DE19721298A1 - Hybrid-Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Hybrid-Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug

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Description

Die Erfindung betrifft einen Hybrid-Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug.
Die Ungleichförmigkeit der Kurbelwellendrehung herkömmlicher Hubkolben- Verbrennungsmotore regt in dem das Drehmoment vom Verbrennungsmotor zu den Antriebsrädern eines Kraftfahrzeugs führenden Antriebsstrang Drehschwingungen an, die sich als Rüttelbewegungen oder zumindest als Geräusche unerwünscht bemerkbar machen. Derartige Drehschwingungen werden herkömmlich durch mechanische Drehschwingungsdämpfer, die zumeist in die Kupplungsscheibe einer Schaltkupplung des Antriebsstrangs integriert sind, gedämpft. Da die Drehschwingungen in dem Antriebsstrang innerhalb eines relativ großen Betriebsdrehzahlenbereich resonanzartig auftreten, haben herkömmliche Drehschwingungsdämpfer dieses Typs zumeist mehrere, für unterschiedliche Drehmomentbereiche bemessene Federstufen und Reibeinrichtungen. Die Drehschwingungsdämpfer sind damit vergleichsweise aufwendig und vielfach auch anfällig für Störungen.
Aus DE 32 30 607 C2 ist es bekannt, eine mit der Kurbelwelle der Brenn­ kraftmaschine gekuppelte Anlaß-Lichtmaschine, also eine sowohl als Elektromotor als auch als Generator betreibbare elektrische Maschine zur aktiven Schwingungsdämpfung auszunutzen. Die beim Antrieb des Kraft­ fahrzeugs durch den Verbrennungsmotor als Generator arbeitende elek­ trische Maschine übt, während sie abhängig von ihrem Erregerstrom eine Batterie des Kraftfahrzeugs lädt, ein Lastdrehmoment auf den Verbren­ nungsmotor aus. Ein auf die Drehschwingungen, die der Rotation der Kurbelwelle überlagert sind, ansprechender Regelkreis steuert den Erreger­ strom der elektrischen Maschine so, daß die Schwingungen auf einem vorbestimmten Sollwert geregelt werden. Die den Ist-Wert repräsentierende Führungsgröße dieses Regelkreises wird mittels eines Differenzierglieds aus der mittels eines Drehzahlsensors erfaßten Motordrehzahl gewonnen.
Aus DE 40 15 701 und DE 43 23 601 sind Parallelhybridantriebe für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welchem die für den Fahrantrieb des Kraftfahr­ zeugs zusätzlich zum Verbrennungsmotor bestimmte elektrische Maschine für eine aktive Schwingungsdämpfung mit ausgenutzt wird. Auch hier wird das von der elektrischen Maschine auf den Verbrennungsmotor ausgeübte Lastdrehmoment im Sinne einer aktiven Schwingungsdämpfung von Dreh­ schwingungen ausgenutzt. Allerdings hat sich gezeigt, daß das Dämpfungs­ verhalten herkömmlicher aktiver Schwingungsdämpfer bisher den mit mechanischen Schwingungsdämpfern erreichten Standard vielfach nicht erreicht.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Hybrid-Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug anzugeben, der es erlaubt, im wesentlichen unter Ausnutzung von Baukom­ ponenten herkömmlicher Hybrid-Fahrantriebe für eine hinreichend kom­ fortable aktive Dämpfung von Schwingungen, insbesondere Drehschwin­ gungen des Antriebsstrangs, zu sorgen.
Die Erfindung geht aus von einem Hybrid-Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug, umfassend
einen Verbrennungsmotor für den Antrieb wenigstens eines Rads des Kraftfahrzeugs,
eine mit dem Verbrennungsmotor gekuppelte oder kuppelbare, als Generator oder/und als Motor betreibbare elektrische Maschine,
Sensormittel, die ein eine Schwingungsinformation einer Baukomponente des Kraftfahrzeugs, insbesondere einer im Drehmomentübertragungsweg zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Rad angeordneten, rotierenden Baukomponente enthaltendes Schwingungs-Istsignal liefern,
Regelungsmittel, die auf ein von einer Sollsignal-Vorgabeeinrichtung vor­ gegebenes Sollsignal ansprechen und abhängig von der Schwingungs­ information des Schwingungs-Istsignals das von der elektrischen Maschine auf den Verbrennungsmotor ausgeübte Lastmoment im Sinne einer Minde­ rung oder einer Eliminierung der Schwingungen der Baukomponente steuern.
Die erfindungsgemäße Verbesserung ist dadurch gekennzeichnet, daß den Regelungsmitteln eine Einrichtung zur Ermittelung eines Frequenzspektrums des Schwingungs-Istsignals zugeordnet ist und die Sollsignal-Vorgabeein­ richtung ein Sollsignal mit vorgegebenem Frequenzspektrum festlegt und daß die Regelungsmittel das Frequenzspektrum des von der elektrischen Maschine auf den Verbrennungsmotor ausgeübten Lastmoments im Sinne der Minderung oder Eliminierung spektraler Schwingungsüberhöhungen des Schwingungs-Istsignals steuern.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß die Ungleichförmigkeit der Kurbelwellendrehung des Verbrennungsmotors in aller Regel Schwingungen in dem Antriebsstrang oder der Karosserie des Kraftfahrzeugs anregen, die ein ganzes Spektrum von Schwingungen unterschiedlicher Frequenz um­ fassen. Den Regelungsmitteln ist eine Spektralanalyseeinrichtung zugeord­ net, die die Frequenzanteile nach Amplitude und Phase (oder in komplexer Darstellung nach Realteil und Imaginärteil) aus dem gemessenen Istsignal ermittelt. Die Sollsignal-Vorgabeeinrichtung legt ihrerseits das Sollsignal mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum fest und ermöglicht es so der Regelungseinrichtung, die Spektralanteile des Istsignals spezifisch zu dämpfen. Das von der elektrischen Maschine auf den Verbrennungsmotor ausgeübte Lastmoment wird also im Sinne der Minderung oder Eliminierung spektraler Schwingungsüberhöhungen des Schwingungs-Istsignals gesteu­ ert. Insgesamt wird auf diese Weise eine sehr rasch ansprechende, exakte Schwingungsdämpfung erreicht.
