Verfahren zur Bestimmung des Drehmomentes eines Elektromotors

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des

Drehmomentes eines Elektromotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 10.

Stand der Technik

Elektromotoren werden für verschiedene technische Anwendungen eingesetzt. Beispielsweise in Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden Elektromotoren zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Für den Einsatz von Elektromotoren in Kraftfahrzeugen ist eine ständige und genaue Erfassung des von dem

Elektromotor erzeugten Drehmoments erforderlich, um ungewollte

Beschleunigungen oder Verzögerungen des Kraftfahrzeuges vermeiden zu können. Hierzu wird das Drehmoment aus den gemessenen Phasenströmen der Elektromagnete des Elektromotors und dem Drehwinkel des Rotors des

Elektromotors mit einem Maschinenmodell bestimmt. Das Maschinenmodell enthält betriebsabhängige Parameter wie z. B. die Temperatur des Stators und des Rotors oder den Rotorfluss, die aufwendig angepasst werden müssen.

Fehler oder Ungenauigkeiten im Berechnungspfad des Maschinenmodells führen zu falsch ermittelten Drehmomenten, welche sicherheitsrelevante Folgen für das Kraftfahrzeug haben können. Aus diesem Grund gibt es Methoden, um das mit dem Maschinenmodell berechnete Drehmoment zu plausibilisieren aus

Messwerten der Spannung und des Stromes, das somit in nachteiliger Weise von der Genauigkeit und Funktionsfähigkeit der Sensoren für diese Messwerte abhängt. Aus der DE 41 22 391 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines drehzahlregelbaren elektrischen Motors, insbesondere eines bürstenlosen Servomotors, bekannt. Durch Regelung der Motorgrößen Strom, Lagewinkel und Drehzahl wird die Drehzahl aus dem mittels eines Lagegebers gemessenen Lagewinkels durch einen Filter bestimmt.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung des Drehmomentes eines Elektromotors an einem Kraftfahrzeug, wobei von einem Rotor des Elektromotors ein Drehmoment erzeugt wird und das Drehmoment von einem Antriebsstrang auf wenigstens ein Antriebsrad übertragen wird mit den Schritten: Messen des

Drehwinkels eines Rotors des Elektromotors, Bestimmen des von dem Rotor erzeugten Drehmomentes, wobei das wenigstens eine von dem Rotor angetriebene Antriebsrad festgesetzt wird, der feststehende Rotor kein

Drehmoment erzeugt und ein erster Drehwinkel des feststehenden Rotors gemessen wird, anschließend von dem Rotor auf den Antriebsstrang ein

Drehmoment aufgebracht wird, so dass der Rotor aufgrund der begrenzten Steifigkeit des Antriebsstranges eine Rotationsbewegung ausführt und anschließend in einem Gleichgewichtszustand zwischen dem von dem Rotor erzeugten Drehmoment und einem Gegendrehmoment des Antriebsstranges ein zweiter Drehwinkel des Rotors gemessen wird, aus den gemessenen Werte des ersten und zweiten Drehwinkels des Rotors das von dem Rotor erzeugte Drehmoment und/oder die Gesamtsteifigkeit des Antriebsstranges ermittelt werden. In vorteilhafter Weise kann damit das Drehmoment des Elektromotors bestimmt werden ohne dass Messwerte für den Strom oder die Spannung des Elektromotors erforderlich sind und somit keine Fehler aufgrund von einer mangelnden Genauigkeit oder Funktionsfähigkeit der Sensoren für die

Messwerte auftreten.

In einer Variante werden das von dem Rotor erzeugte Drehmoment und/oder die Gesamtsteifigkeit des Antriebsstranges mit einem physikalischen Modell ermittelt. In einer weiteren Ausführungsform ist das physikalische Modell ein

Zweimassenschwinger mit einer ersten Masse mit einem

Rotationsträgheitsmoment des Rotors des Elektromotors, einer zweiten Masse mit einem zweiten Ersatzrotationsträgheitsmoment und einer Drehstabfeder als Antriebsstrang zwischen der ersten Masse und der zweiten Masse.

