AT516674A1

AT516674A1 - Method and device for reducing structural vibrations in vehicles with a high degree of electrification

Info

Publication number: AT516674A1
Application number: ATA936/2014A
Authority: AT
Inventors: Eugenius Johannes Nijman; Anton Dr Fuchs
Original assignee: Kompetenzzentrum - Das Virtuelle Fahrzeug Forschungsgesellschaft Mbh
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2016-07-15

Abstract

Vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduktion von lokalen und globalen Schwingungen einer Fahrzeugstruktur, indem die Fahrzeugbatterie (1) in mehrere Teilbatterien (1a bis 1n) aufgeteilt wird. Die Massen m(la) bis m(ln) der Teilbatterien (1a bis 1n) bilden entweder eine zur vibro-akustischen Entkopplung erforderliche Impedanz Fehlanpassung von Strukturbauteilen, abgestimmte Resonatoren zur Bedämpfung dominanter Frequenzen oder aktive Shaker-Elemente,welche die Teilbatterien (1a bis 1n) zur definierten Schwingung anregen.The present invention describes an apparatus and a method for reducing local and global vibrations of a vehicle structure by dividing the vehicle battery (1) into a plurality of sub-batteries (1a to 1n). The masses m (la) to m (ln) of the sub-batteries (1a to 1n) form either a required for vibro-acoustic decoupling impedance mismatch of structural components, tuned resonators for damping dominant frequencies or active shaker elements, which the sub-batteries (1a to 1n) to the defined vibration.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Reduktion von Strukturschwingungen in Fahrzeugen mit hohem ElektrifizierungsgradMethod and device for reducing structural vibrations in vehicles with a high degree of electrification

Stand der Technik ln modernen Fahrzeugen mit hohem Elektrifizierungsgrad werden typischerweise Batterien und weitere Energiespeicher wie Supercaps oder Flywheels mit vergleichsweise hoher Masse verbaut um die notwendige Speicherkapazität und Reichweite zur Verfügung zu stellen. Der Begriff Batterie wird hier stellvertretend auch für andere Energiespeicher im Fahrzeug wie Supercasps verwendet. Die Masse dieser Energiespeicher sind je nach Elektrifizierungsgrad und Reichweite meist im Bereich von etwa 100 kg bis 400 kg und mehr, kann also durchaus über 20% der Gesamtfahrzeugmasse ausmachen. Ebenso wird in konventionell, hybrid und elektrisch betrieben Fahrzeugen für den Personenindividualverkehr Verkabelung in einem Gewicht von etwa 30 bis 50 kg verwendet. Diese Verkabelung weist neben dem Gewicht auch strukturelle Eigenschaften wie Steifigkeit und in Kombination mit weicher Kabelisolierung auch Dämpfung auf.PRIOR ART In modern vehicles with a high degree of electrification, batteries and other energy storage devices such as supercaps or flywheels with comparatively high mass are typically installed in order to provide the necessary storage capacity and range. The term battery is used here as representative of other energy storage devices in the vehicle such as supercasps. Depending on the degree of electrification and range, the mass of these energy stores usually ranges from about 100 kg to 400 kg and more, so it can account for more than 20% of the total vehicle mass. Similarly, in conventional, hybrid and electrically operated vehicles for personal passenger traffic wiring in a weight of about 30 to 50 kg used. In addition to the weight, this wiring also has structural properties such as stiffness and, in combination with soft cable insulation, also damping.

In der Komfortauslegung von Fahrzeugen ist es üblich, Feder-Dämpfer-Massesysteme zur Reduktion von unerwünschten Schwingungen zu verwenden. An ausgewählten Punkten der Fahrzeugstruktur kann damit für jede mechanische Anregung durch geeignete Auslegung des Feder-Dämpfer-Massesystems die Schwingung reduziert bzw. ausgelöscht werden.In the comfort design of vehicles, it is common to use spring-damper mass systems to reduce unwanted vibrations. At selected points of the vehicle structure can thus be reduced or extinguished for each mechanical excitation by suitable design of the spring-damper mass system, the vibration.

