WO2009036888A2 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines einen verbrennungsmotor und einen elektromotor umfassenden antriebsstranges eines kraftfahrzeugs - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating, in particular automatic starting and / or stopping of a drive train of a motor vehicle comprising an internal combustion engine and an electric motor.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an improved method and an improved device for starting and / or stopping a drive train comprising an internal combustion engine and an electric motor.
  • the object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a device having the features of claim 12.
  • housing vibrations of the housing of the electric motor are compensated by a determined from a change in the air gap torque of the electric motor damping torque and / or based on a determined from a disturbance of the engine compensation torque by the damping torque and / or the compensation torque, in particular adaptive or direct, as Target torque to be set or is the electric motor.
  • the invention is based on the considerations that the vibrations of the housing of the electric motor and the internal combustion engine against the vehicle body or chassis resulting from two different excitation moments.
  • acts as a first excitation moment a so-called Air gap torque of the electric motor and as a second excitation torque, a disturbance torque of the internal combustion engine.
  • the disturbance torque of the internal combustion engine is composed of a frictional torque and an alternating torque due to expansions and compressions in the cylinders of the internal combustion engine.
  • the disturbance torque of the internal combustion engine acts both on the rotor and on the housing of the electric motor. With the acceleration of the internal combustion engine increases the frequency of the disturbance torque, whereby at a certain speed, the housing comes into resonance.
  • This excitation affects as lateral acceleration, which affects the ride comfort.
  • the method may be implemented in a control unit, for example in an existing engine control.
  • the electric motor which is designed, for example, as an integrated starter / generator, and arranged on the crankshaft with the internal combustion engine forms a hybrid drive, can be fixedly coupled to the internal combustion engine or optionally coupled with this.
  • the coupling can be done directly (on the crankshaft) or indirectly via other units such as a clutch, a transmission or a flywheel.
  • the hybrid drive of the internal combustion engine is usually used as a main drive unit and the electric motor as a secondary drive unit, the serial or is arranged in parallel in the drive train between the engine and a transmission.
  • Occurring housing oscillations as a result of combustion processes occurring in the internal combustion engine and thereby caused torques on the crankshaft are preferably compensated based on the crankshaft of the electric motor impressed negative and / or positive torques - the damping torque and / or the compensation torque.
  • the determined damping torques or compensating torques are adjusted adaptively or directly as desired torque at the electric motor, optionally taking into account torque requirements of further systems and ancillary units present in a vehicle.
  • the damping torque is determined based on a first, the storage of the housing of the electric motor representing transfer function and a predetermined damping constant.
  • the first transfer function is for the determination, in particular estimation of an ideal angular velocity of the housing of the electric motor, since the movement of the housing (angular velocity, rotational speed, position) can not be measured.
  • a damping torque for the electric motor is determined, based on which a damped target torque of the electric motor is determined, which is set on the electric motor and determined from the difference between the instantaneous nominal torque of the electric motor and the determined damping torque of the electric motor.
  • the determined damped setpoint torque is thus adjusted adaptively to the setpoint torque of the electric motor and actively dampens the change in the air-gap torque or the excitation of the housing of the electric motor in the case of housing or drive unit oscillations.
  • an ideal rotor speed of the electric motor is determined on the basis of a second transfer function representing the mechanics of the drive train.
  • the second transfer function is formed on the basis of a moment of inertia of the rotor of the electric motor representing function and a predetermined damping constant.
  • a partial compensation torque which is superimposed on the damped target torque or, alternatively, the current target torque, whereby the vibration excitation of the housing are damped.
  • 1 is a schematic representation of a drive train comprising an internal combustion engine and an electric motor
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the electric motor according to FIG. 2 with the disturbing torque and the air gap moment acting on the latter between the rotor and the housing,
  • 3 schematically shows a block diagram for setting the target torque on the electric motor, to which a damping torque is adaptively superimposed or which is formed from a compensation torque for vibration damping
  • 4 shows schematically a block diagram for determining the damping torque from a mechanism representing the mounted housing first transfer function
  • FIG. 6 shows a schematic model representation of the mounting of the housing of the electric motor against the vehicle body with model parameters representing housing oscillations or housing movements
  • FIG. 7 schematically shows a block diagram for determining the compensation torque on the basis of a second, the mechanics of the drive train in start / stop mode representing transfer function and a speed controller, and
  • Fig. 8 shows schematically a block diagram of the second transfer function.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a drive train 1 that includes an internal combustion engine 2 and an electric motor 3.
  • the electric motor 3 is connected to a crankshaft 4 of the internal combustion engine 2 and can drive them, ie exert positive or negative torques on them.
  • the electric motor 3 via the crankshaft 4 and a clutch 5 is connected to a transmission 6.
  • the drive train 1 is designed as a hybrid drive.
  • the internal combustion engine 2 serves, for example, as a main drive unit and the electric motor 3 as a secondary drive unit.
  • the electric motor 3 can be arranged in series (as shown) or parallel in or to the drive train 1 between the internal combustion engine 2 and the transmission 6.
  • the electric motor 3 is designed as an integrated starter / generator.
  • an additional starter and generator can be omitted.
  • the transmission 6 is switched to neutral, the clutch 5 is closed and the internal combustion engine 2 is started by means of the electric motor 3.
  • the electric motor 3 can also be used as a generator and the energy obtained by the generator operation of the electric motor 3 can be used to drive.
  • the hybrid drive is usually equipped with a start / stop function for the internal combustion engine 2, whereby exhaust and noise emissions are reduced.
  • the electric motor 3 consists of the housing 3.1 and the rotor 3.2.
  • the housing 3.1 is spring-damping element 8, z. B. a rubber damper 8.1 and a spring 8.2, mounted on the vehicle body 7.