Zweckmäßig umfasst der Antriebsstrang ein Getriebe und/oder eine

Antriebswelle und/oder ein Differentialgetriebe und/oder einen Wandler von denen das Drehmoment von dem Elektromotor zu dem wenigstens einen Antriebsrad übertragen wird.

In einer weiteren Ausgestaltung wird für das physikalische Modell das

Rotationsträgheitsmoment der ersten Masse und das

Ersatzrotationsträgheitsmoment der zweiten Masse bestimmt.

In einer ergänzenden Ausführungsform führt das wenigstens eine Antriebsrad, insbesondere sämtliche Antriebsräder, zwischen den Zeitpunkten des Messens des ersten und zweitens Drehwinkels des Rotors keine Rotationsbewegung aus.

Zweckmäßig wird die Gesamtsteifigkeit der Drehstabfeder mit der

Gesamtsteifigkeit des Antriebsstranges zwischen dem Elektromotor und der wenigstens einen Feststellbremse gleichgesetzt.

In einer weiteren Variante umfasst das Ersatzrotationsträgheitsmoment der zweiten Masse neben dem Rotationsträgheitsmoment des wenigstens einen Antriebsrades zusätzlich das fiktive Rotationsträgheitsmoment des

Kraftfahrzeuges, wobei das fiktive Rotationsträgheitsmoment des

Kraftfahrzeuges aus dem translatorischen Trägheitsmoment des Kraftfahrzeuges berechnet wird.

Insbesondere überträgt der Antriebsstrang bei der wenigstens eine geöffneten Feststellbremse das Drehmoment des Elektromotors von dem Elektromotor zu dem wenigstens einen Antriebsrad und der Antriebsstrang überträgt bei der wenigstens einen betätigten Feststellbremse das Drehmoment des Elektromotors von dem Elektromotor zu der wenigstens einen Feststellbremse. Vorzugsweise wird der zweite Winkel des Rotors bei einem im Wesentlichen feststehenden Rotor im Gleichgewichtszustand gemessen. Ein im Wesentlichen feststehender Rotor bedeutet, dass die Winkelgeschwindigkeit des Rotors kleiner als eine Umdrehung pro Minute ist.

In einer weiteren Ausführungsform werden das von dem Rotor erzeugte

Drehmoment und/oder die Gesamtsteifigkeit des Antriebsstranges mit einer Gleichung ermittelt, wobei die Gleichung vorzugsweise lautet M _e i = (c/u ² ) ^* ((p _R2 - cpm) und hierbei M _e i das Drehmoment des Elektromotors (1 ) ist, c die

Gesamtsteifigkeit des Antriebsstranges ist, u das Übersetzungsverhältnis des Getriebes ist, cp _R2 der zweite Drehwinkel des Rotors ist und c m der erste

Drehwinkel des Rotors ist.

Erfindungsgemäße Antriebseinrichtung, insbesondere Elektro- oder

Hybridantriebseinrichtung, für ein Kraftfahrzeug, umfassend: einen Elektromotor mit einem Sensor zur Erfassung des Drehwinkels eines Rotors des

Elektromotors, vorzugsweise eine Steuerungseinheit, vorzugsweise einen Verbrennungsmotor, einen Antriebsstrang, wenigstens ein Antriebsrad, eine Feststellbremse für das wenigstens eine Antriebsrad, wobei ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Verfahren ausführbar ist.

Insbesondere ist der Sensor ein Resolver oder ein Digitalsensor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter

Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine stark schematisierte Darstellung einer Antriebseinrichtung

Fig. 2 einen Längsschnitt eines Elektromotors,

Fig. 3 eine Ansicht eines Zweimassenschwingers und

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Kraftfahrzeuges. Ausführungsformen der Erfindung

In Fig. 1 ist eine als Hybridantriebseinrichtung 10 ausgebildete

Antriebseinrichtung 9 für ein Kraftfahrzeug 1 1 dargestellt. Die

Hybridantriebseinrichtung 10 für das Kraftfahrzeug 1 1 umfasst einen

Verbrennungsmotor 13 sowie einen Elektromotor 1 zum Antreiben des

Kraftfahrzeuges 1 1 . Der Verbrennungsmotor 13 und der Elektromotor 1 sind mittels einer Antriebswelle 14 miteinander verbunden. Die mechanische

