DE102020007634A1 - Verfahren zur Ermittlung von Parametern eines elektrischen Antriebsstrangs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Parametern eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, wobei der Antriebsstrang einen Motor, ein Getriebe, mindestens eine Seitenwelle und mindestens ein Rad umfasst, wobei eine Spielbreite (φ0) des elektrischen Antriebsstrangs ermittelt wird, wobei ferner eine Steifigkeit (k) des elektrischen Antriebsstrangs ermittelt wird, wobei zur Ermittlung der nichtlinearen Steifigkeit (k) im Stillstand des Fahrzeugs Momentenstufen eingestellt werden, wobei ein Verdrehwinkel (φ) des Antriebsstrangs mittels Integration der Motordrehzahl (ωMot) über die Zeit (t) berechnet wird, wobei die nichtlineare Steifigkeit (k) als Quotient aus einem Seitenwellenmoment (Msw) und dem Verdrehwinkel (φ) bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Parametern eines elektrischen Antriebsstrangs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Um den Komfort von Elektrofahrzeugen zu optimieren wird eine modellbasierte Vorsteuerung eingesetzt. Diese benötigt zur Parametrierung unter anderem die Werte der Spielbreite und der Steifigkeit des Antriebsstrangs. Die Spielbreite kann hardwaretechnisch sowie konstruktiv nicht exakt ermittelt werden. Die Berechnung der Steifigkeit ist ungenau, da diese sich aus allen Steifigkeiten zwischen Antrieb und Rad zusammensetzt. Werden beide Größen gut bestimmt, werden Schwingungen und Rucke im Fahrzeug reduziert.
• Die DE 10 2012 011 757 B4 offenbart ein Verfahren zum Erfassen eines Verdrehspiels eines Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, wobei
• - vor einem Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb des Fahrzeugs zeitlich hoch aufgelöst aus einer erfassten Motordrehzahl und einer erfassten Referenzdrehzahl eine Drehzahldifferenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl ermittelt wird,
• - ab dem Zeitpunkt eines Übergangs von einem Schub- in einen Zugbetrieb, wobei der Übergang von einem Schub- in einen Zugbetrieb erfolgt, wenn nach einem Schubbetrieb bei einer Motorlast, die ungefähr bei Null liegt, eine Vergrößerung der Drehzahldifferenz zwischen der Drehzahl der Antriebseinheit und einer Referenzdrehzahl ermittelt wird, wobei die Referenzdrehzahl ermittelt wird durch eine Multiplikation der Raddrehzahl mit einer Gesamtübersetzung, wobei die Gesamtübersetzung gebildet ist aus einer Multiplikation der Übersetzung des Zahnräderwechsel- Getriebes und der Übersetzung des Differenzialgetriebes, unter Beibehaltung der gleichen Fahrstufe zeitlich hoch aufgelöst die aus der erfassten Motordrehzahl und der erfassten Referenzdrehzahl ermittelte Drehzahldifferenz so lange über die Zeit integriert wird, bis trotz weiterhin positivem Drehmoment am Antriebsstrang entweder ein Rückgang der Motordrehzahl festgestellt wird oder die Differenz zwischen Motordrehzahl und Referenzdrehzahl im Wesentlichen wieder den Wert vor dem Zeitpunkt des Übergangs von Schubbetrieb zum Zugbetrieb angenommen hat, und aus dem Integral der Drehzahldifferenz das Verdrehspiel des Antriebsstrangs berechnet wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung von Parametern eines elektrischen Antriebsstrangs anzugeben.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung von Parametern eines elektrischen Antriebsstrangs gemäß Anspruch 1.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung von Parametern eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei der Antriebsstrang einen Motor, ein Getriebe, mindestens eine Seitenwelle und mindestens ein Rad umfasst, wobei eine Spielbreite des elektrischen Antriebsstrangs ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird ferner eine Steifigkeit des elektrischen Antriebsstrangs ermittelt, wobei zur Ermittlung der nichtlinearen Steifigkeit im Stillstand des Fahrzeugs Momentenstufen eingestellt werden, wobei ein Verdrehwinkel des Antriebsstrangs mittels Integration der Motordrehzahl über die Zeit berechnet wird, wobei die nichtlineare Steifigkeit als Quotient aus einem Seitenwellenmoment und dem Verdrehwinkel bestimmt wird.
• Anders als bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird erfindungsgemäß eine Steifigkeit und ein Verdrehwinkel ermittelt. Die vorliegende Erfindung führt aus folgenden Gründen zu einem präziseren Ergebnis:
• o Es werden keine Raddrehzahlen benötigt, die im Stand der Technik einerseits schlecht aufgelöst und zeitlich verschoben sind.
• o Anders als im Stand der Technik müssen die Zeitpunkte Abdockpunkt, Motorlast ungefähr Null nicht bestimmt werden, da erfindungsgemäß der gesamte Bereich integriert und durch die ermittelte Federsteifigkeit die Spielbreite durch Extrapolation bestimmt wird.
• o Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die nichtlineare Steifigkeit der Motorlager.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht eines Modells eines elektrischen Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug,
• 2 ein schematisches Diagramm einer Steifigkeit des elektrischen Antriebsstrangs in Abhängigkeit von einem Seitenwellenmoment,
• 3 schematische Diagramme des Seitenwellenmoments, einer Motordrehzahl, eines Verdrehwinkels und der Steifigkeit des Antriebsstrangs über der Zeit,
• 4 ein schematisches Diagramm der der Steifigkeit des Antriebsstrangs in Abhängigkeit vom Seitenwellenmoment,
• 5 ein schematisches Diagramm des Seitenwellenmoments in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel,
• 6 schematische Diagramme eines Motormoments, der Motordrehzahl und des Verdrehwinkels über der Zeit, und
• 7 ein schematisches Diagramm des Verdrehwinkels in Abhängigkeit vom Motormoment.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 ist eine schematische Ansicht eines Modells eines elektrischen Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug, wobei folgende physikalische Größen gezeigt sind:

