SE526740C2 - Fordon med elektrisk framdrivning - Google Patents

Description

526 740 Olika typer av elektriskt framdrivna fordon har föreslagits genom åren, men ytterst få har av olika anledningar nått kommersiell framgång. Elektrisk fiarridrivning är något som hittills nästan exklusivt förekommit i samband med små fordon upp till personbilstorlek. US3 1 7 l 505 visar en personbil med separat elektrisk drivning av bilens drivhjul. JP 2002-010405 visar schematiskt en elektrisk drivlina för en lastmaskin, truck eller liknande med konventionell tvåhjulsstyrning, där varje hjul drivs av en separat ehnotor och rotationshastigheten för varje hjul vid en svängmanöver styrs av en styrenhet. För att undvika slirning för något av de olika hjulen beräknar styrenheten korrekt rotationshastigheten för varje hjul med avseende på rattutslag, hastighet och tidpunkt för ändring av rattutslag. Styrenheten är därför uppbyggd kring en mycket avancerad algoritm.

Kort beskrivning av uppfinningen Föreliggande uppfinning har för avsikt att lösa problemen hos fordon enligt ingressen till krav l. Enligt uppfinningen uppnås det grundläggande syftet med anordningen enligt krav l.

En fördel med föreliggande uppfinning är att den på ett mycket enkelt och robust sätt tillhandahåller ett fordon med konstant flerhjulsdrifi utan avancerade styrsystem.

En annan fördel är att fordonet uppvisar enklare och mer robust konstruktion eftersom krafiöverföringen fiårr motorn sker via elektriska ledare istället ßr mekaniska axelarrangemang. Detta är speciellt fördelaktigt när fordonet har fler än två drivaxlar. Den IW .IE k!! oo .. .bL-I' °' ° ' 30 oo enkla konstruktionen med många identiska motorarrangemang leder även till att produktionskostnadema minskas. Ännu en fördel är att drivarrangemanget enligt uppfmningen möjliggör en avsevärd sänkning av fordonets egenvikt.

Ytterligare en fördel är att fordonet uppvisar avsevärt bättre bränsleekonomi, jämfört med konventionella fordon vilket följaktligen leder till minskade utsläpp.

Fördelaktiga utföringsforrner av uppfinningen anges i de följande osj älvständiga kraven. : Û..Û z' *år II* O O! oo oo oooo oo oo ooo o o o o o o o o o Û) o I I I I Û O I ån oo oo oo 526 740 Figurbeskrivníng Figurernala, lb och lc visar schematiskt olika typer av axelarrangernang enligt föreliggande uppfinning.

Figurema 2a och 2b visar två mer detaljerade utföringsforrner av föreliggande uppfinning.

Figur 3 visar en utföringsforrn av en drivaxel enligt föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Genomgående i den följande texten används uttrycket ”fordonets sida” med hänsyn till fordonets normala färdriktning, och det samma gäller för uttrycken höger respektive vänster sida.

Såsom nämnts ovan visar JP 2002-010405 ett avancerat system för styrning av individuella rotationsfrekvenser för hjulen hos ett fordon med individuell drivning av varje hjul.

Föreliggande uppfinning baseras emellertid på insikten att väsentligen hela det avancerade styrsystemet kan ersättas av ett direktkopplat styrsystem, i huvudsak bestående av en styrvinkelsensor, om fordonet är anordnat så att dess hjul på höger respektive vänster sida alltid följ er samma hjulspår då det framförs. Vid en svängrnanöver rör sig alla hjul på fordonets respektive sida längs samma cirkelbåge med samrna hastighet, och om hjulen har samma radie även med samma rotationshastighet. Alltigenom den följande beskrivningen antas att alla hjul har samma radie. Med uttrycket direktkopplat styrsystem avses ett system som endast använder den aktuella styrvinkeln för styrning av den relativa hastigheten för hjulen på höger resp. vänster sida.