Koppelung zwischen dem Verbrennungsmotor 13 und dem Elektromotor 1 kann mittels einer Kupplung 15 hergestellt und aufgehoben werden. Ferner ist in der Antriebswelle 14, welche den Verbrennungsmotor 13 und den Elektromotor 1 miteinander koppelt, eine Elastizität 16 angeordnet. Der Elektromotor 1 ist mit einem Differentialgetriebe 21 mechanisch gekoppelt. In der Antriebswelle 14, welche den Elektromotor 1 und das Differentialgetriebe 21 miteinander verbindet, ist ein Wandler 17 und ein Getriebe 18 angeordnet. Mittels des

Differentialgetriebes 21 werden durch Seitenwellen 19 die Antriebsräder 20 angetrieben. Die beiden Antriebsräder 20 können mit je einer Feststellbremse 25 gebremst bzw. festgesetzt werden, so dass bei einem Stillstand des

Kraftfahrzeuges 1 1 und den betätigten Feststellbremsen 25 auch bei einem von dem Elektromotor 1 aufgebrachten Drehmoment keine (Rotations-)Bewegung der Antriebsräder 25 möglich ist, die Antriebsräder 25 somit feststehend sind. Abweichend hiervon kann auch nur eine Feststellbremse 25 an der Antriebswelle 14 zwischen dem Getriebe 18 und dem Differentialgetriebe 21 angeordnet sein (nicht dargestellt).

In Fig. 2 ist ein Längsschnitt des Elektromotors 1 dargestellt. Der Elektromotor 1 weist einen Rotor 2 auf und einen Stator 3 mit Elektromagneten 4 als Spulen 4 auf. Der Rotor 2 bildet zusammen mit der Antriebswelle 14 eine Baueinheit und an dem Rotor 2 sind Permanentmagnete 22 angeordnet. Elektromagnete 4 des

Stators 3 sind an einem Gehäuse 23 des Elektromotors 1 gelagert und das Gehäuse 23 ist mittels einer Lagerung 26 an der Antriebswelle 14 gelagert. Der Elektromotor 1 ist außerdem mit einem als Digitalsensor ausgebildeten Sensor 27 zur Erfassung des Drehwinkels des Rotors 2 bzw. der Antriebswelle 14 ausgestattet. Mittels des Sensors 27 wird der Drehwinkel cp _R des Rotors 2 gemessen. In Fig. 3 ist ein Zweimassenschwinger 5 abgebildet. Der Zweimassenschwinger 5 ist ein Rotationsschwinger dessen erste Masse 6 und zweite Masse 7 um eine Rotationsachse 24 eine Rotationsbewegung fiktiv ausführen. Die erste Masse 6 ist mit der zweiten Masse 7 mittels einer Drehstabfeder 8 verbunden. Das

Rotationsträgheitsmoment J _R der ersten Masse 6 entspricht dabei dem

Rotationsträgheitsmoment J _R des Elektromotors 1 bzw. des Rotors 2 des Elektromotors 1 . In den in Fig. 1 dargestellten Komponenten des

Antriebsstranges 12 führen beispielsweise die Antriebswelle 14, Teile des Wandlers 17 und des Getriebes 18, Teile des Differentialgetriebes 21 , die

Seitenwelle 19 und die Antriebswelle 14 eine Rotationsbewegung aus. Das Rotationsträgheitsmoment dieser Komponenten ist aufgrund der konstruktiven Auslegung des Kraftfahrzeuges 1 1 bekannt und kann berechnet werden. Das Kraftfahrzeug 1 1 kann eine Translationsbewegung ausführen. Bei einer

Translationsbewegung des Kraftfahrzeuges 1 1 tritt ein Massenträgheitsmoment auf. Dieses Massenträgheitsmoment der Masse des Kraftfahrzeuges 1 1 , welche eine Translationsbewegung ausführt, wird dabei in ein

