to roo o·

cn *’

Způsob a zařízení pro regulaci přenosu hnací síly na elektrických vozidlech

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu regulace přenosu hnací síly uelektrických vozidel a také zařízení k provádění tohoto způ-sobu.

Dosavadní stav techniky

Doud známá elektrická vozidla jsou zpravidla opatřenajedním trakčním elektromotorem, který je dynamicky spojen spoháněnými koly nebo s alespoň jedním poháněným kolem pro-střednictvím mechanické přenosové soustavy, která je téměřshodná s převodovou soustavou pro přenos hnací síly, používa-nou u spalovacích motorů.

Tato přenosová soustava zpravidla obsahuje spojku, pře-vodovku a diferenciálem. Tato mechanická přenosová soustavavšak není vhodná pro elektromobily, protože výsledná dynamic-ká tření v soustavě absorbují podstatnou část energie. Tím sesnižuje upotřebitelnost elektrických vozidel a znesnadňuje sepoužití regulačních zařízení, která by byla schopna účinněregulovat velikost jak přenášených, tak i užitečných kroutí-cích momentů, aby se snížila spotřeba energie a zvýšil sevýkon vozidla. Úkolem vynálezu je vyřešit takový způsob regulace přeno-su hnací síly od elektromotoru na poháněná kola elektromoto-rového vozidla a také zařízení k provádění tohoto způsobu,které by odstranily problémy známých mechanických přenosovýchsoustav a které by zejména umožnily vypuštění těchto mecha-nických přenosových prvků. 2

Podstata vynálezu

Tento úkol je vyřešen způsobem regulace přenosu hnacísíly u elektrického vozidla podle vynálezu, opatřeného nejmé-ně jedním trakčním motorem a nejméně jedním poháněným kolem,jehož hřídel je dynamicky spřažena s hnacím ústrojím pro-střednictvím spojovacího ústrojí; podstata vynálezu spočívá vtom, že při provádění způsobu se měří okamžitý rozdíl mezipočtem otáček hnacího kola a počtem otáček elektromotoru.Tento poměr se s výhodou měří na každém hřídeli na obou stra-nách od spojovacího ústrojí. Spojkové ústrojí je nastavitelnépodle velikosti užitečného kroutícího momentu. Rozdíl meziuvedenými počty otáček se potom upraví na základě známýchcharakteristik přenosu kroutícího momentu spojkového ústrojína hodnotu, potřebnou pro regulaci spojkového ústrojí vevztahu k přenášenému kroutícímu momentu, načež se tentorozdíl mezi počty otáček transformuje tak, že nastavením spo-jovacího ústrojí se omezí na minimum nebo se sníží téměř nanulovou hodnotu rozdíl mezi počty otáček elektromotoru ahnacího kola. V další fázi způsobu podle vynálezu se provádíměření rozdílu v počtu otáček, tento rozdíl se transformuje aprovádí se nastavení spojovacího ústrojí ve skutečném čase,plynule a dynamicky. K provádění tohoto způsobu je navrženo zařízení podle vy-nálezu pro regulaci přenosu síly u elektrického vozidla,opatřeného nejméně jedním elektromotorem, ovládajícím otáčenínejméně jednoho hnacího kola prostřednictvím spojovacíhoústrojí; podstata vynálezu spočívá v tom, že zařízení obsahu-je elektricky nastavitelné spojovací ústrojí, dva elektronic-ké snímače počtu otáček, z nichž jeden je umístěn na hřídelielektromotoru mezi elektromotorem a spojovacím ústrojím adruhý je umístěn na hřídeli hnacího kola mezi spojovacímústrojím a tímto hnacím kolem, a regulační procesor, na jehožvstupy jsou připojeny výstupy obou snímačů otáček a který je 3 opatřen regulačním výstupem pro regulaci spojovacího ústrojía pamětí obsahující převodové charakteristiky spojovacíhoústrojí podle rozsahu požadované regulace.

