ES2398442B1 - Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable - Google Patents

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Abstract

Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable, que consta de:#- cuatro controladores electrónicos (6) asociados uno a cada rueda del vehículo;#- un volante (1) con realimentación para simulación de tacto real;#- un pedal de freno, que ejerce la función de frenado con prioridad sobre los mandos en el volante (1);#- una unidad central (5) con dos procesadores (51), (52) que permiten implementar una arquitectura redundante de seguridad; y un módulo (53) de control de la realimentación del volante (1);#- una red de comunicaciones (9) determinista en tiempo y redundante por seguridad;#- un doble pack de baterías de alta tensión (71), (72) unidos a través del módulo de interconexión (73), y desconectables el uno del otro;#- una red de alimentación de alta tensión (74); y#- una red de alimentación redundante de baja tensión (75a), (75b).

Description

Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable
Objeto de la invención
El objeto del invento es un sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos que utiliza la comunicación por cable, con lo cual reduce en la medida de lo posible los enlaces mecánicos directos entre los mandos del conductor y los elementos de tracción dirección y frenado del vehículo.
Antecedentes de la invención
El solicitante no conoce precedentes de vehículos, catalogados dentro de la categoría de los cuadriciclos pesados, que puedan constituir antecedentes del objeto de este invento.
Descripción de la invención
El sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable, se caracteriza porque consta de:
-
Cuatro controladores electrónicos, asociados uno a cada una de las ruedas del vehículo, y que accionan cada uno al correspondiente motor de tracción, actuador de dirección y actuador electrohidráulico para el circuito de frenado local;
-
un volante, con realimentación para simulación de tacto real;
-
una unidad central con dos procesadores que permiten implementar una arquitectura redundante de seguridad; y un módulo de control de realimentación del volante que ejecuta físicamente los comandos de par determinados por la función del sistema de realimentación;
-
una red de comunicaciones determinista en tiempo y redundante por seguridad;
-
un doble pack de baterías de alta tensión unidos a través de un módulo de interconexión, y desconectables el uno del otro; y
-
una red de alimentación de alta tensión que proporciona potencia a los controladores electrónicos asociados a las ruedas, al par motor de tracción, al actuador de dirección, al actuador electrohidráulico y a unos convertidores de tensión que transforman la energía de alta tensión, suministrada por el pack de baterías de alta tensión, en energía de baja tensión, para alimentar una red de alimentación redundante de baja tensión.
También se caracteriza porque cada controlador electrónico citado consta de, al menos, un procesador principal que gestiona las comunicaciones con la unidad central y transfiere en tiempo real las órdenes a los controladores de actuador de dirección, de motor de tracción y de actuador de frenado; y un procesador redundante que realiza las mismas funciones que el procesador principal a partir de un bus de 12v auxiliar; de modo que permite seguir teniendo el control de las ruedas incluso con un fallo en la alimentación principal y en el procesador principal;
El controlador de motor de tracción lleva a cabo las órdenes de par recibidas de la unidad central y comunicadas por el procesador principal, y comprueba que se ejecutan según lo esperado.
El controlador de actuador de dirección lleva a cabo las órdenes de ángulo de rueda recibidas de la unidad central y comunicadas por el procesador principal, y comprueba que se ejecutan según lo esperado.
El controlador de actuador de frenado lleva a cabo las órdenes de frenado mecánico recibidas de la unidad central y comunicadas por el procesador principal, y comprueba que se ejecutan según lo esperado.
También se caracteriza porque el volante con realimentación para simulación de tacto real incluye un sistema de retroalimentación de par.
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También se caracteriza porque la citada arquitectura redundante de seguridad implementada en los procesadores de la unidad central:
-
realiza simultáneamente en el primer procesador los cálculos de par solicitado a cada uno de los cuatro motores de tracción y, de forma paralela, los cálculos de par en el segundo procesador; de modo que aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel;
-
realiza simultáneamente en el primer procesador los cálculos de ángulo objetivo de dirección solicitado a cada una de las cuatro ruedas y, de forma paralela, los cálculos del ángulo en el segundo procesador; de modo que aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel;
-
realiza simultáneamente en el primer procesador los cálculos de presión de frenado mecánico solicitado a cada uno de los cuatro actuadores electrohidráulicos, combinado con frenado regenerativo a través de cada uno de los motores de tracción, que será diferente en función de la situación dinámica del vehículo y, de forma paralela, los cálculos de presión de frenado mecánico en el segundo procesador; de modo que aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel;
-
realiza en el primer procesador el cálculo de la realimentación en cada instante para el volante en función de las condiciones del vehículo;
-
implementa, en el primer procesador los controles dinámicos del vehículo y, además de dichos controles (ABS, ESP, VSC, y similares), realiza automáticamente las funciones de “diferencial virtual” puesto que no existe ninguna unión física entre las ruedas. Simultáneamente, realiza estos mismos cálculos en el segundo procesador; de modo que aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel.
