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Forschung im Ingenieurwesen

Erschienen in:

Open Access 20.10.2022 | Originalarbeiten/Originals

Untersuchung des Einflusses von unterschiedlichen Fahrbahnzuständen auf die Fahrbarkeitsfunktionen elektrifizierter Fahrzeugantriebssysteme mittels eines Hardware-in-the-Loop-Prüfstands

verfasst von: Gabrielius Jakstas, Andreas Koch, Jens Falkenstein

Erschienen in: Forschung im Ingenieurwesen | Ausgabe 4/2022

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Zusammenfassung

Der Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen unterscheidet sich deutlich von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Aktuelle Konzepte im Bereich der elektrischen Fahrzeugantriebsstränge weisen aufgrund der einfachen Triebstrangmechanik meist eine geringe Reibung und damit wenig Dämpfung auf. Typischerweise gibt es keine Kupplung, um die träge Masse der elektrischen Antriebsmaschine vom restlichen Fahrzeugantriebsstrang zu trennen. Äußere (Fahrbahnunebenheiten, Schlaglöcher, etc.) und innere Anregungen (Drehmomentänderungen der elektrischen Maschine, Bremseingriffe) führen zu Dreh- bzw. Ruckelschwingungen und teilweise hohen Bauteilbelastungen. Diese können durch geeignete Fahrbarkeitsfunktionen reduziert werden. Ein gängiger, aus konventionellen Antriebssträngen bekannter Ansatz besteht in der Begrenzung der Steigung und weiteren Modifikationen des Solldrehmomentes bzw. des Fahrerwunschmoments, um den Drehmomentaufbau der Antriebsmaschine zu beeinflussen und die Anregung von Ruckelschwingungen zu reduzieren. Ein zweiter Ansatz ist die Verwendung eines Vorfilters. Das hier genutzte Vorfilter basiert auf der inversen Dynamik des Antriebsstrangs, um das Sollmoment der Antriebsmaschine zu beeinflussen, vernachlässigt jedoch die Einflüsse des Reifens, des Reifen-Fahrbahnkontakts und der Fahrzeuglängsdynamik. Dies hat den Vorteil, dass Beobachter und Schätzverfahren zur Bestimmung des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes usw. nicht erforderlich sind. Jedoch muss die Wirksamkeit des Ansatzes bei unterschiedlichen Fahrbahnbeschaffenheiten sichergestellt sein. Ergänzt wird das Vorfilter durch eine aktive Anti-Ruckel-Regelung.

In diesem Artikel wird der Einfluss von variierenden Fahrbahnzuständen auf die Wirksamkeit des hier angewandten Vorfilters realitätsnah untersucht. Diese Untersuchungen sind notwendig, um eine sicherere Aussage über die Funktionalität der entwickelten Steuerungsalgorithmen in realen Fahrzeugen bei unterschiedlichen Fahrbahnzuständen treffen zu können. Vergleichbare reale oder realitätsnahe Untersuchungen sind bisher nur begrenzt verfügbar. Für realitätsnahe Fahrzeugbedingungen werden Fahrmanöver auf einem Hardware-in-the-Loop-Prüfstand durchgeführt.

1 Einleitung

Bei Fahrzeugantrieben, deren Antriebsmotor mit torsionsweichen Seitenwellen mit den angetriebenen Rädern verbunden ist, treten im Betrieb häufig starke Drehschwingungen auf [1, 2]. Hierbei handelt es sich um sogenannte Ruckelschwingungen, bei denen der Antriebsmotor mit seiner rotatorischen Trägheit gegen die angetriebenen Räder und die über den Reifen-Fahrbahn-Kontakt angekoppelte Fahrzeugmasse schwingt. Die Seitenwelle wirkt dabei als Drehfeder. Ruckelschwingungen treten bei Fahrzeugen mit unterschiedlichen Antriebsarten auf, im Folgenden wird beispielhaft ein elektrifizierter Einzelradantrieb betrachtet.

Die Ruckel-Eigenfrequenz entsprechender Einzelradantriebe liegt typischerweise in einem Bereich von ca. 2−14 Hz. Beispiele hierfür sind in [1‐3] zu finden. Angeregt werden die Ruckelschwingungen meist durch dynamische Lastwechsel, Eingriffe des Fahrzeug-Bremssystems und äußere Störungen, wie z. B. Fahrbahnunebenheiten [3]. Solche Ruckelschwingungen werden von den Fahrzeuginsassen oft als unangenehm empfunden und können auch zu hohen Bauteilbelastungen [1] sowie zu erheblichen Einschränkungen des Fahrkomforts und der Sicherheit führen [4].

In der Literatur werden verschiede Ansätze verfolgt, um Ruckelschwingungen im Antriebsstrang zu reduzieren. Einen Überblick hierzu bietet [5]. Die Hauptanforderung an diese Fahrbarkeitsfunktionen ist die Reduzierung von Ruckelschwingungen bei gleichzeitigem Erhalt des dynamischen Ansprechverhaltens und somit des Beschleunigungsvermögens des Antriebes. Diese Anforderungen stehen in einem Zielkonflikt zueinander [6, 7, 9], weshalb hier ein annehmbarer Kompromiss zu erzielen ist.

In diesem Artikel werden zur Reduzierung von Ruckelschwingungen die in Abb. 1 dargestellten Fahrbarkeitsfunktionen bestehend aus einem sogenannten Führungsformer und einer aktiven Anti-Ruckel-Regelung eingesetzt.

Dieser Ansatz wird in Abschn. 2 näher erläutert. Der Führungsformer besteht im Wesentlichen aus einem Vorfilter, basierend auf der inversen Dynamik des Fahrzeugantriebsstrangs, welcher zur Modifizierung des Fahrerwunschmoments M_FW hinsichtlich einer Reduzierung der Anregung von Ruckelschwingungen dient. Besonders hervorzuheben ist, dass bei dem hier angewandten Ansatz des Vorfilters auf die Berücksichtigung der Einflüsse des Reifens, des Reifen-Fahrbahn-Kontakts und der Längsdynamik des Fahrzeuges verzichtet wird. Die Wirksamkeit dieses Führungsformeransatzes im Einzelnen und in Kombination mit der Anti-Ruckel-Regelung wird in [8] für den Einsatz auf trockenem Asphalt unter realitätsnahen Prüfstandsbedingungen nachgewiesen.

Die Anti-Ruckel-Regelung sensiert Schwingungen und schaltet aktiv ein entsprechendes Dämpfungsdrehmoment auf das durch den Führungsformer modifizierte Fahrerwunschmoment auf.

Das Ruckelschwingungsverhalten von Elektrofahrzeugen auf variierenden Fahrbahnzuständen wird in [10‐14] simulativ untersucht, jedoch ist die Datenbasis von realen oder realitätsnahen Untersuchungen hierzu bisweilen unzureichend vorhanden. Als generelle Intention dieses Artikels liegt eine Untersuchung für den Einsatz in realen Fahrzeugen zugrunde. Ziel ist es, eine valide Einschätzung der Wirksamkeit der in Abschn. 2 beschriebenen Fahrbarkeitsfunktionen auf variierenden Fahrbahnzuständen treffen zu können. Daher werden in diesem Artikel das Ruckelschwingungsverhalten eines elektrifizierten Einzelradantriebes bei variierenden Fahrbahnzuständen und die Rückwirkung auf die hier verwendeten Fahrbarkeitsfunktionen realitätsnah untersucht. Hierzu wird der in Abschn. 3 beschriebene Hardware-in-the-Loop-Prüfstand (HiL-Prüfstand) eingesetzt.

