Aufbau der Arbeit. Kapitel 1 Einleitung

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1 1 Einleitung Die Weiterentwicklung moderner energieeffizienter Kraftfahrzeuge erfordert eine ständige Anpassung und Verbesserung des Antriebsstrangkonzepts. Die Hybridtechnologie vereint dabei verschiedenartige Momentenquellen, die im Antriebsstrang zusammengeführt werden. Mit der hinzugekommenen elektrischen Antriebsmaschine (kurz E-Maschine) ergeben sich zusätzliche Fahrsituationen wie das rein elektrische Fahren, die Rückgewinnung der Bremsenergie (Rekuperation) oder das zusätzliche Drehmoment in der verbrennungsmotorischen Fahrt (auch als Boosten bekannt), die den Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs weiter verbessern. Die Eigenschaften der E-Maschine ermöglichen nicht nur neue, verbrauchsoptimierte Fahrzustände. Aufgrund des charakteristischen Momentenverlaufs stellt die E-Maschine das maximale Drehmoment bereits im unteren Drehzahlbereich zur Verfügung und erlaubt steilere Momentengradienten als der konventionelle Verbrennungsmotor. Das Ansprechverhalten des Gesamtfahrzeugs kann also deutlich agiler ausgelegt werden. Die höheren Momentengradienten führen jedoch auch zu einer starken Schwingungsanregung des Antriebsstrangs und müssen geeignet unterbunden werden. Genauer handelt es sich hierbei um Torsionsschwingungen, die unterschiedliche Ursachen haben können und in Lastwechselschläge und Lastwechselschwingungen unterteilt werden. Lastwechselschläge treten durch fertigungs- und funktionsbedingte Spiele in den Antriebsstrangkomponenten auf. Beim Umlegen des Antriebsstrangs ist der Anschlag der Lagerelemente hörbar und erzeugt einen sprungförmigen Momentenverlauf, der zu Schwingungen im Antriebsstrang führt. Lastwechselschwingungen erfolgen dagegen nach dynamischen Lastwechselanforderungen des Fahrers oder nach Getriebeschaltungen. Konzeptbedingt führen im hybriden Antriebsstrang weitere Zustände und Zustandsübergänge wie der Start oder das Abstellen des Verbrennungsmotors während der elektrischen Fahrt zur Schwingungsanregung. Wie auch der konventionelle Antriebsstrang stellt der hybride Antriebsstrang ein rotierendes Mehrkörpersystem dar. Aufgrund der Massenverhältnisse, der Steifigkeit der Bauteile und der gewählten Getriebeübersetzung liegt die erste Eigenfrequenz eines Pkw-Antriebsstrangs typischerweise zwi-