  • An excitation torque consists in the change of the air gap torque M Lu ft s paitEM, the other in the disturbance torque Ms to rvM of the internal combustion engine 2.
  • This disturbance torque Ms t ⁇ rvM affects both the Rotor 3.2 and on the housing 3.1 off.
  • the frequency of the disturbance torque M St o r VM increases, whereby at a certain engine speed n 2, the housing 3.1 of the electric motor 3 comes into resonance. This suggestion leads to a noticeable lateral acceleration in the vehicle interior.
  • a vibration damping function For compensation and damping of the housing vibrations when starting or stopping includes a not-shown control unit, for.
  • a vibration damping function As an engine control unit, as an additional control and / or regulating function, a vibration damping function, which is shown in more detail in Figure 3.
  • FIG. 3 shows by way of example the combination of three different damping functions DF1 to DF3 which can be used in combination (see full line representation of the input variable) or separately (see dashed representation of the input variable).
  • the first damping function DFl based on a first transmission ⁇ function Gi (s), which describes the mechanics of the bearing housing 3.1, and a predetermined damping constant K Dämpf a damping torque MoämpfEM.
  • this first damping function Dfl is compensated for the change of the air gap torque M Heilspa i tEM or attenuated by controlling the air gap torque M shipss P
  • a T E M is superimposed with the adjustable on the electric motor 3 active damping torque M vapor E M. Since the movement (acceleration or speed or position) of the housing 3.1 can not be measured, it is estimated from the given first transfer function Gi (s) (see FIGS. 4 and 5).
  • the second and third damping function DF2 and DF3 are used to compensate for the resulting from the operation of the internal combustion engine 2 disturbance torque M st ⁇ rvMr simultaneously acts on the housing 3.1 and the rotor 3.2.
  • the influence of the disturbance torque M S torvM of the internal combustion engine 2 from the rotor speed n 3 . 2 of the rotor 3.2 of the electric motor 3 are extracted.
  • a compensation torque M K ⁇ m p EM can be determined, which is set as a new target torque M So i 1EM on the electric motor 3.
  • the second damping function DF2 comprises a second transfer function G 2 (s), which describes the mechanics of the drive train 1 in start / stop operation in more detail and an ideal rotor speed n * 3 . 2 estimates.
  • G 2 the second transfer function
  • D3 the third damping function D3 is based on the ideal rotor speed n * 3 . 2 then determines the compensation torque M Kom p EM .
  • FIGS. 4 to 8 describe the damping functions DF1 to DF3 in detail.
  • the first damping function DF1 is described in greater detail on the basis of a block diagram. In doing so, the ideal transfer function Gi (s) becomes ideal
  • the damping torque M Däm pfEM is determined on the basis of a predetermined damping constant K steam (with K steam in Nms 2 ) of a reinforcing element 9, which is derived from the momentary setpoint torque M mora s o iiEM by means of a difference element 10 for determining a attenuated target torque M da m P fsoiiEM is subtracted.
  • Gi s
  • Figure 6 shows an example of the spring stiffness Dampfungs- model of the mounting of the housing 3.1 of the electric motor 3 against the vehicle body 7 with the Gehauseschwingungen and accelerations ⁇ 3 .i representing the model parameters Ci, C 2, C 2, D 2, Di 2, J3 .1 / r and the resulting steamed setpoint torque M steam soiiEM.
  • Figure 7 shows schematically a block diagram for determining the compensation torque M KO mpE M based on the second, the mechanics of the drive train 1 in start / stop operation representing the transfer function G 2 (S) and a speed controller 13.
  • G 2 (s) By means of the second transfer function G 2 (s) is determined from the damped desired torque M P m dä fsoiiEM an ideal rotor speed n *. 3 2 determined, in particular estimated.
  • the instantaneous setpoint torque M momSo ii EM can also be used.
  • the estimated ideal rotor speed n * 3 . 2 is at the current Istrotordrehiere n 3 .
  • the resulting difference dn (also called error) is fed to the speed controller 13, which determines a compensation torque M K ⁇ mpEM based on the determined difference dn, which is set in particular as a new setpoint torque M SOIIEM at the electric motor 3.
  • FIG. 8 schematically shows a block diagram of the second transfer function G 2 (s), based on which of the ideal rotor speed n * 3 . 2 is determined as a disturbance torque a Sectionkompensationsnavmoment M K ⁇ mpiEM.
  • the determined ideal rotor speed n * 3. 2 to the model element 16 eg.
  • the model element 16 the filtered values with a predetermined attenuation constant K n3. 2 multiplied (with K n3. 2 in [Nms]) and the partial compensation torque M Comp i EM determined which is added to the steamed target torque M DAEM pfs o IIEM or to the current target torque M mo msoiiEM.
  • the Istrotordrehiere n 3 . 2 of the rotor 3.2 detected by a speed sensor and as actual speed value to a control unit, eg. As an engine control unit transmitted.
  • This control unit also includes the attenuation functions DF1 to DF3 described in more detail above. Does the instantaneous setpoint torque value M momSo i 1EM of the electric motor 3 deviate from the compensation torque M KomPEM or from
  • the control unit controls the electric motor 3 so that the compensation torque M K ompEM and / or the damping torque M DampfEM adaptive or directly as a setpoint torque M SO II EM on the electric motor 3 can be made or will.
  • the internal combustion engine 2 is controlled and / or regulated by an engine control, not shown, for example with respect to injected fuel quantities and ignition angle.
  • the control unit of the electric motor 3 can be formed as part of the engine control.
  • the electric motor 3 is designed, for example, as an integrated starter / generator and forms a hybrid drive arranged on the crankshaft with the internal combustion engine 2.