Det enklaste exemplet på ett fordon av denna typ är ett symmetriskt midj estyrt fordon, vilket schematiskt visas i figur la. Ett sådant fordon har en symmetriskt belägen vridaxel, kring vilken de båda hjulparens hjulaxlar vrids. Figur lb visar en altemativ fonn av symmetrisk midj estyrning som innefattar två separata vridningsaxlar, men där vridningen kring respektive J'l PO (Å \J -ß- CD axel är länkad genom ett länkarrangemang (ej visat) så att symmetri uppnås. Exempel på symmetrikompenserande arrangemang visas i SE 500 259. Sådana arrangemang är speciellt tillämpbara för fordon med fler än två hjulpar, exempelvis Skogsmaskiner med 3 eller fler hjulpar såsom visas schematiskt i fig. lc.

Såsom nämnts ovan och som visas schematiskt i Figur la innefattar fordonet 10 enligt föreliggande uppfinning en styrvinkelsensor 20 anordnad att registrera fordonets 10 aktuella styrvinkel och två drivaxlar 30, 31 med drivhjul 30H, 30V, 3 lH, 3 IV och tillhörande drivarrangemang 40H, 40V, 41H, 4lV. Fordonet innefattar givetvis även styrorgan både för riktning och för hastighet (ej visade). Utsignalen från det hastighetsreglerade organet bestämrner tillsammans med stywinkelsensorn 20 den relativa rotationsfi-ekvensen för drivhjulen 30H, 30V, 311-1, 31V.

Styrvinkelsensorn 20 är företrädesvis anordnad vid fordonets 10 vridaxel, men den kan även anordnas vid fordonets styrorgan (ex. ratt) eller vid något mellanliggande läge. Styrsensom 20 genererar/modifierar en analog styrvinkelsignal såsom visas i utföringsformen som visas i ñgur 2a och som beskrivs i detalj nedan, eller så ger den en digital styrvinkelsignal. Sensorn 20 kan vara utfonnad på många olika sätt, såsom en vridresistor, linjär skjutresistor, digital vinkel-/lägesgivare, eller liknande.

I en uttöringsfonn är sensom 20 uppbyggd av två separata organ, ett för högersväng och ett for vänstersväng, vilka aktiveras vid svängning åt respektive håll. Genom denna uppbyggnad påverkar sensom 20 inte rotationsfrekvensen för de ”yttre” hjulen vid en svängmanover, samtidigt som rotationsfrekvensen för de inre hjulen sänks. Graden med vilken sensorn 20 påverkar den relativa rotationsfrekvensen anpassas givetvis till det aktuella fordonets utformning, med avseende på axelavstånd, axelbredd, hjuldiameter, styrningens utformning mm. Man kan givetvis även konstruera systemet så att konstant hastighet bibehålls genom en svängmanöver (förutsatt att det hastighetsreglerande organet inte ändras) genom att rotationshastigheten för de yttre drivhjulen höjs samtidigt som rotationsfrekvensen fór de inre drivhjulen sänks. oo o o o oooo o o o o ' KV! 'wfii 2! I :Q 00 nu 0 II OOIO OO .CDI IQ OO OOII O I I n O 0 O O I I 0 O O I I O I I I OI OO 00 (fl :o -Jw ~a _: <::> 5 Drivarrangemangen 4OH, 40V, 4lH, 41V är företrädesvis utformade som separata drivarrangcmang med individuellt styrbar rotationsfrekvens, där alla drivarrangemang på samma sida styrs av samma styrvinkelsignal från styrvinkelsensom 20. Denna lösning innebär att den relativa rotationsfrekvensen för alla drivhjul på respektive sida av fordonets färdriktning styrs, i enlighet med styrvinkelsignalcn från styrvinkelsensom. Vart och ett av dessa drivarrangemang 4OH, 40V, 4lH, 41V innefattar företrädesvis en elektrisk drivmotor, men man kan även tänka sig alternativa utfóringsformer med hydraulisk drivning eller liknande. En töredragen uttöringsfonn av ett sådant drivarrangemang innefattar en växelströmsmotor vars varvtal bestäms av växelströmmens frekvens (synkronmotor). I en sådan utiöringsfonn innefattar företrädesvis varje drivarrangcmang 4OH, 40V, 4lH, 41V även en spänningsomvandlare med förmågan att leverera växelström med styrbar fifekvens.

