FR2956071A1

FR2956071A1 - Drive assembly for electric car, has final drive device comprising two electric machines, where electric machines are attached with frequency converters i.e. alternating current-direct current converters, and combined in converter unit

Info

Publication number: FR2956071A1
Application number: FR1150692A
Authority: FR
Inventors: Hartmut Chodura; Guan Chew; Steffen Maurer; Patrik Gisch; Miroslaw Oslislok; Ralf Bauer; Stefan Bobbo
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2011-08-12
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: FR2956071B1

Abstract

The assembly has a final drive device comprising two electric machines (11). An electrical energy storage (30) i.e. lithium-ion battery, is chargeable and dischargeable if the electric machines are operated as motors and generators, respectively. The electric machines are attached with a gear box (12) and combined in electrical axles (10) i.e. rear axles, for driving wheels (2) on the axles by a drive shaft flange (13) over a drive shaft. The electric machines are attached with frequency converters i.e. alternating current-direct current converters, and combined in a converter unit (20).

Description

DESCRIPTION

L'invention concerne un système d'entraînement pour un véhicule électrique, comprenant un dispositif d'entraînement d'essieu à structure en portique qui présente deux machines électriques qui entraînent les roues d'un essieu du véhicule électrique, ainsi qu'au moins un accumulateur d'énergie électrique qui, lorsque une machine électrique est utilisée comme moteur peut être déchargé et/ou peut être rechargé lorsqu'une machine électrique est utilisée en génératrice. Le document DE 296 11 867 U1, d'où découle le préambule de la revendication principale, divulgue un train de roulement pour véhicules utilitaires configuré comme essieu en portique, une roue étant montée à rotation à chacune des deux extrémités de l'essieu en portique et chaque roue étant entraînée par un moteur électrique de roulage monté dans l'essieu en portique. Comme cet essieu en portique est un essieu rigide, il est relativement lourd et offre peu de confort. The invention relates to a drive system for an electric vehicle, comprising a gantry-type axle drive device which has two electric machines which drive the wheels of an axle of the electric vehicle, and at least one an electrical energy accumulator which when an electric machine is used as a motor can be discharged and / or can be recharged when an electric machine is used as a generator. DE 296 11 867 U1, from which follows the preamble of the main claim, discloses a undercarriage for commercial vehicles configured as a gantry axle, a wheel being rotatably mounted at each of the two ends of the gantry axle and each wheel being driven by an electric driving motor mounted in the gantry axle. As this gantry axle is a rigid axle, it is relatively heavy and offers little comfort.

Le problème à la base de l'invention consiste à améliorer l'essieu en portique du type générique et en particulier d'en augmenter le confort. Ce problème est résolu avec un système d'entraînement caractérisé en ce que : avec une transmission qui leur est associée, les deux machines électriques du dispositif d'entraînement d'essieu sont rassemblées en un essieu électrique qui entraîne les roues, suspendues séparément, de l'essieu au moyen d'une bride d'arbre articulé par l'intermédiaire d'un arbre articulé respectif, les convertisseurs de fréquence associés à chacune des deux machines électriques étant rassemblés en une unité de convertisseur. Des modes de réalisation et des développements avantageux de l'invention sont caractérisés en ce que : - l'essieu électrique est prévu comme essieu arrière du véhicule électrique ; - l'accumulateur d'énergie électrique est disposé dans la partie arrière du véhicule électrique, en avant de l'essieu électrique ; - l'accumulateur d'énergie électrique présente une largeur qui n'est essentiellement pas supérieure à la distance entre les montants longitudinaux du véhicule électrique ; -2- - l'accumulateur d'énergie électrique présente une possibilité d'accès au niveau du bas de la caisse du véhicule électrique, et - l'unité de convertisseur est disposée dans la partie arrière du véhicule, en arrière de l'essieu électrique. The problem underlying the invention is to improve the gantry axle of the generic type and in particular to increase comfort. This problem is solved with a drive system characterized in that: with a transmission associated therewith, the two electrical machines of the axle drive unit are assembled into an electric axle which drives the wheels, suspended separately, of the axle by means of a shaft flange articulated through a respective articulated shaft, the frequency converters associated with each of the two electrical machines being combined into a converter unit. Advantageous embodiments and developments of the invention are characterized in that: - the electric axle is provided as the rear axle of the electric vehicle; - The electric energy accumulator is disposed in the rear part of the electric vehicle, in front of the electric axle; - The electric energy accumulator has a width that is not substantially greater than the distance between the longitudinal uprights of the electric vehicle; -2- - the electric energy accumulator has a possibility of access at the bottom of the body of the electric vehicle, and - the converter unit is disposed in the rear part of the vehicle, behind the axle electric.

