DE102019204956A1

DE102019204956A1 - Antriebseinrichtung und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102019204956A1
Application number: DE102019204956.7A
Authority: DE
Inventors: Roman Strasser
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2020-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung, die wenigstens eine elektrische Maschine aufweist, und ein Verfahren zum Betreiben der Antriebseinrichtung. Die Antriebseinrichtung erzeugt in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebs- und/oder Zustandsgröße ein Geräuschsignal, das mittels der elektrischen Maschine ausgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung, die wenigstens eine elektrische Maschine aufweist, und ein Verfahren zum Betreiben der Antriebseinrichtung. Die Antriebseinrichtung erzeugt in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebs- und/oder Zustandsgröße ein Geräuschsignal, das mittels der elektrischen Maschine ausgegeben wird.
Bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und auch bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb, wenn diese das Antriebsmoment lediglich mittels der elektrischen Maschine bereitstellen, ist die Geräuschemission der Antriebseinrichtung im Vergleich zu dem Betriebsgeräusch einer Brennkraftmaschine stark reduziert. Dies ist sowohl für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs als auch für weitere Personen in der Umgebung des Kraftfahrzeugs ungewohnt. Insbesondere entfällt die Möglichkeit, anhand der Geräuschemissionen beziehungsweise des Betriebsgeräuschs der Antriebseinrichtung auf die Drehzahl und damit zumindest mittelbar auf eine Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs zu schließen.
Aus diesem Grund ist vorgeschlagen worden, Geräuschsignale zu erzeugen und über eine Schallquelle auszugeben. Um dies mit möglichst wenigen zusätzlichen Fahrzeugkomponenten zu erreichen, kann eine elektrische Maschine des Antriebs zum Erzeugen des Geräuschsignals und als Schallquelle genutzt werden.
Aus der WO 2017/045144 A1 ist ein System zur Klangerzeugung mit einem elektrischen Motor bekannt. Der Motor ist als mit Bürsten versehener Gleichstrommotor eines Kraftfahrzeugs ausführbar und mittels einer Überlagerung eines einer Motorbewegung dienenden Gleichstromsignals mit einem oszillierenden Klangsignal zur Erzeugung einer Melodie und/oder eines Maschinengeräuschs nutzbar. Die Geräuscherzeugung erfolgt über die Statorwicklungen des elektrischen Motors.
Die DE 10 2012 211 689 A1 offenbart ein Verfahren zur Geräuscherzeugung in einem Fahrzeug mit einem Elektromotor. Der Elektromotor ist als elektronisch kommutierter Gleichstrom-Innenläufermotor ausgeführt und wird mittels einer überlagerten Stromschwingung zur Geräuscherzeugung genutzt.
Auch aus der DE 10 2010 043 973 A1 geht ein Verfahren zur Erzeugung eines Geräuschs eines durch einen Elektromotor angetriebenen Kraftfahrzeugs hervor. Der Elektromotor ist als Synchronmaschine ausgeführt und wird zur Nachbildung eines Verbrennungsmotor-Geräuscheindrucks für einen Fahrer mittels einer Modulierung eines Antriebssignals genutzt. Das Ansteuersignal für den Elektromotor wird auf die Statorspulen aufmoduliert.
Die DE 10 2014 017 570 A1 betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung mit einer elektrische Maschine, worin in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebs- und/oder Zustandsgröße ein Geräuschsignal erzeugt und mittels eines Schallerzeugers ausgegeben wird. Dabei ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine als Schallerzeuger verwendet wird.
Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Antriebseinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Antriebseinrichtung vorzuschlagen, welches gegenüber dem bekannten Stand der Technik Vorteile aufweist, insbesondere die Erzeugung einer größeren Bandbreite von Geräuschsignalen mit einem geringeren Energieaufwand ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Gegenstand der Erfindung ist eine Antriebseinrichtung, die wenigstens eine elektrische Maschine aufweist, die dafür eingerichtet ist, in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebs- und/oder Zustandsgröße der Antriebseinrichtung ein Geräuschsignal zu erzeugen und auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine fremderregte Synchronmaschine (FSM) ist, und dass das Geräuschsignal durch Modulation des durch den Rotor der fremderregten Synchronmaschine fließenden Gleichstroms mit einem elektrischen Wechselsignal erzeugt wird.