Alternativt kan en och samma spärmingsomvandlare kopplas till två eller fler drivarrangemang på samma sida. På ett liknande sätt kan alla drivarrangemang på en sida (höger eller vänster) vara mekaniskt kopplade och drivna av en gemensam motor. Enligt en annan altemativ utföringsforrn kan varje drivhjulpar drivas av ett och samma motorarrangemarrg med en växellåda med styrbart förhållande mellan relativa rotationshastigheter för höger respektive vänster sida I en töredragen uttöringsform innefattar drivarrangemangen 4OH, 40V, 4lH, 41V en elektrisk drivmotor som förses med elektrisk energi från en strömkälla på fordonet. Denna strömkälla kan vara ett batteriarrarigemang eller ett strömgenererande arrangemang, såsom en generator kopplad till en fórbränningsmotor eller en bränslecell.

Enligt en uttöringsforrn kombineras utsignalerna från det hastighetsreglerande organet och styrvinkelsensom 20 till en höger- resp. en vänstersignal som matas till drivarrangemangen på höger 4OH, 4lH resp. vänster sida 40V, 4lV-, vars rotationshastighet ställs in i enlighet med respektive signal. Altemativt kan drivarrangernangens 4OH, 40V, 4lH, 41V förses med separata ingångar för hastighets- resp. styrvinkelsignal, varmed den generella hastigheten bestäms av hastighetssignalen och styrvinkclsignalen tolkas som en avvikelse från den generella hastigheten. Denna utföringsforrn är speciellt lämplig när signalema är digitala signaler och varje drivarrangernang 4OH, 40V, 4lH, 41V innefattar en spänningsomvandlare som styr arrangemangets rotationshastighet. 10 15 20 .II .0 0000 0 CH 0 ou.0: :liJ-ø: : 00 00 00 30 00 00 II COIO II CIO! Il OI OOOO Û I Û O O I I O Û Û C I F26 740 Figur 2a visar ett mer detaljerat exempel av en drivlina 100 till ett fordon enligt föreliggande uppfinning. Drivlinan 100 är av så kallad hybridtyp och innefattar en dieselmotor 110 som driver en generator 120. Generatom 120 är en växelströmsgenerator som via en likriktare genererar en huvudmatning 130 av likström. Huvudmatningen 130 representeras av två krafiiga ledare (böj liga) som via grenledningar står i förbindelse med de individuella drivrangemangen 150 vid respektive drivhjul 160, varigenom dessa förses med likström. Ett batteri 140 är kopplat till huvudmatningen 130 för att lagra överskottsenergi och ge ifrån sig tillskottsenergi vid belastningssituationer som kräver mer energi än vad generatom 120 tillhandahåller.

De individuella drivrangemangen 150 vid varje drivhjul 160 är alla väsentligen identiska och innefattar en styrbar spärrningsomvandlare 170, en elmotor 180 och en växellåda 190. Den styrbara spänningsomvandlaren 170 har en matningsingång 200 för likström kopplad till huvudmatningen 130 enligt ovan, en styrsignalingång 210 kopplad till ett styrsystem 240 och en växelströmsutgång 220 kopplad till elrnotorn 180. Spänningsomvandlaren 170 är anordnad att omvandla likström från huvudmatrringen 130 till en växelström med en fiekvens som styrs av en styr-signal Vs, Hs som mottas via styrsignalingången 210. Sådana styrbara spänningsomvandlare 170 är välkända inom området och kräver ingen närmare beskrivning.

Den utmatade växelströmmen är av trefastyp och motorn 180 är följaktligen en trefasmotor som roterar med en rotationshastighet som bestäms av växelströmmens fi-ekvens. En fördel med detta arrangemang är att motom 180 roterar med väsentligen konstant varvtal oberoende av belastning (högre belastning kräver högre strömstyrka).

Motorn 180 är i sin tur förbunden med respektive drivhjul via ett mekaniskt växellådsarrangemang 190 som omvandlar motorns 180 varvtal på lämpligt sätt så att fordonet kan fiamiöras inom ett lämpligt hastighetsintervall.

