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Estimation and Control Methods for Active Reduction of Engine-Induced Torsional Vibration in Hybrid Powertrains

Sangili Vadamalu, Raja :
Estimation and Control Methods for Active Reduction of Engine-Induced Torsional Vibration in Hybrid Powertrains.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Estimation and Control Methods for Active Reduction of Engine-Induced Torsional Vibration in Hybrid Powertrains
Language: English
Abstract:

Automotive powertrain development faces the formidable challenge of reducing fuel consumption, improving driving performance, meeting regulatory demands and satisfying customer demands. Besides powertrain hybridization, continuous optimization of the internal combustion engine (ICE) is actively pursued. Engine refinement using technologies like Miller/Atkinson cycle and Variable Compression Ratio leads to higher peak pressure values in the cylinder from the improved thermodynamic processes. This trend along with rightsizing and downspeeding of the ICE give rise to torque pulsations with higher amplitude and low frequencies. These resulting oscillations cause passenger discomfort and affect component durability.

Measures for passive torsional vibration isolation essentially modify the mechanical characteristics of the powertrain. Approaches employing isolation with the use of tuned mass dampers to reduce such torsional oscillations have also been applied. The increasing complexity and the tuning effort required for the passive mechanisms have increased the interest in adopting active vibration reduction measures. Active torsional vibration reduction uses the onboard electric machine for realizing compensation torque to reduce engine-induced powertrain oscillations.

The objective of this thesis is to develop methods for estimation and control to realize the active reduction of engine-induced torsional oscillations in automotive powertrains. The oscillatory dynamics of the powertrain is governed by the torsional dynamics of the powertrain system and external excitations, in the form of torque pulsations from the ICE. The developed estimation methods study both the torsional powertrain system and the excitations. The dynamic engine torque is estimated using Unknown Input Observer (UIO) techniques. The filtering of the mean value and harmonic components of the dynamic torque is performed using a Linear Parameter Variant (LPV) estimator. The characteristics of the torsional system are identified using Errors-In-Variables (EIV) setup in closed loop operation.

In this work, before initiating the development of control methods, a methodology has been defined to analyze the potential available for active vibration reduction. Besides, the developed vibration reduction controller shall be integrated with the hybrid vehicle energy management controller. A modular architecture has been presented to enable the integration of the controller irrespective of their realization. To characterize the losses associated with the active vibration reduction control, a harmonic characterization of the actuation unit efficiency has been formulated. Beyond the analysis of the losses involved, the harmonic efficiency characterization can be used to develop electric machines specific to vibration reduction of various harmonics. A generic approach has been employed for the development of vibration reduction controllers using measurements for feedback. This approach involves an abstract definition of the active vibration reduction problem. Such an abstract viewpoint offers an opportunity to apply different control methodologies such as adaptive, robust and time-delayed control. The developed controllers have been analyzed with simulations and validated using the experimental setup, demonstrating the desired torsional vibration reduction.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Entwicklung von zukünftigen Fahrzeugantriebskonzepten wird von Herausforderungen wie der Reduktion des Kraftstoffverbrauchs, der Erfüllung von Kundenansprüchen wie Fahrspaß und Fahrkomfort sowie der Erfüllung von gesetzlichen Rahmenbedingungen geprägt. Neben der Hybridisierung der Antriebsstränge wird der Verbrennungsmotor kontinuierlich verbessert und optimiert. Weiterentwicklungen des Verbrennungsmotors mit Hilfe von Technologien wie dem Miller/Atkinson-Zyklus oder dem variablen Kompressionsverhältnis resultieren dabei aufgrund der verbesserten thermodynamischen Prozesse in höheren Spitzendruckwerten im Brennraum. Dieser Trend in Kombination mit dem Rightsizing und Downspeeding des Verbrennungsmotors führt zu Drehmomentschwankungen mit erhöhter Amplitude und niedrigen Frequenzen. Die resultierenden Torsionsschwingungen wirken sich nachteilig auf den Komfort der Fahrgäste aus und beeinträchtigen die Lebensdauer der Komponenten. Passive Maßnahmen verändern im Wesentlichen die mechanischen Eigenschaften des Antriebsstrangs. Sie beruhen auf Änderungen der Trägheit und/oder der Isolation durch Schwingungstilger, um derartige Torsionsschwingungen zu reduzieren. Durch die zunehmende Komplexität des Antriebsstrangs und dem dadurch erforderlichen hohen Applikationsaufwand verschiebt sich der Fokus in der Entwicklung immer stärker in Richtung aktiver Schwingungsreduktionsmaßnahmen. Die aktive Drehschwingungsreduktion verwendet die elektrische Maschine des Fahrzeugs zum Erzeugen eines Kompensationsdrehmoments, um die verbrennungsmotorisch erregter Torsionsschwingungen zu reduzieren. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden zur Abschätzung nicht messbarer Schwingungsgrößen und die Entwicklung von Regelungsansätzen für aktive Beruhigung von verbrennungsmotorisch erregten Drehschwingungen in Fahrzeugantriebssträngen. Die Schwingungsdynamik des Antriebsstrangs wird durch die Torsionsdynamik des Antriebsstrangsystems und externe Anregungen in Form von Drehmomentpulsationen aus dem Verbrennungsmotor bestimmt. Die entwickelten Schätzverfahren untersuchen sowohl das torsionale Antriebssystem als auch die Anregungen. Das dynamische Motordrehmoment wird mithilfe von Unknown Input Observer (UIO) Verfahren geschätzt. Die Filterung des Mittelwerts und der harmonischen Anteile des dynamischen Drehmoments wird unter Verwendung eines linearen Parametervariantenschätzers (LPV) durchgeführt. Die Eigenschaften des Torsionssystems werden durch den Einsatz eines Errors-In-Variables (EIV) im Closed-loop Betrieb ermittelt. Bevor mit der Entwicklung des Reglers begonnen wird, wird eine Methodik abgeleitet, um das für die aktive Schwingungsreduktionsmethode verfügbare Potential zu analysieren. Darüber hinaus soll der entwickelte Schwingungsreduzierungsregler in den Energiemanagementregler des Hybridantriebsstrangs integriert werden. Eine modulare Architektur wird vorgestellt, um die Integration des Reglers unabhängig von dessen Realisierung zu ermöglichen. Um die mit der aktiven Schwingungsreduktionsregelung verbundenen Verluste zu quantifizieren, wird eine harmonische Charakterisierung des Wirkungsgrads des Aktors formuliert. Außerdem kann die harmonische Effizienzcharakterisierung dazu verwendet werden, elektrische Maschinen auszulegen, die für die Schwingungsreduktion verschiedener Oberschwingungen prädestiniert sind. Ein generischer Ansatz wurde für die Entwicklung der Schwingungsreduktionsregler unter Verwendung von Messungen als Rückkopplung angewendet. Der Ansatz basiert auf einer abstrakten Definition des Problems der aktiven Schwingungsreduktion. Diese abstrakte Ansicht bietet die Möglichkeit, verschiedene Regler wie adaptive, robuste und zeitverzögerte Stabilisierungsansätze anzuwenden. Die entwickelten Regler wurden mit Simulationen analysiert und im Versuchsaufbau validiert, um die erwünschte Torsionsschwingungsreduktion nachzuweisen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Internal Combustion Engines and Powertrain Systems (VKM) > Elektrifizierung
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Internal Combustion Engines and Powertrain Systems (VKM) > Methodik
Date Deposited: 19 Aug 2019 13:27
Last Modified: 19 Aug 2019 13:27
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-90079
Referees: Beidl, Prof. Dr. Christian and Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan
Refereed: 19 December 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9007
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