L'invention propose que les deux machines électriques du dispositif d'entraînement de l'essieu soient rassemblées en un essieu électrique à l'aide de transmissions qui leurs sont associées, pour entraîner les roues du premier essieu, suspendues séparément, au moyen de brides d'arbre articulé respectives, chaque fois par l'intermédiaire d'un arbre articulé, deux convertisseurs de fréquence associés aux machines électriques respectives étant rassemblés en une unité de convertisseur. Par l'intégration des deux machines électriques ainsi que des transmissions qui leurs sont associées en une unité commune, à savoir l'essieu électrique, on forme de manière simple une unité d'entraînement pour un véhicule électrique. Par la séparation de l'unité d'entraînement et d'une unité de guidage des roues, le guidage des roues n'est pas influencé par le poids de l'unité d'entraînement. Ainsi, le train de roulement et en particulier la suspension séparée des roues peuvent être repris par un véhicule classique. L'invention prévoit en outre de rassembler en une unité de convertisseur les convertisseurs de fréquence nécessaires pour alimenter chacune des machines électriques. Cela diminue encore le nombre de composants nécessaires et permet en particulier de réduire la longueur des conducteurs à haute tension utilisés. L'invention va maintenant être expliquée plus en détail à l'aide d'un dessin. Dans celui-ci : la figure 1 représente schématiquement une vue oblique depuis le haut d'un dispositif d'entraînement selon l'invention, la figure 2 représente schématiquement une vue en plan d'un mode de réalisation préféré du système d'entraînement selon l'invention et la figure 3 représente schématiquement une vue latérale d'un mode de réalisation préféré du système d'entraînement selon l'invention. Des éléments identiques ont été désignés par les mêmes références numériques dans les différentes figures. On y a représenté un essieu électrique 10, une unité de convertisseur 20 ainsi qu'un accumulateur 30 d'énergie électrique. Dans ce mode de réalisation, l'essieu électrique 10 est prévu comme essieu arrière d'un véhicule électrique dont le contour a été représenté. L'essieu électrique -3- 10 comprend deux machines électriques 11 disposées coaxialement dans un boîtier commun. Les machines électriques 11 sont de préférence configurées comme machines synchrones à excitation permanente, ce qui garantit la possibilité de bien les commander. Par l'intermédiaire d'une transmission associée 12 qui comprend un étage à roue radiale, chaque machine électrique 11 entraîne des brides respectives 13 d'arbre de transmission. Les brides 13 d'arbre articulé sont prévues pour être reliées à des roues 2 suspendues séparément par l'intermédiaire d'un arbre articulé (non représenté). Une unité de guidage de chaque roue 2 suspendue comprend par exemple les supports transversaux habituels d'essieu avant, les bielles transversales d'essieu avant et les essieux à jambe de suspension McPherson à oscillation amortie. Cela fournit un essieu électrique en portail qui présente un haut confort sur un véhicule électrique. L'essieu électrique 10 comprend en outre un dispositif de refroidissement, un fluide de refroidissement et en particulier de l'eau étant apporté par un conduit d'amenée 15a, le fluide de refroidissement échauffé étant évacué par un conduit d'évacuation 15b. Dans ce mode de réalisation, l'essieu électrique 10 avec les deux machines électriques 11 disposées coaxialement est intégré directement dans l'essieu arrière du véhicule électrique. Le boîtier de l'essieu électrique 10 est par exemple vissé sur des supports transversaux et longitudinaux du véhicule électrique. Le bas centre de gravité, obtenu par la position de montage, c'est-à-dire l'agencement en portique permis par l'étage à roue frontale que contient chaque transmission 12, est très avantageux pour la dynamique de roulage. Chaque machine électrique 11 entraîne une roue 2 associée. Dans ce mode de réalisation, la puissance électrique d'une machine électrique 11 est de soixante kilowatts et délivre un couple d'entraînement maximum de 80 Newton mètre. Chaque machine électrique 11 dispose d'un détecteur de position qui détermine la position précise du rotor en vue d'un fonctionnement optimum. Chacune des machines électriques 11 est alimentée par des bornes de raccordement 14 prévues sur l'essieu électrique 10 en un courant alternatif approprié. La force de chaque machine électrique 11 est transmise sur la roue 2 concernée par un accouplement hydraulique à lamelles (non représentés) respectif qui permet un transfert précis des forces. Les accouplements à lamelles sont fermés en permanence et sont régulés automatiquement. Pour des raisons de sécurité, un accouplement à lamelles -4- doit être ouvert par le conducteur par l'intermédiaire d'un élément de commande pour découpler chaque machine électrique 11 de la roue 2 associée. Un rapport de transmission fixe de chaque transmission 12 réduit la haute vitesse de rotation de sortie chaque machine électrique 11 et transfère le couple à une roue 2 respective par l'intermédiaire d'une bride 13 d'arbre articulé au moyen d'un arbre articulé. L'unité de convertisseur 20 comprend une électronique de puissance qui comporte pour chacune des deux machines électriques 11 de l'essieu en portail 10 un convertisseur de fréquence (convertisseur AC-DC) qui