Die Antriebseinrichtung ist vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet und dient dazu, ein auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichtetes Drehmoment bereitzustellen. Die Antriebseinrichtung kann eine rein elektrische Antriebseinrichtung sein, welche lediglich die elektrische Maschine oder mehrere elektrische Maschinen aufweist. In einer Ausführungsform ist die Antriebseinrichtung eine Hybridantriebseinrichtung, die wenigstens zwei unterschiedliche Antriebsaggregate aufweist, wobei eines der Antriebsaggregate die elektrische Maschine ist. Ein anderes der Antriebsaggregate liegt vorzugsweise als Brennkraftmaschine vor.
Im Rahmen der Hybridantriebseinrichtung ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die wenigstens zwei Antriebsaggregate zumindest zeitweise ein Antriebsmoment der Antriebseinrichtung gemeinsam bereitstellen und insoweit miteinander gekoppelt sind oder miteinander koppelbar sind. Selbstverständlich kann die elektrische Maschine im Rahmen der Antriebseinrichtung auch lediglich als Hilfsaggregat oder als Hilfsantrieb vorliegen, beispielsweise als Starter für die Brennkraftmaschine und/oder als Generator, welcher beispielsweise von der Brennkraftmaschine und/oder kinetischer Energie des Kraftfahrzeugs angetrieben wird.
In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine Bestandteil einer Torque Vectoring-Einrichtung. In einer Ausführungsform ist die elektrische Maschine einer Überlagerungseinheit zugeordnet, die eine Wirkverbindung mehrerer Achsen des Fahrzeugs herstellen kann, und dient der Aufteilung des Drehmoments auf die Achsen. Grundsätzlich ist die Antriebstopologie des Kraftfahrzeugs jedoch beliebig wählbar, die vorstehenden Ausführungen sind rein beispielhaft. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug als BEV-Kraftfahrzeug (BEV: Battery Electric Vehicle) vorliegen oder mittels eines Radnabenantriebs oder eines Brennstoffzellenantriebs angetrieben werden. Im Falle der erwähnten Hybridantriebseinrichtung kann zum Beispiel eine serielle, parallele oder leistungsverzweigte Variante realisiert sein.
Die elektrische Maschine ist dafür eingerichtet, in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebs- und/oder Zustandsgröße der Antriebseinrichtung ein Geräuschsignal zu erzeugen und auszugeben. Dadurch kann sowohl in einem Innenraum des Kraftfahrzeugs als auch in seiner Außenumgebung eine Geräuschemission erzielt werden, welche dem Fahrer und/oder den sich in der Umgebung des Kraftfahrzeugs aufhaltenden Personen einen Eindruck von dem Betriebszustand zu verschaffen vermag. Entsprechend wird die emotionale Bindung des Fahrers an das Kraftfahrzeug verbessert. Insgesamt ist es also vorgesehen, dass mittels der elektrischen Maschine spezifische Geräusche beziehungsweise spezifische Geräuschemissionen erzeugt werden, so dass der Fahrer das Kraftfahrzeug emotional erleben kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Geräuschsignal aus dem zeitlichen Gradienten der Betriebs- und/oder Zustandsgröße ermittelt wird. Während selbstverständlich die Betriebs- und/oder Zustandsgröße unmittelbar dem Geräuschsignal zugrunde gelegt werden kann, ist es besonders vorteilhaft, wenn der zeitliche Gradient verwendet wird. Selbstverständlich kann auch eine Kombination der Betriebs- und/oder Zustandsgröße mit ihrem zeitlichen Gradienten in das Geräuschsignal einfließen. Es kann lediglich eine einzige Betriebs- und/oder Zustandsgröße oder ihr zeitlicher Gradient zum Ermitteln des Geräuschsignals herangezogen werden. Besonders bevorzugt finden jedoch mehrere Betriebs- und/oder Zustandsgrößen beziehungsweise ihre Gradienten Anwendung.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als Betriebs- und/oder Zustandsgröße ein Bedienpedalwert, eine Drehzahl der elektrischen Maschine, ein von der elektrischen Maschine erzeugtes Drehmoment, eine Fahrmodus-Einstellung, oder eine Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Wie bereits vorstehend erläutert, kann lediglich eine einzige Betriebs- und/oder Zustandsgröße zum Ermitteln des Geräuschsignals herangezogen werden. Bevorzugt finden jedoch mehrere, insbesondere alle der genannten Betriebs- und/oder Zustandsgrößen Anwendung.
