Lösen des Brummproblems bei Elektrofahrzeugen durch aktive Dämpfungsoptimierung
In der Welt der Elektromobilität, wo Stille und Komfort im Vordergrund stehen, gewinnen akustische Details zunehmend an Bedeutung. Während Verbrennungsmotoren durch ihr charakteristisches Geräuschniveau viele Vibrationen maskieren, offenbaren Elektrofahrzeuge (EVs) mit ihrer nahezu geräuschlosen Fahrweise jede noch so kleine Störung im Antriebsstrang. Ein solches Phänomen, das in der Praxis immer wieder auftritt, ist das sogenannte Brummen während des Schleichgangs – eine tieffrequente Vibration, die das Fahrgefühl beeinträchtigt und die wahrgenommene Qualität eines Fahrzeugs mindern kann.
Ein kürzlich veröffentlichtes Forschungspapier beleuchtet genau dieses Problem und liefert eine praxisnahe, softwarebasierte Lösung, die ohne Hardwaremodifikationen auskommt. Die Studie, verfasst von einem Team aus Ingenieuren der Zhejiang Smart Automobile Intelligence Technology Co., Ltd. und des Geely Automotive Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., beschäftigt sich mit einem konkreten Fall eines reinen Elektro-SUVs, bei dem bei einer Geschwindigkeit von etwa 7 km/h auf ebenem Gelände ein deutliches Brummen mit einer Frequenz von 36 Hz auftrat. Interessanterweise verschwand dieses Geräusch, sobald das Fahrzeug einen Hang hinauf- oder hinunterfuhr, was auf eine komplexe Abhängigkeit von Fahrzustand und Antriebsdynamik hindeutet.
Unter der Leitung von Shen Long, leitender NVH-Ingenieur (Noise, Vibration, Harshness), gelang es dem Team, die Ursache nicht in mechanischen Unzulänglichkeiten, sondern in einem instabilen Regelverhalten des aktiven Dämpfungssystems zu identifizieren. Ihre Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf die Rolle von Software in der Fahrzeugakustik und unterstreichen, dass die Grenze zwischen Hardware und Software in modernen Elektrofahrzeugen zunehmend verschwimmt.
Das Schleichgang-Phänomen: Wenn Stille zum Problem wird
Der Schleichgang – die langsame, kontrollierte Vorwärtsbewegung eines Fahrzeugs beim Loslassen der Bremse ohne gleichzeitige Gasbetätigung – ist eine alltägliche Fahrsituation, insbesondere im Stadtverkehr. Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird diese Phase durch das Leerlaufgeräusch des Motors begleitet, das viele tieffrequente Vibrationen überdeckt. Bei Elektrofahrzeugen hingegen ist der Antriebsstrang im Stand- und Schleichgang nahezu lautlos. Diese Ruhe, ein entscheidender Vorteil, wird jedoch zum Nachteil, wenn kleinste Antriebsunregelmäßigkeiten hörbar werden.
Das untersuchte Fahrzeug, ein heckgetriebenes Elektro-SUV mit einem integrierten „Drei-in-Eins“-Antriebssystem, zeigte bei ebenem Untergrund ein deutliches Brummen, das von Testfahrern als störend beschrieben wurde. Objektive Messungen bestätigten einen deutlichen Peak bei 36 Hz sowohl im Innenraumgeräusch als auch in den Vibrationsdaten des Antriebsstrangs. Die Schalldruckpegel erreichten 42 dB(A), ein Niveau, das in der ansonsten stillen Kabine klar wahrnehmbar ist.
Die Besonderheit des Problems lag in seiner selektiven Natur: Auf Steigungen oder Gefällen war das Brummen nicht vorhanden. Diese Beobachtung schloss mechanische Resonanzen oder strukturelle Schwächen als alleinige Ursache weitgehend aus und lenkte den Fokus auf dynamische Einflüsse, insbesondere auf das Zusammenspiel zwischen Antriebsmoment, Fahrzeuglast und Regelstrategien.
