfehler mit einer vorab bestimmten steady-state-Kalman-Verstärkung multipliziert wird und zum zukünftigen Systemzustand addiert wird, und wobei aus einem derart korrigierten zukünftigen Systemzustand die Schätzung der Seitenwellendrehmomente erhalten wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Antriebsmaschinenträgheitsmoment (201, 202) über eine jeweilige Getriebeübersetzung mit dem jeweiligen Feder-Dämpfer-Element (251, 252, 253, 254) der jeweiligen Seitenwelle (121, 122, 123, 124) verbunden wird, wobei ein jeweiliges Getriebeübersetzungssignal (241, 242) zu einer jeweiligen Getriebeübersetzung der jeweiligen Achse in Echtzeit bereitgestellt wird, und wobei das zu der Drehschwingerkette mittels Drallsatz erhaltene Bewegungsgleichungssystem jeweils für die jeweilige Getriebeübersetzung aufgestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Verfahren auf eine Achse mit zwei Seitenwellen (121, 122, 123, 124) angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Verfahren auf eine Achse mit vier Seitenwellen (121, 122, 123, 124) angewendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Verfahren auf zwei Achsen mit jeweils zwei Seitenwellen (121, 122, 123, 124) angewendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich zu den Messsignalen auch eine jeweilige Verteilungsgröße einer jeweiligen geregelten Quersperre bereitgestellt wird.
Antriebssystem zur Schätzung von Gelenkwellenmomenten (251, 252, 253, 254) in einem Fahrzeug, bei dem das Antriebssystem mindestens einen mit jeweiligen Messsensoren versehenen Antriebstrang mit mindestens einer Antriebsmaschine (141, 142), mindestens einer Achse und mindestens zwei Seitenwellen (121, 122, 123, 124) mit einem jeweiligen Rad (111, 112, 113, 114) und einer jeweiligen Bremse umfasst, wobei das Antriebssystem dazu konfiguriert ist, in Echtzeit Messsignale eines jeweiligen Antriebsmomentes (221, 222) der jeweiligen Antriebsmaschine (141, 142), einer jeweiligen Winkelgeschwindigkeit (231, 232) der jeweiligen Antriebsmaschine, eines jeweiligen Bremsmomentes(223, 224, 225, 226) an dem jeweiligen Rad (111, 112, 113, 114) und einer jeweiligen Winkelgeschwindigkeit (233, 234, 235, 236) des jeweiligen Rades (111, 112, 113, 114) bereitzustellen, wobei über das Antriebssystem ein physikalisches Modell (200) gebildet ist, bei welchem der jeweiligen Antriebsmaschine (141, 142) ein jeweiliges Antriebsmaschinenträgheitsmoment (201, 202) und einem jeweiligen Rad (111, 112, 113, 114) ein jeweiliges Radträgheitsmoment (211, 212, 213, 214) zugeordnet ist, wobei das jeweilige Antriebsmaschinenträgheitsmoment (201, 202) mit dem jeweiligen Radträgheitsmoment (211, 212, 213, 214) des jeweiligen mit der jeweiligen Seitenwelle (121, 122, 123, 124) verbundenen Rades (111, 112, 113, 114) durch ein jeweiliges Feder-Dämpfer-Element (251, 252, 253, 254) verbunden ist, wobei eine Fahrzeugmasse (290) über einen jeweiligen Reifenradius (281, 282, 283, 284) mit dem jeweiligen Radträgheitsmoment (211, 212, 213, 214) des jeweiligen Rades (111, 112, 113, 114) durch ein jeweiliges Feder-Dämpfer-Element (271, 272, 273, 274) verbunden ist, wobei das physikalische Modell (200) durch eine Drehschwingerkette beschrieben ist, wobei zu der Drehschwingerkette mittels Drallsatz ein Bewegungsgleichungssystem aufgestellt ist, wobei das Antriebssystem eine Recheneinheit aufweist, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, die Messsignale zu empfangen und mittels eines auf der Recheneinheit implementierten Kalman-Filters einen jeweiligen Schätzwert eines jeweiligen der jeweiligen Seitenwelle (121, 122, 123, 124) des Antriebssystems zugeordneten Seitenwellendrehmomentes (251, 252, 253, 254) in Echtzeit zu berechnen, und wobei das Antriebssystem dazu konfiguriert ist, bei Überschreiten des jeweiligen Schätzwertes über eine vorbestimmte Belastungsgrenze der jeweiligen Seitenwelle (121, 122, 123, 124) das jeweilige Antriebsmoment der jeweiligen Antriebsmaschine in Echtzeit zu vermindern.
Antriebssystem nach Anspruch 9, bei dem das Antriebssystem zusätzlich an einer jeweiligen Achse ein jeweiliges Getriebe aufweist, bei dem das Antriebssystem dazu konfiguriert ist, in Echtzeit ein jeweiliges Getriebeübersetzungssignal (241, 242) zu einer jeweiligen Getriebeübersetzung des jeweiligen Getriebes bereitzustellen, wobei in dem physikalischen Modell (200) des Antriebssystems das jeweilige Antriebsmaschinenträgheitsmoment (201, 202) über eine jeweilige Getriebeübersetzung mit dem jeweiligen Feder-Dämpfer-Element (251, 252, 253, 254) der jeweiligen Seitenwelle (121, 122, 123, 124) verbunden ist, und wobei das zu der Drehschwingerkette mittels Drallsatz erhaltene Bewegungsgleichungssystem jeweils für die jeweilige Getriebeübersetzung aufgestellt ist.