Podle výhodného provedení vynálezu sestává pohonná sou-stava vozidla z nejméně dvou elektromotorů, které mohou býtspojeny dynamicky, samostatně a/nebo současně s hřídelemhnacího kola nebo hnacích kol například pomocí selektivníchspojovacích ústrojí. Tyto dva motory mohou být uváděny dochodu samostatně nebo současně a jeden z těchto motorů, takzvaný startovací motor, je schopen kroutící moment při nízkých otáčkách, vyvinout maximálnízatímco druhý motor,motor, je schopen vyvinout maximálnívysokých otáčkách, přičemž vozidlo jesystémy pro spouštění příslušného tak zvaný cestovníkroutící moment přiopatřeno spouštěcími motoru, odpovídajícího okamžitým jízdním podmínkám vozidla vevztahu ke každému z obou motorů.

Selektivní spojovací ústrojí mohou být libovolného typu,například mohou zahrnovat pružné spojkové jednotky,jednosměrná kluzná vedení nebo převodovky, které mohou býtrozpojovány a zapínány.

Ve výhodném provedení vynálezu jsou spínací systémy tvo-řeny řídicími jednotkami pro regulování přívodu energie,které mohou být uváděny do činnosti počítačem při spouštěnínejméně jednoho z obou motorů podle jízdních a převodovýchpodmínek. Převodovými podmínkami se rozumí zařazený převod,který je snímán snímači zaznamenávajícími výstupní kroutícímoment každého motoru. Tyto snímače jsou spojeny se vstupempočítače při řídicí regulaci požadovaného kroutícího momentu,prováděné akceleračním pedálem. U vozidel se dvěma hnacími koly zahrnuje řešení podle vy-nálezu opatřeni každého hnacího kola jedním nezávislým moto- 4 rem, přičemž činnost všech těchto motorů je ovládánaspolečným počítačem.

Aplikace způsobu a zařízení podle vynálezu přináší elek-trickým vozidlům řadu výhod. Tento typ přenosu kroutícíhomomentu mezi pohonným systémem a hnacími koly podstatněsnižuje ztráty výkonu dynamickým třením, které jsou typické umechanických přenosových soustav. To umožňuje plynulé dyna-mické přizpůsobování spojovacího ústrojí při zachování mini-málních ztrát energie, aby se dosáhlo maximálního přenosukroutícího momentu. Tím se podstatně zvyšuje užitkovost vo-zidla, jehož přenosová soustava má podstatně vyšší životnost.

Zdvojením elektrické pohonné soustavy a opatřením vozidlastartovacím motorem a cestovním motorem se zlepší využitídaných energetických zdrojů tím, že v rozjezdové fázi seuvádí do chodu startovací nebo rozjezdový motor v průběhuzrychlovací fáze a při rozjezdu z klidu, přičemž tentostartovací nebo rozjezdový, popřípadě také zrychlovací motorse vypíná po dosažení požadované rychlosti, kdy se uvádí dochodu cestovní motor.

Protože srartovací motor je uváděn do chodu jen na krátkoudobu, potřebnou jen pro uvedení vozidla do pohybu a překonánísetrvačných sil, není nebezpečí, že by se tento motor mohlpřehřát nebo jinak poškodit, protože v době, kdy je mimoprovoz, se může dostatečně chladit. Tím je možno také zmenšitvelikosti obou motorů a zejména startovacího motoru, takže sezmenšuje jejich objem, snižuje se jejich hmotnost a omezujíse pořizovací náklady. U vozidel se dvěma nebo více poháněnými koly je každé ztěchto kol opatřeno svým vlastním pohonným systémem, jakbylo popsáno v předchozí části, přičemž zařízení podlevynálezu obsahuje regulační systém, který působí jako dife- 5 renciál a vytváří samosvorný a pružný spojkový systém, kterýsoučasně reguluje brzdění. Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí příkladů provedení,zobrazených na výkresech, kde znázorňují obr. 1 blokovéschéma elektrického vozidla a obr. 2 zvětšený detail regulač-ního ústrojí pro regulaci přenosu hnací síly na poháněnákola. Příklady provedení vynálezu Z blokového schéma na obr. 1 je zřejmé, že vozidlo selektrickým pohonem obsahuje dvě hnací kola 1, z nicž každéje opatřeno samostatným pohonným systémem, a je opatřenonapájecím obvodem 9 pro přívod elektrické energie k pohonnýmsystémů, elektrickou rekuperační jednotkou pro zpětné získá-vání elektrické energie, sestávající ze skupiny rekuperačníchgenerátorů, centrální řídicí jednotkou ve formě počítače 15se snímacími jednotkami a ovládacími prvky pro ovládánízákladních funkci vozidla.