Bei den Sensormitteln kann es sich um Drehzahlsensoren oder Winkelge­ schwindigkeitssensoren handeln, die die momentane Drehzahl oder Winkel­ geschwindigkeit mit einer solchen Genauigkeit erfassen, daß auch der mittleren Drehzahl überlagerte Drehschwingungen mit hinreichender Genau­ igkeit erfaßt werden. Geeignet sind aber auch Sensoren, die nicht unmittel­ bar die Drehzahl oder die Winkelgeschwindigkeit rotierender Baukomponen­ ten erfassen, sondern lediglich eine indirekte Messung von Schwingungen zulassen, wie zum Beispiel das Drehmoment erfassende Sensoren oder Sensoren, die auf Geräusche oder Vibrationsschwingungen ansprechen.
In dem Frequenzspektrum des Istsignals können auch Spektralanteile enthalten sein, die sich aus einer Änderung der Betriebsdrehzahl des Antriebsstrangs beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs ergeben. Es hat sich gezeigt, daß die Frequenzen solcher Spektralanteile in Folge der begrenzten Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors jedoch bei vergleichsweise tiefen Frequenzen des Frequenzspektrums liegen, während die Spektralanteile der zu dämpfenden Drehschwingungen zumeist bei ver­ gleichsweise hohen Frequenzen zu finden sind. In einer bevorzugten Ausge­ staltung ist deshalb vorgesehen, daß den Regelungsmitteln Frequenzbegren­ zungsmittel zugeordnet sind, die das zur Steuerung des Lastmoments ausgenutzte Frequenzspektrum des Schwingungs-Istsignals auf Frequenzen oberhalb einer vorbestimmten Frequenzgrenze begrenzen. Die Frequenzbe­ grenzungsmittel haben mit anderen Worten Hochpaßcharakter für die zur Steuerung des Lastmoments ausgenutzten Frequenzanteile. In dieser bevorzugten Ausgestaltung wird erreicht, daß die Regelungsmittel zwar Schwingungen aktiv dämpfen können, das dynamische Verhalten des Hybridantriebs jedoch nicht negativ beeinflussen. Der Elektromotor kann auf diese Weise für die aktive Dämpfung von Drehschwingungen selbst dann ausgenutzt werden, wenn er als Motor betrieben den Verbrennungsmotor bei der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs unterstützt. Die vorbestimmte Frequenzgrenze ist hierbei bevorzugt oberhalb der eine Drehzahländerung der rotierenden Baukomponente bei maximaler Antriebsbeschleunigung des Kraftfahrzeugs in dem Frequenzspektrum des Schwingungs-Istsignals repräsentierenden Spektralfrequenz bemessen.
Die Sollsignal-Vorgabeeinrichtung umfaßt bevorzugt einen Kennlinienspei­ cher, in welchem als Funktion eines Frequenzparameters Sollgrößen wenig­ stens einer Sollsignal-Kennlinie gespeichert sind. Solche Kennlinien können für das Kraftfahrzeug empirisch ermittelt werden; die Kennlinien können aber auch in an sich bekannter Weise im Betrieb des Kraftfahrzeugs adaptiv in einem Lernprozeß korrigiert werden. Zweckmäßigerweise geben die Sollsignal-Kennlinien nur spektrale Maximalwerte der Sollgrößen an, die im aktiven Dämpfungsbetrieb nicht überschritten werden sollen. Dies ermög­ licht eine Regelung nach Art einer Kennfeldregelung, wie sie für die Steue­ rung von Verbrennungsmotoren an sich bekannt ist. Die Regelungsmittel überprüfen hierbei, ob das Frequenzspektrum der Istsignale insgesamt die spektralen Maximalwerte des Sollsignals nicht überschreiten und greifen bei Überschreitung spektraler Anteile gezielt in diesen Frequenzbereichen verstärkt dämpfend ein.
Der Kennlinienspeicher kann mehrere Kennlinien als Funktion weiterer Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs speichern, um dem Umstand Rech­ nung zu tragen, daß das Schwingungsverhalten bei unterschiedlichen Betriebssituationen unterschiedliche Dämpfungsmaßnahmen bedingen können. Bevorzugt enthält der Kennlinienspeicher Kennlinien als Funktion wenigstens einer der folgenden Betriebsparameter:
  • a) Drehmoment des Verbrennungsmotors,
  • b) Drehzahl des Verbrennungsmotors,
  • c) Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs,
  • d) Temperatur des Verbrennungsmotors,
  • e) momentanes Übersetzungsverhältnis eines im Drehmomentüber­ tragungsweg angeordneten, variablen Getriebes,
  • f) Gewicht des Kraftfahrzeugs,
  • g) Schub- oder Zugbetrieb (Vorzeichen des Drehmoments).