  • the electric motor 3 can be fixedly coupled to the internal combustion engine 2 or optionally be coupled with this.
  • Ci / C2 Ciz Spring stiffness parameters Diz, D 2 Damping parameters DFl to DF3 Damping functions Gi (s) first transfer function G 2 (s) second transfer function

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben, insbesondere automatischen Starten und/oder Stoppen eines einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor (3) umfassenden Antriebsstranges (1) eines Kraftfahrzeugs, wobei am Elektromotor (3) auftretende Gehäuseschwingungen anhand eines aus einer Änderung des Luftspaltmoments (MLuftspaltEM) des Elektromotors (3) ermittelten Dämpfungsdrehmomentes (MDämpfEM) und/oder anhand eines aus einer Störgröße (MStörVM) des Verbrennungsmotors (2) ermittelten Kompensationsdrehmomentes (MKompEM) kompensiert werden, indem das Dämpfungsdrehmoment (MDämpfEM) bzw. das Kompensationsdrehmoment (MKompEM) am Elektromotor (3) als Solldrehmoment (MSollEM) eingestellt werden bzw. wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines einen
Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfassenden
Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben, insbesondere automatischen Starten und/oder Stoppen eines einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfassenden Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs.
Beim Start von Verbrennungsmotoren, z. B. bei so genannten Hochdrehzahlstarts, kommt es häufig zu einer störenden Anhebung der Drehzahl des Verbrennungsmotors, einem so genannten Überschwingen, nach dem Anspringen des Verbrennungsmotors, dadurch verursacht, dass jede Zündung in einem Zylinder ein Drehmoment an der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors bewirkt. Bei einem herkömmlichen Start, beispielsweise mittels eines Anlassers, werden vor dem Zünden des Verbrennungsmotors gewöhnlich Drehzahlen im Bereich von 100 min"1 bis 150 min"1 erreicht, bei kaltem Motor gegebenenfalls auch weniger (z.B. 50 min"1). Bei einem Hochdrehzahlstart hat die Kurbelwelle mittels Antrieb durch den Elektromotor zum Zeitpunkt des Zündens der Zylinder bereits eine Leerlaufdrehzahl erreicht. Jedes zusätzliche Drehmoment trägt zur zumindest temporären Erhöhung der Drehzahl über die Leerlaufdrehzahl hinaus bei. Diese Erhöhung beeinträchtigt den Komfort des Fahrzeuges, das von dem Verbrennungsmotor angetrieben ist. Besonders störend wirkt sich das Überschwingen in Fahrzeugen mit Hybridantrieb aus, bei denen Starts und Stopps des Verbrennungsmotors besonders häufig vorkommen. Insbesondere bewirkt das Überschwingen bei bestimmten Drehzahlen Schwingungen des gegen die Fahrzeug¬ karosserie gelagerten Motorgehäuses des Elektromotors. Auch ist das Überschwingen selbst als Ruck spürbar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Starten und/oder Stoppen eines einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfassenden Antriebsstranges anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden auftretende Gehäuseschwingungen des Gehäuses des Elektromotors anhand eines aus einer Änderung des Luftspaltmoments des Elektromotors ermittelten Dämpfungsdrehmomentes und/oder anhand eines aus einer Störgröße des Verbrennungsmotors ermittelten Kompensationsdrehmomentes kompensiert, indem das Dämpfungsdrehmoment und/oder das Kompensationsdrehmoment, insbesondere adaptiv oder direkt, als Solldrehmoment am Elektromotor eingestellt werden bzw. wird.
Der Erfindung liegen dabei die Überlegungen zugrunde, dass die Schwingungen des Gehäuses des Elektromotors und des Verbrennungsmotors gegen die Fahrzeugkarosserie oder -chassis aus zwei verschiedenen Anregungsmomenten resultieren. Dabei wirkt als ein erstes Anregungsmoment ein so genanntes Luftspaltmoment des Elektromotors und als ein zweites Anregungsmoment ein Störmoment des Verbrennungsmotors. Dabei setzt sich das Störmoment des Verbrennungsmotors aus einem Reibmoment und einem Wechselmoment aufgrund Expansionen und Kompressionen in den Zylindern des Verbrennungsmotors zusammen. Das Störmoment des Verbrennungsmotors wirkt sowohl auf den Rotor als auch auf das Gehäuse des Elektromotors. Mit der Beschleunigung des Verbrennungsmotors steigt die Frequenz des Störmomentes an, wodurch bei einer bestimmten Drehzahl das Gehäuse in Resonanz gerät. Diese Anregung wirkt sich als Querbeschleunigung aus, welche den Fahrkomfort beeinträchtigt. Durch das erfindungsgemäße aus der Änderung des Luftspaltmoments ermittelte Dämpfungsdrehmoment, das als aktive Schwingungsdämpfung eingesetzt wird und den Schwingungen aktiv entgegenwirkt, wird eine wirksame Schwingungsdämpfung erzielt. Durch das erfindungsgemäße aus der Störgröße des Verbrennungsmotors ermittelte Kompensationsdrehmoment, das zur Kompensation des Störmomentes, das sowohl auf den Rotor als auch auf das Gehäuse wirkt, eingesetzt wird, werden die Anregung und Schwingungen des Gehäuses wirksam gedämpft oder ausgeglichen. Das Verfahren kann in einer Steuereinheit implementiert sein, beispielsweise in einer vorhandenen Motorsteuerung.