2 Kapitel 1 Einleitung schen 2 und 10 Hz(vgl. Abschnitt 2.1). Dieser Frequenzbereich entspricht dem Fahrzeugruckeln und wird vom menschlichen Körper besonders empfindlich wahrgenommen (vgl. [1, 19]). Für die Dämpfung dieser Schwingungen existieren mit dem Zweimassenschwungrad, dem Torsionsdämpfer, dem hydrodynamischer Wandler und der auf Schlupf eingestellten Kupplung klassische Lösungsansätze in der technischen Mechanik. Während diese Ansätze ausreichend erforscht sind, erweist sich als nachteilig, dass sie üblicherweise für bestimmte Betriebspunkte optimiert sind und über alle Betriebspunkte hinweg nicht energieoptimal arbeiten. Die Limitierung des maximalen Momentengradients ist ein weiterer Ansatz, um die Schwingungsanregung zu reduzieren. Sie reduziert jedoch dauerhaft das Ansprechverhalten des Fahrzeugs und verringert das Ansprechverhalten. Der Einzug der Motorelektronik eröffnete in den letzten Jahren einen neuen Weg, um den Verbrennungsmotor als Stellgröße zu verwenden und um die Schwingungen somit aktiv zu dämpfen. Das Konzept der aktiven Dämpfung beschreibt, dass zusätzlich zu dem ungedämpften Antriebsmoment ein Dämpfungsmoment berechnet wird, das den Schwingungen im Antriebsstrang entgegenwirkt. Das effektive Antriebsmoment ergibt sich dann aus der Summe des ungedämpften Antriebs- und des Dämpfungsmoments. Das zur Verfügung gestellte gesamte Drehmoment des Verbrennungsmotors und der E-Maschine muss folglich so bestimmt werden, dass das Ergebnis dieser Bestimmung unter Berücksichtigung der Komfortaspekte zu der gewünschten Fahrzeugbeschleunigung führt. Die hierfür benötigten Regelkonzepte unterliegen Dynamikbeschränkungen, die bei der Auswahl der Regelverfahren und deren Entwurf eine wichtige Rolle spielen. Dazu zählen beim Verbrennungsmotor und der E-Maschine das in Abhängigkeit des Hybridmodus 1 minimale und maximale verfügbare Drehmoment, das sich wiederum über den Drehzahlbereich ändert. Des Weiteren müssen die Phasenverluste in den Messgrößen und die Signalübertragungszeiten berücksichtigt werden. Die neuen Anforderungen bei der Hybridisierung führen zur Notwendigkeit neuartiger Lösungskonzepte, die sowohl den Anforderungen der höheren Energieeffizienz genügen als auch einen hohen Fahrkomfort sicherstellen. Die E-Maschine als neu hinzugekommene Momentenquelle im hybriden Antriebsstrang bietet hierfür einen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Reglerauslegung, der effizient genutzt werden kann. Diese Arbeit befasst sich mit dem Entwurf möglicher Verfahren und stellt deren Umsetzung in einer Simulationsumgebung dar. Anhand festgelegter Kriterien erfolgt abschließend der Vergleich und die Bewertung möglicher Mehrgrößenregler zur aktiven Dämpfung der Torsionsschwingungen im Antriebsstrang. Aufbau der Arbeit Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: Zunächst erfolgt zum besseren Verständnis der auftretenden Torsionsschwingungen im Kapitel 2 die mathematische Beschreibung des Antriebsstrangs als Modell eines 11-Massen-Schwingers. Eine anschließende Modalanalyse ermittelt in Abhängigkeit des Hybrid-Betriebsmodus die Eigenfrequenzen und Eigenformen und berechnet mit der Energieverteilung die Sensitivität der einzelnen Komponenten auf die Eigenfrequenzen. Für Regelverfahren, deren Regelergebnis auf einem internen Streckenmodell basieren, ist das Modell des 11-Massen-Schwingers zu rechenaufwendig. Aus diesem Grund erfolgt die Modellreduktion hin zu einem vereinfachten 3-Massen-Schwinger. Die unterschiedlichen Dynamikbeschränkungen der verwendeten Stellgrößen für die aktive Dämpfung schließen sich an diesen Abschnitt an. Im Abschnitt 2.3 werden die Ziele beschrieben und die Bewertungskriterien für die verwendeten Regelverfahren abgeleitet. Das Kapitel schließt mit dem Überblick und der Bewertung aktuell bekannter Lösungsansätze ab. 1 Beschreibt den Zustand, indem sichdashybridsystembefindet(beispielsweiseboosten, Rekuperation,Laden,Entladen) 2

3 Das Kapitel 3 enthält die Auswahl und den detaillierten Entwurf neuer geeigneter Regelverfahren, die mögliche Lösungen für die im vorherigen Kapitel beschriebenen Anforderungen darstellen. Die Optimierung der Rechenzeit für die verwendeten numerischen Methoden beschreibt das Kapitel 4. Das Kapitel 5 vertieft die Modellierung des Antriebsstrangs. Dafür wird ein zylinderdiskretes Motormodell hergeleitet und validiert. Einen weiteren maßgebenden Einfluss hat der Torsionsdämpfer, sodass eine detaillierte Modellierung des nichtlinearen Verhaltens erfolgt. Die Validierung und Kalibrierung des Antriebsstrangmodells erfolgend auf der Basis von Prüfstandsmessungen, sodass anschließend im Kapitel 6 die Implementierung der vorgestellten Verfahren anhand dieser Modelle durchgeführt wird. Das Kapitel 7 beschreibt die Verifikation der Regelverfahren anhand ausgewählter Anwendungsbeispiele und bewertet sie anhand der aufgestellten Bewertungskriterien. Abschließend rundet das Kapitel 8 die Arbeit mit der Zusammenfassung und dem Ausblick auf zukünftige Forschungsschwerpunkte ab. 3