Den Regelungsmitteln sind hierbei Sensoren zugeordnet, die auf Änderungen dieser Betriebsparameter ansprechen und den Regelungsmitteln die Auswahl der Kennlinie abhängig von der Größe dieser Betriebsparameter ermöglichen.
Die elektrische Maschine muß hinsichtlich ihres Drehmomentverhaltens so bemessen sein, daß sie in der Lage ist, das von dem Verbrennungsmotor im Fahrbetrieb sowohl bei gleichbleibender Fahrgeschwindigkeit als auch bei Beschleunigung erzeugte Drehmoment für die aktive Schwingungsdämpfung sowohl zu verstärken als auch abzuschwächen. Die elektrische Maschine wird für den Motorbetrieb in aller Regel dem Drehmoment und der Leistung des Verbrennungsmotors entsprechende Moment- und Leistungsdaten haben. Andererseits muß die elektrische Maschine, wenn sie auf Treiber­ ströme oder Erregerströme eines vergleichsweise großen Frequenzspektrums ansprechen soll, eine vergleichsweise große Anzahl Pole und entsprechende Polwicklungen haben, um sie mit Treiber- oder Erregerströmen hinreichend unterschiedlicher Frequenz betreiben zu können. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist deshalb vorgesehen, daß die elektrische Maschine eine Vielzahl Pole umfaßt und die Regelungsmittel eine Stromstelleinrichtung für Polwicklungen der elektrischen Maschine steuern.
Abhängig von der Betriebssituation können Schwingungen in unterschiedli­ chen Baukomponenten angeregt werden. Bevorzugt umfassen deshalb die Sensormittel mehrere Sensoren, die auf unterschiedliche Schwingungs­ parameter oder/und Schwingungen unterschiedlicher Baukomponenten ansprechen. Die Regelungsmittel können jeweils so ausgebildet sein, daß sie die Signale mehrerer Sensoren gleichzeitig auswerten. Auch kann vorgesehen sein, daß die Sensoren abhängig von der Betriebssituation des Kraftfahrzeugs für die Erzeugung der Istsignale ausgewählt werden, da beispielsweise im Leerlaufbetrieb andere Baukomponenten zu Schwingungen angeregt werden, als dies beispielsweise bei Vollastbetrieb während der Fahrt der Fall ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, daß in Drehwinkelphasen, in welchen die elek­ trische Maschine bei der aktiven Drehschwingungsdämpfung Energie aus dem Verbrennungsmotor aufnimmt, diese Energie in einen elektrischen Antriebsenergiespeicher rückspeist. Bei diesem elektrischen Antriebsener­ giespeicher könnte es sich um eine herkömmliche Fahrstrombatterie han­ deln, die die elektrische Energie aufgrund eines chemischen Prozesses speichert. Es hat sich allerdings erwiesen, daß diese Art eines Antriebs­ energiespeichers die Rückgewinnung elektrischer Energie nur mit vergleichs­ weise schlechtem Wirkungsgrad erlaubt, da der chemische Energiespeiche­ rungsprozeß vergleichsweise langsam abläuft und Energieanteile höherer Spektralfrequenzen nicht aufzunehmen vermag. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist deshalb vorgesehen, daß die elektrische Maschine an eine Fahrstrom liefernde Batterie und zusätzlich an einen elektrischen Antriebs­ energiespeicher für den im Betrieb der Regelungsmittel bei der Schwin­ gungsdämpfung an die elektrische Maschine zu liefernden oder/und von dieser rückzuspeisenden, höherfrequenten elektrischen Strom angeschlossen ist. Als Fahrstrom liefernde Batterie kann damit eine herkömmlich die elektrische Energie aufgrund chemischer Prozesse speichernde Batterie (Akkumulator) ausgebildet sein, während es sich bei dem hochfrequente Stromspeicherung ermöglichenden Antriebsenergiespeicher bevorzugt um einen Kondensatorspeicher handelt, der dann die für die aktive Schwin­ gungsdämpfung erforderliche Betriebsenergie liefert.
Wie vorangegangen erläutert, sind die Regelungsmittel, durch welche eine aktive Schwingungsdämpfung erreicht wird, zweckmäßigerweise nur bei Spektralanteilen mit einer Frequenz oberhalb einer vorbestimmten Frequenz­ grenze wirksam. Unterhalb dieser Frequenzgrenze wird die elektrische Maschine über eine Fahrsteuerung oder dergleichen in der für Parallelhybrid­ antriebe üblichen Weise drehmomentgeregelt und nicht für die aktive Schwingungsdämpfung ausgenutzt. Um dennoch auch in diesem Betriebsfall Schwingungen dämpfen zu können, deren Schwingungsfrequenz unterhalb der vorbestimmten Frequenzgrenze liegt, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung in dem Drehmomentübertragungsweg eine steuerbare Kupplung vorgesehen, die abhängig von den Spektralanteilen des Schwin­ gungs-Istsignals mit Frequenzen unterhalb der vorbestimmten Frequenz­ grenze auf einen die Spektralanteile der Schwingungen mindernden oder eliminierenden Schlupf einstellbar ist. Bei der steuerbaren Kupplung handelt es sich zweckmäßigerweise um eine von einem Stellantrieb einstellbare Reibungskupplung, die beispielsweise zwischen dem Verbrennungsmotor und der elektrischen Maschine in dem Antriebsstrang angeordnet sein kann.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Hybrid-Fahrantriebs für ein Kraftfahrzeug;
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines aktiven Dämpfungssystems des Hybrid- Fahrantriebs;
Fig. 3a und 3b Frequenzspektren zur Erläuterung der Wirkungsweise des aktiven Dämpfungssystems.