Der Elektromotor, der beispielsweise als integrierter Starter/Generator ausgebildet ist, und auf der Kurbelwelle angeordnet mit dem Verbrennungsmotor einen Hybridantrieb bildet, kann fest mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt oder optional mit diesem koppelbar sein. Die Koppelung kann direkt (auf der Kurbelwelle) oder indirekt über weitere Aggregate wie eine Kupplung, ein Getriebe oder eine Schwungscheibe erfolgen. Dabei wird beim Hybridantrieb der Verbrennungsmotor üblicherweise als Hauptantriebsaggregat und der Elektromotor als Nebenantriebsaggregat eingesetzt, der seriell oder parallel im Antriebsstrang zwischen dem Verbrennungsmotor und einem Getriebe angeordnet ist. Beim Hybridantrieb sorgt das Verfahren dafür, dass bei den hier typischen häufigen Wechseln zwischen Start und Stopp des Verbrennungsmotors ein Start bzw. Wiederstart weitgehend ruckfrei abläuft und von einem Fahrer nicht als störend wahrgenommen wird. Auftretende Gehäuseschwingungen infolge von im Verbrennungsmotor auftretenden Verbrennungsvorgängen und dadurch bewirkten Drehmomenten an der Kurbelwelle werden dabei vorzugsweise anhand von der Kurbelwelle von dem Elektromotor aufgeprägten negativen und/oder positiven Drehmomente - dem Dämpfungsdrehmoment und/oder dem Kompensationsdrehmoment - kompensiert. Die ermittelten Dämpfungsdrehmomente bzw. Kompensationsdrehmomente werden adaptiv oder direkt als Solldrehmoment am Elektromotor eingestellt, gegebenenfalls unter Berücksichtigung von Drehmomentanforderungen weiterer in einem Fahrzeug vorhandener Systeme und Nebenaggregate.
Vorzugsweise wird das Dämpfungsdrehmoment anhand einer ersten, die Lagerung des Gehäuses des Elektromotors repräsentierenden Übertragungsfunktion und einer vorgegebenen Dämpfungskonstante ermittelt. Dabei wird die erste Übertragungsfunktion anhand einer das Trägheitsmoment des Gehäuses des Elektromotors und somit dessen Masse repräsentierenden Funktion und anhand eines die Bewegung bzw. Beschleunigung des Gehäuses und die Steifigkeit bzw. Dämpfung des gelagerten Gehäuses repräsentierenden Modells mit Modellparametern, wie beispielsweise einem Auslenkungsparameter, einem ersten und zweiten Dämpfungsparameter (z. B. viskoser Dämpfungsparameter und maxwellscher Dämpfungsparameter (= Maxwell-Element eines seriellen Feder-Dämpfer-Modellelementes) ) , einem ersten, zweiten und dritten Federsteifigkeitsparameter (z. B. primärer Federsteifigkeitsparameter, viskoser Federsteifigkeitsparameter und maxweilscher
Federsteifigkeitsparameter (= Maxwell-Element eines seriellen Feder-Dämpfer-Modellelementes) ) und einem viskosen Masseparameter, ermittelt. Die erste Übertragungsfunktion dient der Ermittlung, insbesondere Schätzung einer idealen Winkelgeschwindigkeit des Gehäuses des Elektromotors, da die Bewegung des Gehäuses (Winkelgeschwindigkeit, Drehzahl, Position) nicht gemessen werden kann.
Anschließend wird anhand der ermittelten idealen Winkelgeschwindigkeit und der vorgegebenen Dämpfungskonstante ein Dämpfungsdrehmoment für den Elektromotor bestimmt, anhand dessen ein gedämpftes Solldrehmoment des Elektromotors ermittelt wird, das am Elektromotor eingestellt und aus der Differenz vom momentanen Solldrehmoment des Elektromotors und dem ermittelten Dämpfungsdrehmoment des Elektromotors bestimmt wird. Das ermittelte gedämpfte Solldrehmoment wird somit adaptiv zum Solldrehmoment des Elektromotors eingestellt und dämpft aktiv bei Gehäuse oder Antriebsaggregatsschwingungen die Änderung des Luftspaltmoments bzw. die Anregung des Gehäuses des Elektromotors.
In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand einer zweiten, die Mechanik des Antriebsstranges repräsentierenden Übertragungsfunktion eine ideale Rotordrehzahl des Elektromotors bestimmt. Zweckmäßigerweise wird die zweite Übertragungsfunktion anhand einer das Trägheitsmoment des Rotors des Elektromotors repräsentierenden Funktion und einer vorgegebenen Dämpfungskonstante gebildet. Hierbei wird aus der ermittelten idealen Rotordrehzahl als Störgröße des Verbrennungsmotors dessen Störmoment extrahiert. Im Detail wird anhand der ermittelten idealen Rotordrehzahl und der vorgegebenen Dämpfungskonstante ein Teilkompensations- drehmoment bestimmt, das dem gedämpften Solldrehmoment oder alternativ dem momentanen Solldrehmoment überlagert wird, wodurch die Schwingungsanregung des Gehäuses gedämpft werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Extrahierung des Störmomentes aus dem Signal der idealen Rotordrehzahl zur Ermittlung eines Teilkompensationsdrehmomentes kann anhand der ermittelten idealen Rotordrehzahl und der momentanen Istrotordrehzahl des Elektromotors eine Drehzahldifferenz ermittelt und einem Drehzahlregler zugeführt werden, anhand dessen das Kompensationsdrehmoment ermittelt wird, das als Solldrehmoment am Elektromotor eingestellt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor umfassenden Antriebsstranges,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Elektromotors gemäß Figur 2 mit den auf diesen zwischen Rotor und Gehäuse einwirkenden Störmoment und Luftspaltmoment ,
Fig. 3 schematisch ein Blockschaltbild zur Einstellung des Solldrehmomentes am Elektromotor, dem adaptiv ein Dämpfungsdrehmoment überlagert wird bzw. das aus einem Kompensationsdrehmoment zur Schwingungsdämpfung gebildet wird, Fig. 4 schematisch ein Blockschaltbild zur Ermittlung des Dämpfungsdrehmomentes aus einer die Mechanik des gelagertes Gehäuses repräsentierenden ersten Übertragungsfunktion,
Fig. 5 schematisch ein Blockschaltbild der ersten Übertragungsfunktion,
Fig. 6 eine schematische Modelldarstellung der Lagerung des Gehäuses des Elektromotors gegen die Fahrzeugkarosserie mit eingezeichneten Gehäuseschwingungen bzw. Gehäusebewegungen repräsentierenden Modellparametern,
Fig. 7 schematisch ein Blockschaltbild zur Ermittlung des Kompensationsdrehmomentes anhand einer zweiten, die Mechanik des Antriebsstranges im Start/Stopp- Betrieb repräsentierenden Übertragungsfunktion und eines Drehzahlreglers, und
Fig. 8 schematisch ein Blockschaltbild der zweiten Übertragungsfunktion .