2 Fahrbarkeitsfunktionen

In diesem Abschnitt werden die verwendeten Fahrbarkeitsfunktionen, bestehend aus einem Führungsformer inklusive eines Vorfilters und einer Anti-Ruckel-Regelung, vorgestellt. Für einen ausführlichen Exkurs zum hier angewandten Führungsformer wird auf [8] und zur hier verwendeten Anti-Ruckel-Regelung auf [8, 15, 16] verwiesen.

2.1 Führungsformer

Ein Führungsformer ist eine häufig verwendete Fahrbarkeitsfunktion zur Modifizierung des Drehmoment-Sollwertverhaltens zur Minimierung der Anregung von Ruckelschwingungen in einem Antriebsstrang. In dem hier verfolgten Ansatz aus [8] besteht der Führungsformer aus einem Rauschfilter und einem Vorfilter basierend auf der inversen Dynamik des Fahrzeugantriebsstrangs. Das Rauschfilter dient zur Glättung des Fahrerwunschmomentsignals M_FW, welches typischerweise durch Potentiometer am Fahrpedal gemessen wird. Die durch zeitliche Änderungen des Fahrerwunschmomentes M_FW angeregten Ruckelschwingungen sollen durch eine geeignete Filterübertragungsfunktion mit entsprechender Parameterwahl stark reduziert werden. Für physikalische Systeme kann dies durch eine Invertierung des dynamischen Systemverhaltens realisiert werden, da sich dadurch die Pole der Sollwertübertragungsfunktion teilweise oder vollständig kompensieren lassen [17, 18]. Darüber hinaus kann nach [19] das Sollwertverhalten durch Vorfilter in gewissen Grenzen selbständig eingestellt werden. Für eine optimale Auslegung und Parametrierung des Vorfilters ist eine gute Kenntnis der Systemeigenschaften, die das Übertragungsverhalten charakterisieren, notwendig.

Zum Entwurf des Vorfilters wird entsprechend den Ausführungen in [19] im ersten Schritt das elastische, elektrifizierte Fahrzeugantriebssystem betrachtet (siehe Abb. 5). Die Besonderheit dieses Vorfilteransatzes ist, dass die Fahrzeug-Radnabe als radseitige Systemgrenze definiert wird. Es werden die Dynamik für das Luftspaltmoment der Fahrzeug-Antriebsmaschine M_AnM, das Massenträgheitsmoment der Fahrzeug-Antriebsmaschine J_AnM sowie die Torsionssteifigkeit c_SW und die Torsionsdämpfung d_SW der Fahrzeug-Seitenwelle berücksichtigt. Die Übertragungsfunktion für das Drehmoment der Fahrzeug-Seitenwelle M_SW(s) kann unter Anwendung der Laplace-Transformation mit der komplexen Variablen s durch

$$M_{\mathrm{SW}}\left(s\right)=\frac{d_{\mathrm{SW}}s+c_{\mathrm{SW}}}{J_{\mathrm{AnM}}s^{2}+d_{\mathrm{SW}}s+c_{\mathrm{SW}}}M_{\mathrm{AnM}}\left(s\right)-\frac{d_{\mathrm{SW}}J_{\mathrm{AnM}}s+c_{\mathrm{SW}}J_{\mathrm{AnM}}}{J_{\mathrm{AnM}}s^{2}+d_{\mathrm{SW}}s+c_{\mathrm{SW}}}s^{2}\varphi _{\mathrm{RN}}\left(s\right)$$

(1)

bestimmt werden [8].

Die Gl. 1 zeigt, dass das Drehmoment der Fahrzeug-Seitenwelle M_SW, neben dem Luftspaltmoment der Antriebsmaschine M_AnM, auch von der Winkelbeschleunigung der Radnabe $\ddot{\varphi }_{RN}$ abhängig ist. Prinzipiell ist es möglich, den rechten Term in Gl. 1 zumindest teilweise zu kompensieren, zum Beispiel durch eine Abhängigkeit des Luftspaltmoments M_AnM von der gemessenen Winkelbeschleunigung der Radnabe $\ddot{\varphi }_{RN}$. Insbesondere bei kleinen Winkelgeschwindigkeiten der Radnabe ist die Messung der Winkelbeschleunigung $\ddot{\varphi }_{RN}$ recht schwierig [4, 16, 20]. Der Hauptgrund dafür ist die typische Geberauflösung der Raddrehzahlsensorik heutiger Fahrzeuge. Bei einer geringen Winkelgeschwindigkeit der Radnabe $\dot{\varphi }_{RN}$ führt die typische Geberauflösung zu einer schlechten Signalqualität der Winkelbeschleunigung $\ddot{\varphi }_{RN}$. Aufgrund seines geringen Einflusses auf das Systemverhalten wird der von der Winkelbeschleunigung abhängige Term in Gl. 1 vernachlässigt. Die Übertragungsfunktion vereinfacht sich somit zu

$$M_{\mathrm{SW}}\left(s\right)=\frac{d_{\mathrm{SW}}s+c_{\mathrm{SW}}}{J_{\mathrm{AnM}}s^{2}+d_{\mathrm{SW}}s+c_{\mathrm{SW}}}M_{\mathrm{AnM}}\left(s\right).$$

(2)

Das in diesem Artikel betrachtete Vorfilter ist im linken Teil der Abb. 2 mit der Übertragungsfunktion aus Gl. 3

$$M_{\mathrm{AnM}{,}\text{Soll}{,}\mathrm{ViD}}\left(s\right)=\frac{J_{\mathrm{AnM}}s^{2}+d_{\mathrm{SW}}s+c_{\mathrm{SW}}}{J_{\mathrm{AnM}}s^{2}+{d}_{\mathrm{SW}}^{*}s+c_{\mathrm{SW}}}M_{\mathrm{FW}{,}\mathrm{flt}}\left(s\right)$$

(3)

dargestellt. Die Ermittlung der Parameter des realen Antriebssystems erfolgt mit Hilfe von Versuchen und dient unter anderem der Parametrierung des Vorfilters nach Gl. 3. Bei verschiedenen Betriebsbedingungen zeigen sich geringe Parameteränderungen, insbesondere der Dämpfungskonstanten d_SW des realen, schwach gedämpften Antriebssystems. Diese beeinflussen jedoch die Wirkung des Vorfilters beziehungsweise die Kompensation der Pole in Gl. 2 nicht nennenswert.