También se caracteriza porque la citada red de comunicaciones va implementada sobre red determinista redundante en tiempo real con entrega garantizada; de modo que permite una comunicación en tiempo real entre los diferentes elementos.
También se caracteriza porque el citado doble pack de baterías de alta tensión se conectan en paralelo; de modo que, en caso de caída de uno de ellos, el módulo de interconexión lo desconectaría y se seguiría funcionando en modo seguro de emergencia a partir del otro.
También se caracteriza porque cada una de las unidades de control se alimenta de una red separada gracias a dos convertidores de tensión continua que suministran la tensión necesaria a cada una de ellas desde la red de alimentación de alta tensión. Una de de las unidades de control se complementa con una batería auxiliar para el caso en el que pudieran fallar los dos convertidores de tensión (ó los dos paquetes de baterías de alta tensión, ó el módulo de interconexión de batería, ó varios de ellos de forma simultánea) se permita continuar funcionando hasta realizar una parada de emergencia controlada.
Adicionalmente, un pedal de freno puede funcionar de forma simultánea ejerciendo la función de frenado con prioridad sobre los mandos del volante.
Ventajas de la invención
Las ventajas derivadas del sistema objeto del invento son notables; entre otras simplificar la instalación, reducir peso y aumentar la seguridad la habitabilidad interior y el confort.
Los elementos de la tecnología conocida que pueden ser eliminados son, básicamente:
-
En la dirección: Columna, Piñón, Cremallera, Brazos, Sistema de asistencia (motor, si es eléctrico; o Bomba, Depósitos y Tuberías, si es hidráulica)
-
En el sistema de frenado: Servofreno (Conducciones de vacío desde la admisión ó bomba eléctrica de vacío si es de vacío; o Conducción desde la servodirección y Depósitos, si es hidráulico); Cilindro maestro en tándem; Repartidor de frenada y Latiguillos de freno en diagonal
-
En la Tracción: el ensamblaje de pedal de acelerador y ensamblaje del pedal de embrague
Aunque, en general, no hay una correspondencia biunívoca entre elementos sustituidos y elementos nuevos.
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El sistema por cable, de acuerdo con el invento, sustituye al sistema mecánico en su conjunto (consigue la misma funcionalidad usando otros medios):
El Sistema de dirección conocido, está normalmente compuesto por volante, columna de dirección, piñón, cremallera y brazos de dirección, todos ellos unidos mecánicamente. El sistema de dirección del invento comparte volante, pero desacoplado mecánicamente del resto de elementos y con sensores redundantes, y la parte del brazo de dirección correspondiente a la mangueta. El resto de elementos son sustituidos por el conjunto de centralita, bus de comunicaciones, sistema de alimentación eléctrica, y actuador eléctrico que emulan el funcionamiento del sistema convencional.
El pedal de freno de los sistemas conocidos es complementado por una leva con sensores redundantes en el volante. Se mantiene un pedal que ejerce la función de frenado con prioridad sobre los mandos del volante. La bomba de vacío (servo), cilindro maestro, y líneas hidráulicas desde ésta hasta los pistones del freno, desaparecen y se sustituyen por el mismo conjunto de centralita, bus de comunicaciones y alimentación eléctrica antes mencionado. Actuadores electrohidráulicos locales a cada rueda aplican presión a los pistones.
En cuanto al sistema de tracción, el cable físico que tradicionalmente actuaba sobre la admisión desde el pedal del acelerador, es sustituido por el sistema centralita-bus de comunicaciones-alimentación eléctrica. En este caso, al ser el objeto del invento un sistema de aplicación en vehículos eléctricos, no tiene sentido hablar de actuador sobre el motor.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es un diagrama de bloques del sistema objeto del invento, que incluye todos los componentes y su interconexión entre ellos.