Systematische Diagnose: Vom Sensor bis zur Signalanalyse
Um die Ursache zu ermitteln, führte das Ingenieurteam umfassende Fahrversuche durch. Das elektrische Antriebssystem wurde mit mehreren dreidimensionalen Beschleunigungssensoren ausgestattet, die an strategischen Stellen angebracht wurden: am Motorgehäuse, an den linken und rechten Motorlagerungen sowie am Vorderachsgelenk. Zusätzlich wurde ein Mikrofon am Fahrersitz positioniert, um die Innenrausgeschwindigkeit zu erfassen. Parallel dazu wurden über den CAN-Bus (Controller Area Network) entscheidende Fahrzeugsignale wie Motordrehzahl, gefordertes Radmoment und tatsächlich ausgeübtes Radmoment aufgezeichnet.
Die Frequenzanalyse der Messdaten zeigte ein klares Bild: Ein dominanter Peak bei 36 Hz war in allen Messpunkten sichtbar, am stärksten ausgeprägt am Motorgehäuse und der linken Lagerung. Dies deutete darauf hin, dass die Vibration im Antriebsstrang entstand und über die Aufhängung in die Karosserie und schließlich in den Innenraum übertragen wurde.
Die Analyse im Zeitbereich lieferte weitere entscheidende Hinweise. Während Geschwindigkeit und gefordertes Radmoment stabil blieben, zeigte das tatsächlich wirksame Radmoment erhebliche Schwankungen mit einem Spitzenwert von etwa 70 N·m. Dies stand im krassen Gegensatz zum geringen geforderten Drehmoment und zeigte, dass das Antriebssystem unkontrollierte Schwingungen erzeugte.
Eine tiefere Untersuchung offenbarte einen entscheidenden Zusammenhang: Der verwendete permanenterregte Synchronmotor mit 8 Polen und 48 Nuten besitzt 4 Polpaare. Bei einer Schleichdrehzahl von 550 U/min ergibt sich die 4. Ordnung der Drehmomentanregung zu (4 × 550) / 60 = 36,67 Hz – nahezu identisch mit dem gemessenen 36 Hz. Dies bestätigte, dass das Brummen direkt mit der elektromagnetischen Momentwelligkeit des Motors verknüpft war, die durch die steife, schwach gedämpfte Struktur des elektrischen Antriebsstrangs verstärkt wurde.
Aktive Dämpfung: Eine Lösung, die zum Problem wird
Um solche Momentenschwankungen zu reduzieren, setzen viele Hersteller auf aktive Dämpfung – eine Regelstrategie, die die schnelle Reaktionsfähigkeit des Elektromotors nutzt, um unerwünschte Schwingungen zu kompensieren. Das Prinzip ist einfach: Eine Abweichung in Drehzahl oder Moment wird erkannt, ein korrigierendes Gegenmoment wird berechnet und innerhalb von Millisekunden vom Motor ausgeübt, um die Schwingung zu dämpfen.
Das Geely-Team stellte jedoch fest, dass dieses System unter bestimmten Bedingungen instabil werden kann. Anstatt die Schwingungen zu reduzieren, verstärkte es sie sogar.
Zur Überprüfung dieser Hypothese wurde die aktive Dämpfungsfunktion deaktiviert und der Test wiederholt. Die Ergebnisse waren eindrucksvoll. Mit deaktivierter aktiver Dämpfung sank der 36-Hz-Vibrationspeak am Motorgehäuse von über 1,0 m/s² auf nur noch 0,1 m/s². Der Schalldruckpegel im Innenraum bei 36 Hz sank von 42 dB(A) auf 35 dB(A), und die Schwankung des Radmoments verringerte sich von 70 N·m auf 20 N·m. Obwohl eine gewisse Grundwelligkeit verblieb – bedingt durch die physikalische Natur des Motors – war die deutlichste Reduktion zu beobachten, wenn die aktive Dämpfung ausgeschaltet war.
Dieses kontraintuitive Ergebnis führte zu einer zentralen Erkenntnis: Das aktive Dämpfungssystem, das als Lösung gedacht war, war die Hauptursache für das Brummen geworden. Die Regelung war nicht stabilisierend, sondern destabilisierend. Mögliche Gründe hierfür sind Phasenverschiebungen, falsch eingestellte Regelparameter oder nichtlineare Effekte im Antriebsstrang (wie Spiel oder Hysterese), die der Algorithmus bei niedrigen Lasten nicht korrekt berücksichtigte.