Es empfiehlt sich, die Parameter des Vorfilters aus Gl. 3 entsprechend den realen physikalischen Parametern des Antriebssystems zu wählen. Lediglich die Dämpfungskonstante ${d}_{\mathrm{SW}}^{*}$ wird gegenüber dem realen System deutlich erhöht. Dadurch erhöht sich das Dämpfungsverhältnis der durch das Vorfilter hinzugefügten Pole. Als Ergebnis liegt die gewünschte Übertragungsfunktion nahe an der des vereinfachten realen Systems. Eine Erhöhung der Dynamik des Gesamtsystems durch eine kleinere Zeitkonstante des Nenners des Vorfilters aus Gl. 3 ist nicht vorgesehen. Dadurch wird die Dynamik des erforderlichen Luftspaltmoments M_AnM auf einem niedrigen Niveau gehalten und der Stellgrößenbedarf erhöht sich nicht. Somit werden die dynamischen Belastungen des elektrischen Systems minimal gehalten und es treten weniger Probleme mit Stellgrößenbegrenzungen auf.

Das Vorfilter mit inverser Dynamik (ViD) soll die Ruckelschwingungen der Fahrzeug-Seitenwelle bei Lastwechseln reduzieren. Dabei soll das dynamische Ansprechverhalten des Fahrzeugs weitestgehend erhalten bleiben. Als Eingang des Vorfilters wird das Fahrerwunschmoment M_FW verwendet. Dieses wird zur Reduktion des Rauschens des analogen Fahrpedalsensors mit Hilfe eines Tiefpassfilters erster Ordnung gefiltert. Die Zeitkonstante beträgt $T_{R}=15\,\mathrm{ms}$.

Durch die gewählte Systemgrenze im Bereich der Fahrzeug-Radnabe entfällt eine notwendige Bestimmung des Reifen-Fahrbahn-Kontaktes und der Fahrzeuglängsdynamik. Beobachter und Schätzverfahren z. B. für die Fahrzeugmasse m_F, die vertikalen Radaufstandskräfte, den Kraftschlussbeiwert des Reifens μ und andere Parameter, insbesondere für unterschiedliche Fahrbahnzustände, können außer Acht gelassen werden. Weiterhin kann der Parametrierungsaufwand für das Vorfilter bei unterschiedlichen Fahrzeugtypen und -konfigurationen reduziert werden. Auch müssen die Trägheitsmomente der Fahrzeug-Radnabe J_RN und des Reifengürtels J_ReG, das dynamische Verhalten des Drehwinkels des Reifengürtels φ_ReG und der dynamische Reifenradius r_dyn nicht berücksichtigt werden. Zusätzlich entfallen die Torsionssteifigkeit c_ReS und die Torsionsdämpfung d_ReS der Reifenseitenwand, die je nach Reifentyp, Betriebszustand, Witterung und weiteren Parametern variieren.

2.2 Anti-Ruckel-Regelung

Einen weiteren Ansatz zur Reduktion von Ruckelschwingungen stellt eine Anti-Ruckel-Regelung dar. Diese wirkt auch gegen Störungen, die durch den Führungsformer inklusive Vorfilter nicht kompensiert werden. Beispiele für solche Störungen sind Getriebespiel, Bremseninterferenzen, Fahrbahnunebenheiten sowie Modellierungsungenauigkeiten/-vereinfachungen.

Die Anti-Ruckel-Regelung stützt sich typischerweise auf die Rückführung verschiedener Winkelgeschwindigkeits- und teilweise auch Drehmomentsignale, um das angeforderte Solldrehmoment der Antriebsmaschine zu modifizieren. In mehreren Ansätzen wird auch die Fahrzeuglängsbeschleunigung berücksichtigt. In [5] wird ein detaillierter Überblick über entsprechende Anti-Ruckel-Regler für automobile Anwendungen gegeben. Die hier angewandte Anti-Ruckel-Regelung basiert auf dem in [15, 16] beschriebenen Algorithmus. Dieser wurde u. a. bereits verwendet, um den Einfluss von niedrig auflösenden Rotorlagegebern auf die Fahrbarkeitsfunktionen zu untersuchen [16]. Das hier eingesetzte Vorfilter ermöglicht eine Modifikation der Anti-Ruckel-Regelung (ARR). Diese ist in Abb. 3 im Gesamtkontext der Fahrbarkeitsfunktionen und des realen Systems dargestellt [8].

Für die Anti-Ruckel-Regelung werden in einem ersten Schritt die Winkelgeschwindigkeiten der Fahrzeugantriebsmaschine ω_AnN (bezogen auf die Getriebeausgangswelle) und der Fahrzeug-Radnabe ω_RN gemäß [5, 8, 15, 16] miteinander verglichen. Daraus ergibt sich eine Differenzwinkelgeschwindigkeit $\Updelta \omega$. In Abwandlung zu den Beschreibungen in [15, 16] wird entsprechend [8] diese Differenzwinkelgeschwindigkeit mit einer Soll-Differenzwinkelgeschwindigkeit $\Updelta \omega _{\text{Soll}}$ verglichen. Die Bestimmung der Soll-Differenzwinkelgeschwindigkeit erfolgt anhand des Systemmodells des Vorfilters, wie in Abb. 3 dargestellt. Die Differenzwinkelgeschwindigkeit $\Updelta \omega$ der Fahrzeug-Seitenwelle ist definiert als

$$\Updelta \omega =\omega _{\mathrm{AnM}}-\omega _{\mathrm{RN}}.$$

(4)

Um die Soll-Differenzwinkelgeschwindigkeit $\Updelta \omega _{\text{Soll}}$ durch Ableiten zu erhalten, wird zunächst der Soll-Differenzwinkel $\Updelta \varphi _{\text{Soll}}$ über

$$\Updelta \varphi _{\text{Soll}}\left(s\right)=\frac{1}{J_{\mathrm{AnM}}s^{2}+d_{\mathrm{SW}}s+c_{\mathrm{SW}}}M_{\mathrm{AnM}{,}\mathrm{mod}}\left(s\right)$$

(5)

bestimmt. Auch hier ist entsprechend den Ausführungen zu Gl. 2 anzumerken, dass eine Vernachlässigung eines von der Winkelbeschleunigung des Rades abhängigen Terms, ähnlich wie in Gl. 1, stattfindet. Die Bestimmung des Soll-Differenzwinkels $\Updelta \varphi _{\text{Soll}}$ erfolgt anhand einer Modellgröße M_AnM,mod für das Luftspaltmoment der Fahrzeug-Antriebsmaschine. Anschließend werden die Differenzwinkelgeschwindigkeiten $\Updelta \omega _{\text{Soll}}$ und $\Updelta \omega$ miteinander verglichen und mit einem Verstärkungsfaktor K_D in Form von

$$M_{D}=K_{D}\left(\Updelta \omega _{\text{Soll}}-\Updelta \omega \right)$$

(6)

verstärkt. Der Verstärkungsfaktor K_D kann hierbei als ein Äquivalent zu einer viskosen Dämpfungskonstanten des Antriebsstrangs interpretiert werden. Das Dämpfungsmoment M_D wird mittels eines DT1-Filters sowie einer nachgeschalteten Drehmomentbegrenzung gefiltert bzw. limitiert und auf das durch den Führungsformer modifizierte Fahrerwunschdrehmoment $M_{\mathrm{AnM}{,}\text{Soll}{,}\mathrm{ViD}}$ addiert. Das Ergebnis entspricht dem Solldrehmoment der Fahrzeug-Antriebsmaschine.