Als Betriebs- und/oder Zustandsgröße kann beispielsweise der Bedienpedalwert herangezogen werden. Dieser gibt beispielsweise eine Stellung eines Bedienpedals wieder, insbesondere eines Gaspedals, eines Bremspedals oder eines Kupplungspedals. Zusätzlich oder alternativ wird die Drehzahl der elektrischen Maschine beziehungsweise der Antriebseinrichtung berücksichtigt. Auch das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment kann in das Geräuschsignal einfließen.
Dies gilt ebenso für die Fahrmodus-Einstellung, mittels welcher z.B. ein Betriebsmodus der Antriebseinrichtung und/oder einer Getriebeeinrichtung des Kraftfahrzeugs festgelegt wird. Beispielsweise kann mittels der Fahrmodus-Einstellung gewählt werden, ob das Kraftfahrzeug eher sportlich oder eher komfortabel oder rein elektrisch oder hybrid betrieben werden soll. Insbesondere gibt die Fahrmodus-Einstellung die Drehzahlgrenzen für die Antriebseinrichtung vor, bei welchen die Getriebeeinrichtung einen Gangwechsel nach oben oder nach unten vornimmt. Zusätzlich oder alternativ kann selbstverständlich die Geschwindigkeit beziehungsweise Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs in die Ermittlung des Geräuschsignals einfließen.
Die Antriebseinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie das Geräuschsignal aus der Betriebs- und/oder Zustandsgröße erzeugt und anschließend mittels der elektrischen Maschine ausgibt.
Erfindungsgemäß ist die elektrische Maschine eine fremderregte Synchronmaschine (FSM) und das Geräuschsignal wird durch Modulation des durch den Rotor der FSM fließenden Gleichstroms mit einem elektrischen Wechselsignal erzeugt Das elektrische Wechselsignal liegt an den Anschlüssen des Rotors der FSM an.
In einer Ausführungsform umfasst die Antriebseinrichtung eine Steuereinheit, die dafür eingerichtet ist, ein Eingangssignal der elektrischen Maschine zu ermitteln, das zur Erzeugung und Ausgabe eines gewünschten Geräuschsignals in der elektrischen Maschine führt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Antriebseinrichtung eine Leistungselektronik, die das Eingangssignal an den Anschlüssen der Rotorwicklung der fremderregten Synchronmaschine bereitstellt.
Das Eingangssignal wird selbstverständlich zunächst derart gewählt, dass der gewünschte beziehungsweise vorgegebene Betriebszustand der elektrischen Maschine erreicht wird. Das bedeutet, dass das Geräuschsignal lediglich untergeordnet bei der Ermittlung des Eingangssignals Berücksichtigung findet. Das Eingangssignal kann grundsätzlich auf beliebige Art und Weise erzeugt werden, insbesondere unter Verwendung unterschiedlicher Modulationsverfahren und/oder mit verschiedenen Stromformen beziehungsweise Stromprofilen. Als Beispiele seien Sinusmodulation und Space Vector-Modulation genannt. Als Stromform für das Wechselsignal kann beispielsweise ein Sinussignal, ein Rechtecksignal, ein Trapezsignal oder ein Blocksignal beziehungsweise Rechtecksignal herangezogen werden. Das Wechselsignal kann auch ein stochastisches Signal sein, z.B. ein Audiosignal.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung, die wenigstens (FSM) aufweist. Erfindungsgemäß wird mittels der fremderregten Synchronmaschine durch Modulation des durch den Rotor der fremderregten Synchronmaschine fließenden Gleichstroms mit einem elektrischen Wechselsignal ein Geräuschsignal erzeugt und ausgegeben. Das elektrische Wechselsignal wird in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebs- und/oder Zustandsgröße der Antriebseinrichtung bereitgestellt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Geräuschsignal aus dem zeitlichen Gradienten der mindestens einen Betriebs- und/oder Zustandsgröße ermittelt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird als Betriebs- und/oder Zustandsgröße ein Bedienpedalwert, eine Drehzahl der elektrischen Maschine, oder ein von der elektrischen Maschine erzeugtes Drehmoment verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird als Betriebs- und/oder Zustandsgröße eine Fahrmodus-Einstellung oder eine Geschwindigkeit eines die Antriebsvorrichtung umfassenden Kraftfahrzeugs verwendet.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Eingangssignal der elektrischen Maschine ermittelt, das zur Erzeugung eines gewünschten Geräuschsignals führt. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Eingangssignal an den Anschlüssen der Rotorwicklung der fremderregten Synchronmaschine bereitgestellt.