Fig. 1 zeigt einen Parallelhybrid-Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 1, der über eine von einem elektrischen Stellantrieb 3 betätigbare Reibungskupplung 5 mit einer sowohl als Generator als auch als Elektromotor betreibbaren elektrischen Maschine 7 gekuppelt ist. Die elektrische Maschine 7 ist ihrerseits über ein Schaltgetriebe 9, bei welchem es sich um ein automatisches Getriebe oder um ein automatisiertes Stufen­ getriebe, aber auch um ein manuell zu schaltendes Stufengetriebe handeln kann, mit einem Antriebsräder 11 des Kraftfahrzeugs treibenden Differenti­ algetriebe 13 verbunden. Bei geschlossener Kupplung 5 steht der Ver­ brennungsmotor 1 über die Kupplung 5, das Getriebe 9 und das Differential­ getriebe 13 in Drehmoment übertragender Antriebsverbindung mit den Rädern 11. Die elektrische Maschine 7 ist im dargestellten Ausführungs­ beispiel drehfest mit der Eingangswelle des Getriebes 9 gekuppelt und ist bei geschlossener Kupplung 5 auch mit der Kurbelwelle des Verbrennungs­ motors 1 drehfest verbunden.
Die elektrische Maschine 7 ist über eine Stromstelleinrichtung 15 mit einer Fahrstrombatterie 17 verbunden, aus der sie im Motorbetrieb mit Strom versorgt wird, bzw. in die sie im Generatorbetrieb erzeugten Strom rück­ speist. Bei der Fahrstrombatterie 17 kann es sich um eine die elektrische Energie aufgrund von chemischen Prozessen speichernde Batterie bzw. einen Akkumulator handeln. Die Stromstelleinrichtung 15 sorgt für die Kommutierung sowie gegebenenfalls Gleichrichtung sowie den geeigneten Phasenversatz der vielphasigen Treiberströme der elektrischen Maschine 7. Durch Variation der Frequenz der Treiberströme läßt sich die Drehzahl der elektrischen Maschine 7 variieren. Die Steuerung sowohl der Kommutie­ rungsrate als auch des von der elektrischen Maschine 7 im Motorbetrieb erzeugten Drehmoments wie auch die Ladeleistung der elektrischen Ma­ schine bei Generatorbetrieb wird von einer Steuerung 19 bestimmt, die auch über einen Stellantrieb 21 ein Leistungseinstellglied 23 des Verbren­ nungsmotors 1, beispielsweise eine Drosselklappe oder eine Einspritzvor­ richtung, steuert. Die Steuerung 19 spricht auf ein vom Fahrer des Kraft­ fahrzeugs zu betätigendes Fahrpedal 25 an, dessen Auslenkung sie mittels eines Positionssensors 27 erfaßt.
Der Steuerung 19 sind ferner eine Vielzahl Sensoren zugeordnet, die auf Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs ansprechen. Hierzu gehören eine Vielzahl Drehzahlsensoren, wie zum Beispiel ein die Drehzahl des Ver­ brennungsmotors 1 erfassender Drehzahlsensor 29, ein die Eingangsdreh­ zahl des Getriebes 9 und damit die Drehzahl der elektrischen Maschine 7 erfassender Drehzahlsensor 31, ein die Ausgangsdrehzahl des Getriebes 9 erfassender Drehzahlsensor 33, und zusätzlich oder alternativ zu dem Drehzahlsensor 33 ein die Raddrehzahl erfassender Drehzahlsensor 35. Die Drehzahlsensoren 33, 35 liefern die Fahrgeschwindigkeit repräsentierende Signale. Ferner ist ein das Drehmoment des Verbrennungsmotors 1 erfas­ sender Momentensensor 37 vorgesehen. Dieser Sensor ist zweckmäßiger­ weise im Bereich der Kupplung 5 vorgesehen, da er sich hier problemlos durch drehelastische Komponenten realisieren läßt. Mittels eines Sensors 39 wird die Getriebeeinstellung des Getriebes 9 und damit dessen momentanes Übersetzungsverhältnis erfaßt. Gegebenenfalls kann zur Erfassung von Bauteilschwingungen für das nachfolgend noch näher erläuterte aktive Schwingungsdämpfungssystem ein Geräuschsensor 41 beispielsweise an dem Gehäuse des Getriebes 9 vorgesehen sein. Mittels eines Temperatur­ sensors 43 kann die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors 1 erfaßt werden, und mittels eines beispielsweise in die Achsfederung der Räder 11 integrierten Kraftsensors 45 kann auf das Fahrzeuggewicht geschlossen werden. Abhängig von den Signalen dieser Sensoren steuert die Steuerung 19, bei der es sich um eine Mikroprozessorsteuerung handeln kann, einer­ seits die Drehzahl und Momentenanforderung des Verbrennungsmotors 1, die Drehzahl und Momentenanforderung an die im Motorbetrieb betriebene elektrische Maschine 7 oder im Generatorbetrieb die Ladeleistung der elektrischen Maschine 7, und sie steuert über Stellglieder 47 gegebenenfalls das automatische oder automatisierte Getriebe 9. Daten und Algorithmen, die den Betrieb des Verbrennungsmotors 1, der elektrischen Maschine 7 und des Getriebes 9 abhängig von der Fahrsituation aufeinander abstimmen, sind in einem der Steuerung 19 zugeordneten Speicher 49 gespeichert.