Wie in [8] beschrieben, erfolgt auch hier die Ermittlung der Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeug-Radnabe ω_RN mit einer fahrzeugtypischen Raddrehzahlsensorik, um realitätsnahe Fahrzeugbedingungen zu schaffen. In Fahrzeugen werden die Signale der Raddrehzahlsensorik typischerweise über eine CAN-Bus-Verbindung zwischen den Steuergeräten übertragen. Entsprechend zu [8] wird das Rohsignal der Raddrehzahlsensorik mittels emulierter Samplerate des CAN-Buses von 20 ms sowie einer zusätzlichen Zeitverzögerung von 20 ms modifiziert, um dieses Übertragungsverhalten am HiL-Prüfstand nachzubilden, und dann der Anti-Ruckel-Regelung zur Verfügung gestellt. Somit ergeben sich fahrzeugtypische Signalverzögerungen.

3 HiL-Prüfstand

Die Funktionalität der Fahrbarkeitsfunktionen kann entweder direkt am Fahrzeug oder auch auf einem Hardware-in-the-Loop-Prüfstand (HiL-Prüfstand) untersucht werden. HiL-Prüfstände sind eine kostengünstige Alternative gegenüber dem Test mit einem kompletten Fahrzeug auf einer Teststrecke und erleichtern es, an reproduzierbare Ergebnisse zu gelangen. Die hier vorgenommene Reduzierung eines realen elektrifizierten Einzelradantriebes auf die HiL-Prüfstandsanwendung ist in Abb. 4 schematisch dargestellt. Eine wesentliche Besonderheit ist hierbei die Zusammenführung der Fahrzeug-Antriebsmaschine und des Fahrzeug-Getriebes zur Prüfstands-Antriebsmaschine. Hierbei wird von einer Getriebeübersetzung entsprechend [2] von 7,03 ausgegangen. Das Trägheitsmoment der Prüfstands-Antriebsmaschine entspricht dem Trägheitsmoment einer realen elektrischen Fahrzeug-Antriebseinheit, bestehend aus Antriebsmaschine und Getriebe, bezogen auf die Getriebeausgangswelle [15].

Die Prüfstands-Antriebsmaschine bringt das vom Fahrer gewünschte Drehmoment, modifiziert durch die untersuchten Fahrbarkeitsfunktionen, auf den Antriebsstrang des HiL-Prüfstands auf. Dabei erfolgt die Nachbildung der typischen Anregeldynamik einer Fahrzeug-Antriebsmaschine inklusive der Fahrzeug-Leistungselektronik.

Die Prüfstands-Abtriebsmaschine prägt das resultierende Lastmoment, berechnet mit Hilfe eines HiL-Simulationsmodells der fahrzeuglängsdynamischen Fahrwiderstände und des Reifen-Fahrbahn-Kontakts, auf den Antriebsstrang ein.

Eine serienmäßige Fahrzeug-Seitenwelle vervollständigt mit ihrer Torsionssteifigkeit das schwingungsfähige Antriebssystem. Dieses umfasst somit die Prüfstands-Antriebsmaschine, die Fahrzeug-Seitenwelle und die Prüfstands-Abtriebsmaschine. In Verbindung mit dem HiL-Simulationsmodell ergibt sich eine Ruckel-Eigenfrequenz auf trockenem Asphalt von 8,3 Hz. Diese liegt im typischen Bereich von realen Elektrofahrzeugen [1‐3].

Die Abb. 5 gibt einen Überblick über das Zusammenspiel der HiL-Prüfstandsumgebung, bestehend aus Hardwarekomponenten und Simulationsmodell. Die real vorhandene Prüfstands-Hardware mit der Prüfstandsmechanik und -sensorik ist im oberen Teil der Abbildung blau umrandet. Die restlichen Bereiche stehen hingegen für das Simulationsmodell des HiL-Prüfstandes und enthalten hauptsächlich die Nachbildungen des Fahrzeuges und der Reifen.

Die Prüfstands-Sensorik besteht für diese Untersuchung aus den Rotorlagegebern der beiden Prüfstandsmaschinen, einer Raddrehzahlsensorik und zwei Drehmomentmessaufnehmern. Das Signal des Rotorlagegebers der Prüfstands-Antriebsmaschine ω_AnM wird entsprechend den Ausführungen in Abschn. 2 für die Algorithmen der Fahrbarkeitsfunktionen verwendet. Die mit Hilfe der Raddrehzahlsensorik erfasste Winkelgeschwindigkeit ω_RN wird ebenfalls für die Fahrbarkeitsfunktionen beziehungsweise die Anti-Ruckel-Regelung genutzt. Die Winkelgeschwindigkeit ω_RN entspricht der Radnabe des simulierten Fahrzeuges. Durch die Verwendung einer serienmäßigen Raddrehzahlsensorik inklusive eines integrierten ABS-Polringes mit 86 Polen pro Umdrehung steht entsprechend den Ausführungen in [8, 16] diese Größe in einer fahrzeugtypischen Auflösung zur Verfügung. Nach [16] hat die mit Hilfe der Raddrehzahlsensorik erfasste Winkelgeschwindigkeit ω_RN, aufgrund von geringeren Schwingungsamplituden, gegenüber der Winkelgeschwindigkeit der Fahrzeugantriebsmaschine ω_AnM einen untergeordneten Einfluss auf die Anti-Ruckel-Regelung.

Das Rotorlagesignal der Prüfstands-Abtriebsmaschine wird dahingegen nur zur Berechnung des HiL-Simulationsmodells des Fahrzeuges sowie des Fahrbahn-Reifen-Kontaktes herangezogen. Das Drehmoment der Seitenwelle M_SW, erfasst durch den Drehmomentmessaufnehmer an der Prüfstands-Antriebsmaschine, dient als Vergleichsgröße im Rahmen der Messungen im Abschn. 4.

Eine übergeordnete Prüfstands-Steuerung ist zuständig für die koordinierte Ansteuerung der Prüfstands-Maschinen, das Einlesen und Auswerten der Prüfstands-Sensorik, die Vorgabe des Fahrerwunsches und die Algorithmenberechnung der Fahrbarkeitsfunktionen sowie des HiL-Simulationsmodells. In [15, 16] wird ein Einblick in die Funktionsweise der Prüfstands-Steuerung gegeben.

Anhand der Wirkkette zwischen Antriebsdrehmoment und resultierender Fahrzeuggeschwindigkeit ist nachfolgend vereinfacht das Zusammenspiel der Prüfstands-Hardware und des HiL-Simulationsmodells beschrieben.

Die Fahrbarkeitsfunktionen aus Abb. 3 geben das Drehmoment M_AnM der Prüfstands-Antriebsmaschine vor. Dieses wirkt auf den Rotor der Prüfstands-Antriebsmaschine mit dem Trägheitsmoment J_AnM und führt zu einer Torsion der Prüfstands-Seitenwelle entsprechend ihrer Steifigkeit c_SW und Dämpfung d_SW. Diese leitet das entstehende Drehmoment M_SW weiter auf den Rotor der Prüfstands-Abtriebsmaschine, welcher das rotatorische Trägheitsmoment einer Fahrzeug-Radnabe mitsamt der Felge J_RN eines entsprechenden Fahrzeuges nachbildet. Zur Erläuterung der weiterführenden Zusammenhänge wird die Abb. 6 herangezogen.