Die Fertigung von Leichtbaustrukturen für Fahrzeuge erlaubt neue Möglichkeiten, an nahezu beliebigen Stellen Bauräume vorzusehen, welche einem Feder-Dämpfer-Massesystem Platz bietet.The production of lightweight structures for vehicles allows new possibilities to provide at almost any place installation space, which offers a spring-damper mass system space.

Ein solches Feder-Dämpfer-Massesystem kann mechanisch an die Fahrzeugstruktur angebunden werden.Such a spring-damper mass system can be mechanically connected to the vehicle structure.

Vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduktion von Strukturschwingungen in Fahrzeugen - vorzugsweise in Fahrzeugen mit hohem Elektrifizierungsgrad und vergleichsweise schweren Energiespeichern und Verkabelung. Dabei werden die Massen der Energiespeicher oder die der Verkabelung gezielt so innerhalb des Fahrzeuges verteilt, dass sie zumindest an den entscheidenden Komfortpunkten des Fahrzeuges wie den Sitzschienen oder der Lenkeinreichung ein Minimum an unerwünschter Schwingung verursacht, d.h. die sonst vorhandenen unerwünschten Schwingungen maximal bedämpft. Die Komfortpunkte können dabei mit vorliegender Erfindung für jedes Fahrzeug individuell gewählt werden.The present invention describes a method and an apparatus for reducing structural vibrations in vehicles - preferably in vehicles with a high degree of electrification and relatively heavy energy storage and wiring. The masses of energy storage or the wiring are selectively distributed within the vehicle so that it causes a minimum of undesirable vibration, at least at the crucial comfort points of the vehicle such as the seat rails or the steering input, i. the otherwise existing unwanted vibrations maximally damped. The comfort points can be individually selected with the present invention for each vehicle.

Vorliegende Erfindung grenzt sich vom Stand der Technik dadurch ab, dass sowohl die Vorrichtung als auch das Verfahren die vorhandenen Gesamtmassen von Energiespeichern und/oder Verkabelung dazu nutzt um geeignete verteilte Systeme aus Feder (Anbindung/Steifigkeit), Dämpfung (adaptive Elastomere und Lager) und Masse (verteilte Massen durch Verteilung der Batteriezellen auf geeignete Positionen im und am Fahrzeug) realisiert.The present invention is different from the prior art in that both the device and the method utilize the available total masses of energy stores and / or cabling for suitable distributed systems of spring (connection / stiffness), damping (adaptive elastomers and bearings) and Mass (distributed masses by distribution of the battery cells to appropriate positions in and on the vehicle) realized.

Ebenso beschreibt vorliegende Erfindung ein aktives, adaptives System, in dem die einzelnen Massen der verteilten Batterie beispielsweise durch Piezo-Shaker in geeigneter Frequenz zu einer Schwingung angeregt werden, welche der unerwünschten Schwingung entgegenwirkt und diese lokal oder global bedämpft.Likewise, the present invention describes an active, adaptive system in which the individual masses of the distributed battery are excited, for example, by piezo-shakers at a suitable frequency to a vibration which counteracts the unwanted vibration and damps it locally or globally.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Möglichkeit, das Schwingungsverhalten der Massen der verteilten Batterie beispielsweise auch durch Piezo-Transducer (Sensor-Aktuator) zur Zustandsüberwachung für Strukturfehler (z.B. Materialermüdung etc.) zu nutzen.Another aspect of the present invention is the ability to utilize the vibrational behavior of the distributed battery masses, for example, also by piezo-transducers (sensor actuators) for condition monitoring for structural defects (e.g., material fatigue, etc.).