Neujustierung der Regellogik: Stabilität vor maximaler Leistung
Ausgehend von diesen Erkenntnissen konzentrierte sich das Team auf die Optimierung der Regelstrategie. Statt die aktive Dämpfung vollständig abzuschalten – ein wertvolles Werkzeug in anderen Fahrsituationen – wurde sie robuster und adaptiver gestaltet.
Der Kern der Verbesserung war eine überarbeitete Regellogik, die eine Obergrenze für das Dämpfungsmoment vorsah, insbesondere während des Schleichgangs. Die Logik dahinter ist einfach: In einem ohnehin schwingungsanfälligen System kann die Freigabe großer Korrekturmomente das Problem verschärfen. Durch Begrenzung des maximalen Dämpfungsmoments wurde verhindert, dass das Regelungssystem auf kleine Schwankungen überreagiert.
Zwei wesentliche Änderungen wurden implementiert:
- Eine Reduzierung der aktiven Dämpfungsverstärkung um 60 % im Drehzahlbereich, der typisch für den Schleichgang ist.
- Eine Reduzierung des maximal zulässigen Anti-Oszillationsmoments um 80 %, sobald Schleichgangbedingungen erkannt wurden.
Diese Parameter wurden nicht willkürlich gewählt, sondern durch iterative Kalibrierung am realen Fahrzeug ermittelt. Das Ziel war ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Geräuschreduktion und Systemstabilität. Es ging nicht darum, alle Momentenschwankungen zu eliminieren – was physikalisch nicht möglich ist –, sondern sicherzustellen, dass auftretende Schwingungen schnell abklingen, anstatt sich aufzuschaukeln.
Validierung und praktische Auswirkungen
Nach der Implementierung der neuen Regelstrategie wurden erneut Tests durchgeführt. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Die Schwankung des Radmoments sank von 70 N·m auf nur noch 2 N·m – eine Reduktion um 97 %. Der 36-Hz-Peak im Innenraumgeräusch verschwand vollständig, der Pegel sank um 20 dB(A), wodurch das Brummen effektiv eliminiert wurde. Die Vibrationsmessungen am Motor, den Lagern und dem Achsgelenk zeigten keine nennenswerten Peaks bei 36 Hz mehr, was bestätigte, dass die Anregungsquelle neutralisiert worden war.
Subjektive Bewertungen durch NVH-Ingenieure und Testfahrer bestätigten die objektiven Daten: Das Fahrzeug schlich nun nahezu geräuschlos und vibrationsfrei, was einem hohen Maß an Fahrkomfort entspricht. Die Lösung wurde ausschließlich über Software erreicht – keine Änderungen an Motordesign, Getriebeverzahnung oder Lagersteifigkeit waren nötig.
Dieses Ergebnis unterstreicht einen breiteren Trend in der Automobilentwicklung: Mit zunehmender Elektrifizierung und Software-Definition verschwimmt die Grenze zwischen mechanischer Leistung und Regelungsverhalten. Ein scheinbares Hardware-Problem kann in Wirklichkeit ein Software-Tuning-Problem sein. Die Möglichkeit, solche Probleme über Software-Updates zu beheben, ist ein entscheidender Vorteil für Hersteller.
Bedeutung für die Branche der Elektromobilität
Die Studie von Shen Long und seinen Kollegen bietet mehr als nur eine Lösung für ein Einzelfallproblem – sie liefert einen Rahmen für die Diagnose und Behebung ähnlicher Probleme in der gesamten EV-Branche. Während Hersteller darum kämpfen, leisere und komfortablere Elektrofahrzeuge zu liefern, müssen sie sich den einzigartigen Dynamiken steifer, schwach gedämpfter Antriebsstränge stellen. Herkömmliche NVH-Maßnahmen wie das Hinzufügen von Masse oder das Versteifen von Strukturen sind oft unzureichend oder kontraproduktiv.
Die aktive Dämpfung bleibt, wenn sie richtig abgestimmt ist, ein leistungsfähiges Werkzeug. Doch wie diese Forschung zeigt, muss sie mit Vorsicht eingesetzt werden. Die blinde Erhöhung der Dämpfungsverstärkung kann zu Instabilität führen, besonders in nichtlinearen oder schwach belasteten Systemen. Das Konzept der „Begrenzung der Obergrenze“ der Regelungseffekte führt eine sicherheitsorientierte Philosophie in die Regelungstechnik ein, die Stabilität vor maximaler Leistung priorisiert.