La figura es única aunque, para mayor claridad, no se conectan todos los elementos entre sí mediante líneas. Las líneas de comunicación o de alimentación están identificadas y numeradas, y el sentido de la flecha indica si emite/genera o recibe/consume.
Descripción de una forma de realización preferida
El sistema objeto del invento incluye, básicamente, los componentes y particularidades siguientes: 1.- volante 11.- sistema de realimentación de par 12.- mandos/sensores de dirección 13.- mandos/sensores de acelerador 14a, 14b.- mandos/sensores de freno (redundante) 15.- pedal de freno 2.- actuador de dirección 3.- motor de tracción 4.- actuador electrohidráulico 5.- unidad central 51, 52.- procesadores (redundante) 53.- módulo de control de realimentación del volante 6.- controladores electrónicos
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61.- controlador del actuador de dirección 62.- controlador del motor de tracción 63.- controlador de actuador de frenado 64.- procesador principal 65.- procesador redundante 71, 72.- baterías de alta tensión 73.- módulo de interconexión (baterías) 74.- red de alimentación de alta tensión 74a, 74b.- convertidores de tensión 75a, 75b.- redes de alimentación de baja tensión (redundante) 8.- batería auxiliar 9.- red de comunicaciones De conformidad con la invención, y según la realización representada, se disponen cuatro controladores electrónicos
(6) asociados uno a cada una de las ruedas del vehículo (por tanto situados, con preferencia, uno en cada una de las esquinas del vehículo), y accionando cada uno al correspondiente motor de tracción (3), al correspondiente actuador de dirección (2) y al correspondiente actuador electrohidráulico (4) para el circuito de frenado local.
El volante (1) con realimentación para simulación de tacto real, lleva asociados los mandos y sensores de la dirección (12); del acelerador (13); y del freno (4). Por seguridad, el sensor del freno (4) es redundante; dispone de dos mandos/sensores (14a), (14b) de tal forma que, en caso de fallo de uno de ellos, permite continuar funcionando con el otro hasta realizar una parada de emergencia controlada.
El volante (1) con realimentación para simulación de tacto real, también lleva asociado un sistema de realimentación de par (11).
Adicionalmente, un pedal de freno (15) puede funcionar de forma simultánea ejerciendo la función de frenado con prioridad sobre los mandos del volante (1). Este pedal de freno (15) se incluye por motivos legales o de normativa (en función de la legislación puede ser necesario para que el vehículo sea homologable).
De conformidad con la invención, y según la realización representada, se dispone una unidad central (5) con dos procesadores (51), (52) que permiten implementar una arquitectura redundante de seguridad, responsable de las siguientes funciones:
-
Cálculo de par: Realiza simultáneamente en un procesador (51) los cálculos de par solicitado a cada uno de los cuatro motores de tracción (3)
-
Cálculo de par redundante: Realiza de forma paralela, en el segundo procesador (52), los cálculos de par. Aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel
-
Cálculos de dirección: realiza simultáneamente en un procesador (51) los cálculos de ángulo objetivo de dirección solicitado a cada una de las cuatro ruedas
-
Cálculos de dirección redundantes: Realiza de forma paralela, en el segundo procesador (52), los cálculos del ángulo. Aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel
-
Cálculo de frenado: Realiza simultáneamente en un procesador (51) los cálculos de presión de frenado mecánico solicitado a cada uno de los cuatro actuadores electrohidráulicos (4), combinado con frenado
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regenerativo a través de cada uno de los motores de tracción (3), que será diferente en función de la situación dinámica del vehículo (velocidad, aceleración angular, posición de la dirección, etc.)
-
Cálculo de frenado redundante: Realiza de forma paralela, en el segundo procesador (52), los cálculos de frenado. Aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel
-
Cálculo de realimentación: Realiza en un procesador (51), el cálculo de la realimentación en cada instante para el volante (1) en función de las condiciones del vehículo
-
Cálculo de dinámica: Implementa, en un procesador (51) los controles dinámicos del vehículo. Además de los controles conocidos (ABS, ESP, VSC, etc.) el módulo automáticamente realiza las funciones de “diferencial virtual” puesto que no existe ninguna unión física entre las ruedas. Esto supone que a pesar de que, al igual que en un vehículo tradicional, las peticiones de acelerador del usuario se traducen en solicitudes de par, éste tendrá que ser reajustado de acuerdo con las velocidades individuales de cada rueda. La desaparición de los elementos mecánicos permite añadir otros modos de conducción que implican ángulos de dirección en sentido contrario en cada eje, como el movimiento de rotación sobre sí mismo
-
Cálculo de dinámica redundante: Realiza los mismos cálculos que en el punto anterior, pero en el segundo procesador (52)
También se dispone un módulo (53) de control del motor de realimentación del volante (1), que ejecuta físicamente los comandos de par determinados por la función del cálculo de realimentación.