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Antriebsstrang 1 gezeigt, der einen Verbrennungsmotor 2 und einen Elektromotor 3 umfasst. Der Elektromotor 3 ist mit einer Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors 2 verbunden und kann diese antreiben, d.h. positive oder negative Drehmomente auf sie ausüben. Darüber hinaus ist der Elektromotor 3 über die Kurbelwelle 4 und eine Kupplung 5 mit einem Getriebe 6 verbunden. Der Antriebsstrang 1 ist als ein Hybridantrieb ausgebildet. Dabei dient der Verbrennungsmotor 2 beispielsweise als Hauptantriebsaggregat und der Elektromotor 3 als Nebenantriebsaggregat. Je nach Ausbildung des Antriebsstranges 1 kann der Elektromotor 3 seriell (wie dargestellt) oder parallel im bzw. zum Antriebsstrang 1 zwischen dem Verbrennungsmotor 2 und dem Getriebe 6 angeordnet sein. Bevorzugt ist der Elektromotor 3 als integrierter Starter/Generator ausgebildet. Somit können ein zusätzlicher Starter und Generator entfallen. Dabei wird beim Anlassen des Verbrennungsmotors 2 das Getriebe 6 nach neutral geschaltet, die Kupplung 5 geschlossen und der Verbrennungsmotor 2 mittels des Elektromotors 3 gestartet. Bei geschlossener Kupplung 5 kann der Elektromotor 3 zudem als Generator eingesetzt werden und die durch den Generatorbetrieb des Elektromotors 3 gewonnene Energie zum Antrieb genutzt werden.
Durch den als Hybridantrieb ausgebildeten Antriebsstrang 1 sind verschiedene Betriebsmodi möglich. Unter anderem ist der Hybridantrieb üblicherweise mit einer Start/Stopp-Funktion für den Verbrennungsmotor 2 ausgestattet, wodurch Abgas- und Lärmemissionen verringert werden.
Dabei kann es beim Starten und/oder Stoppen des Verbrennungsmotors 2 zu ungewollten Schwingungen, beispielsweise Schwingungen oder Bewegungen des Gehäuses 3.1 des Elektromotors 3 gegen die Fahrzeugkarosserie 7 kommen, wie dies beispielhaft in der Figur 2 näher dargestellt ist.
Wie in Figur 2 gezeigt, besteht der Elektromotor 3 aus dem Gehäuse 3.1 und dem Rotor 3.2. Das Gehäuse 3.1 ist über Feder-Dämpfungselement 8, z. B. einen Gummidämpfer 8.1 und eine Feder 8.2, an der Fahrzeugkarosserie 7 gelagert. Zwischen dem Gehäuse 3.1 und dem Rotor 3.2 wirken das aus einer Sprungfunktion des Gehäuses 3.1 resultierende Luftspaltmoment MLuftsPaitEM und eine Störgröße oder ein Störmoment MStorvM des Verbrennungsmotors 2, welches aus einem Reibmoment und einem Wechselmoment aufgrund von Kompression und Expansion in den Zylindern des Verbrennungsmotors 2 besteht .
Die Schwingungen beim Starten und Stoppen basieren somit auf zwei unterschiedliche Anregungsmomente: Ein Anregungsmoment besteht in der Änderung des Luftspaltmoments MLuftspaitEM, das andere in dem Störmoment MstorvM des Verbrennungsmotors 2. Dieses Störmoment MstόrvM wirkt sich dabei sowohl auf den Rotor 3.2 als auch auf das Gehäuse 3.1 aus. Mit der Beschleunigung des Verbrennungsmotors 2 steigt die Frequenz des Störmomentes MStorVM an, wodurch bei einer bestimmten Motordrehzahl n2 das Gehäuse 3.1 des Elektromotors 3 in Resonanz gerät. Diese Anregung mündet in eine spürbare Querbeschleunigung im Fahrzeuginnenraum.