Der Betrieb eines derartigen Parallelhybrid-Fahrantriebs läßt sich in unter­ schiedlicher Weise steuern. In einer bevorzugten Variante wird zum An­ fahren des Kraftfahrzeugs aus dem Stillstand ausschließlich die elektrische Maschine 7 benutzt. Im übrigen liefert jedoch der Verbrennungsmotor 1 die Grundleistung für den Fahrbetrieb, und die elektrische Maschine 7 wird lediglich zum Decken des Spitzenbedarfs an Leistung herangezogen. Soweit der Verbrennungsmotor 1 mehr Leistung liefert als für den Antrieb des Kraftfahrzeugs benötigt, arbeitet die elektrische Maschine 7 im Generator­ betrieb und lädt die Batterie 17. Solange die elektrische Maschine 7 alleine für den Antrieb des Kraftfahrzeugs sorgt, ist die Kupplung 5 geöffnet. Es versteht sich, daß auch andere Antriebsstrategien einsetzbar sind, beispiels­ weise indem die elektrische Maschine 7 bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten für den Antrieb des Kraftfahrzeugs sorgt und der Verbrennungsmotor 1 den Antrieb bei hohen Fahrgeschwindigkeiten alleine leistet. Insbesondere mit dem letztgenannten Konzept lassen sich hohe Fahrgeschwindigkeiten erreichen.
Die Steuerung 19 umfaßt Regelungsmittel, die mit Hilfe der elektrischen Maschine 7 eine aktive Schwingungsdämpfung der von der Ungleichförmig­ keit der Kurbelwellendrehung des Verbrennungsmotors 1 hervorgerufene Schwingungen, insbesondere Drehschwingungen im Drehmomentüber­ tragungsweg zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und den Rädern 11 verringern oder eliminieren. Hierzu wird die elektrische Maschine 7 ins­ besondere im Motorbetrieb, gegebenenfalls aber auch während ihres Generatorbetriebs im Verlauf einer 360° Drehung phasengerecht so gesteu­ ert, daß das von der elektrischen Maschine 7 auf die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 1 bzw. den damit gekuppelten Drehmomentüber­ tragungsweg ausgeübte Drehmoment der Ungleichförmigkeit der Drehbewe­ gung, d. h. der momentanen Beschleunigung oder momentanen Verzögerung ungleichförmig rotierender Baukomponenten dämpfend entgegenwirkt. Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Steuerung 19 in dem für die aktive Dämpfung relevanten Umfang. Mit 51 sind Sensormittel bezeichnet, die ein eine Schwingungsinformation einer Baukomponente des Kraftfahr­ zeugs nach Betrag und Phase enthaltendes Schwingungs-Istsignal liefern. Bei den Sensormitteln 51 kann es sich um hochauflösende, also die momen­ tane Winkelgeschwindigkeit über den vollen Drehwinkelbereich von 360° liefernde Drehzahlsensoren, wie zum Beispiel die Drehzahlsensoren 29, 31, 33 oder 35 aus Fig. 1 handeln. Eine momentane Schwingungsinformation nach Betrag und Phase können aber auch der Drehmomentsensor 37 oder der Geräuschsensor 41 liefern. Wie nachfolgend noch deutlich werden wird, erlaubt das Konzept der Erfindung eine Schwingungsdämpfung auch dann, wenn nicht die Ursache der Schwingung, nämlich die Ungleichförmigkeit der Kurbelwellendrehung des Verbrennungsmotors 1 direkt erfaßt wird, sondern indirekt die Wirkung dieser Ungleichförmigkeit, d. h. die Geräuscherzeugung oder die Rüttelbewegung einer anderen Baukomponente des Kraftfahrzeugs als Führungsgröße der Regelungsmittel ermittelt wird. Dies erlaubt eine fahrsituationsabhängige Auswahl geeigneter Sensoren. Auch können auf diese Weise andere Geräuschquellen, beispielsweise während der Fahrt über die Radachsen in den Drehmomentübertragungsweg eingeführte Ungleichförmigkeiten gezielt erfaßt und gedämpft werden.
Die Regelungsmittel umfassen eine Einrichtung 53 zur Ermittlung eines Frequenzspektrums des von den Sensormitteln 51 gelieferten Schwingungs- Istsignals, d. h. eines Frequenzspektrums der Schwingungsinformation nach Betrag und Phase. Diese Spektralanalysemittel 53 können aus einer Vielzahl selektiver, jedoch auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmten Filtern aufgebaut sein. Bevorzugt sind diese Frequenzanalysemittel 53 jedoch durch eine Fourier-Transformationsrechenschaltung gebildet. Die Rechenschaltung kann je nach Art der von den Sensormitteln gelieferten Signale digital oder auch analog arbeiten, beispielsweise nach dem Prinzip einer "Fast-Fourier- Transformation". Die Analysemittel 53 liefern abhängig von der Frequenz, beispielsweise in diskreten Frequenzschritten, den Betrag und die Phase der in dem Schwingungs-Istsignal enthaltenen Spektralanteile.