Pohonný systém hnacího kola 1 je tvořen dvěma elektromo-tory Ml, M2. Tyto dva elektromotory Ml, M2 jsou uspořádánysouose na hřídeli příslušného hnacího kola 1, se kterým jsouspojeny prostřednictvím spojovacího ústrojí 2. Toto spojovacíústrojí 2 je nastavitelné a regulovatelné nebo může býtaktivováno elektricky podle velikosti přenášeného kroutícíhomomentu. Při použití mechanického spojovacího ústrojí 2 jemožno toto spojovací ústrojí 2 doplnit elektrickým regulačnímovladačem.

Spojovací ústrojí 2 s výhodou sestává z elektromagnetickénebo elektrokapalinové spojky s redukčním řemenovým převodem. 6

Každý elektromotor Ml, M2 dvou pohonných systémů hnacích kol1 je spojen elektrickým vedením s akumulátorem 2_ elektrickéenergie, tvořeným například dobíjecími články, propojenýmimezi sebou tak, aby se získala potřebná hodnota výstupníhonapětí, potřebná pro napájení elektromotorů Ml, M2.

Akumulátor 3. elektrické energie je s výhodou opatřenregulátorem 4 napětí, obsahujícím větší počet regulačníchprvků. Mezi první elektromotor Ml, druhý elektromotor M2 aakumulátor 3. elektrické energie je zapojena regulační jednot-ka 5 výkonu pro řízení spojení mezi elektromotory Ml,M2 aakumulátorem 2 elektrické energie a pro regulaci přívoduproudu k elektromotorům Ml, M2.

Elektrická rekuperační ústrojí pro zpětné získávání elek-trické energie jsou napojena na regulační jednotku 5 proregulaci výkonu. Tato rekuperační ústrojí mohou být libovol-ného typu a ve znázorněném příkladném provedení jsou tvořenapřímo prvním elektromotorem Ml a druhým elektromotorem M2,které v průběhu brzdění působí jako generátory elektrickéhoproudu, nejméně jedním fotoelektrickým článkem 6 nebo přímotlumiči 7 pérování. Tyto tlumiče 7 pérování jsou vytvořeny veformě lineárních generátorů elektrické energie a přeměňujídynamickou práci, vznikající při jízdě v zavěšení vozidla, naelektrickou energii. Získaná elektrická energie není vázánapřímo v akumulátoru 3 elektrické enrgie, ale je využívána propohon elektronického setrvačníku 8. Tento setrvačník 8. jespojen s regulační jednotkou 5 pro regulaci výkonu a jeschopen absorbovat získávanou elektrickou energii mnohemrychleji při současném zamezení ztrát energie ve formětepelných ztrát.

Vozidlo je dále opatřeno brzdovým obvodem 9, který jehydraulickým obvodem. Brzdicí ústrojí 10 každého hnacího kola1 i hnaného kola je ovládáno brzdovým pedálem 11 prostřednic- 7 tvím hydraulického čerpadla 12, které je spojeno s přetlako-vou komorou 13.. Zapínací a vypínací elektromagnetický ventil14 je umístěn mezi přetlakovou komorou 13 a brzdovým obvodem9, zatímco vlastní přetlaková komora 13 je opatřena neznázor-něným snímačem tlaku, činnost těchto prvků je ovládánacentrálním řídicím ústrojím, například počítačem 15, kterýmmohou být řízeny všechny základní funkce vozidla včetněpřídavných ústrojí jako je topení a podobně.

Na obr. 1 je zobrazeno také tepelné čerpadlo 16.které jespojeno jak s regulační jednotkou 5 výkonu,tak i s počítačem 15. K počítači 15 jsou také připojeny snímače, které snímajífunkční hodnoty ústrojí, která byla popsána v předchozí částia kterými je možno ovládat funkce jednotlivých částí vozidlaa regulační jednotky a prvky jednotlivých ústrojí.