Beschreibungdescription

Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Vorrichtung umfasst die auf mehrere Teilbatterien (Zellen) la, lb bis ln aufgeteilte Batterie 1 mit den jeweiligen Massen m(la) bis m(ln) und deren elektrischer Verbindung 6 untereinander zu einer elektrischen Einheit des Gesamtsystems Batterie 1. Die Vorrichtung sieht ebenfalls für jede Teilbatterie la bis ln einen an die Fahrzeugstruktur 5 angebundenen Bauraum 2a bis 2n vor, der gegenüber der Struktur eine definierte Steifigkeit s(la) bis s(ln) aufweist. Die Bauräume mit den Anbindungssteifigkeiten s(la) bis s(ln) werden im Herstellungsprozess mit entsprechender Fläche (Länge und Breite) sowie mit entsprechender Bodendicke 3a bis 3n berücksichtig. Die Bodendicke 3a bis 3n kann durch Blechdicke oder Schichtdicke von Leichtbaustrukturen realisiert werden.The apparatus described in the present invention comprises the battery 1 divided into a plurality of sub-batteries (cells) 1 a, 1 b to 1 with the respective masses m (la) to m (ln) and their electrical connection 6 to form an electrical unit of the overall system battery 1 The device likewise provides, for each sub-battery 1a to 1n, an installation space 2a to 2n connected to the vehicle structure 5, which has a defined rigidity s (la) to s (ln) with respect to the structure. The construction spaces with the attachment stiffness s (la) to s (ln) are taken into account in the production process with a corresponding area (length and width) and with a corresponding floor thickness 3a to 3n. The floor thickness 3a to 3n can be realized by sheet thickness or layer thickness of lightweight structures.

Um die Effizienz der Erfindung zu steigern und eine maximale Schwingungsreduktion über einen möglichst breiten Frequenzbereich zu ermöglichen, kann zusätzlich jeweils ein Element 4a bis 4n zwischen Teilbatterien la bis ln und den Anbindungspunkten der Bauräume 2a bis 2n zur Fahrzeugstruktur 5 vorgesehen werden. Diese Elemente 4a bis 4n können für die Funktionalität eines Resonators Dämpfungselemente (z.B. Elastomere oder zum Stand der Technik gehörende Dämpfungselemente mit regel- bzw. steuerbarem Elastizitätsmodul) sein. Für Leichtbaustrukturen ist die mechanische/akustische Entkopplung durch elastische Bauteile zum Teil schwierig. Eine effiziente Entkopplung ist nur dann möglich, wenn eine ausreichende Impedanz-Fehlanpassung (d.h. ausreichender Impedanzsprung) realisiert werden kann, was bei Leichtbaustrukturen nicht immer möglich ist. Mit Hilfe der verteilten Massen m(la) bis m(ln) der Batterie 1 ist es möglich, Resonatoren an der richtigen Stelle der Fahrzeugstruktur 5 zu implementieren bzw. einen hinreichenden Impedanzsprung für eine Entkopplung zu realisieren. Selbst wenn die Elemente 4a bis 4n nicht als elastische Bauteile ausgeführt werden ist eine solche Impedanz Fehlanpassung realisierbar.In order to increase the efficiency of the invention and to enable maximum vibration reduction over as wide a frequency range as possible, an element 4a to 4n between sub-batteries la to ln and the connection points of the installation spaces 2a to 2n to the vehicle structure 5 can additionally be provided. These elements 4a to 4n may be damping elements for the functionality of a resonator (e.g., elastomers or prior art damper elements having controllable modulus of elasticity). For lightweight structures, the mechanical / acoustic decoupling by elastic components is sometimes difficult. Efficient decoupling is only possible if a sufficient impedance mismatch (i.e., sufficient impedance discontinuity) can be realized, which is not always possible with lightweight structures. With the aid of the distributed masses m (la) to m (ln) of the battery 1, it is possible to implement resonators at the correct location of the vehicle structure 5 or to realize a sufficient impedance jump for a decoupling. Even if the elements 4a to 4n are not designed as elastic components, such an impedance mismatch can be realized.

Die Massen m(la) bis m(ln) der einzelnen Teilbatterien la bis ln bilden zusammen mit den Steifigkeiten s(la) bis s(ln) der Bodendicken 3a bis 3n und den Dämpfungen d(la) bis d(ln) der Dämpfungselementen 4a bis 4n ein verteiltes Feder-Dämpfer-Masse System, welches unerwünschte Schwingungen vor allem an ausgewählten Komfortpunkten 7 reduziert bzw. auslöscht.The masses m (la) to m (ln) of the individual sub-batteries la to ln together with the stiffnesses s (la) to s (ln) form the ground thicknesses 3a to 3n and the attenuations d (la) to d (ln) of the damping elements 4a to 4n a distributed spring-damper-mass system, which reduces or eliminates unwanted vibrations, especially at selected comfort points 7.