Ersatzrotationsträgheitsmoment J _F des Kraftfahrzeuges 1 1 umgerechnet. Das Ersatzrotationsträgheitsmoment J _F der zweiten Massen 7 in dem

Zweimassenschwinger 5 entspricht dabei dem aus dem Massenträgheitsmoment des Kraftfahrzeuges 1 1 mit einer Translationsbewegung umgerechneten

Ersatzträgheitsmoment sowie dem Rotationsträgheitsmoment der Komponenten des Antriebsstranges 12 mit einer Rotationsbewegung und der Antriebsräder 20. Der Antriebsstrang 12 in diesem Modell sind die Komponenten der

Antriebseinrichtung 9 zwischen dem Elektromotor 1 und der wenigstens einen

Feststellbremse 25, hier zwei Feststellbremsen 25, d. h. die Antriebswelle 14 von dem Elektromotor 1 zu dem Differentialgetriebe 21 , die Seitenwellen 19, der Wandler 17 und das Getriebe 18. Dabei weist der Antriebsstrang 12 keine Einrichtung auf, bei welcher ein Schlupf auftritt, z. B. eine Kupplung 15 bei welcher ein Schlupf zwischen beiden Kupplungsscheiben vorhanden ist. Das

Getriebe 18 weist ein Übersetzungsverhältnis von z. B. u=10 auf, d. h. dass bei 10 Umdrehungen des Rotors 2 oder der Antriebswelle 14 zwischen dem

Elektromotor 1 und dem Getriebe 18 führt die Antriebswelle 14 zwischen dem Getriebe 18 und dem Differentialgetriebe 21 eine Umdrehung aus. Weist der Antriebsstrang 12 kein Getriebe 18 auf ist u=1. In diesem physikalischen Modell des Zweimassenschwingers 5 gelten die beiden Differentialgleichungen 1 a und 1 b

JR*(P ^" _r = M _em - c/u * (cp _R /u - cp _F ) - d/u * (cp ^' _R /u - cp ^' _F ) (1 a)

J _F *cp ^" _F = c/u * (cp _R /u - cp _F ) + d/u * (cp ^' _R /u - cp ^' _F ) - M _L (1 b)

Dabei ist cp _R der Drehwinkel der ersten Masse 6 bzw. des Rotors 2, cp ^' _R = dcp _R /dt die Winkelgeschwindigkeit der ersten Masse 6 und cp ^" _R = dcp ^' _R /dt die

Winkelbeschleunigung der ersten Masse 6. In analoger Weise ist cp _F der

Drehwinkel der zweiten Masse 7, cp ^' _F = dcp _F /dt die Winkelgeschwindigkeit der zweiten Masse 7 und cp ^" _F = dcp ^' _F /dt die Winkelbeschleunigung der zweiten Masse 7. Die Drehstabfeder 8 weist die Gesamtsteifigkeit c und die

Gesamtdämpfung d auf, welche der Gesamtsteifigkeit c und die

Gesamtdämpfung d des Antriebsstranges 12 zwischen dem Elektromotor 1 und den beiden Feststellbremsen 25 entspricht.

Das Kraftfahrzeug 1 1 befindet sich im Stillstand, so dass die Antriebsräder 20 keine Rotationsbewegung ausführen und mit den beiden Feststellbremsen 25 werden die Antriebsräder 20 festgesetzt. Der Elektromotor 1 erbringt kein Drehmoment M _e i, der Rotor 2 ist feststehend und es wird ein erster

Drehwinkel cp _R i des Rotors 2 erfasst. Nach dem Festsetzen der beiden

Antriebsräder 20 wird ein Drehmomentes M _e i mit dem Elektromotor 1 auf die Antriebswelle 14 aufgebracht und dieses Drehmoment M _e i bedingt eine Torsion des Antriebsstranges 12 bzw. der Drehstabfeder 8 wegen der begrenzten Gesamtsteifigkeit c, da die Gesamtsteifigkeit nicht gegen Unendlich geht..