régule les courants pour la machine électrique 11. Les convertisseurs de fréquence convertissent ainsi le courant alternatif d'une machine électrique 11 en courant continu de l'accumulateur 30 d'énergie électrique. L'accumulateur 30 d'énergie électrique est configuré de préférence comme batterie à haute tension, par exemple comme batterie à lithium-ions. The invention proposes that the two electrical machines of the drive device of the axle are assembled in an electric axle by means of transmissions associated therewith, for driving the wheels of the first axle, suspended separately, by means of flanges. respective articulated shaft, each time via an articulated shaft, two frequency converters associated with the respective electrical machines being combined into a converter unit. By integrating the two electrical machines and the transmissions associated therewith into a common unit, namely the electric axle, a drive unit for an electric vehicle is formed in a simple manner. By separating the drive unit from a wheel guide unit, the wheel guidance is not influenced by the weight of the drive unit. Thus, the undercarriage and in particular the separate suspension of the wheels can be taken up by a conventional vehicle. The invention further provides for assembling into a converter unit the frequency converters required to power each of the electrical machines. This further reduces the number of components required and in particular reduces the length of the high-voltage conductors used. The invention will now be explained in more detail with the aid of a drawing. 1 schematically represents an oblique view from the top of a drive device according to the invention, FIG. 2 schematically represents a plan view of a preferred embodiment of the drive system according to the invention. the invention and Figure 3 schematically shows a side view of a preferred embodiment of the drive system according to the invention. Identical elements have been designated by the same reference numerals in the different figures. There is shown an electric axle 10, a converter unit 20 and an accumulator 30 of electrical energy. In this embodiment, the electric axle 10 is provided as a rear axle of an electric vehicle whose contour has been shown. The electric axle -3- 10 comprises two electric machines 11 arranged coaxially in a common housing. The electrical machines 11 are preferably configured as synchronous machines with permanent excitation, which guarantees the possibility of controlling them well. Through an associated transmission 12 which comprises a radial wheel stage, each electric machine 11 drives respective driveshaft flanges 13. Articulated shaft flanges 13 are provided to be connected to separately suspended wheels 2 via an articulated shaft (not shown). A guide unit for each suspended wheel 2 comprises, for example, the usual transverse front axle supports, the front axle transverse rods and the damped oscillation McPherson strut axles. This provides a portal electric axle that provides high comfort on an electric vehicle. The electric axle 10 further comprises a cooling device, a cooling fluid and in particular water being supplied by a supply duct 15a, the heated cooling fluid being discharged through a discharge duct 15b. In this embodiment, the electric axle 10 with the two electrical machines 11 arranged coaxially is integrated directly into the rear axle of the electric vehicle. The housing of the electric axle 10 is for example screwed on transverse and longitudinal supports of the electric vehicle. The low center of gravity, obtained by the mounting position, that is to say the portal arrangement permitted by the front wheel stage contained in each transmission 12, is very advantageous for the driving dynamics. Each electric machine 11 drives an associated wheel 2. In this embodiment, the electric power of an electric machine 11 is sixty kilowatts and delivers a maximum driving torque of 80 Newton meters. Each electric machine 11 has a position detector which determines the precise position of the rotor for optimum operation. Each of the electrical machines 11 is powered by connection terminals 14 provided on the electric axle 10 in a suitable alternating current. The force of each electric machine 11 is transmitted on the wheel 2 concerned by a respective hydraulic slat coupling (not shown) which allows a precise transfer of forces. The lamella couplings are permanently closed and are regulated automatically. For safety reasons, a slat coupling -4- must be opened by the driver via a control element to decouple each electric machine 11 from the associated wheel 2. A fixed transmission ratio of each transmission 12 reduces the high output rotation speed of each electric machine 11 and transfers the torque to a respective wheel 2 via an articulated shaft flange 13 by means of an articulated shaft . The converter unit 20 comprises a power electronics unit which comprises for each of the two electrical machines 11 of the gate axle 10 a frequency converter (AC-DC converter) which regulates the currents for the electric machine 11. The converters of FIG. Frequency thus convert the alternating current of an electric machine 11 into direct current of the electric energy accumulator 30. The electric energy accumulator 30 is preferably configured as a high voltage battery, for example as a lithium ion battery.