Zur Kompensation und Dämpfung der Gehäuseschwingungen beim Starten bzw. Stoppen umfasst ein nicht näher dargestelltes Steuergerät, z. B. ein Motorsteuergerät, als zusätzliche Steuer- und/oder Regelungsfunktion eine Schwingungs- dämpfungsfunktion, die in Figur 3 näher dargestellt ist.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft die Kombination von drei verschiedenen Dämpfungsfunktionen DFl bis DF3, welche in Kombination (siehe Vollliniendarstellung der Eingangsgröße) oder separat (siehe gestrichelte Darstellung der Eingangsgröße) eingesetzt werden kann. Zur Schwingungsdämpfung des Gehäuses 3.1 wird als erste Dämpfungsfunktion DFl anhand einer ersten Übertragungs¬ funktion Gi (s), welche die Mechanik des gelagerten Gehäuses 3.1 beschreibt, und einer vorgegebenen Dämpfungskonstante KDämpf ein Dämpfungsdrehmoment MoämpfEM ermittelt. Mittels dieser ersten Dämpfungsfunktion DFl wird die Änderung des Luftspaltmoments MLuftspaitEM kompensiert oder gedämpft, indem das Luftspaltmoment MLuftspaitEM mit dem am Elektromotor 3 einstellbaren aktiven Dämpfungsdrehmoment MDampfEM überlagert wird. Da die Bewegung (Beschleunigung oder Drehzahl oder Position) des Gehäuses 3.1 nicht gemessen werden kann, wird sie anhand der vorgegebenen ersten Übertragungsfunktion Gi (s) geschätzt (siehe Figuren 4 und 5) .
Die zweite und dritte Dämpfungsfunktion DF2 bzw. DF3 dienen der Kompensation des aus dem Betrieb des Verbrennungsmotors 2 resultierenden Störmomentes MstόrvMr das gleichzeitig auf das Gehäuse 3.1 und den Rotor 3.2 wirkt. Dabei kann der Einfluss des Störmomentes MStorvM des Verbrennungsmotors 2 aus der Rotordrehzahl n3.2 des Rotors 3.2 des Elektromotors 3 extrahiert werden. Hierzu kann je nach Vorgabe mittels der zweiten und dritten Dämpfungsfunktion DF2 und DF3 adaptiv zur ersten Dämpfungsfunktion DFl anhand des aus dem Dämpfungsdrehmoment MDampfEM der ersten Dämpfungsfunktion DFl ermittelten gedämpften Solldrehmomentes MdämpfSollEM oder direkt anhand des momentanen Solldrehmomentes MmOmsoiiEM ein Kompensationsdrehmoment MKθmpEM bestimmt werden, welches als neues Solldrehmoment MSoi1EM am Elektromotor 3 eingestellt wird. Durch das Kompensationsdrehmoment MKθmpEM wird die Anregung des Gehäuses 3.1 und somit die Gehäuseschwingung gedämpft. Hierzu umfasst die zweite Dämpfungsfunktion DF2 eine zweite Übertragungsfunktion G2 (s), welche die Mechanik des Antriebsstranges 1 im Start/Stopp-Betrieb näher beschreibt und eine ideale Rotordrehzahl n*3.2 schätzt. Mittels der dritten Dämpfungsfunktion D3 wird anhand der idealen Rotordrehzahl n*3.2 dann das Kompensationsdrehmoment MKompEM bestimmt.
Die Figuren 4 bis 8 beschreiben die Dämpfungsfunktionen DFl bis DF3 im Detail.
In Figur 4 ist die erste Dämpfungsfunktion DFl anhand eines Blockschaltbildes näher beschrieben. Dabei wird anhand der ersten Übertragungsfunktion Gi (s) eine ideale
Winkelgeschwindigkeit ω*3.i des Gehäuses 3.1 und somit dessen Beschleunigung oder Position bestimmt. Aus dieser geschätzten Winkelgeschwindigkeit ω*3.i wird anhand einer vorgegebenen Dämpfungskonstante KDampf (mit KDampf in Nms2) eines Verstärkungselementes 9 das Dämpfungsdrehmoment MDämpfEM ermittelt, das vom momentanen Solldrehmoment MmorasoiiEM anhand eines Differenzelementes 10 zur Bestimmung eines gedämpften Solldrehmomentes MdamPfsoiiEM subtrahiert wird.
Figur 5 zeigt schematisch ein Blockschaltbild der ersten Übertragungsfunktion Gi (s), welches eine das Trägheitsmoment J3.i (mit J in [kg"m2]) des Gehäuses 3.1 des Elektromotors 3 und die Laplace-Transformierte L (Integrator im Zeitbereich mit L{E (t) }=l/s) repräsentierendes Funktionselement 11 und ein die Lagerung des Gehäuses 3.1 und dessen Steifigkeit bzw. Dämpfung berücksichtigendes Modellelement 12 umfasst. Das Modellelement 12 berücksichtigt dabei mehrere die Änderung des Luftspaltmoments repräsentierende Steifigkeits- bzw. Dämpfungsparameter (= Modellparameter) , wie einen Auslenkungsparameter r (mit r in [m] ) , einen ersten, primären Federsteifigkeitsparameter Ci (auch mit "primary rubber spring stiffness" bezeichnet, mit Ci in [N/m] ) , einen zweiten, viskosen Federsteifigkeitsparameter C2 (auch mit "spring stiffness fluid" bzeichnet, mit C2 in [N/m]), einen dritten, maxwellschen Federsteifigkeitsparameter Clz (auch mit "spring stiffness Maxwell-Element" bezeichnet, mit Ci2 in [N/m]), einen ersten, maxwellschen Dampfungsparameter Di2 (auch mit "damping coefficient Maxwell-Element" bezeichnet, mit Diz in [Ns/m] ) , einen zweiten, viskosen Dampfungsparameter D2 (auch mit "damping coefficient fluid" bezeichnet, mit D2 in [Ns/m] ) , einen viskosen Masseparameter irif (auch mit "equivalent mass fluid" bezeichnet, mit mf in [kg] ) .