Počítač 15 na základě snímaných hodnot potom připravujeregulační signály, které podle potřebný mají zlepšit funkciněkterých agregátů vozidla, aby se dosáhlo co nejlepšíchvýsledků s co nejmenší spotřebou energie. K počítači 15 jepřipojen také akumulátor 2 elektrické energie, regulátor 4.napětí, regulační jednotka 5 výkonu, elektrický převodník proakcelerační pedál 17, kapalinová přetlaková komora 13 a sní-mače tlaku v brzdovém obvodu 9. K počítači 15 je připojen také, jak bude podrobněji po-psáno v další části, snímač 18 kroutícího momentu, umístěnýna obou stranách pružné spojky 22, aby bylo možno měřitrozdíl mezi užitečným kroutícím momentem na výstupu prvníhoelektromotoru Ml a druhého elektromotoru M2 každého pohonnéhosystému a také druhý snímač 19, který snímá rozdíl velikostikroutícího momentu na hnacím kole 1 a na výstupu pohonnéhosystému, dále regulační nebo řídicí ovladače spojovacího 8 ústrojí 2 a třetí snímače 20, které snímají úhel natočenívolantu a řízených kol. Z příkladu na obr. 2 je zřejmé, že spojovací ústrojí 2,umístěné mezi výstupním hřídelem pohonného systému a hřídelem101 hnacího kola 1, je regulovatelné nebo může být ovládánoelektricky v závislosti na poměru k velikosti řídicího neboregulačního signálu a poměru přenášených kroutících momentů.Spojovací ústrojí 2 je napojeno na výstup centrální řídicíjednotky, představovanou počítačem 15. Na hřídeli hnacíhokola 1 jsou umístěny snímače 19a, 19b otáček a na hřídelipohonného systému po obou stranách spojovacího ústrojí 2.Tyto dva snímače 19a, 19b otáček jsou rovněž spojeny se vstu-pem počítače 15.

Počítač 15 určí ze signálů přiváděných od snímačů 19a,19b otáček rozdíl v počtu otáček každého gnacíhokola 1 a jehopříslušného pohonného systému. Podle charakteristiky spojova-cího ústrojí 2, uložené v paměti počítače 15 a z rozdílu mezipočty otáček potom generuje počítač 15 signál pro řízení neboregulování činnosti spojovacího ústrojí 2. Řídicí neboregulační signál je vypočten a konstantně upraven v reálnémčase, aby se omezil rozdíl mezi počty otáček téměř na nulovouhodnotu. Jestliže jsou tyto podmínky splněny, spojovacíústrojí 2 pracuje s plnou účinností a přenáší užitečnékroutící momenty na hnací kola 1 z pohonného systému bezztráty výkonu, způsobené dynamickým třením nebo prokluzem, apři minimální spotřebě energie na pohon nebo regulaci pohonu.

Elektromotory Ml, M2 pohonného systému pro každé hnacíkolo 1 jsou umístěny na společném hřídeli 101. Tento společnýhřídel 101 je rozdělen na dvě sekce, z nichž každá příslušíjednomu z dvojice elektromotorů Ml, M2. Tyto elektromotory Ml,M2 jsou spojeny společné selektivním spojovacím ústrojím, 9 například pružnou spojkou 22 nebo nebo jednosměrným ložiskem. Při použití pružné spojky 22 je po obou stranách tétopružné spojky 22 umístěn vždy jeden pátý snímač 18a, 18b,každý pro jeden elektromotor Ml, M2, uložený na úseku hřídele101, příslušejícího každém elektromotoru Ml, M2♦ Hřídel 101elektromotorů Ml, M2 tvoří společně s pátými snímači 18a, 18bsnímač kroutícího momentu a všechny tyto prvky jsou spojenyse vstupem počítače 15.

Oba elektromotory Ml, M2 mají svůj maximální výkon přirůzných počtech otáček. Druhý elektromotor M2, tak zvanýstartovní nebo rozjezdový motor, má maximální kroutící momentpři nízkém počtu otáček, například při 1000 otáčkách zaminutu, a je vhodný pro rozjezd z klidové polohy nebo proakceleraci. První elektromotor Ml, tak zvaný cestovní motor,podává svůj maximální výkon při vysokých otáčkách, napříkladpři 3000 otáčkách za minutu, a je proto výhodný pro zapnutípři plynulé jízdě vozidla.