Drivlinans 100 styrsystem 240 är som tidigare beskrivits mycket enkelt till uppbyggnaden, jämfört med kända system. I föreliggande utföringsform innefattar styrsystemet 240 ett övergripande hastighetsreglerande organ 250 i form av en spänningsdelare som på ingångssidan matas med en likspänning av exempelvis 5 volt och ger en signal mellan 0-5 10 20 I! I 0 0 00 OO O 00 526 740 7 volt som utsignal Ss, beroende på organets 250 läge. Styrsystemet 240 innefattar vidare styrvinkelsensorer 260h, 260v för fordonets höger resp. vänster sida. Dessa styrvinkelsensorer 260h, 260v fungerar även de som spänningsdelare vars ingångssida matas med utsignalen Ss fiån det hastighetsreglerande organet 250. Utsignalerna Hs, Vs från styrvinkelsensorerna 26OH och 260V leds till styrsignalingångarna 210 hos alla motorarrangemangen 150 på respektive sida. Styrvinkelsensorerna 26OH, 260V är kopplade till fordonets styming på så sätt att de när fordonet framförs rakt fram låter utsignalen Ss från det hastighetsreglerande organet 25 0 passera opåverkad genom styrvinkelsensorerna 26OH, 260V, (V s=Ss=Hs) och när fordonet utför en svängmanöver sänker styrspänningen Vs eller Hs för den sida som fordonet svänger åt medan styrspänningen Vs eller Hs för den andra sidan bibehålls oförändrad (V s=Ss>Hs för höger-sväng och Vs Insignalema Hs, Vs till spänningsomvandlarna 170 är följaktligen analoga signaler med en spänning mellan 0 och 5 volt och motsvarande utsignaler till elmotorema 180 styrs så att varvtalet varierar från O till maximalt tillåtet varvtal genom att frekvensen av den utrnatade drivströmmen varierar från 0 till maxfrekvens. Genom detta arrangemang bibehåller de yttre hjulen vid kontant Ss samma hastighet under alla svängmanövrar. För att detta skall fungera tillfredställande är de två styrvinkelsensorema 260h, 260v kalibrerade så att den genom utsignalema Vs, Hs framkallade sänkningen av rotationsfrekvens överensstämmer med hjulens förkortade färdväg.

Figur 2b visar en altemativ utföringsfonn av drivlinan 100, där alla elmotorer 180 på respektive sida H, V är kopplade till en och samma spänningsomvandlare 170. Denna utföringsform använder färre spänningsomvandlare 170, men den medför å andra sidan mer ledningsdragning. Man kanäven tänka sig kombinationer av dessa två uttöringsformer, där drivaxlar som är belägna nära varandra utnyttjar gemensamma spänningsomvandlare 170.

Figur 3 visar en isärtagen vy av en drivaxel 300 att användas i ett fordon enligt föreliggande uppfinning. Genom att skapa en standardiserad drivaxel kan ett enkelt och robust fordon konstrueras. Ett sådant fordon blir vidare enkelt att reparera, efiersom antalet reservdelar som behövs vid reparation minimeras. Drivaxeln 300 innefattar en axelbalk 310 med ett drivarrangemang 320H resp. 320V löstagbart anordnat vid vardera änden. De båda 10 15 20 526 740 8 drivarrangemangen 320H,V är identiska till uppbyggnaden, och innefattar en elektrisk motor 330, ett växelarrangemang med hjullager 340 och ett nav 350. Alternativt kan respektive drivangemang 320H,V även innefatta en spänningsomvandlare, vilka då ansluts till fordonets elektriska huvudmatning och fordonets styrsystem. Drivaxeln 300 monteras därefter på lämpligt sätt på ett fordon och motorema 330 ansluts elektriskt till ett styrbart elektriskt matningssystern i fordonet. Denna uppbyggnad medför som nämnts ovan mycket förenklade reparationsprocedurer, eftersom hela drivaxeln 300 eller enskilda drivarrangemang 320H,V enkelt kan bytas ut om något gått sönder. Vidare blir det enklare att både konstruera och tillverka fordon som baseras på drivaxlar av denna typ.