Darüber hinaus unterstreicht die bedingte Natur des Brummens – vorhanden auf ebenem Gelände, aber nicht auf Hängen – die Notwendigkeit umfassender Tests unter realen Bedingungen. Labor-Simulationen oder Standard-Fahrszenarien erfassen solche Randfälle möglicherweise nicht, was die Bedeutung umfassender Fahrversuche hervorhebt.
Die Ergebnisse legen auch nahe, dass zukünftige EV-Regelungssysteme adaptiver sein sollten. Statt fester Dämpfungsparameter könnten intelligente Algorithmen die Dämpfungsstärke basierend auf Steigung, Last, Temperatur und Fahrstil anpassen. Machine-Learning-Methoden könnten sogar aus Fahrerverhalten und Umgebungsbedingungen lernen, um die NVH-Leistung proaktiv zu optimieren.
Ausblick: Vom reaktiven Fix zur proaktiven Entwicklung
Obwohl die optimierte aktive Dämpfungsstrategie das unmittelbare Problem erfolgreich löste, betonen die Autoren die Wichtigkeit, solche Probleme früher im Entwicklungsprozess anzugehen. Auf Software-Updates nach der Markteinführung zu vertrauen, ist weniger ideal, als von Anfang an robuste Regelungssysteme zu konzipieren.
Zukünftige Arbeiten sollten sich auf die Verbesserung des theoretischen Verständnisses von Momentenwelligkeit und ihrer Unterdrückung konzentrieren, die Algorithmen auf niedriger Ebene verfeinern und bessere Simulationswerkzeuge entwickeln, die diese Wechselwirkungen bereits vor dem Bau von Prototypen vorhersagen können. Die Integration von NVH-Aspekten in die frühen Phasen des Motor- und Wechselrichterdesigns könnte viele Probleme von vornherein verhindern.
Zusätzlich wird mit der Einführung fortschrittlicherer Funktionen wie Drehmomentvektorierung, koordinierter Rekuperation und prädiktivem Energiemanagement die Komplexität der Regelungssysteme weiter zunehmen. Die Gewährleistung, dass diese Systeme nicht miteinander interferieren oder unbeabsichtigte NVH-Nebeneffekte erzeugen, wird eine große Herausforderung sein.
Der Fall illustriert auch den Wert interdisziplinärer Zusammenarbeit. Die Lösung des Brummproblems erforderte Expertise in Akustik, mechanischer Dynamik, Regelungstheorie und eingebetteter Software. Es reichte nicht aus, nur das Geräusch zu messen; man musste die gesamte Kette von der elektromagnetischen Anregung über die strukturelle Übertragung bis hin zur menschlichen Wahrnehmung verstehen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Behebung des Schleichgangs-Brummens in diesem Elektrofahrzeug eine bedeutende Leistung im Bereich der angewandten Automobiltechnik darstellt. Sie zeigt, dass auch bei komplexen, softwaregesteuerten Problemen eine systematische Analyse und intelligente Regelungstechnik elegante, kosteneffiziente Lösungen ermöglichen. Während die Automobilindustrie ihren Übergang zur Elektrifizierung fortsetzt, werden Studien wie diese wichtige Referenzen für Ingenieure sein, die bestrebt sind, das ruhige, hochwertige Fahrerlebnis zu liefern, das die Kunden erwarten.
Die Forschung trägt nicht nur zur Qualität eines bestimmten Fahrzeugs bei, sondern erweitert auch das allgemeine Wissen im Bereich der NVH-Technik für Elektrofahrzeuge. Sie erinnert daran, dass bei der Suche nach Innovation die Aufmerksamkeit für Details und ein tiefes Verständnis der Systeminteraktionen von entscheidender Bedeutung bleiben.
Shen Long, Zhang Jun, Zhao Mingbin, Qin Bin, Fang Zhen, Zhejiang Smart Automobile Intelligence Technology Co., Ltd. and Geely Automotive Research Institute (Ningbo) Co., Ltd., Noise and Vibration Control, DOI: 10.3969/j.issn.1006-1355.2024.06.033