Na základě signálů signálů ze snímačů 18a, 18b kroutící-ho momentu a akceleračních hodnot, vyžadovaných řidičemvozidla a uložených v paměti počítače 15 přes akceleračnípedál 17 počítač aktivuje regulační jednotku 5 pro regulacimnožství přiváděné energie, která potom uvede v činnost nebovyřadí z činnosti postupně nebo současně elektromotory Ml,M2. Tyto úkony se provádějí podle převodových podmínekvozidla a charakteristik obou elektromotorů Ml, M2, které seuvádějí do činnosti, když nastanou podmínky, které jsou pročinnost každého z nich nejvhodnější. Při rozjezdu vozidla z klidové polohy normálním zrychle-ním aktivuje počítač 15 pouze rozjezdový druhý elektromotorM2. Jestliže je požadováno větší zrychlení vozidla, uvede dopočítač 15 do činnosti oba elektromotory Ml, M2. Jestliže 10 vozidlo dosáhlo cestovní rychlosti, počítač 15 vypne druhýrozjezdový elektromotor M2 a udržuje v činnosti cestovníprvní elektromotor Ml.

Jestliže jsou ve znázorněném příkladu provedení oba elek-elektromotory Ml, M2 uloženy souose a spojeny mezi sebou a shřídelem pružnou spojkou 22, i když má cestovní první elek-tromotor Ml otáčet vypnutým rozběhovým druhým elektromotoremM2 při plynulé jízdě, je energetická ztráta minimální a můžebýt kompenzována napájením rozběhového druhého elektromotoruM2 ekvivalentním množstvím elektrické energie. K tomutopropojení nedochází, jestliže je místo pružné spojky 22použito pro spojení jednosměrných ložisek.

Protože každé hnací kolo 1 je opatřeno svým samostatnýmpohonným systémem, řízeným počítačem 15, může pohonný systémvykonávat funkci diferenciálu, samočinnou blokovací funkcinebo funkci pružné spojky, popřípadě může regulovat brzdovýsystém a zamezovat zablokování kol podobně jako systém ABS. Různé funkce mohoubýt zajišťovány také počítačem 15.který používá k tomu například čtvrtých snímačů 19a, 19botáček pro porovnávání a regulaci počtů otáček obou protile-hlých hnacích kol l. Počítačem 15 je možno také ovládatčinnost regulační jednotky 5 výkonu, která může pohánět oběhnací kola 1 různými rychlostmi podle požadavku, vyjádřenéhoúhlem natočením volantu. Tento úkon se provádí automatickyspojením dvou třetích snímačů 20, které snímají úhel natočenívolantu a předávají zjištěné hodnoty počítači 15. Počítač 15potom vypočte rozdíl obvodových rychlostí hnacích kol 1,odpovídající zjištěnému úhlu natočeni volantu. Počítač 15potom převede tento rozdíl na regulační jednotku 5 proregulaci výkonu, která upraví přívod energie k prvnímuelektromotoru Ml a ke druhému elektromotoru M2 každéhopohonného systému. Tyto třetí snímače 20 úhlu natočení volán- 11 tu mohou být spojeny jak s volantem, tak také s řídicímústrojím vozidla.

Omezení rozdílu rychlosti hnacích kol 1 podle úhlunatočení volantu zajištuje současně samosvornost diferenciá-lu.

Plynulá kontrola rozdílů rychlostí obou hnacích kol 1dovoluje vytvoření funkce pružné spojky a regulace brzdovéhosystému. Změny rychlosti, vyvolané jinými vlivy než natočenívolantu a tím i řídicích kol, například prokluzem nebozablokováním hnacích kol 1, jsou ihned signalizovány počítači 15. Počítač 15 působí na pohonný systém přes regulačníjednotku 5 přívodu energie v reálném čase, aby se upravilarychlost hnacích kol 1.

Jiný charakteristický znak vynálezu se týká zastavovánívozidla. V tomto případě počítač 15 uvolňuje hnací kola 1 odjejich pohonných systémů vyřazením spojovacího ústrojí 2 zčinnosti. Pohonné systémy jsou udržovány v otáčivém pohybu pourčenou dobu, po které jsou počítačem 15 vyřazeny z činnosti.

Spojovací ústrojí 2 může tedy být využito pro různéfunkce včetně vytváření samosvorných a pružných spojek a proregulaci brzdění. Řešení podle vynálezu pochopitelně není omezeno na popsa-né příkladné provedení, zobrazené a popsané v předchozíčásti, ale může být v širokých mezích obměňováno, aniž bypřitom přesáhlo rozsah vynálezu.