Ebenso können die Elemente 4a bis 4n zwischen Teilbatterien la bis ln und Fahrzeugstruktur 5 auch als aktive Elemente (z.B. als Piezo-Aktoren oder als Piezo-Transducer mit gleichzeitiger Funktion als Sensor und Aktuator, Nutzung des piezoelektrischen und inversen piezoelektrischen Effektes) ausgeführt werden. Die Ausführung als aktive Elemente ermöglicht die aktive Anregung der Massen m(la) bis m(ln) mit gewünschter Anregefrequenz (typischerweise durch eine zum erfassten Beschleunigungssignal gegenphasige Anregung). Eine Steuereinheit 8 steuert bzw. regelt auf Basis von Beschleunigungssignalen von Sensoren 9 oder auf Basis der Signale der aktiven als Sensoren arbeitenden Elemente 4a bis 4n die Auslenkung der aktiven Elemente 4a bis 4n. Die Kommunikation zwischen Sensoren, Aktuatoren und der Steuereinheit erfolgt über zum Stand der Technik gehörigenLikewise, the elements 4a to 4n between sub-batteries 1a to ln and vehicle structure 5 can also be embodied as active elements (for example as piezo actuators or as piezo transducers with simultaneous function as sensor and actuator, utilization of the piezoelectric and inverse piezoelectric effect). The design as active elements allows the active excitation of the masses m (la) to m (ln) with the desired excitation frequency (typically by an opposite in phase to the detected acceleration signal excitation). A control unit 8 controls the deflection of the active elements 4a to 4n on the basis of acceleration signals from sensors 9 or based on the signals of the active elements 4a to 4n working as sensors. The communication between sensors, actuators and the control unit takes place via state-of-the-art technology

Technologien (Bussystem, drahtgebunden, drahtlose). Die Energieversorgung für die (aktiven) Elemente 4a bis 4n kann über die Teilbatterien la bis ln erfolgen.Technologies (bus system, wired, wireless). The power supply for the (active) elements 4a to 4n can take place via the sub-batteries la to ln.

Die Steuereinheit 8 ermöglicht weiters die Strukturüberwachung indem die Signale der Sensoren 9 bzw. 4a bis 4n hinsichtlich Abweichungen von berechneten Werten oder in der Vergangenheit gespeicherten Werten überprüft werden. Beispielsweise wird mit der Steuereinheit 8 die Struktur Intaktheit bzw. die Erkennung von Fehlern sichergestellt. Die Steuerung und Regelung um das lokale bzw. das globale Schwingverhalten zu verbessern kann mit Hilfe einer zentralen Steuereinheit 8 oder mit Hilfe von mehreren verteilten und kommunizierenden Steuereinheiten 8 gelöst werden.The control unit 8 further enables the structure monitoring by checking the signals of the sensors 9 or 4a to 4n with respect to deviations from calculated values or values stored in the past. For example, the control unit 8 ensures the structure integrity or the detection of errors. The control and regulation to improve the local or the global vibration behavior can be solved by means of a central control unit 8 or by means of several distributed and communicating control units 8.

Die Verkabelung 6 im Fahrzeug wird ebenso wie die Teilbatterien la bis ln als geeignet verteilte Massen in der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet. Zusätzlich kann bei einer in die Fahrzeugstruktur 5 integrierten Verkabelung 6 auch die Steifigkeit der metallischen Leiter sowie die Dämpfung der elastischen Kabelisolation verwendet werden um auf diese Weise die Schwingungseigenschaften in geeigneter Weise zu ändern.The cabling 6 in the vehicle, as well as the sub-batteries la to ln, are used as suitably distributed masses in the apparatus of the present invention. In addition, with a wiring 6 integrated in the vehicle structure 5, the rigidity of the metallic conductors as well as the damping of the elastic cable insulation can be used to suitably change the vibration characteristics in this way.