Das Drehmoment der Seitenwelle M_SW beeinflusst die Radnabenwinkelgeschwindigkeit ω_RN. Diese wird durch den Rotorlagegeber der Prüfstands-Abtriebsmaschine erfasst und an das Reifenmodell übergeben, welches einen Teil des HiL-Simulationsmodells bildet. Die modellierte Reifenseitenwand tordiert entsprechend ihrer Steifigkeit c_ReS und Dämpfung d_Res und erzeugt ein Drehmoment auf den ebenfalls modellierten Reifengürtel mit dem rotatorischen Trägheitsmoment J_ReG. Auf den Reifengürtel wirkt ein Drehmoment M_R,v infolge des Rollwiderstandes. Zudem entsteht eine Umfangskraft F_Re,x in Fahrzeuglängsrichtung im Radaufstandspunkt, die über den dynamischen Reifenhalbmesser r_Dyn als Hebelarm auf den Reifengürtel zurückwirkt. Die Umfangskraft wird beschrieben durch

$$F_{\mathrm{Re}{,}x}=\mu \cdot F_{\mathrm{Re}{,}z}.$$

(7)

Die Kraft F_Re,z beschreibt hierbei die Radaufstandskraft und μ einen Kraftschlussbeiwert, dessen Größe von der jeweiligen Fahrbahnbeschaffenheit und dem aktuellen Radschlupf

$$\lambda =\frac{\omega _{\mathrm{ReG}}\cdot r_{\mathrm{Dyn}}-v_{F}}{max\left(v_{F}{,}\omega _{\mathrm{ReG}}\cdot r_{\mathrm{Dyn}}\right)}$$

(8)

abhängig ist. Hierbei entspricht ω_ReG der Winkelgeschwindigkeit des Reifengürtels und v_F der Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Die Abhängigkeit des Kraftschlussbeiwerts μ vom Radschlupf λ ist der Abb. 7 zu entnehmen.

Dargestellt sind vier unterschiedliche Kraftschlussbeiwert-Schlupf-Verläufe nach [21], die ein breites Spektrum an möglichen Fahrbahnbeschaffenheiten abbilden. Diese Abdeckung an unterschiedlichen Fahrbahnbeschaffenheiten dient dem flächendeckenden Funktionsnachweis der hier vorgestellten Fahrbarkeitsfunktionen. Weiterhin ist der Arbeitsbereich des Schlupfes der in Abschn. 5 durchgeführten Manöver markiert. Alle Manöver werden im stabilen Arbeitsbereich der Kraftschlussbeiwert-Schlupf-Kurven durchgeführt, da ein unkontrollierter Schlupfzustand im instabilen Bereich nicht zielführend für die Vergleichbarkeit der Ergebnisse ist. Auch ist ein Eingriff einer Antriebsschlupfregelung (ASR) in diesem Zusammenhang nicht vorgesehen.

Die Umfangskraft F_Re,x am Reifen wird an das in Abb. 8 dargestellte längsdynamische Fahrzeugmodell übergeben.

Mit den entsprechenden Fahrzeugparametern und über die hier betrachteten Fahrwiderstände, bestehend aus dem Luftwiderstand F_L und dem Rollwiderstand F_R der nicht angetriebenen Räder, sowie unter Vernachlässigung des Steigungswiderstandes kann nun über den Zusammenhang

$$F_{a}=2\cdot F_{\mathrm{Re}{,}x}-F_{L}-F_{R}$$

(9)

auf die am simulierten Fahrzeug wirkende Beschleunigungskraft F_a gerechnet und über die Fahrzeugparameter auf eine Fahrzeugbeschleunigung $\dot{v}_{F}$ geschlossen werden. Anschließend lässt sich daraus die Fahrzeuggeschwindigkeit v_F durch Integration bestimmen.

Der Verlauf der simulierten Fahrzeuggeschwindigkeit wirkt auf das Reifenmodell zurück. Die Aufgabe der Prüfstands-Abtriebsmaschine besteht darin, die mittels HiL-Simulationsmodell berechneten Rückwirkungen auf die Antriebsstrangmechanik einzuprägen.

In [8] sind Untersuchungen verschiedener Fahrmanöver mit Hilfe des HiL-Prüfstandes dargestellt. Unter anderem erfolgt ein Vergleich mit in der Literatur beschriebenen Untersuchungen eines realen Elektrofahrzeuges. Die Ergebnisse zeigen, dass der HiL-Prüfstand als realitätsnahe Testumgebung geeignet ist.

4 Messergebnisse

Im Folgenden werden die Messergebnisse zur Untersuchung des Einflusses von unterschiedlichen Fahrbahnzuständen aus Abb. 7 auf die in Abschn. 2 beschriebenen Fahrbarkeitsfunktionen vorgestellt. Hierzu werden Anfahrvorgänge aus dem Stillstand und sogenannte Tip-in-Manöver für die gezeigten Fahrbahnzustände durchgeführt. Bei einem Tip-in-Manöver handelt es sich um einen Beschleunigungsvorgang, ausgehend von einer bereits vorhandenen, nahezu konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit. In diesem Fall beträgt diese Startgeschwindigkeit 18 km∕h. Vergleichbar ist dies mit einem Beschleunigen im Stau oder Stop-and-Go-Verkehr.

Um die Notwendigkeit von Regeleingriffen sowie deren Wirksamkeit verdeutlichen zu können, wird das Schwingungsverhalten sowohl bei den Anfahr- als auch bei den Tip-in-Manövern untersucht und dargestellt. Hierzu werden die Manöver erst ohne Regeleingriff, anschließend mit Eingriff des Führungsformers und abschließend mit kombiniertem Eingriff von Führungsformer und Anti-Ruckel-Regelung durchgeführt.

Alle Manöver werden jeweils mit einem Sprung im Fahrerwunschmoment M_FW von 0 Nm auf 100 Nm betrachtet. Anschließend wird die Sprungantwort des Drehmoments der Seitenwelle M_SW mit den relevanten Kennwerten Anregelzeit t_ANR und Überschwingweite quantifiziert und diskutiert.

Zur Vereinfachung der Darstellung wird im Folgenden auf eine Trennung zwischen Fahrzeug und Prüfstand verzichtet. Somit kann der Begriff „Antriebsmaschine“ als Äquivalent für eine Fahrzeug- oder Prüfstands-Antriebsmaschine und der Rotor der Prüfstands-Abtriebsmaschine als Radnabe inkl. Felge verstanden werden.

Dargestellt werden jeweils das Fahrerwunschmoment M_FW, das Drehmoment M_AnM der Antriebsmaschine und die dazugehörigen Drehmomente M_SW der Seitenwelle bei den vier unterschiedlichen Fahrbahnzuständen trockener Asphalt, nasser Asphalt, Schnee und Eis.

4.1 Messergebnisse Anfahren

4.1.1 Anfahren ohne Führungsformer und ohne Anti-Ruckel-Regelung

In der Abb. 9 sind Anfahrvorgänge bei den unterschiedlichen Fahrbahnzuständen ohne Regeleingriffe dargestellt.