Insbesondere die Antriebswelle 14 und die Seitenwellen 19 werden dabei tordiert. Der Antriebsstrang 12 bzw. die Drehstabfeder 8 bringen auf den Rotor 2 ein Gegendrehmoment M _L bzw. ein Lastdrehmoment M _L auf bis in einem

Gleichgewichtszustand die Winkelgeschwindigkeit cp ^' _R = dcp _R /dt der ersten Masse 6 bzw. des Rotors 2 gleich Null ist. In diesem Gleichgewichtszustand wird ein zweiter Drehwinkel cp _R2 des Rotors 2 erfasst.

Damit ist auch die Winkelbeschleunigung cp ^" _R = dcp ^' _R /dt der ersten Masse 6 bzw. des Rotors 2 gleich Null und somit in der Differentialgleichung (1 a) J _R *cp ^" _R = 0. Ferner ist neben der Winkelgeschwindigkeit cp ^' _R = dcp _R /dt der ersten Masse 6 bzw. des Rotors 2 auch die Winkelgeschwindigkeit der zweiten Masse 7 φ dcp _F /dt = 0, so dass in der Differentialgleichung (1 a) auch d/u ^* (cp ^' _R /u - cp ^' _F ) ist. Damit ergibt sich im Gleichgewichtszustand für M _em die folgende

Gleichung (2):

M _EM = C/U * ((PR/U - q> _F ) (2)

In dieser Gleichung ist cp _F = 0, weil die Antriebsräder 20 festgesetzt sind und damit keinen Drehwinkel ausgeführt haben. cp _R als ist die Differenz aus den zweiten und ersten erfassten Drehwinkel cp _R , d. h. der Drehwinkel cp _R des Rotor 2 bzw. der ersten Masse 6 bei den festgesetzten Antriebsrädern 20 bis zu dem Gleichgewichtszustand.

Damit ergibt sich die Gleichung (3):

M _em = (c/u ² ) ^* (q>R2 - q> _R i ) (3)

Die Getriebeübersetzung ist eine bekannte Größe und die Gesamtsteifigkeit c des Antriebsstranges 12 ist eine mechanische Kenngröße, die entweder aus den Konstruktionsdaten berechnet und/oder mit Messungen bestimmt werden kann.

Die Gleichung (2) bzw. (3) ermöglicht somit die Berechnung des Drehmomentes M _em des Elektromotors 1 unabhängig von Messwerten für die Spannung und den Strom an dem Elektromotor 2 sowie von Parametern eines Maschinenmodells für den Elektromotor 1 .

Das mit der Gleichung (2) bzw. (3) berechnete Drehmomentes M _em des

Elektromotors 1 kann z. B. für eine Kalibrierung der Parameter eines

Maschinenmodells, für eine Kalibrierung der Stromsensorik des Elektromotors 1 oder für eine Bestimmung der Gesamtsteifigkeit c des Antriebsstranges 12 eingesetzt werden, sofern das Drehmoment M _em bekannt ist.

Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung 9 wesentliche Vorteile verbunden. Das von dem Elektromotor 1 erzeugte Drehmoment M _em kann auf einfache Weise bestimmt werden ohne dass aufwendige und fehleranfällige Maschinenmodelle des Elektromotors 1 erforderlich sind. Es ist lediglich ein kurzzeitiger Stillstand des Kraftfahrzeuges 1 1 erforderlich; es kann somit beispielsweise mit dem Kraftfahrzeug 1 1 auf einem Prüfstand ausgeführt werden oder auch bei einem kurzzeitigen Stillstand des Kraftfahrzeuges 1 1 an einer Ampel im normalen Fahrbetrieb, sofern von der Steuerung des Kraftfahrzeuge 1 1 während des

Stillstandes die Feststellbremsen 25 kurzzeitig betätigt werden und während des Betätigens der Feststellbremsen für einen Zeitraum von weniger als eine

Sekunde, z. B. im Bereich von 300 bis 500 ms, von dem Elektromotor 1 das Drehmoment M _em erzeugt wird, kann somit die Differenz aus den zweiten und ersten erfassten Drehwinkel cp _R gemessen werden. Das Verfahren kann für alle

Arten von Elektromotoren 1 , z. B. GM, ASM, PSM oder GRM, eingesetzt werden.