Zur besseren Verdeutlichung der Vorrichtung in vorliegender Erfindung sind Figuren gegeben. In diesen zeigt:For better clarity of the device in the present invention, figures are given. In these shows:

Fig. 1: die in geeignet ausgelegten Bauräumen in der Fahrzeugstruktur 6 integrierte Teilbatterien la bis ln, welche über elastische Elemente 4a bis 4n mit der Fahrzeugstruktur 6 verbunden sind. Die Massen m(la) bis m(ln) der Teilbatterien la bis ln bildet mit den Steifigkeiten s(la) bis s(ln) und den Dämpfungseigenschaften der Elemente 4a bis 4n einen abgestimmten Resonator, welcher so ausgelegt ist, die lokal vorherrschende unerwünschte Schwingung höchstmöglich zu bedämpfen.FIG. 1: the sub-batteries la to ln integrated in the vehicle structure 6, designed in suitably designed installation spaces, which are connected to the vehicle structure 6 via elastic elements 4a to 4n. The masses m (la) to m (ln) of the sub-batteries la to ln forms, with the stiffnesses s (la) to s (ln) and the attenuation characteristics of the elements 4a to 4n, a tuned resonator designed to be the locally predominant unwanted one To dampen vibration as much as possible.

Fig. 2: eine Ausführungsform der Erfindung, welche aktive Elemente 4a bis 4n dazu nutzt, die Teilbatterien la bis ln mit geeigneter Frequenz anzuregen, dass die lokal oder global vorherrschende unerwünschte Schwingung höchstmöglich bedämpft wird. Die Steuerung der aktiven Elemente 4a bis 4n erfolgt über eine Steuereinheit 8. Selbst bei geringen Auslenkungen lassen sich durch die vergleichsweisen hohen Massen m(la) bis m(ln) ausreichend hohe dynamische Kräfte generieren, welche unerwünschte Schwingungen kompensieren.Fig. 2: an embodiment of the invention, which uses active elements 4a to 4n to excite the sub-batteries la to ln with a suitable frequency, that the local or global prevailing unwanted oscillation is suppressed as high as possible. The control of the active elements 4a to 4n via a control unit 8. Even with small deflections can be generated by the comparatively high masses m (la) to m (ln) sufficiently high dynamic forces, which compensate for unwanted vibrations.

Fig. 3: eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher die Verkabelung 6 in die Fahrzeugstruktur 5 eingebettet ist und die Masse, Dämpfung und Steifigkeit dieser Verkabelung dazu nutzt, lokale Schwingungen höchstmöglich zu bedämpfen. Dabei können auch Steuereinheit 8 und externe Sensoren 9 in die Bauteilstruktur integriert werden. Für die Vorrichtung ergeben sich demnach je nach Beschaffenheit der Elemente 4a bis 4n folgender Einsatz:Fig. 3: an embodiment of the invention in which the wiring 6 is embedded in the vehicle structure 5 and uses the mass, damping and rigidity of this wiring to dampen local vibrations as much as possible. In this case, control unit 8 and external sensors 9 can also be integrated into the component structure. Depending on the nature of the elements 4a to 4n, the following use therefore results for the device:

Elemente 4a bis 4n ohne elastische Charakteristik bzw. nicht vorhanden: Verbesserung des modalen Verhaltens durch Veränderung der Impedanz und damit einer für die Entkopplung geeigneten Impedanz FehlanpassungElements 4a to 4n without elastic characteristics or not present: Improvement of the modal behavior by changing the impedance and thus a suitable impedance for the decoupling mismatch

Elemente 4a bis 4n als elastische Elemente: abgestimmte Resonatoren, die zur Reduktion v.a. einer dominanten Frequenz verwendet werden (bzw. durch Veränderung der Charakteristik der Elemente 4a bis 4n wird eine Frequenzabstimmung ermöglicht)Elements 4a to 4n as elastic elements: tuned resonators used to reduce v.a. a dominant frequency are used (or by changing the characteristics of the elements 4a to 4n a frequency tuning is possible)