  Motoristmoment	Mist
  Zeitkonstante Motor	τ
  Motorträgheit	JMot
  Radträgheit	JRad
  Getriebeübersetzung	ue
  Steifigkeit Antriebsstrang	k
  Dämpfung	d
  Spielbreite	φ0
  Motordrehzahl	ωMot
  Raddrehzahl	ωRad
  Drehzahl nach Getriebe	ω1

• Mit Hilfe verschiedener Messungen und einer Methode, welche beispielhaft in einem Matlab-Skript umgesetzt wurde, werden die Parameter Spielbreite φ₀ und Steifigkeit des Antriebsstrangs k ermittelt.
• Eine vereinfachte Zustandsraumdarstellung des Modells ist in folgender Gleichung angegeben: $$\left[\begin{array}{c}\dot{\phi }\\ \Delta \dot{\omega }\\ {\dot{M}}_{Ist}\end{array}\right]=\{\begin{array}{cc}M1& \left[\begin{array}{c}\phi +\frac{{\phi }_0}{2}\\ \Delta \omega \\ M_{Ist}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{1}{\tau }\end{array}\right]M_{Soll},\phi <\frac{{\phi }_0}{2}\\ M2& \left[\begin{array}{c}\phi \\ \Delta \omega \\ M_{Ist}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{1}{\tau }\end{array}\right]M_{Soll},-\frac{{\phi }_0}{2}\le \phi \le \frac{{\phi }_0}{2}\\ M1& \left[\begin{array}{c}\phi -\frac{{\phi }_0}{2}\\ \Delta \omega \\ M_{Ist}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ \frac{1}{\tau }\end{array}\right]M_{Soll},\phi >\frac{{\phi }_0}{2}\end{array}$$

  

  wobei $$M1=\left[\underset{0}{-\frac{k^0}{J_{Mot}\cdot u{e}^2}-\frac{k}{J_{Rad}}}\underset{0}{-\frac{d^1}{J_{Mot}\cdot u{e}^2}-\frac{d}{J_{Rad}}}\underset{-\frac{1}{\tau }}{\frac{\underset{1}{0}}{J_{Mot}\cdot ue}}\right]$$

  

  und $$M2=\left[\begin{array}{ccc}0& 1& 0\\ 0& -\frac{d}{J_{Mot}\cdot u{e}^2}-\frac{d}{J_{Rad}}& \frac{1}{J_{Mot}\cdot ue}\\ 0& 0& -\frac{1}{\tau }\end{array}\right]$$

  

  ist.
• Hierbei werden zusätzlich folgende Größen verwendet:

  Dämpfung Antriebsstrang	d
  Verdrehwinkel	φ
  Differenzdrehzahl	Δω

• Die Federsteifigkeit k eines elektrischen Antriebsstrangs besteht hauptsächlich aus:
  • Seitenwelle, Lager und Getriebesteifigkeit. Allgemein gilt: k = ∂M/∂φ.
• Die Gesamtsteifigkeit k_Ges kann annähernd wie folgt berechnet werden: $$k_{ges}=\frac{1}{\frac{1}{k_1}+\frac{1}{k_2}+\frac{1}{k_3}+\cdots }$$