Nicht sämtliche Spektralanteile im Ausgangssignal der Analysemittel 53 sind auf unerwünschte und damit zu dämpfende Schwingungen zurückzuführen. Spektralanteile entstehen auch bei gewollten Drehzahländerungen im Drehmomentübertragungsweg, beispielsweise beim Beschleunigen des Kraftfahrzeugs. Um der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs nicht dämpfend entgegenzuwirken, sind Frequenzbegrenzungsmittel, hier in Form einer Frequenzweiche 55, vorgesehen, die nach Art eines Hochpasses für die aktive Schwingungsdämpfung ausschließlich Spektralanteile durchlassen, deren Spektralfrequenz f gleich oder größer als eine Grenzfrequenz fg ist. Die Grenzfrequenz fg ist so gewählt, daß sie oberhalb der Frequenzen der bei maximaler Beschleunigung des Kraftfahrzeugs auftretenden, relevanten Spektralanteile liegt. Es hat sich gezeigt, daß derartige Spektralanteile für hybridgetriebene Kraftfahrzeuge bei vergleichsweise niedrigen Frequenzen liegen, so daß die Grenzfrequenz fg nahe oder zumeist auch unterhalb der unteren Hörgrenze, beispielsweise bei 20 Hz, gewählt werden kann. Auf diese Weise können im Hörbereich auftretende Schwingungen und Ge­ räusche gedämpft werden, ohne daß dies auf Kosten der Dynamik des Antriebs geht.
Abhängig von dem aus der Frequenzweiche 55 zugeführten Istsignalspek­ trum und einem von einer Sollsignal-Vorgabeeinrichtung 57 gelieferten Sollsignalspektrum erzeugt ein Regler 59, der gleichfalls durch Hardware oder Software realisiert sein kann, Stellinformationen, die über nicht näher dargestellte Treiberschaltungen die Stromstellerschaltung 15 und damit das von der elektrischen Maschine 7 auf den Verbrennungsmotor 1 momentan ausgeübte Lastdrehmomenteinstellen. Die Sollsignal-Vorgabeeinrichtung 57 umfaßt einen Kennlinienspeicher, der Bestandteil des Speichers 49 (Fig. 1) sein kann und der als Funktion der Frequenz f Sollgrößen in Form wenig­ stens einer Kennlinie, insbesondere jedoch in Form eines von nachfolgend noch näher erläuterten, weiteren Parametern abhängigen Kennlinienfelds speichert. Diese beispielsweise empirisch in Fahrversuchen ermittelten Sollgrößen stellen spektrale Maximalwerte für die zu mindernden oder zu eliminierenden Spektralwerte des Schwingungs-Istsignals dar. Der Regler 59 vergleicht die Spektralwerte des Istsignals nach Betrag und Phase mit den durch die Sollgrößen festgelegten spektralen Maximalwerten und liefert Stellinformationen an die Stromstellerschaltung 15, die die Schwingung mindern. Fig. 3a zeigt in einem Beispiel den Betrag eines Drehzahl-Istspek­ trums ni, das oberhalb der Grenzfrequenz fg Spektralanteile bei den Frequen­ zen f0 und f1 hat. Fig. 3b zeigt die spektrale Verteilung des Betrags der Sollgröße Ki einer Kennlinie 61. Die Kennlinie 61 bestimmt die spektrale Verteilung, mit der über die Stromstellereinrichtung 15 die elektrische Maschine abhängig von der Frequenz zu erregen ist. Bei den Frequenzen f0 und f1 wird durch eine phasenrichtig vorzugebende Betragskorrektur der Treiber- bzw. Erregerströme der elektrischen Maschine sichergestellt, daß den Resonanzüberhöhungen des Istsignals bei diesen Frequenzen dämpfend entgegengewirkt wird. Im Prinzip genügt es, wenn durch dieses Regelkon­ zept die Schwingung unter den durch die Sollgrößen vorgegebenen Maxi­ malwerte gedämpft werden kann. Im Einzelfall können jedoch auch andere Regelkonzepte überlagert sein. Derartige Regelkonzepte sind bekannt, beispielsweise aus der Kennfeldregelung von Verbrennungsmotoren.
Die Auswahl der für die aktive Schwingungsdämpfung heranzuziehenden Kennlinien der Sollgrößen kann abhängig von weiteren Betriebsparametern des Kraftfahrzeugs erfolgen. Geeignet sind insbesondere folgende Betriebs­ parameter, die jeweils einzeln oder aber auch in Gruppen für die Auswahl der Kennlinie herangezogen werden können:
  • a) Drehmoment des Verbrennungsmotors 1, wie es beispielsweise mit dem Drehmomentsensor 37 (Fig. 1) erfaßt werden kann;
  • b) Drehzahl des Verbrennungsmotors, beispielsweise erfaßt mittels des Drehzahlsensors 29;
  • c) Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, beispielsweise erfaßt mittels der Drehzahlsensoren 33 oder 35;
  • d) Temperatur des Verbrennungsmotors 1, beispielsweise erfaßt mittels des Temperatursensors 43;
  • e) momentanes Übersetzungsverhältnis des Getriebes 9, wie es bei­ spielsweise mittels des Getriebestellungssensors 39 erfaßt wird oder aber aus den Stellsignalen des Stellantriebs 47 des Getriebes 9 ableitbar ist;
  • f) Gewicht des Kraftfahrzeugs, beispielsweise erfaßt mittels des Ge­ wichtssensors 45 und
  • g) Schub- oder Zugbetrieb des Kraftfahrzeugs, wie er aus dem Vor­ zeichen des Drehmomentsignals des Drehmomentsensors 37 ermittel­ bar ist.