Elemente 4a bis 4n als aktive Elemente: z.B. Piezo-Transducer, aktive Auslenkung/Anregung der Teilbatterien la bis ln z.B. in GegenphasenbetriebElements 4a to 4n as active elements: e.g. Piezo transducer, active deflection / excitation of the sub-batteries la to ln e.g. in antiphase operation

Mit vorliegender Vorrichtung ist auch eine redundante Messtechnik umsetzbar: Beschleunigungen und Verzögerungen (z.B. im Crashfall) sowie statische Belastungen von z.B. Schräglagen sind mittels aktiver Elemente 4a bis 4n möglich, wenn die Beschleunigungen der Massen m(la) bis m(ln) der Teilbatterien la bis ln gemessen und ebenfalls über eine Steuereinheit 8 ausgewertet werden.With the present device, a redundant measurement technique can also be implemented: accelerations and decelerations (for example in the event of a crash) as well as static loads of e.g. Slopes are possible by means of active elements 4a to 4n when the accelerations of the masses m (la) to m (ln) of the sub-batteries la to ln are measured and also evaluated by a control unit 8.

Vorliegende Erfindung beschreibt auch ein Verfahren zur Auslegung der Massen m(la) bis m(ln) an den jeweiligen Orten der Fahrzeugstruktur 5. Dabei wird das Schwingungsverhalten der Fahrzeugstruktur 5 mit Hilfe von zum Stand der Technik gehörenden numerischen Methoden wie der Finiten Elemente Analyse berechnet. Entsprechend der berechneten Auslenkungen wird in einem iterativen Verfahren die Massenverteilung m(la) bis m(ln) der Teilbatterien la bis ln bzw. der Verkabelung 6 die Dämpfungen und Steifigkeiten berechnet werden.The present invention also describes a method for designing the masses m (la) to m (ln) at the respective locations of the vehicle structure 5. The vibration behavior of the vehicle structure 5 is calculated using prior art numerical methods such as finite element analysis , In accordance with the calculated deflections, in an iterative method, the mass distribution m (la) to m (ln) of the sub-batteries la to ln or the wiring 6, respectively, the attenuations and stiffnesses will be calculated.

Claims

claims

A device for reducing unwanted vibrations in vehicle structures 5, characterized in that the vehicle battery 1 is divided into a plurality of sub-batteries la to ln connected by wiring 6 and the distribution of the masses m (la) to m (ln) of the sub-batteries la to ln either for impedance mismatching of structural components, implementation of tuned resonators, or as active shaker elements.

2. Device for reducing unwanted vibrations in vehicle structures 5, characterized in that the vehicle battery 1 is divided into a plurality of subcircuits la to ln connected in a conductive manner by wiring 6 and the distribution of the masses m (la) to m (ln) of the sub-batteries la to ln in conjunction with the stiffnesses s (la) to s (ln) and the losses d (la) to d (ln) of the elements 4a to 4n are used to implement localized resonators of a spring-mass-damper system.

3. A device for reducing unwanted vibrations in vehicle structures 5 according to claim 1, characterized in that the local prevailing vibration with the aid of sensors 9 or 4a to 4n are received, the acceleration signals are fed to a control unit 8 and the elements 4a to 4n the partial batteries la to ln to the oscillation with a defined amplitude and frequency, which counteracts the unwanted prevailing local or global oscillation and thus reduced or suppressed as possible.

4. Device for reducing unwanted vibrations in vehicle structures 5 according to claim 1, characterized in that the mass, damping and stiffness of wiring 6 in the vehicle inside and outside of structural components for implementing local tuned resonators or damping of a spring-mass-damper system is used ,

5. A method for designing a device for reducing unwanted vibrations in vehicle structures 5 according to claim 1, characterized in that in a numerical iterative method, the mass distribution m (la) to m (ln) of the sub-batteries la to ln or the wiring 6 the attenuations d (la) to d (ln) and stiffness s (la) to s (ln) are calculated for each location of the vehicle structure 5 so that the prevailing unwanted vibration is minimized by using the apparatuses in claims 1 to 3.