Zu erkennen ist eine typische Antwort eines schwingungsfähigen, elektrischen Fahrzeugantriebes auf eine sprungartige Vorgabe, nachgebildet auf dem HiL-Prüfstand. Das Fahrerwunschmoment M_FW wird lediglich durch die typische Anregeldynamik einer Fahrzeug-Antriebsmaschine modifiziert, somit ergibt sich das Drehmoment M_AnM der Antriebsmaschine. Das Drehmoment der Seitenwelle M_SW weist deutliche Schwingungen auf. Die Höhe der Überschwingweite und der nachfolgenden Amplituden ist vom Fahrbahnzustand abhängig. Hier ist ersichtlich, dass die Schwingungsamplituden kleiner werden, wenn der Kraftschlussbeiwert μ sinkt.

Die Eigenfrequenz der Ruckelschwingung am HiL-Prüfstand beträgt bei trockenem Asphalt ca. 8,3 Hz und liegt im typischen Bereich von Ruckel-Eigenfrequenzen realer Elektrofahrzeuge [3]. Die auftretende Varianz in der Ruckel-Eigenfrequenz bei verschiedenen Fahrbahnzuständen wird in [22] simulativ untersucht. Hiernach hängt sie maßgeblich vom variierenden Kraftschlussbeiwert μ und dem jeweiligen Arbeitspunkt des Rad-Schlupfes λ ab.

Die Kennwerte aus Tab. 1 zeigen, dass für alle vier Messungen kurze Anregelzeiten t_ANR von rund 55 ms vorliegen, diese jedoch im Zusammenhang mit einer großen Überschwingweite von bis zu 67,2 % bei trockenem Asphalt einhergehen. Mit Ausnahme der Messung auf Eis sind auch die weiteren Amplituden recht markant und schwach gedämpft. Die Schwingung setzt sich auch außerhalb des dargestellten Bereiches weiter fort.

Tab. 1

Auswertung Anfahren ohne Regeleingriff

Fahrbahnbeschaffenheit	Fahrerwunschmoment M_FW $[\mathrm{Nm}]$	Anregelzeit $t_{\mathrm{ANR}}[\mathrm{ms}]$	Überschwingweite $[\mathrm{{\%}}]$
Asphalt trocken	100	55,5	67,2
Asphalt nass	100	54,3	57,4
Schnee	100	56,0	47,2
Eis	100	55,0	30,2

Dies verdeutlicht, dass der Fahrzeug-Antriebsstrang bei ungeregelten Anfahrvorgängen auch bei kleiner werdendem Kraftschlussbeiwert μ starken Ruckelschwingungen ausgesetzt ist. Die Wirksamkeit der in Abschn. 2 vorgestellten Fahrbarkeitsfunktionen muss daher auch bei variierenden Fahrbahnzuständen unter Beweis gestellt werden.

4.1.2 Anfahren mit Führungsformer und ohne Anti-Ruckel-Regelung

Die Abb. 10 zeigt die Messergebnisse für die Anfahrvorgänge bei den unterschiedlichen Fahrbahnzuständen mit Eingriff des in Abschn. 2 vorgestellten Führungsformers inklusive Vorfilter (ViD).

Qualitativ lässt sich eine deutliche Verringerung des Überschwing- und Nachschwingverhaltens bei allen Messungen feststellen.

Aus den aus Tab. 2 entnommenen Messwerten lässt sich am Beispiel von nassem Asphalt erkennen, dass die Überschwingweite in diesem Fall um etwa das Zehnfache reduziert wird. Dabei erhöht sich die Anregelzeit t_ANR um mehr als den Faktor zwei, dies ist jedoch aus Sicht des Fahrkomforts und des Bauteilschutzes sinnvoll und erträglich.

Tab. 2

Auswertung Anfahren mit Eingriff des Führungsformers

Fahrbahnbeschaffenheit	Fahrerwunschmoment M_FW $[Nm]$	Anregelzeit $t_{\mathrm{ANR}}[ms]$	Überschwingweite $[\mathrm{{\%}}]$
Asphalt trocken	100	112,8	7,2
Asphalt nass	100	116,8	4,4
Schnee	100	132,0	4,0
Eis	100	123,5	5,3

Vor dem Hintergrund, dass bei dieser Fahrbarkeitsfunktion sämtliche äußeren Einflüsse vernachlässigt werden, stellt dies bereits ein gutes Ergebnis dar. Ein geringfügiges Nachschwingen mit kleinen Amplituden von maximal $\pm 10\mathrm{{\%}}$ lässt sich jedoch in allen Messwerten noch feststellen. Dies wird auf Parameterunsicherheiten und Vereinfachungen bei der Modellierung zurückgeführt.

4.1.3 Anfahren mit Führungsformer und mit Anti-Ruckel-Regelung

Die Abb. 11 stellt die Messergebnisse mit kombiniertem Eingriff des Führungsformers und der Anti-Ruckel-Regelung vor. Aufgrund der unterschiedlichen Verläufe des Drehmoments M_AnM der Antriebsmaschine für die verschiedenen Fahrbahnzustände sind diese der Übersichtlichkeit halber separat in der Abb. 12 dargestellt.

Der Sprung im Fahrerwunschmoment verursacht eine translatorische Beschleunigung des Fahrzeuges. Damit geht eine Drehbeschleunigung des Rotors $\dot{\omega }_{\mathrm{AnM}}$ der Antriebsmaschine mit dem Massenträgheitsmoment J_AnM einher. Hierfür wird ein Teil des Fahrerwunschmomentes aufgebracht. Dies ist ein Grund für die stationäre Abweichung des Drehmoments der Seitenwelle M_SW gegenüber dem Fahrerwunschmoment bei Beschleunigungsvorgängen, welche beispielhaft in Abb. 11 zu erkennen ist. Auf eine stationäre Genauigkeit, d. h. auf eine Übereinstimmung des Drehmoments der Seitenwelle M_SW mit dem Fahrerwunschmoment, wird bei aktivierter Anti-Ruckel-Regelung verzichtet.

Typischerweise erfolgt bei realen Fahrzeugen eine betriebszustandsabhängige Deaktivierung der Anti-Ruckel-Regelung. Dann ist ein Teil des Fahrerwunschmomentes erforderlich, um bei Beschleunigungsvorgängen die Rotorträgheit der Antriebsmaschine zu kompensieren. Somit ist bei deaktivierter Anti-Ruckel-Regelung ebenfalls keine stationäre Genauigkeit vorhanden. Das Fahrzeugverhalten soll bei aktivierter und deaktivierter Anti-Ruckel-Regelung möglichst vergleichbar sein.

Die Anregelzeit t_ANR erhöht sich beispielsweise bei nassem Asphalt um ca. 15 % gegenüber der Messung mit lediglich dem Eingriff des Führungsformers, wobei sich die Überschwingweite bei Verwendung der Anti-Ruckel-Regelung auch hier nochmals um ein Vielfaches reduziert. Die Anregelzeiten t_ANR für die Messungen auf Schnee und Eis sind zwar nominal um bis zu 40 % höher, jedoch befinden sich die beiden Drehmomentverläufe bereits nach einer Zeit von 150 ms in einem Bereich von 97 % des angeforderten Drehmoments. Daher kann in diesem Fall der erhöhten Anregelzeit t_ANR für die Messungen auf Schnee und Eis weniger Tragweite beigemessen werden (siehe Tab. 3).

