Die Elektrifizierung des Antriebstrangs bietet bekanntlich weitreichende Potenziale hinsichtlich der Verringerung des CO2-Ausstoßes von Kraftfahrzeugen. Darüber hinaus lassen sich zudem die Fahrsicherheit und die Fahrdynamik durch die Verwendung von Elektromotoren erhöhen. Dies resultiert aus der Tatsache, dass Elektromotoren im Gegensatz zu Verbrennern kleiner sind, und so dezentral im Fahrzeug untergebracht werden können.
Während bei einem konventionellen Fahrzeug nur ein Antriebsaggregat zur Verfügung steht, lässt sich die Anzahl bei einem Elektrofahrzeug auf zwei, drei oder gar vier Antriebseinheiten erhöhen, welche auf der Antriebswelle, radnah oder im Rad selbst verbaut werden können. Damit erhöht sich die Anzahl der Stelleingriffe zur aktiven Beeinflussung der horizontalen Fahrzeugbewegung, was die Möglichkeiten zur Energieverbrauchsminderung und zur Verbesserung der Fahrdynamik stark erhöht.

Eckdaten

  • Schaeffler hat ein Konzeptfahrzeug erstellt, das Torque-Vectoring ermöglicht.
  • Auf der Vorderachse wirkt ausschließlich der Verbrennungsmotor, auf der Hinterradachse ein 48-V-Motor mit individueller Drehmomenten-Verteilung.
  • Dabei hat die 48-V-3in1-Hinterachse ein integriertes Zweiganggetriebe mit Torque-Vectoring-Funktion.
  • Im „Sport“-Modus steigert das System die querdynamische Agilität und Performance.
  • Das System nutzt eine modulare Architektur.
  • Bei entsprechender Systemauslegung lässt sich auch Energie sparen.

Im Allgemeinen setzt sich die Fahrzeughorizontaldynamik aus der Längs-, der Quer und der Gierbewegung des Fahrzeugaufbaus zusammen. Bei einem konventionellen Fahrzeug mit einer lenkbaren Achse sowie einer durch einen Verbrenner aktuierten Vorder- oder Hinterachse stehen lediglich zwei Eingriffsmöglichkeiten zur Beeinflussung dieser drei Bewegungsfreiheitsgrade zur Verfügung. Das Fahrzeug ist unteraktuiert, sodass es im Normalfall zwar einer gewünschten Bahnkrümmung (Querbewegung) mit einer geforderten Längsbeschleunigung (Längsbewegung) folgt. Das Eigenlenkverhalten des Fahrzeugs ist durch die Fahrzeuggeometrie allerdings vorgegeben, da das Gierverhalten nicht direkt ohne Verringerung des Vortriebs beeinflusst werden kann.

Vollaktuiertes Konzeptfahrzeug

Anders stellt sich die Situation dar, wenn die bei einem konventionellen Fahrzeug nicht aktuierte Achse elektrifiziert wird, sodass die Momentenverteilung zwischen zugehörigem linkem und rechtem Rad aktiv beeinflusst werden kann. Ein solches vollaktuiertes Fahrzeug wurde von Schaeffler Technologies in Zusammenarbeit mit Schaeffler Engineering in Form des Konzeptfahrzeuges „High Performance 48 V“ erfolgreich umgesetzt und erprobt (Bild 1).
Hierfür wurden in einem Basisfahrzeug mit turboaufgeladenem 2,0-Liter-Ottomotor und Sechsgang-Doppelkupplungsgetriebe zusätzlich ein 48-V-Riemenstartergenerator, eine 48-V-3in1-Hinterachse sowie eine Hochleistungsbatterie verbaut. Zur Ansteuerung der Komponenten kam das Rapid-Control-Prototyping-System Protronic-Topline zum Einsatz. Die resultierende Systemarchitektur ist in Bild 2 dargestellt.
Ziel war neben der Emissionsreduzierung durch Lastpunktverschiebung und Rekuperation die Erhöhung des Fahrspaßes für den Endkunden. So resultiert im Eco-Modus aus einem dynamischen Wechsel zwischen verbrennungsmotorischem und elektrischem Antrieb eine bestmögliche Kraftstoffeffizienz, während die 48-V-3in1-Hinterachse mit integriertem Zweiganggetriebe und Torque-Vectoring-Funktion im Sport-Modus dazu genutzt wird, die querdynamische Agilität und Performance zu steigern.

Querdynamische Agilität steigern

Bild 1: Das Konzeptfahrzeug „High Performance 48 V” von Schaeffler.

Bild 1: Das Konzeptfahrzeug „High Performance 48 V” von Schaeffler. Schaeffler

Der Fokus der Querdynamikregelung liegt dabei auf der Steigerung des Kurveneinlenkverhaltens sowie in der Erhöhung der Gierneigung des Fahrzeugs. Dies ermöglicht vor allem bei frontgetriebenen Fahrzeugen höhere Kurvengeschwindigkeiten und ein sportlicheres Fahrgefühl. Die hierfür notwendigen querdynamischen Zustandsgrößen lassen sich mittels eines Zustandsbeobachters schätzen, der ein Einspurmodell mit den Eingangsgrößen Fahrzeuggeschwindigkeit, Lenkwinkel sowie weiterer Umgebungs- und Systemgrößen nutzt.
Aus der Variation der Parameter eines parallel berechneten Fahrzeugmodells resultiert das Zieleigenlenkverhalten, welches sich maßgeblich in einer dynamischen Gierratenanpassung widerspiegelt. Durch eine verringerte Gierdämpfung am Kurveneingang ermöglicht diese einerseits eine Erhöhung des Fahrzeugeinlenkverhaltens. Andererseits sorgt eine erhöhte Gierdämpfung stationär für ein stabileres Fahrverhalten. Das Differenzmoment der 48-V-3in1-Hinterachse zur Realisierung der gewünschten Gierratenüberhöhung beziehungsweise -reduzierung wird mittels einer Kombination aus modellgestützter dynamischer Vorsteuerung und Störgrößenregelung ermittelt.
Bild 3 zeigt die Ergebnisse eines mit aktiver Torque-Vectoring-Funktion gefahrenen Slaloms. Die Fahrgeschwindigkeit betrug 100 km/h; das Fahrzeug wurde zudem mit einer Lenkwinkelamplitude von 60 ° bei einer Frequenz von 0,3 Hz angeregt. Im oberen Plot sind die drei relevanten Gierraten dargestellt:

  • die gemessene Istgierrate
  • die geschätzte Gierrate des passiven Fahrzeugs ohne Torque-Vectoring-Funktion
  • die Zielgierrate mit Torque-Vectoring-Funktion
Bild 2: Überblick über die Systemarchitektur des Konzeptfahrzeugs.

Bild 2: Überblick über die Systemarchitektur des Konzeptfahrzeugs. Schaeffler

Des Weiteren sind der Lenkwinkelverlauf sowie das Torque-Vectoring-Differenzmoment der Querdynamikregelung für die 48-V-3in1-Hinterachse dargestellt.
Mit dem zusätzlichen Differenzmoment an der Hinterachse kann das Fahrzeug der Zielgierrate folgen, lenkt bei gleichem Lenkwinkel stärker ein und erreicht somit auch im kurzen stationären Bereich eine höhere Gierrate. Es zeigt folglich ein deutlich agileres, aber auch stabileres Fahrverhalten, da für die gleiche Gierrate ein reduzierter Lenkwinkel benötigt wird.

Seite 1 von 212