Zu den Vorteilen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens gehört, dass sich eine Vielzahl unterschiedlicher Geräuschsignale erzeugen und ausgeben lassen und dies mit geringem Energieaufwand verbunden ist.
Während bei Asynchronmaschinen (ASM) und permanenterregten Synchronmaschinen (PSM) das Geräuschsignal auf das Wechselfeld des Stators bzw. den das Wechselfeld erzeugenden Drehstrom aufmoduliert werden muss, was einen relativ hohen Energieaufwand erfordert und nur geringe Freiheitsgrade für das Geräuschsignal zulässt, ergeben sich mit fremderregten Synchronmaschinen (FSM) neue Möglichkeiten. Die FSM verfügt im Gegensatz zu den vorgenannten Maschinentypen ASM und PSM über Gleichstromwicklungen im Rotor. Darüber lassen sich Geräuschsignale bei geringerem Energieaufwand und mit mehr Freiheitsgraden bei der Melodie erzeugen. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/045144 A1 [0004]
DE 102012211689 A1 [0005]
DE 102010043973 A1 [0006]
DE 102014017570 A1 [0007]

Claims

Antriebseinrichtung, die wenigstens eine elektrische Maschine aufweist, welche dafür eingerichtet ist, in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebs- und/oder Zustandsgröße der Antriebseinrichtung ein Geräuschsignal zu erzeugen und auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine eine fremderregte Synchronmaschine ist, und dass das Geräuschsignal durch Modulation des durch den Rotor der fremderregten Synchronmaschine fließenden Gleichstroms mit einem elektrischen Wechselsignal erzeugt wird.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, welche eine Steuereinheit umfasst, die dafür eingerichtet ist, ein Eingangssignal der elektrischen Maschine zu ermitteln, das zur Erzeugung und Ausgabe eines gewünschten Geräuschsignals in der elektrischen Maschine führt.
Antriebseinrichtung nach Anspruch 2, welche eine Leistungselektronik umfasst, die das Eingangssignal an den Anschlüssen der Rotorwicklung der fremderregten Synchronmaschine bereitstellt.
Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist und dazu dient, ein auf das Antreiben des Kraftfahrzeugs gerichtetes Drehmoment bereitzustellen.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebsvorrichtung, die wenigstens eine fremderregte Synchronmaschine aufweist, worin durch Modulation des durch den Rotor der fremderregten Synchronmaschine fließenden Gleichstroms mit einem elektrischen Wechselsignal ein Geräuschsignal erzeugt und ausgegeben wird, wobei das elektrische Wechselsignal in Abhängigkeit von wenigstens einer Betriebs- und/oder Zustandsgröße der Antriebseinrichtung bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, worin das Geräuschsignal aus dem zeitlichen Gradienten der mindestens einen Betriebs- und/oder Zustandsgröße ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, worin als Betriebs- und/oder Zustandsgröße ein Bedienpedalwert, eine Drehzahl der elektrischen Maschine, oder ein von der elektrischen Maschine erzeugtes Drehmoment verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, worin als Betriebs- und/oder Zustandsgröße eine Fahrmodus-Einstellung oder eine Geschwindigkeit eines die Antriebsvorrichtung umfassenden Kraftfahrzeugs verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, worin ein Eingangssignal der elektrischen Maschine ermittelt wird, das zur Erzeugung eines gewünschten Geräuschsignals führt.
Verfahren nach Anspruch 9, worin das Eingangssignal an den Anschlüssen der Rotorwicklung der fremderregten Synchronmaschine bereitgestellt wird.