Tab. 3

Auswertung Anfahren mit Eingriff des Führungsformers und der Anti-Ruckel-Regelung

Fahrbahnbeschaffenheit	Fahrerwunschmoment M_FW $[\mathrm{Nm}]$	Anregelzeit $t_{\mathrm{ANR}}[\mathrm{ms}]$	Überschwingweite $[\mathrm{{\%}}]$
Asphalt trocken	100	121,5	2,8
Asphalt nass	100	133,0	0,8
Schnee	100	183,0	0,6
Eis	100	159,0	1,9

Anhand der Drehmomentverläufe der Fahrzeug-Seitenwelle lässt sich nur noch ein Überschwingen von maximal 2,8 % feststellen, welches für den Fahrer de facto nicht mehr spürbar ist.

4.1.4 Vergleich der Drehmomente der Antriebsmaschine

Die Abb. 12 zeigt die unterschiedlichen Verläufe des Drehmomentes M_AnM der Antriebsmaschine für alle Messungen des Anfahrens im Vergleich.

Besonders ist hierbei der geringe zusätzliche Regeleingriff bei den Anfahrvorgängen mit den kombinierten Fahrbarkeitsfunktionen aus Führungsformer (ViD) und Anti-Ruckel-Regelung (ARR) gegenüber dem Anfahren lediglich mit Eingriff des Führungsformers (ViD) hervorzuheben. Trotz dieses geringen zusätzlichen Regeleingriffs können die Ruckelschwingungen nahezu komplett beseitigt werden. Dies bedeutet, dass hier eine sehr wirksame Regelung mit lediglich geringem Eingriff zur Ausregelung der Ruckelschwingungen vorliegt.

Direkt nach dem Anfahren liefert die fahrzeugtypische Raddrehzahlsensorik Signalflanken erst nach einem ausreichend großen Drehwinkel der Radnabe [16]. Dies führt zu einer Verzögerung der daraus bestimmten Radnabenwinkelgeschwindigkeit ω_RN und wirkt sich auf die Differenzwinkelgeschwindigkeit $\Updelta \omega$ entsprechend Abb. 3 aus. Daraus ergibt sich temporär ein geringfügiger Eingriff der Anti-Ruckel-Regelung, verbunden mit einer Reduktion des Drehmoments der Antriebsmaschine ab dem Zeitpunkt $t=250\,\mathrm{ms}$.

4.2 Messergebnisse Tip-in-Manöver

4.2.1 Tip-in-Manöver ohne Führungsformer und ohne Anti-Ruckel-Regelung

Die folgende Abb. 13 zeigt die zeitlichen Drehmomentverläufe bei Tip-in-Manövern und verschiedenen Fahrbahnzuständen, jeweils ohne Regeleingriff.

Es zeichnet sich ein qualitativ vergleichbarer Gesamteindruck des Schwingungsverhaltens zu den in Abschn. 4.1 beschriebenen Anfahrversuchen ohne Regeleingriff ab.

Bei der Anregelzeit t_ANR lässt sich im Vergleich zu den Anfahrversuchen ohne Regeleingriff lediglich bei der Messung auf Eis eine leichte Zunahme feststellen. Die Überschwingweite reduziert sich bei allen Messungen um mehr als 20 % (siehe Tab. 4).

Tab. 4

Auswertung Tip-in-Manöver ohne Regeleingriff

Fahrbahnbeschaffenheit	Fahrerwunschmoment M_FW $[\mathrm{Nm}]$	Anregelzeit $t_{\mathrm{ANR}}[\mathrm{ms}]$	Überschwingweite $[\mathrm{{\%}}]$
Asphalt trocken	100	55,0	52,4
Asphalt nass	100	56,8	44,5
Schnee	100	56,0	35,7
Eis	100	66,8	10,4

Bis auf die Messung auf Eis lässt sich auch hier ein markantes Ruckelschwingungsverhalten feststellen, welches im Sinne des Fahrkomforts und des Bauteilschutzes einer Minimierung durch weitere Maßnahmen bedarf.

4.2.2 Tip-in-Manöver mit Führungsformer und ohne Anti-Ruckel-Regelung

Die Abb. 14 zeigt den Einfluss des Führungsformers inklusive Vorfilter (ViD) während der Tip-in-Manöver. Qualitativ ist hier wie beim Anfahren entsprechend Abb. 10 bereits eine deutliche Verbesserung des Ruckelschwingungsverhaltens ersichtlich, welches nachfolgend durch die Kennwerte aus Tab. 5 bestätigt wird.

Tab. 5

Auswertung Tip-In-Manöver mit Eingriff des Führungsformers

Fahrbahnbeschaffenheit	Fahrerwunschmoment M_FW $[\mathrm{Nm}]$	Anregelzeit $t_{\mathrm{ANR}}[\mathrm{ms}]$	Überschwingweite $[\mathrm{{\%}}]$
Asphalt trocken	100	107,5	6,7
Asphalt nass	100	119,5	7,1
Schnee	100	131,5	5,2
Eis	100	151,5	2,4

Der Führungsformer liefert auch bei den Tip-In-Manövern unter verhältnismäßig geringen Einbußen in der Anregelzeit t_ANR eine mehrfache Verringerung der Überschwingweite und des darauffolgenden Nachschwingens.

Eine weitere Verringerung des Nachschwingens ist dennoch wünschenswert, da an einigen Stellen das Drehmoment der Seitenwelle M_SW bis zu 20 % unter den Sollwert schwingt und dies den Fahrkomfort beeinflussen kann.

4.2.3 Tip-In-Manöver mit Führungsformer und mit Anti-Ruckel-Regelung

In der Abb. 15 sind die Ergebnisse der Tip-In-Manöver mit kombiniertem Eingriff des Führungsformers und der Anti-Ruckel-Regelung dargestellt.

Gegenüber den in Abb. 14 dargestellten Messungen mit alleinigem Eingriff des Führungsformers lassen sich weitere Verbesserungen im Ruckelschwingungsverhalten feststellen. Die Ergebnisse sind der Tab. 6 zu entnehmen. Das erste Unterschwingen bewegt sich im Bereich von 10 % des Fahrerwunschmomentes und ist als akzeptabel anzusehen. Hierbei ist anzumerken, dass ein Teil des Fahrerwunschmomentes beziehungsweise des Drehmoments der Antriebsmaschine erforderlich ist, um den Rotor der Antriebsmaschine zu beschleunigen. Das Seitenwellenmoment ist um diesen Anteil reduziert und verläuft somit etwas unterhalb des Fahrerwunschmomentes.

Tab. 6

Auswertung Tip-In-Manöver mit Eingriff des Führungsformers und der Anti-Ruckel-Regelung

Fahrbahnbeschaffenheit	Fahrerwunschmoment M_FW $[\mathrm{Nm}]$	Anregelzeit $t_{\mathrm{ANR}}[\mathrm{ms}]$	Überschwingweite $[\mathrm{{\%}}]$
Asphalt trocken	100	139,3	3,1
Asphalt nass	100	151,5	2,4
Schnee	100	155,0	1,3
Eis	100	220,5	0,2

Auch hier werden alle Überschwingweiten im Vergleich zu den in Abb. 14 dargestellten Messungen mit alleinigem Eingriff des Führungsformers bei verhältnismäßig geringen Einbußen in der Anregelzeit t_ANR mindestens halbiert.