  

  K_n entspricht den einzelnen Steifigkeiten eines Antriebsstrangs
• Die Lager sind nichtlinear. Dies wird in 2 anhand eines Beispiels gezeigt. 2 ist ein schematisches Diagramm der Steifigkeit k in Abhängigkeit vom Seitenwellenmoment M_SW.
• Weitere Steifigkeiten des Antriebsstrangs bei der Berechnung zu berücksichtigen ist sehr aufwändig.
• Bei einem Verfahren zur Ermittlung der nichtlinearen Steifigkeit k von elektrischen Antriebssträngen wird wie folgt vorgegangen:
• Messtechnische Bestimmung der nichtlinearen Federsteifigkeit:
1. 1. Im Stillstand werden Momentenstufen gestellt. $${\omega }_{Rad}=0\to \mathrm{\Delta }\omega ={\omega }_{Mot}$$
   
2. 2. Die Verdrehung des Antriebsstrangs kann mittels Integral der Motordrehzahl berechnet werden. $$\phi ={\displaystyle \int \mathrm{\Delta }\omega }dt={\displaystyle \int {\omega }_{Mot}}dt$$
   
3. 3. Die Steifigkeit kann aus dem Verdrehwinkel φ und dem Seitenwellenmoment Msw bestimmt werden $$\text{k}\left(M_{SW}\right)=M_{SW}\text{/}\phi$$
   
• 3 zeigt schematische Diagramme des Seitenwellenmoments M_SW, der Motordrehzahl ω_Mot des Verdrehwinkels φ und der Steifigkeit k des Antriebsstrangs über der Zeit t. 4 ist ein schematisches Diagramm der Steifigkeit k des Antriebsstrangs in Abhängigkeit vom Seitenwellenmoment M_SW.
• Im Antriebsstrang gibt es mehrere Spiele. Die gesamte Spielbreite φ₀ kann als Totzone angenommen werden.
• Werden Spiele durchlaufen, beispielsweise durch eine Momentenänderung mit Quadrantenwechsel, führt dies zu einem Ruck mit anschließenden Schwingungen. Eine Vorsteuerung, basierend auf dem Modell, verhindert diese Effekte bei optimaler Parametrierung. Für die Parametrierung wird die genaue Spielbreite φ₀ sowie Federsteifigkeit k benötigt. 5 ist ein schematisches Diagramm des Seitenwellenmoments Msw in Abhängigkeit vom Verdrehwinkel φ.
• Die Spielbreite φ₀ und Steifigkeit k des elektrischen Antriebsstrangs werden wie folgt ermittelt:
• Die Spielbreite φ₀ kann durch Integration der Differenzdrehzahl Δω zwischen Motor und Rad ermittelt werden. Dies kann im Stillstand wie folgt durchgeführt werden:
  1. 1. Das Fahrzeug befindet sich im Stillstand und die Bremse wird betätigt.
  2. 2. Anlegen eines konstanten Momentes.
  3. 3. Wechsel zwischen positivem und negativem Moment.
  4. 4. Die Integration der Motordrehzahl ω_Mot ergibt den Verdrehwinkel φ des Antriebsstrangs.
  5. 5. Wiederholung mit verschiedenen Momenten.
• 6 zeigt schematische Diagramme eines Motormoments M_Mot, der Motordrehzahl ω_Mot und des Verdrehwinkels φ über der Zeit t. Das letztere Diagramm zeigt Verläufe des ungefilterten Verdrehwinkels φ_u, des gefilterten Verdrehwinkels φ_f, Nullstellen N und Referenzpunkte R der Messung.
• 7 ist ein schematisches Diagramm des Verdrehwinkels φ in Abhängigkeit vom Motormoment M_Mot.
• → Die Extrapolation des Verdrehwinkels φ bis zu 0 Nm entspricht der gesamten Spielbreite.
• → Die Steigung der in 7 gezeigten Geraden entspricht der Gesamtsteifigkeit k des Antriebsstrangs.
• Durch die Extrapolation wird eine hohe Genauigkeit der Methode erzielt.
• Zusätzlich ist die Bestimmung und/oder Überprüfung der Spielbreite φ₀ und Steifigkeit k im elektrischen Antriebsstrang auch während einer Fahrt möglich:
• Beim Momentenaufbau sowie Momentenabbau verspannt bzw. entspannt sich der Antriebsstrang (entsprechend der nichtlinearen Steifigkeitskennline).
• Im Kundenbetrieb werden die Spiele mit geringem Moment (z.B. beim Einparken, Rangieren etc.) durchlaufen. Diese Usecases können dazu genutzt werden, die Spielbreite und die Steifigkeit zu überprüfen und gegebenenfalls:
• - eine Meldung über eine Änderung der Steifigkeit k, beispielsweise durch Lager, auszugeben,
• - eine Meldung über eine deutliche Änderung, beispielsweise Bauteil ausgeschlagen, Veränderung der Lager, auszugeben, und
• - die Steifigkeit k oder die Spielbreite φ₀ in einer Software zu adaptieren.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht:
• - eine genaue Ermittlung der Spielbreite φ₀ eines elektrischen Antriebsstrangs,
• - eine Bestimmung der gesamten Steifigkeit k im realen Fahrzeug,
• - eine Überprüfung der Parameter während einer Fahrt des Kunden und gegebenenfalls eine Adaption der Spielbreite oder die Feststellung und Meldung eines Defekts, und
• - eine Steigerung des Fahrkomforts und gegebenenfalls eine Anpassung und/oder Steigerung der Agilität.
• Bezugszeichenliste