Die vorstehend erläuterten Sensoren und Stellantriebe sind zumindest teilweise ohnehin für die Steuerung des Hybridantriebs erforderlich. Insoweit läßt sich die vorstehend erläuterte aktive Schwingungsdämpfung mit weitgehend vorhandenen Komponenten des Kraftfahrzeugs softwaremäßig realisieren. Bei 62 ist durch einen Funktionsblock die gleichfalls auf die Stromstellerschaltung 15 einwirkende Fahrsteuerung angedeutet, die abhängig von der Position des Fahrpedals 25 und den mittels der vorste­ hend erläuterten Sensoren die elektrische Maschine 7, wie eingangs erläu­ tert, allein, zum Beispiel beim Anfahren, oder zusätzlich zum Verbrennungs­ motor 1 drehmomentunterstützend steuert. Über die Fahrsteuerung 62 wird in an sich bekannter Weise auch der Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 7 gesteuert oder auch Betriebsphasen, in welchen der Verbren­ nungsmotor 1 ohne Unterstützung durch die elektrische Maschine 7 allein für das Antriebsdrehmoment der Räder 11 sorgt.
Für einen hohen Wirkungsgrad des Hybridantriebs und einen niedrigen Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 1 wird für eine Rückgewin­ nung der Bewegungsenergie des Kraftfahrzeugs durch elektrisches Bremsen mittels der dann generatorisch betriebenen elektrischen Maschine 7 gesorgt. Die elektrische Maschine 7 lädt hierbei über die Stromstellerschaltung 15 die Batterie 17. Bremsenergie wird jedoch nicht nur im Bremsbetrieb des Kraftfahrzeugs frei, sondern auch bei der momentanen Verzögerung des Verbrennungsmotors 1 während des aktiven Dämpfungsbetriebs. Die Spektralanteile des beim aktiven Dämpfungsbetrieb rückgewinnbaren Stroms liegen jedoch so hoch, daß sie in einer die elektrische Energie aufgrund chemischer Prozesse speichernden Batterie nur mit sehr schlech­ tem Wirkungsgrad gespeichert werden können. Der Batterie 17 ist deshalb eine auch zur Speicherung höherfrequenter Ströme geeignete Batterie 63, beispielsweise in Form einer Kondensatorbatterie, parallelgeschaltet, aus der die elektrische Maschine 7 die zur aktiven Dämpfung benötigte elektrische Energie bezieht bzw. rückspeichert. Während die Fahrsteuerung 62 (Fig. 2) die Stromstellerschaltung 15 mit Strom aus der Batterie 17 versorgt, liefert die Batterie 63 den von dem Regler 59 bestimmten Strom.
Für Spektralanteile, deren Frequenz f kleiner als die Grenzfrequenz fg ist, sind die Regelungsmittel unwirksam. Diese Spektralanteile, wie sie in Fig. 3a durch eine gestrichelte Kurve angedeutet sind, werden jedoch für andere Regelkonzepte ausgenutzt. Im Fall des Ausführungsbeispiels liefern Spek­ tralanteile des Istsignals unterhalb der Grenzfrequenz fg eine Istinformation für eine Schlupfregelung (oder Schlupfsteuerung), bei der die Reibungskupp­ lung 5 zur Drehschwingungsminderung oder Eliminierung auf einen vor­ bestimmten, geringen Schlupf eingestellt wird. Wie Fig. 2 zeigt, steuert ein weiterer Regler 65 abhängig von der Istinformation und abhängig von einer bei 67 vorgegebenen Sollgröße den Stellantrieb 3 der Kupplung. Auch hier kann die Sollgröße einen vorbestimmten spektralen Maximalwert repräsen­ tieren. Es können aber auch andere Schlupfregelkonzepte beispielsweise abhängig von der Größe des zu übertragenden Drehmoments der Schwin­ gungsamplitude oder dergleichen realisiert sein. Üblicherweise genügt ein Schlupf von einigen wenigen Prozent der Eingangsdrehzahl der Kupplung, um Drehschwingungen mit Spektralanteilen unterhalb der Grenzfrequenz hinreichend zu dämpfen.
Die Dämpfungseigenschaften des aktiven Schwingungsdämpfungssystems können mechanische Schwingungsdämpfungssysteme vollständig erübrigen.
Es versteht sich, daß das vorstehend erläuterte aktive Schwingungsdämp­ fungssystem auch bei anderen Hybridantrieben eingesetzt werden kann. Insbesondere kann auch zwischen der elektrischen Maschine und dem Getriebe eine weitere steuerbare Kupplung angeordnet sein, oder aber die elektrische Maschine kann ohne zusätzliche Kupplung direkt mit der Kurbel­ welle des Verbrennungsmotors gekuppelt sein.