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5 2 Analyse und Zielsetzung Um bestehende Verfahren zu bewerten und daraus neue Lösungsverfahren abzuleiten, ist eine fundierte Analyse des zu betrachtenden Systems notwendig. Zu Beginn dieses Kapitels erfolgt deshalb zuerst eine Einführung in den hybriden Antriebsstrang, der anhand einer beispielhaften Konfiguration beschrieben wird. Die Darstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, da neue Lösungsverfahren so ausgelegt werden müssen, dass sie für verschiedene Antriebskonfigurationen einsetzbar sind. Anschließend wird für den Antriebsstrang ein mathematisches Modell, das Streckenmodell, abstrahiert und analysiert. Anhand der Modalanalyse werden die charakteristischen Frequenzen des Antriebsstrangs identifiziert, sodass durch eine Modellreduktion ein vereinfachtes Modell folgt, das weiterhin die relevanten Frequenzen abbildet und im nachfolgenden Regelentwurf als internes Streckenmodell benutzt werden kann. Der zweite Teil des Kapitels beschreibt die Analyse der Stellgrößen Verbrennungsmotor, E-Maschine und Kupplung. Der Schwerpunkt liegt hier auf den Phasenverlusten und Totzeiten, die bei der Verwendung der Stellgrößen zu berücksichtigen sind. Um bestehende Verfahren zu bewerten und neue Verfahren zu evaluieren, sind geeignete Bewertungskriterien notwendig (vgl. Webersinke [63]). Da der Fahrkomfort einer subjektiven Wahrnehmung unterliegt, müssen Kriterien definiert werden, die das subjektive Empfinden in objektive Kenngrößen überführt und damit einen Vergleich und eine direkte Bewertung der Verfahren erlaubt. Abschließend erfolgt eine Übersicht bestehender Verfahren, die auf der Basis der Analysen und Bewertungskriterien geordnet werden und einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik geben. 2.1 Der hybride Antriebsstrang Im Vergleich zum konventionellen Antriebsstrang, der nur den Verbrennungsmotor als Antrieb enthält, existieren im hybriden Antriebsstrang weitere Momentenquellen. Meistens handelt es sich dabei um eine E-Maschine, die über eine Hochvoltbatterie oder eine Brennstoffzelle mit Strom versorgt

6 Kapitel 2 Analyse und Zielsetzung wird. Die Position der E-Maschine hängt von der Antriebskonfiguration ab und ist entweder starr oder über eine Kupplung mit dem restlichen Antriebsstrang verbunden. Die Abbildung 1 zeigt sche- Verbrennungsmotor Kupplung E-Maschine Getriebe Torsionsdämpfer 1 Torsionsdämpfer 2 Abbildung 1: Beispielhafte Konfiguration eines hybriden Antriebsstrangs matisch eine Fahrzeugkonfiguration, die in der Arbeit von Beck [3] detailliert beschrieben ist. In der beispielhaften Konfiguration des hybriden Antriebsstrangs ist die E-Maschine starr mit dem Getriebeeingang verbunden, während das Moment des Verbrennungsmotors je nach Auslegung über eine Anfahr- oder Trennkupplung an die Hinterräder übertragen wird. Diese Konfiguration, auch Vollhybrid genannt, ermöglicht - je nach Betriebsstrategie - die Fahrzustände elektrische Fahrt (Kupplung geöffnet) und Hybridfahrt (Kupplung geschlossen). Das Getriebe enhält die Übersetzung und verfügt in dieser Konfiguration über keinen hydrodynamischen Wandler. Des Weiteren enthält der Antriebsstrang zwei Torsionsdämpfer, deren nichtlineares Übertragungsverhalten in der Auslegung einer aktiven Schwingungsdämpfung Berücksichtigung finden muss. Weitere hybridspezifische Funktionen, beispielsweise das Boosten oder die Rekuperation in Hybridfahrt, können ebenfalls mit diesem Antriebsstrang realisiert werden. Diese Funktionen besitzen keinen direkten Einfluss auf den Kupplungsstatus und ändern die Struktur des Antriebsstrangs nicht Ersatzmodell 11-Massen-Schwinger Der Antriebsstrang kann als ein System rotierender Massen beschrieben werden. Für die weitere Untersuchung ist es deshalb notwendig, dieses System mathematisch zu beschreiben und zu analysieren. Kiencke beschreibt in [24], dass für den Antriebsstrang die Beschreibung eines gekoppelten Feder-Masse-Schwingers gültig ist. Als weitere Vereinfachung wird die Linearität in ausgewählten Betriebspunkten angenommen. Auf den nichtlinearen Einfluss des Torsionsdämpfers und die Spiele in einzelnen Komponenten wird im Abschnitt 5.2 eingegangen. Die beispielhafte Antriebskonfiguration aus dem vorherigen Abschnitt enthält elf konzentrierte massebehaftete Trägheiten und 10 masselose Steifigkeiten mit innerer Dämpfung und ist ein schwingungsfähiges System. Seine Bauteile sind in den Tabellen B.1 und B.2 aufgelistet. Die Zuordnung der Indizes zu den Bauteilen des 11-Massen-Schwingers ist in der Abbildung 68 dargestellt. Im folgenden Abschnitt wird auf der Grundlage des 11-Massen-Schwingers ein mathematisches Modell abgeleitet und eine Modalanalyse erstellt, um die gangabhängigen Eigenfrequenzen des Systems zu ermitteln. Im ersten Schritt der Analyse werden die Spiele und Nichtlinearitäten vernachlässigt, sodass sich die linearen newtonschenbewegungsgleichungenunterderverwendungderträgheitenj j (j = 1..10), 6