Anhand der Modellparameter werden, wie in Figur 5 gezeigt, eine erste, die primäre Federsteifigkeit der Lagerung berücksichtigende und primäre Modellkraft Fsprχng (mit spring = Federsteifigkeit) , eine zweite, die viskose Dampfung der Lagerung berücksichtigende und somit viskose Modellkraft Ffiuld (mit fluid = viskose) und eine dritte, die serielle Federsteifigkeit und Dampfung der Lagerung berücksichtigende Modellkraft FMW (mit MW = Maxwell-Element) ermittelt, die summiert und unter Berücksichtigung des zweifachen Auslenkungsparameters r zur Ermittlung eines idealen Drehmomentes M*EM für den Elektromotor 3 herangezogen werden .
Figur 6 zeigt beispielhaft das Federsteifigkeits-Dampfungs- Modell der Lagerung des Gehäuses 3.1 des Elektromotors 3 gegen die Fahrzeugkarosserie 7 mit den die Gehauseschwingungen und -beschleunigungen φ3.i repräsentierenden Modellparametern Ci, C2, Ci2, D2, Di2, J3.1/ r und dem daraus resultierenden gedampften Solldrehmoment MdampfsoiiEM.
Figur 7 zeigt schematisch ein Blockschaltbild zur Ermittlung des Kompensationsdrehmomentes MKOmpEM anhand der zweiten, die Mechanik des Antriebsstranges 1 im Start/Stopp-Betrieb repräsentierenden Übertragungsfunktion G2(S) und eines Drehzahlreglers 13. Mittels der zweiten Übertragungsfunktion G2 (s) wird anhand des gedämpften Solldrehmomentes MdämPfsoiiEM eine ideale Rotordrehzahl n*3.2 bestimmt, insbesondere geschätzt. Alternativ zum gedämpften Solldrehmoment Md&mpfsoiiEM kann auch das momentane Solldrehmoment MmomSoiiEM eingesetzt werden. Die geschätzte ideale Rotordrehzahl n*3.2 wird mit der momentanen Istrotordrehzahl n3.2 anhand eines Differenzelementes 14 verglichen. Die daraus resultierende Differenz dn (auch Fehler genannt) wird dem Drehzahlregler 13 zugeführt, der anhand der ermittelten Differenz dn ein Kompensationsdrehmoment MKθmpEM ermittelt, das insbesondere als neues Solldrehmoment MSOIIEM am Elektromotor 3 eingestellt wird.
In Figur 8 ist schematisch ein Blockschaltbild der zweiten Übertragungsfunktion G2 (s) dargestellt, anhand derer aus der idealen Rotordrehzahl n*3.2 als Störmoment ein Teilkompensationsdrehmoment MKθmpiEM ermittelt wird. Die Übertragungsfunktion G2 (s) umfasst eine das Trägheitsmoment J3-2 (mit J in [kg'm2]) des Rotors 3.2 des Elektromotors 3 und die Laplace-Transformierte L (mit L(E (t) }=l/s) repräsentierendes Funktionselement 15 und ein die Reibung des Rotors 3.2 und dessen Dämpfung berücksichtigendes Modellelement 16. Dabei wird die ermittelte ideale Rotordrehzahl n*3.2 auf das Modellelement 16, z. B. eine Dämpfung, gegeben, wobei das Modellelement 16 die gefilterten Werte mit einer vorgegebenen Dämpfungskonstante Kn3.2 (mit Kn3.2 in [Nms] ) multipliziert und das Teilkompensationsdrehmoment MKompiEM ermittelt, das zum gedämpften Solldrehmoment MdämpfsoiiEM oder zum momentanen Solldrehmoment MmomsoiiEM addiert wird. In nicht näher dargestellten Art und Weise wird die Istrotordrehzahl n3.2 des Rotors 3.2 durch einen Drehzahlsensor erfasst und als Drehzahlistwert an eine Steuereinheit, z. B. ein Motorsteuergerät, übermittelt. Diese Steuereinheit umfasst darüber hinaus die oben näher beschriebenen Dämpfungsfunktionen DFl bis DF3. Weicht der momentane Solldrehmomentwert MmomSoi1EM des Elektromotors 3 vom Kompensationsdrehmoment MKomPEM bzw. vom
Dämpfungsdrehmoment MDampfEM ab, so regelt die Steuereinheit den Elektromotor 3 so, dass das Kompensationsdrehmoment MKompEM und/oder das Dämpfungsdrehmoment MDampfEM adaptiv oder direkt als Solldrehmoment MSOIIEM am Elektromotor 3 eingestellt werden bzw. wird.
Der Verbrennungsmotor 2 wird von einer nicht näher dargestellten Motorsteuerung gesteuert und/oder geregelt, beispielsweise bezüglich eingespritzter Kraftstoffmengen und Zündwinkel. Die Steuereinheit des Elektromotors 3 kann dabei als ein Teil der Motorsteuerung gebildet sein.
Der Elektromotor 3 ist beispielsweise als integrierter Starter/Generator ausgebildet und bildet auf der Kurbelwelle angeordnet mit dem Verbrennungsmotor 2 einen Hybridantrieb. Der Elektromotor 3 kann fest mit dem Verbrennungsmotor 2 gekoppelt oder optional mit diesem koppelbar sein.