L'essieu en portique 10 et l'unité de convertisseur 20 disposent d'un circuit de refroidissement par eau à basse température, les canaux de refroidissement étant placés dans le carter de l'essieu en portique et disposant d'un conduit d'alimentation 15a et d'un conduit d'évacuation 15b. Le courant électrique est conduit entre l'essieu électrique 10, l'unité de convertisseur 20 et l'accumulateur électrique 30 par des câbles spéciaux à haute tension. Les composants essentiels du système d'entraînement, à savoir l'essieu électrique 10, l'unité de convertisseur 20 et l'accumulateur 30 d'énergie électrique sont à présent disposés de manière optimale dans le véhicule électrique. Pour obtenir la quantité d'énergie nécessaire pour le véhicule électrique, il faut un accumulateur 30 d'énergie électrique qui présente un poids relativement élevé, par exemple de 350 kilogrammes, ainsi qu'un volume relativement grand. Du fait de son poids, l'accumulateur 30 d'énergie électrique sera disposé à proximité du centre de gravité du véhicule électrique. Il est donc placé dans la partie centrale du véhicule électrique, entre les deux essieux. Du fait de son volume, l'accumulateur 30 d'énergie électrique est disposé dans la partie arrière de la zone centrale du véhicule électrique, et donc derrière l'habitacle ou la cabine du conducteur. En particulier sur des véhicules de sport, on dispose d'un volume approprié dans cette zone. Comme l'accumulateur 30 d'énergie électrique est disposé en avant de l'essieu arrière dans la direction d'avancement, on obtient une -5- bonne protection du véhicule électrique en cas de collision arrière. Dans ce cas, la plus grande partie de l'énergie de la collision est absorbée par le train de roulement ou les supports transversaux de l'essieu arrière et l'accumulateur 30 d'énergie électrique est protégé efficacement des dommages. Comme l'accumulateur 30 d'énergie électrique n'est pas plus large que la distance entre les montants longitudinaux du véhicule électrique, on obtient de plus une bonne protection de l'accumulateur 30 d'énergie électrique au cas où le véhicule électrique entre en collision latérale. Dans ce cas, les montants longitudinaux reprennent les forces appliquées. Au cas où le véhicule électrique entre en collision frontale, sa partie avant qui présente le support transversal de l'essieu avant protège de manière sûre l'accumulateur 30 d'énergie électrique des dommages. Comme la répartition des poids est ainsi optimisée, on obtient un véhicule électrique performant. Comme l'accumulateur 30 d'énergie électrique, qui constitue de loin le composant le plus lourd du système d'entraînement, est disposé à proximité du centre de gravité du véhicule électrique, on obtient des manipulations aisées et un bon équilibre inertiel du véhicule électrique. En outre, le système permet d'utiliser une seule réserve 30 d'énergie électrique compacte. Cela offre des avantages en termes de refroidissement et de câblage. Comme l'unité de convertisseur 20 est également disposée dans la partie arrière du véhicule électrique, on minimise le câblage nécessaire entre l'unité de convertisseur 20, l'essieu en portique 10 et la réserve 30 d'énergie électrique. Pour encore optimiser la répartition des poids, on prévoit de disposer l'unité de convertisseur 20 aussi bas que possible. Il existe une place appropriée dans ce but, de préférence en arrière de l'essieu électrique 10 dans le sens d'avancement du véhicule. Comme l'unité de convertisseur 20 comprend les deux convertisseurs de fréquence, il ne faut qu'un seul câble à haute tension entre l'accumulateur 30 d'énergie électrique disposé en avant de l'essieu électrique 10 et l'unité de convertisseur 20. Ce câble à haute tension permet au courant continu de s'écouler entre l'unité de convertisseur 20 et la réserve 30 d'énergie électrique. L'unité de convertisseur 20 convertit alors le courant continu en deux courants alternatifs qui conviennent pour chacune des machines électriques 11. The gantry axle 10 and the converter unit 20 have a low temperature water cooling circuit, the cooling channels being placed in the gantry axle housing and having a supply duct. 15a and an exhaust duct 15b. The electric current is conducted between the electric axle 10, the converter unit 20 and the electric accumulator 30 by special high voltage cables. The essential components of the drive system, namely the electric axle 10, the converter unit 20 and the electric energy accumulator 30 are now optimally arranged in the electric vehicle. To obtain the amount of energy required for the electric vehicle, an electric energy accumulator having a relatively high weight, for example 350 kilograms, as well as a relatively large volume, is required. Due to its weight, the electric energy accumulator 30 will be disposed near the center of gravity of the electric vehicle. It is therefore placed in the central part of the electric vehicle, between the two axles. Due to its volume, the electric energy accumulator 30 is disposed in the rear part of the central zone of the electric vehicle, and therefore behind the passenger compartment or the driver's cabin. Especially on sports vehicles, there is an appropriate volume in this area. Since the electric energy accumulator 30 is arranged in front of the rear axle in the direction of travel, a good protection of the electric vehicle is obtained in the event of a rear-end collision. In this case, most of the energy of the collision is absorbed by the undercarriage or transverse supports of the rear axle and the electric energy accumulator is effectively protected from damage. Since the electric energy accumulator 30 is not wider than the distance between the longitudinal uprights of the electric vehicle, a good protection of the electric energy accumulator 30 is also obtained in case the electric vehicle comes into operation. lateral collision. In this case, the longitudinal uprights take up the forces applied. In the event that the electric vehicle collides head-on, its front portion, which has the transverse support of the front axle, reliably protects the electric energy accumulator from damage. As the distribution of the weights is thus optimized, we obtain a powerful electric vehicle. Since the electric energy accumulator 30, which is by far the heaviest component of the drive system, is arranged near the center of gravity of the electric vehicle, easy handling and good inertial balance of the electric vehicle is achieved. . In addition, the system makes it possible to use a single reserve 30 of compact electrical energy. This offers advantages in terms of cooling and wiring. Since the converter unit 20 is also disposed in the rear part of the electric vehicle, the necessary wiring is minimized between the converter unit 20, the gantry axle 10 and the electrical energy store 30. To further optimize the distribution of weights, it is expected to have the converter unit 20 as low as possible. There is a suitable place for this purpose, preferably behind the electric axle 10 in the direction of travel of the vehicle. Since the converter unit 20 comprises the two frequency converters, only one high voltage cable between the electric energy accumulator 30 placed in front of the electric axle 10 and the converter unit 20 is required. This high voltage cable allows DC current to flow between the converter unit 20 and the electrical energy store 30. The converter unit 20 then converts the direct current into two alternating currents which are suitable for each of the electric machines 11.