También se dispone una red de comunicaciones (9) determinista en tiempo y redundante por seguridad, implementada sobre red determinista redundante en tiempo real con entrega garantizada, que permite una comunicación en tiempo real entre los diferentes elementos.
También se dispone un doble pack de baterías de alta tensión (71), (72) unidos en paralelo a través de un módulo de interconexión (73); siendo desconectables el uno del otro. Como los sistemas críticos de frenado y dirección se alimentan del bus de alta tensión, la seguridad viene implícita por la separación de las baterías en dos packs (delantero y trasero) que se conectan en paralelo. En caso de caía de uno de ellos, módulo de interconexión de las baterías (73) lo desconectaría y se seguiría funcionando en modo seguro de emergencia a partir del otro
También se dispone de una red de alimentación de alta tensión (74) que proporciona potencia a los controladores electrónicos (6) para motor de tracción (3), el actuador de dirección (2) y el actuador electrohidráulico (4) y a los convertidores de tensión (74a), (74b)
También se dispone de una red de alimentación redundante de baja tensión (75a), (75b). Cada una de las unidades de control (5), (6) se alimenta de una red separada. Esto se consigue gracias a dos convertidores de tensión continua (74a), (74b) que suministran la tensión necesaria a cada una de ellas a partir de la tensión (74) de la red de alimentación de alta tensión (74). Una de ellas se complementa con una batería auxiliar (8) para el caso en el que pudieran fallar:
-
los dos convertidores de tensión (74a), (74b); ó
-
los dos paquetes de baterías de alta tensión (71), (72); ó
-
el módulo de interconexión de batería (73); ó
-
varios de ellos de forma simultánea
Esto permite continuar funcionando hasta realizar una parada de emergencia controlada.
Cada controlador electrónico (6) consta de:
-
Un procesador principal (64), que gestiona las comunicaciones con la unidad central (5) y transfiere en tiempo real las órdenes a los controladores (61), (62), (63).
-
Un procesador redundante (65), que realiza las mismas funciones que el procesador principal (64) a partir del bus de 12v auxiliar. Esto permite seguir teniendo el control de las ruedas incluso con un fallo en la alimentación principal y en el procesador principal (64).
-
Un controlador de motor de tracción (62), que lleva a cabo las órdenes de par recibidas de la unidad central (5), comunicadas por el procesador principal (64), y comprueba que se ejecutan según lo esperado.
-
Un controlador de actuador de dirección (61), que lleva a cabo las órdenes de ángulo de rueda recibidas de la unidad central (5), comunicadas por el procesador principal (64), y comprueba que se ejecutan según lo esperado.
-
Un controlador de actuador de frenado (63), que lleva a cabo las órdenes de frenado mecánico recibidas de la unidad central (5), comunicadas por el procesador principal (64), y comprueba que se ejecutan según lo esperado.
ES 2 398 442 A2
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Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1.- Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable, caracterizado porque consta de:
    a) Cuatro controladores electrónicos (6), asociados uno a cada una de las ruedas del vehículo, que accionan el correspondiente motor de tracción (3), el actuador de dirección (2) y el actuador electrohidráulico (4) para el circuito de frenado local;
    b) un volante (1) con realimentación para simulación de tacto real;
    c) un pedal de freno, que ejerce la función de frenado con prioridad sobre los mandos en el volante (1);
    d) una unidad central (5) con dos procesadores (51), (52) que permiten implementar una arquitectura redundante de seguridad; y un módulo (53) de control del motor de realimentación del volante (1) que ejecuta físicamente los comandos de par determinados por la función del sistema de realimentación (11);
    e) una red de comunicaciones (9) determinista en tiempo y redundante por seguridad;
    f) un doble pack de baterías de alta tensión (71), (72) unidos a través del módulo de interconexión (73), y desconectables el uno del otro;
    g) una red de alimentación de alta tensión (74) que proporciona potencia a los controladores electrónicos (6), al par motor de tracción (3), al actuador de dirección (2), al actuador electrohidráulico (4) y a los convertidores de tensión (74a), (74b); y
    h) una red de alimentación redundante de baja tensión (75a), (75b).