4.2.4 Vergleich der Drehmomente der Antriebsmaschine

In der Abb. 16 sind entsprechend der Abb. 12 die Drehmomente der Antriebsmaschine bei allen Tip-In-Manövern dargestellt.

Hier ist ersichtlich, welchen Einfluss der Führungsformer alleine sowie in Kombination mit der Anti-Ruckel-Regelung auf das Drehmoment der Antriebsmaschine aufweist. Das Drehmoment der Antriebsmaschine unter alleiniger Verwendung des Führungsformers nähert sich asymptotisch dem Fahrerwunschmoment an. Im Vergleich dazu sind bei aktiver Anti-Ruckel-Regelung deutliche Regeleingriffe nach Erreichen des Fahrerwunschmomentes ersichtlich. Als mögliche Ursache hierfür kommen beispielsweise bauart- oder fertigungsbedingte Drehmomentrippel von Elektromaschinen und damit verbundene Anregungen des Antriebsstrangs in Frage. Diese Anregungen werden durch die Sensorik erfasst und führen zu einer ständigen Änderung der Stellgröße der Anti-Ruckel-Regelung. Als Abhilfe kann in Erwägung gezogen werden, die Anti-Ruckel-Regelung bei geringen Schwingungsamplituden zu deaktivieren.

5 Fazit und Ausblick

Mit den Messergebnissen der Anfahr- und Tip-In-Manöver ohne Regeleingriffe kann bestätigt werden, dass ein markantes Ruckelschwingungsverhalten auch bei unterschiedlichen Fahrbahnzuständen vorliegt. Obgleich die Höhe der Amplituden der Ruckelschwingung vereinfacht dargestellt mit kleiner werdendem Kraftschlussbeiwert μ abnimmt, wirkt sich das bestehen bleibende Schwingungsverhalten weiterhin negativ auf den Fahrkomfort und die Bauteilbelastung aus. Zusätzlich lässt sich eine Varianz in der Eigenfrequenz der Ruckelschwingung beobachten. Es ist nachzuweisen, dass dies keinen negativen Einfluss auf die Wirksamkeit der zu untersuchenden Fahrbarkeitsfunktionen mit sich bringt.

Die daran anschließenden Messungen mit Eingriff des in Abschn. 2 vorgestellten Führungsformers inklusive des Vorfilters zeigen sowohl beim Anfahren als auch bei den Tip-In-Manövern ein deutlich verbessertes Ruckelschwingungsverhalten mit geringen Überschwingweiten von maximal 7,2 % beim Anfahren auf trockenem Asphalt. Zwar beträgt die Erhöhung der Anregelzeiten t_ANR in den meisten Fällen über 100 % gegenüber den Messungen ohne Regeleingriff und erscheint hoch, ist jedoch im Zusammenhang mit der Verringerung der Überschwingweiten um das Vier- bis Zehnfache als dem Fahrkomfort förderlich einzustufen.

Die Varianz in der Eigenfrequenz der Ruckelschwingungen bei verschiedenen Fahrbahnzuständen zeigt keinen erkennbaren Einfluss auf die Güte der Schwingungsminimierung. Unter realitätsnahen Prüfstandsbedingungen zeigt sich, dass der hier gewählte Führungsformeransatz unter Vernachlässigung der Einflüsse von Reifen, Reifen-Fahrbahn-Kontakt und Fahrzeugmasse bereits robust funktioniert und eine komfortable Ausgangssituation für eine zusätzliche Anti-Ruckel-Regelung schafft. Vorteilhaft ist die damit verbundene Reduzierung des benötigten Stelleingriffes. Auch sind für die Wirksamkeit bei der Anwendung des Führungsformers an einem realen Fahrzeug keine großen Abweichungen zu erwarten, da die maßgeblichen und beim Führungsformeransatz nicht vernachlässigten Komponenten real am HiL-Prüfstand vorhanden sind.

Die Kombination aus Führungsformer und Anti-Ruckel-Regelung lässt sich unter realitätsnahen Prüfstandsbedingungen schließlich als zielführendes Mittel zur Beseitigung von unkomfortablen und bauteilbelastenden Ruckelschwingungen für den Großteil der möglichen Fahrbahnzustände konstatieren. Lediglich bei den Messungen der Tip-In-Manöver lässt sich ein geringfügiges Restnachschwingen feststellen. Dieses Unterschwingen bewegt sich jedoch nur kurzzeitig im Bereich von unter 10 % des geforderten Fahrerwunschmoments und ist als erträglich anzusehen. Auch bei den Drehmomentverläufen mit aktiver Anti-Ruckel-Regelung sind geringfügige stationäre Ungenauigkeiten festzustellen, welche jedoch im Vergleich zur Wirksamkeit bei der Dämpfung von Ruckelschwingungen kaum ins Gewicht fallen.

Auch bei der Radnabenwinkelgeschwindigkeit ω_RN, die als weitere Messgröße für die Anti-Ruckel-Regelung erforderlich ist, wird auf eine fahrzeugtypische Raddrehzahlsensorik zurückgegriffen. Daher sind auch hier keine großen Abweichungen zum Einsatz der Fahrbarkeitsfunktionen an einem realen Fahrzeug zu erwarten.

Zusammenfassend zeigen die durchgeführten Messungen die Wirksamkeit der hier angewandten Fahrbarkeitsfunktionen bei Ruckelschwingungen und deren Unempfindlichkeit gegenüber variierenden Fahrbahnzuständen unter realitätsnahen Prüfstandsbedingungen.

Um letzte geringfügige Unsicherheiten ausschließen zu können, kann ein weiterführender Nachweis auf einem Rollenprüfstand vorgenommen werden. Für eine vollständig reale Validierung müssten die Algorithmen direkt in einem Testfahrzeug implementiert werden.

Zukünftige Untersuchungen betreffen beispielsweise das Zusammenspiel der vorgestellten Algorithmen mit einer zusätzlichen Antriebsschlupfregelung (ASR) bei Manövern mit größeren Drehmomentsprüngen nahe der Kraftschlussgrenze sowie das Zusammenspiel der Algorithmen bei Manövern mit Bremseingriff.

Interessenkonflikt

G. Jakstas, A. Koch und J. Falkenstein geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.

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Titel: Untersuchung des Einflusses von unterschiedlichen Fahrbahnzuständen auf die Fahrbarkeitsfunktionen elektrifizierter Fahrzeugantriebssysteme mittels eines Hardware-in-the-Loop-Prüfstands
verfasst von: Gabrielius Jakstas
Andreas Koch
Jens Falkenstein
Publikationsdatum: 20.10.2022
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in: Forschung im Ingenieurwesen / Ausgabe 4/2022
Print ISSN: 0015-7899
Elektronische ISSN: 1434-0860
DOI: https://doi.org/10.1007/s10010-022-00600-3

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