Comme l'unité de convertisseur 20 est positionnée de telle sorte que ses raccordements électriques pour le courant alternatif délivré par chaque convertisseur de fréquence sont disposés à proximité des bornes de -6- raccordement 14 de l'essieu électrique, on peut encore diminuer la longueur nécessaire de câbles. L'agencement du composant permet ainsi une combinaison idéale entre la protection contre les collisions et les performances. Tous les composants seront positionnés avec précision de telle sorte que le centre de gravité soit aussi bas que possible et que la longueur nécessaire de câblage à haute tension soit aussi courte que possible. En minimisant la longueur de câblage à haute tension, on obtient encore une réduction du poids ainsi qu'une amélioration du rendement du système d'entraînement. Since the converter unit 20 is positioned such that its electrical connections for the alternating current delivered by each frequency converter are arranged close to the connection terminals 14 of the electric axle, the length can be further reduced. necessary cables. The arrangement of the component thus provides an ideal combination of collision protection and performance. All components will be accurately positioned so that the center of gravity is as low as possible and the required length of high voltage wiring is as short as possible. By minimizing the length of high voltage wiring, a reduction in weight and an improvement in the efficiency of the drive system are still achieved.

L'accessibilité des composants du système d'entraînement et en particulier de l'accumulateur 30 d'énergie électrique est prévue au niveau du bas de la caisse du véhicule électrique. Cela permet d'améliorer l'intégration des composants du système d'entraînement dans le véhicule électrique, par exemple en dessous des composants de carrosserie, ainsi qu'un design plus attractif On obtient encore une amélioration supplémentaire en augmentant le nombre de pièces identiques si le deuxième essieu du véhicule électrique est également prévu comme essieu électrique 11. En particulier, on peut construire comme pièces identiques deux essieux électriques à portique identiques auxquels sont associées des unités de convertisseur 20 identiques. On obtient ainsi un véhicule électrique dont les quatre roues peuvent être entraînées séparément par une machine électrique respective. Ce véhicule électrique présente de plus un confort élevé par le fait que le train de roulement habituel d'un véhicule peut être utilisé pour la suspension séparée ou isolée des roues. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. The accessibility of the components of the drive system and in particular of the electric energy accumulator 30 is provided at the bottom of the body of the electric vehicle. This makes it possible to improve the integration of the components of the drive system in the electric vehicle, for example below the body components, as well as a more attractive design. A further improvement is obtained by increasing the number of identical pieces if the second axle of the electric vehicle is also provided as an electric axle 11. In particular, it is possible to construct as identical parts two identical gantry electric axles with which are associated identical converter units. This produces an electric vehicle whose four wheels can be driven separately by a respective electric machine. This electric vehicle also has a high comfort by the fact that the usual running gear of a vehicle can be used for the separate or isolated suspension of the wheels. Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown in the accompanying drawings. Modifications are possible, particularly from the point of view of the constitution of the various elements or by substitution of technical equivalents, without departing from the scope of protection of the invention.