Claims (12)

1. Hybrid-Fahrantrieb für ein Kraftfahrzeug, umfassend
  • - einen Verbrennungsmotor (1) für den Antrieb wenigstens eines Rads (11) des Kraftfahrzeugs,
  • - eine mit dem Verbrennungsmotor (1) gekuppelte oder kuppel­ bare, als Generator oder/und als Motor betreibbare elektrische Maschine (7),
  • - Sensormittel (29-37, 41; 51), die ein eine Schwingungsinfor­ mation einer Baukomponente des Kraftfahrzeugs, insbesondere einer im Drehmomentübertragungsweg zwischen dem Ver­ brennungsmotor (1) und dem Rad (11) angeordneten, rotieren­ den Baukomponente enthaltendes Schwingungs-Istsignal liefern,
  • - Regelungsmittel (19, 49, 53-59), die auf ein von einer Soll­ signal-Vorgabeeinrichtung vorgegebenes Sollsignal ansprechen und abhängig von der Schwingungsinformation des Schwin­ gungs-Istsignals das von der elektrischen Maschine (7) auf den Verbrennungsmotor (1) ausgeübte Lastmoment im Sinne einer Minderung oder einer Eliminierung der Schwingungen der Baukomponente steuern,
dadurch gekennzeichnet, daß den Regelungsmitteln (19, 49, 53-59) eine Einrichtung (53) zur Ermittlung eines Frequenzspektrums des Schwingungs-Istsignals zugeordnet ist und die Sollsignal-Vorgabeeinrichtung (57) ein Soll­ signal mit vorgegebenem Frequenzspektrum festlegt, und daß die Regelungsmittel (19, 49, 53-59) das Frequenzspektrum des von der elektrischen Maschine (7) auf den Verbrennungsmotor (1) ausgeübten Lastmoments im Sinne der Minderung oder Eliminie­ rung spektraler Schwingungsüberhöhungen des Schwingungs-Istsi­ gnals steuern.
2. Hybrid-Fahrantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Regelungsmitteln (19, 49; 53-59) Frequenzbegrenzungsmittel (53) zugeordnet sind, die das zur Steuerung des Lastmoments ausge­ nutzte Frequenzspektrum des Schwingungs-Istsignals auf Frequenzen oberhalb einer vorbestimmten Frequenzgrenze begrenzen.
3. Hybrid-Fahrantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Frequenzgrenze oberhalb der eine Drehzahlände­ rung der rotierenden Baukomponente bei maximaler Antriebsbe­ schleunigung des Kraftfahrzeugs in dem Frequenzspektrum des Schwingungs-Istsignals repräsentierenden Spektralfrequenz bemessen ist.
4. Hybrid-Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollsignal-Vorgabeeinrichtung (57) einen Kennlinienspeicher (49) umfaßt, in welchem als Funktion eines Frequenzparameters Sollgrößen wenigstens einer Sollsignal-Kennlinie gespeichert sind.
5. Hybrid-Fahrantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnete daß die Sollgrößen spektrale Maximalwerte für von den Regelungsmitteln (19, 49, 53-59) zu mindernden oder zu eliminierenden Spektralwerte des Schwingungs-Istsignals bilden.
6. Hybrid-Fahrantrieb nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kennlinienspeicher (49) mehrere Kennlinien als Funktion weiterer Betriebsparameter des Kraftfahrzeugs speichert, insbeson­ dere als Funktion wenigstens eines der Betriebsparameter:
  • a) Drehmoment des Verbrennungsmotors (1),
  • b) Drehzahl des Verbrennungsmotors (1),
  • c) Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs,
  • d) Temperatur des Verbrennungsmotors (1),
  • e) momentanes Übersetzungsverhältnis eines im Drehmoment­ übertragungsweg angeordneten, variablen Getriebes (9),
  • f) Gewicht des Kraftfahrzeugs,
  • g) Schub- oder Zugbetrieb (Vorzeichen des Drehmoments)
und daß die Regelungsmittel die Kennlinie abhängig von wenigstens einem dieser Betriebsparameter auswählen.
7. Hybrid-Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennlinien empirisch ermittelte Kennlinien sind.
8. Hybrid-Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (7) eine Vielzahl Pole umfaßt und die Regelungsmittel (19, 49, 53-59) eine Stromstell­ einrichtung (15) für Polwicklungen der elektrischen Maschine (7) steuern.
9. Hybrid-Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel (29-37, 41; 59) wenigstens einen die momentane Winkelgeschwindigkeit des Bauteils erfassen­ den Drehzahlsensor (29, 31, 33, 35) oder/und wenigstens einen das von dem Bauteil übertragene, momente Drehmoment erfassenden Drehmomentsensor (37) oder/und wenigstens einen Geräusche im Inneren des Kraftfahrzeugs erfassenden Geräuschsensor (41) auf­ weist.
10. Hybrid-Fahrantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormittel (29-37, 41; 51) mehrere auf unterschiedliche Schwingungsparameter oder/und Schwingungen unterschiedlicher Bauteile ansprechende Sensoren umfassen.
11. Hybrid-Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (7) an eine Fahrstrom liefernde Batterie (17) und zusätzlich an einen elektrischen Antriebs­ energiespeicher (63), insbesondere einen Kondensatorspeicher, für den im Betrieb der Regelungsmittel (19, 49, 53-59) bei der Schwingungsdämpfung an die elektrische Maschine (7) zu liefernden oder/und von dieser rückzuspeisenden, höherfrequenten, elektrischen Strom, angeschlossen ist.
12. Hybrid-Fahrantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentübertragungsweg eine steuer­ bare Kupplung, insbesondere eine von einem Stellantrieb (3) einstell­ bare Reibungskupplung (5), enthält, die abhängig von Spektralantei­ len des Schwingungs-Istsignals mit Frequenzen unterhalb der vor­ bestimmten Frequenzgrenze auf einen diese Spektralanteile der Schwingungen mindernden oder eliminierenden Schlupf einstellbar ist.
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