Drivlinan enligt föreliggande uppfinning har beskrivits för ett hjulförsett fordon, men den kan givetvis användas för att styra differentíalfördelningen hos ett bandförsett fordon eller fordon med både hjul och band, såsom en bandvagn eller liknande.

Vid försöksverksamhet har det visat sig att ett fordon med elektrisk fi-amdrivning enligt föreliggande uppfinning uppvisar oöverträffad bränsleekonomi jämfört med liknande fordon med konventionell drivlina. För en sko gsmaskin med fler än två drivhjulpar har en 50 procentig sänkning av bränsleförbrukningen påvisats vid obelastad drifi. Vid belastad drifi väntas sänkningen vara ännu större, eftersom drivarrangemanget enligt föreliggande uppfinning även medför att fordonet kan göras lättare. Det uppskattas att egenvikten för en skotare kan halveras om den konstrueras med en sådan drivlina. Fordonets energiförbrukning kan dessutom minskas ytterligare genom användning av sk. regenerativ motorbroms, där bromsenergin återvimis via elmotorerna som vid motorbromsning fimgerar som generatorer och på så sätt genererar ström som kan lagras i fordonets batteri.

Claims (1)

, 526 740 PATENTKRAV

1. Fordon (10, 100) med två eller fler hjulpar (30, 31) innefattande åtminstone två drivaxlar, var och en med ett drivhjulpar, eventuella tillkommande icke drivna 5 hjulaxlar med hjul, ett hastighetsreglerande organ och ett styrsystem som direkt påverkar styrvinkelförhållandet mellan åtminstone två av fordonets axlar, där fordonet är så anordnat att alla hjul på dess högra respektive vänstra sida alltid följer samma hjulspår då det framförs, kännetecknat av, att det innefattar ett differentialkornpenserande organ med en styrvinkelsensor, 10 att rotationshastigheten för alla drivhjul på höger sida styrs av en hastighetssignal för höger sida och att rotationshastigheten för alla drivhjul på vänster sida styrs av en hastighetssignal för vänster sida, 15 att det hastighetsreglerande organet genererar en övergripande hastighetssignal som matas till det dífferentialkornpenserande organet, att styrvinkelsensorn är anordnad att registrera fordonets aktuella styrvinkel och att det differentíalkompenserande organet är anordnat att omvandla den övergripande 20 hastighetssignalen till differentialkompenserade hastighetssignaler för höger respektive vänster sida enligt följande kriterier: när den av styrvinkelsensom registrerade styrvinkeln är noll och fordonet följaktligen färdas rakt fram, är hastighetssignalema för höger och vänster sida båda lika med den 25 övergripande hastighetssignalen, när styrvinkelsensom registrerar en styrvinkel som medför att fordonet utför en högersväng är hastighetssignalen för vänster sida lika med den övergripande hastighetssignalen och hastighetssignalen för höger sida differentialkompenserad i 30 enlighet med den aktuella styrvinkeln, och när styrvinkelsensom registrerar en styrvinkel som medför att fordonet utför en 10 15 20 526 749 lO vänstersväng är hastighetssignalen för höger sida lika med den övergripande hastighetssignalen och hastighetssignalcn för vänster sida differentialkompenserad i' enlighet med den aktuella styrvinkeln. . Fordon enligt krav 1 kännetecknat av att det differentialkompenserande organet innefattar två separata vinkelsensorer, en för hö gersväng och en för vänstersväng, som är anordnade att endast aktiveras då fordonet utför en sväng i respektive riktning. . Fordon enligt krav 1 kännetecknat av att varje drivhjul drivs av ett separat motorarrangemang (4OH, 4OV, 41H, 41V). . Fordon enligt krav 1 eller 2 kânnetecknat av att motorarrangemangen är elektriskt drivna. . Fordon enligt något av kraven l till 3 kännetecknat av att det är midjestyrt. . Fordon enligt något av kraven I till 5 kännetecknat av att alla hjul ärdrivhjul. . Fordon enligt något av kraven 1 till 6 kännetecknat av att styrvinkelsensorn är en analog sensor. . Fordon enligt något av kraven 1 till 6 kännetecknat av att styrvinkelsensorn är en digital sensor.