Claims

REVENDICATIONS1. An electric vehicle drive system comprising a gantry-type axle drive device having two electric machines which drive the wheels of an axle of the electric vehicle, and at least one electric energy accumulator which , when an electric machine is used as a motor can be discharged and / or can be recharged when an electric machine is used as a generator, characterized in that with a transmission (12) associated therewith, the two electric machines (11) of the axle drive device (10) are assembled into an electric axle which drives the wheels (2), suspended separately, from the axle by means of a shaft flange (13) articulated via a respective articulated shaft, the frequency converters associated with each of the two electrical machines being combined into a converter unit (20).

2. Drive system according to claim 1, wherein the electric axle (10) is provided as rear axle of the electric vehicle.

3. Drive system according to claim 2, wherein the electric energy accumulator (30) is disposed in the rear part of the electric vehicle, in front of the electric axle (10).

4. Drive system according to claim 3, wherein the electric energy accumulator (30) has a width which is substantially not greater than the distance between the longitudinal struts of the electric vehicle.

5. Drive system according to claims 3 or 4, wherein the electric energy accumulator (30) has a possibility of access at the bottom of the body of the electric vehicle (10).

6. Drive system according to one of claims 2 to 5, wherein the converter unit (20) is disposed in the rear part of the vehicle behind the electric axle (10).