Bezugszeichenliste
1 Antriebsstrang
2 Verbrennungsmotor
3 Elektromotor
3.1 Gehäuse
3.2 Rotor
4 Kurbelwelle
5 Kupplung
6 Getriebe
7 Fahrzeugkarosserie
8 Feder-Dämpfungs-Element
8.1 Gummidämpfer
8.2 Feder
9 Verstärkungselement
10 Differenzelement
11 Funktionselement
12 Modellelement
13 Drehzahlregler
14 Differenzelement
15 Funktionselement
16 Modellelement
Ci/ C2, Ciz Federsteifigkeitsparameter Diz, D2 Dämpfungsparameter DFl bis DF3 Dämpfungsfunktionen Gi(s) erste Übertragungsfunktion G2(s) zweite Übertragungsfunktion
J3.1 Trägheitsmoment des Gehäuses des Elektromotors
J3.2 Trägheitsmoment des Rotors des Elektromotors irif Masseparameter
MüampfEM Dämpfungsdrehmoment des Elektromotors
MdämpfsoiiEM gedämpftes Solldrehmoment des Elektromotors
MpcompEM Kompensationsdrehmoment des Elektromotors
^LuftspaitEM Luftspaltmoment des Elektromotors
MmomsoiiEM momentanes Solldrehmoment des Elektromotors
MsoiiEM Solldrehmoment des Elektromotors
MstorvM Störmoment des Verbrennungsmotors n3.2 Istrotordrehzahl des Rotors des Elektromotors n*3.2 ideale Rotordrehzahl des Rotors des Elektromotors r Auslenkungsparameter
CÖ3.1 Winkelgeschwindigkeit des Gehäuses des Elektromotors ω*3.i ideale Winkelgeschwindigkeit des Gehäuses des Elektromotors

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben, insbesondere automatischen Starten und/oder Stoppen eines einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor (3) umfassenden Antriebsstranges (1) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass auftretende Gehäuseschwingungen des Gehäuses (3.1) des Elektromotors (3) anhand eines aus einer Änderung des Luftspaltmoments (MLuftSpaltEM) des Elektromotors (3) ermittelten Dämpfungsdrehmomentes (MDampfEM) und/oder anhand eines aus einer Störgröße (MstOrvM) des Verbrennungsmotors (2) ermittelten
Kompensationsdrehmomentes (MKθmpEM) kompensiert werden, indem das Dämpfungsdrehmoment (MDampfEM) bzw. das Kompensationsdrehmoment (MKOIΠPEM) am Elektromotor (3) als Solldrehmoment (MSOIIEM) eingestellt werden bzw. wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsdrehmoment (MoampfEM) anhand einer ersten, die Lagerung eines Gehäuse (3.1) des Elektromotors (3) repräsentierenden Übertragungsfunktion (G1(S)) und einer vorgegebenen Dämpfungskonstante (KDampf) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Übertragungsfunktion (Gi (s) ) anhand eines das Trägheitsmoment (J3.1) des Gehäuses (3.1) des Elektromotors (3) repräsentierenden
Funktionselementes (11) und anhand von Modellparametern, insbesondere von einem Auslenkungsparameter (r) , ersten und zweiten Dämpfungsparameter (Di2, D2) , ersten, zweiten und dritten Federsteifigkeitsparameter (Ci, C2, Ci2) und einem Masseparameter (mf) , ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der ersten Übertragungsfunktion (Gi (s)) eine ideale Winkelgeschwindigkeit (00*3.1) des Gehäuses (3.1) des Elektromotors (3) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der ermittelten idealen
Winkelgeschwindigkeit (0*3.1) und der vorgegebenen Dämpfungskonstante (KDamPf) ein
Dämpfungsdrehmoment (MDämpfEM) für den Elektromotor (3) bestimmt wird, anhand dessen ein gedämpftes Solldrehmoment (MdampfsoiiEM) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gedämpfte Solldrehmoment (MdampfsoiiEM) aus der Differenz vom momentanen Solldrehmoment (MmOmsoiiEM) des Elektromotors (3) und dem bestimmten Dämpfungsdrehmoment (MDampfEM) des Elektromotors (3) ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Elektromotor (3) das ermittelte gedämpfte Solldrehmoment (MdämpfsoiiEM) eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer zweiten, die Mechanik des Antriebsstranges (1) repräsentierenden Übertragungsfunktion (G2(S)) eine ideale Rotordrehzahl (n*3.2) des Rotors (3.2) des Elektromotors (3) bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Übertragungsfunktion (G2(S)) anhand eines das Trägheitsmoment (J3.2) des Rotors (3.2) des Elektromotors (3) repräsentierenden Funktionselementes (15) und einer vorgegebenen Dämpfungskonstante (Kn3.2) gebildet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der ermittelten idealen Rotordrehzahl (n*3.2) und der momentanen Istrotordrehzahl (n3.2) des Rotors (3.2) des Elektromotors (3) eine Drehzahldifferenz (dn) ermittelt und einem Drehzahlregler (13) zugeführt wird, anhand dessen ein Kompensationsdrehmoment (MKOΠIPEM) ermittelt wird, das als Solldrehmoment (M≤OIIEM) am Elektromotor (3) eingestellt wird.
11. Vorrichtung zum Betreiben, insbesondere automatischen Starten und/oder Stoppen eines einen Verbrennungsmotor (2) und einen Elektromotor (3) umfassenden Antriebsstranges (1) eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät vorgesehen ist, mittels welchem am Elektromotor (3) auftretende Gehäuseschwingungen anhand eines aus einer Änderung des Luftspaltmoments (MLuftspaitEM) des Elektromotors (3) ermittelten
Dämpfungsdrehmomentes (MoämpfEM) und/oder anhand eines aus einer Störgröße (MstόrvM) des Verbrennungsmotors (2) ermittelten Kompensationsdrehmomentes (MKθmpEM) kompensierbar sind, indem das Dämpfungsdrehmoment (MDämpfEM) bzw. das
Kompensationsdrehmoment (MKθmpEM) am Elektromotor (3) als Solldrehmoment (MSOIIEM) einstellbar sind bzw. ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (3) als Starter/Generator ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (1) als Hybridantrieb ausgebildet ist.
PCT/EP2008/007223 2007-09-13 2008-09-04 Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines einen verbrennungsmotor und einen elektromotor umfassenden antriebsstranges eines kraftfahrzeugs WO2009036888A2 (de)

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