  2. 2.- Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable, según reivindicación 1, caracterizado porque cada controlador electrónico (6) consta de, al menos:
    -
    un procesador principal (64) que gestiona las comunicaciones con la unidad central (5) y transfiere en tiempo real las órdenes a los controladores de actuador de dirección (61), de motor de tracción (62) y de actuador de frenado (63);
    -
    un procesador redundante (65) que realiza las mismas funciones que el procesador principal (64) a partir de un bus de 12v auxiliar; de modo que permite seguir teniendo el control de las ruedas incluso con un fallo en la alimentación principal y en el procesador principal (64);
    -
    un controlador de motor de tracción (62) que lleva a cabo las órdenes de par recibidas de la unidad central (5), comunicadas por el procesador principal (64), y comprueba que se ejecutan según lo esperado;
    -
    un controlador de actuador de dirección (61), que lleva a cabo las órdenes de ángulo de rueda recibidas de la unidad central (5), comunicadas por el procesador principal (64), y comprueba que se ejecutan según lo esperado;
    -
    un controlador de actuador de frenado (63), que lleva a cabo las órdenes de frenado mecánico recibidas de la unidad central (5), comunicadas por el procesador principal (64), y comprueba que se ejecutan según lo esperado.
  3. 3.- Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable, según reivindicación 1, caracterizado porque el volante (1) con realimentación para simulación de tacto real incluye un sistema de retroalimentación de par.
  4. 4.- Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable, según reivindicación 1, caracterizado porque la citada arquitectura redundante de seguridad implementada en los procesadores (51), (52) de la unidad central (5):
    -
    realiza simultáneamente en un procesador (51) los cálculos de par solicitado a cada uno de los cuatro motores de tracción (3); y de forma paralela en el segundo procesador (52), los cálculos de par; de modo que aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel;
    -
    realiza simultáneamente en un procesador (51) los cálculos de ángulo objetivo de dirección solicitado a cada una de las cuatro ruedas; y de forma paralela en el segundo procesador (52) los cálculos del ángulo; de modo que aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel;
    -
    realiza simultáneamente en un procesador (51) los cálculos de presión de frenado mecánico solicitado a cada uno de los cuatro actuadores electrohidráulicos (4), combinado con frenado regenerativo a través de cada uno de los motores de tracción (3), que será diferente en función de la situación dinámica del vehículo; y de forma paralela en el segundo procesador (52) los cálculos de presión de frenado mecánico; de modo que aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel;
    -
    realiza en un procesador (51) el cálculo de la realimentación en cada instante para el volante (1) en función de las condiciones del vehículo;
    -
    implementa, en un procesador (51) los controles dinámicos del vehículo y, además de dichos controles (ABS, ESP, VSC, y similares), realiza automáticamente las funciones de “diferencial virtual” puesto que no existe ninguna unión física entre las ruedas; y, simultáneamente, realiza estos mismos cálculos en el segundo procesador (52); de modo que aumenta la disponibilidad del sistema y lo hace inmune a fallos de primer nivel.
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  5. 5.- Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable, según reivindicación 1, caracterizado porque la citada red de comunicaciones (9) va implementada sobre red determinista redundante en tiempo real con entrega garantizada; de modo que permite una comunicación en tiempo real entre los diferentes elementos.
  6. 6.- Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable, según reivindicación 1, caracterizado porque el citado doble pack de baterías de alta tensión (71), (72) se conectan en paralelo; de modo que, en caso de caía de uno de ellos, el módulo de interconexión de las baterías (73) lo desconectaría y se seguiría funcionando en modo seguro de emergencia a partir del otro.
  7. 7.- Sistema de control de tracción, dirección y frenado de vehículos mediante comunicación por cable, según reivindicación 1, caracterizado porque cada una de las unidades de control (5), (6) se alimenta de una red separada gracias a dos convertidores de tensión continua (74a), (74b) que suministran la tensión necesaria a cada una de ellas de la red de alimentación de alta tensión (74); y porque una de de las unidades de control (5), (6) se complementa con una batería auxiliar (8) para el caso en el que pudieran fallar los dos convertidores de tensión (74a), (74b); ó los dos paquetes de baterías de alta tensión (71), (72); ó el módulo de interconexión de batería (73); ó varios de ellos de forma simultánea; de modo que se permite continuar funcionando hasta realizar una parada de emergencia controlada.
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