d

Dämpfung

JMot

Motorträgheit

JRad

Radträgheit

k

Steifigkeit Antriebsstrang, Federsteifigkeit Antriebsstrang, Gesamtsteifigkeit

MIst

Motoristmoment

MMot

Motormoment

MSW

Seitenwellenmoment

N

Nullstelle

R

Referenzpunkt der Messung

t

Zeit

ue

Getriebeübersetzung

φ

Verdrehwinkel

φ0

Spielbreite

φf

gefilterter Verdrehwinkel

φu

ungefilterter Verdrehwinkel

ωMot

Motordrehzahl

ωRad

Raddrehzahl

ω1

Drehzahl nach Getriebe

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012011757 B4 [0003]

Claims (6)

1. Verfahren zur Ermittlung von Parametern eines elektrischen Antriebsstrangs eines Fahrzeugs, wobei der Antriebsstrang einen Motor, ein Getriebe, mindestens eine Seitenwelle und mindestens ein Rad umfasst, wobei eine Spielbreite (φ₀) des elektrischen Antriebsstrangs ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Steifigkeit (k) des elektrischen Antriebsstrangs ermittelt wird, wobei zur Ermittlung der nichtlinearen Steifigkeit (k) im Stillstand des Fahrzeugs Momentenstufen eingestellt werden, wobei ein Verdrehwinkel (φ) des Antriebsstrangs mittels Integration der Motordrehzahl (ω_Mot) über die Zeit (t) berechnet wird, wobei die nichtlineare Steifigkeit (k) als Quotient aus einem Seitenwellenmoment (Msw) und dem Verdrehwinkel (φ) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Spielbreite (φ₀) im Stillstand des Fahrzeugs eine Bremse betätigt wird, in mehreren Iterationen jeweils ein konstantes Motormoment (M_Mot) angelegt wird, das in jeder Iteration einen anderen Wert aufweist, zwischen einem positivem und einem negativen Motormoment (M_Mot) alterniert wird, wobei der Verdrehwinkel (φ) mittels Integration der Motordrehzahl (ω_Mot) über die Zeit (t) berechnet wird, wobei die Spielbreite (φ₀) durch Integration einer Differenzdrehzahl (Δω) zwischen Motor und Rad ermittelt wird, wobei eine Ausgleichsgerade durch aus den Iterationen gewonnene Messpunkte des Verdrehwinkels (φ) über dem Motormoment (M_Mot) gelegt wird, wobei die Ausgleichsgerade bis zu einem Motormoment (M_Mot) von 0 Nm extrapoliert wird, wobei eine Gesamtsteifigkeit (k) als Steigung der Ausgleichsgeraden bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung und/oder Überprüfung der Spielbreite (φ₀) und/oder Steifigkeit (k) im elektrischen Antriebsstrang zusätzlich in einer Fahrsituation mit geringem Motormoment (M_Mot) ohne Betätigung der Bremse durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Fahrsituation Einparken oder Rangieren verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Feststellung einer Änderung der Steifigkeit (k) eine Meldung über die Änderung der Steifigkeit (k) oder über eine deutliche Änderung eines Bauteils ausgegeben und/oder die Steifigkeit (k) und/oder die Spielbreite (φ₀) in einer Software adaptiert wird.
6. Fahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang, umfassend einen Motor, ein Getriebe, mindestens eine Seitenwelle und mindestens ein Rad, dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenverarbeitungseinheit vorgesehen ist, die zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche konfiguriert ist.

Images