SI23465A - Električna prestava za električna vozila z direktnim pogonom - Google Patents

Abstract

Predmet izuma je električna prestava za električna vozila z direktnim pogonom. Po izumu je vsaj na eni osi vozilo gnano z direktnim električnim pogonom, kjer je elektromotor (3) preko sklopke (2) povezan s kolesom (1), pri čemer so krajišča posameznih tuljav (4) elektromotorja (3) postavljena tako, da so na dostopnem mestu ali v sistemu električnih stikal (10) in se povezujejo v vzporedne ali zaporedne kombinacije ter v zvezdo ali trikot. Če je vozilo gnano na več kot eni osi, se preklop na posameznih oseh izvede časovno neprekrivajoče. Posebna varianta izuma pa je tudi preklapljanje v mirovanju ali pri nizkih hitrostih. V tem primeru sklopka ni potrebna, spreminjanje obratov elektromotorja tudi ne, preklop pa se lahko izvede na vseh oseh sočasno.

Description

Predmet izuma je električna prestava za električna vozila z direktnim pogonom. Direktni pogon je lahko realiziran kot kolesni pogon, pri čemer ima vsako pogonsko kolo svoj elektromotor, ali pa z enim motorjem za vsako pogonsko osi, pri čemer torej en elektromotor poganja obe kolesi. Tudi če gre za kolesni pogonov dveh motorjev na eni osi, ta pogon imenujemo pogon ene osi. Direktni električni pogoni postajajo vedno bolj aktualni za pogon električnih vozil. Ker so pri direktnem pogonu elektromotorji brez mehanskih prestav povezani s pogonskimi kolesi, je celoten izkoristek signifikantno višji kot pri sistemih s prestavami. Po drugi strani pa morajo elektromotorji za direktni pogon delovati v širokem območju obratov in navora ter imeti po tem celem območju kar se da visok energijski izkoristek. Zaradi potrebe po visokem specifičnem navoru in izkoristku, se v električnih vozilih, tako v sistemih z direktnim pogonom kot v sistemih s prestavami, večinoma uporabljajo elektronsko komutirani trifazni sinhronski elektromotorji s trajnimi magneti. Če morajo tovrstni elektromotorji delovati v širokem območju navorov in obratov, je potrebnih pri sami elektromagnetni konstrukciji motorja več kompromisov. Konkretno to pomeni odebeljene magnete, nizko število ovojev tuljave in druge kompromise. Ti kompromisi običajno rezultirajo v neželjeni visoki teži in ceni ter slabšem energijskemu izkoristku pri visokih navorih ali nizkih obratih. Ena od bistvenih lastnosti motorjev so povezave med tuljavami, ki sestavljajo navitje elektromotorja. Te povezave se realizirajo s povezovanjem krajišč tuljav, v večini elektromotorjev pa so ta krajišča ob običajno sklenjena na tak način, da jih ni mogoče razkleniti na enostaven način in vzpostaviti drugačne povezave.

Znane rešitve za razširitev področja delovanja direktnih pogonov obsegajo metode slabljenja polja in več vrst električnih prestav. Pri obstoječih električnih prestavah gre predvsem za različne kombinacije zaporednih in vzporednih vezav akumulatorskega napajanja, ki je kot primer opisano v članku raziskovalca Yang Yee Pien-a, z naslovom »Novel Design of Electric Gearshift with Ultracapacitors in the Power Train of Electrical Vehicle with Direct-Driven Wheel Motor«, objavljeno v IEEE Transactions on Vehicular Technology, leta 2005. Obstajajo še posebne rešitve, ki obsegajo mehanski izvlek statorja elektromotorja ali konstrukcije elektromotorjev z več kot enim rotorjem, kot je predstavljeno v W0/2009/036179.

• ·

-2Obstoječe rešitve sicer delno rešujejo osnovni problem razširitve področja delovanja elektromotorja, vendar ustvarijo celo kopico novih težav. Metode s slabljenjem polja sicer omogočajo podvojitev razpona dosegljivih obratov, vendar je pri njihovi uporabi večja nevarnost odpovedi ali poškodb krmilne elektronike, višja cena, obenem pa je v podaljšanem območju energijski izkoristek slabši. Pri sistemih s preklapljanjem vzporednih in zaporednih povezav akumulatorjev je problematična uporaba večjega števila visokotokovnih kontaktorjev, ki so dragi, obenem pa pri njihovem preklopu preskoči tudi iskra, ki predstavlja potencialen vir okvar. Sistem z izvlečenim statorjem ali z več rotorji je mehansko kompliciran, obenem pa ima slabši energijski izkoristek.

Izum, ki rešuje opisane težave, bo opisan na izvedbenem primeru in sliki, ki prikazuje:

Slika 1: shema električne prestave po izumu.

Po izumu je rešitev zasnovana tako, da se lahko pri vsakem izmed pogonskih elektromotorjev 3, ki so s sklopko 2 povezani s pogonskimi kolesi 1, preklaplja med kombinacijo vzporedno in zaporedno vezanih tuljav 4 elektromotorja 3, preklapljanje pa je krmiljeno tako, da se ob preklopu električne prestave sklopka 2 sprosti, elektromotor 3 zmanjša obrate izvede se preklop sistema električnih stikal 10, elektromotor 3 se požene na zahtevane obrate in s sklopko 2 sklopi s kolesom 1. Cel postopek je elektronsko voden in ne traja več kot dve sekundi. Preklapljanje ja predvideno z določeno histerezo, tako da se preklop navzgor in navzdol zgodita pri različnih hitrostih, npr. z razliko do 30% predvidenega območja obratov v dotični prestavi, s čimer se zmanjša število potrebnih preklopov pri dinamični vožnji.

Rešitev je prikazana na primeru enega pogonskega elektromotorja 3, ki ima trifazno navitje vezano v zvezdo, vsako fazo 13 pa sestavljata dve tuljavi 4. Krajišča tuljav 4 so nameščena tako, da se jih lahko povezuje na različne načine. V opisanem primeru je to s stikali 11, 12 v sistemu električnih stikal 10, seveda pa je lahko način izvedbe vezav drugačen. Tuljavi 4 v vsaki fazi 13 sta povezani z dvema stikaloma 11,12, s katerimi sta ob položaju 5 stikala 11 in položaju 7 stikala 12 povezani vzporedno, ob položaju 6 stikala 11 in položaju 8 stikala 12 pa sta povezani zaporedno. Seveda se sistem podobno zasnuje tudi v primeru več kot dveh tuljav 4 v posamezni fazi 13. Pomembno je le, da se z različnimi položaji in stanjem povezav stikal 11, 12 in morebitnih drugih stikal lahko doseže različne kombinacije zaporedno in vzporedno povezanih tuljav. Če bi bilo navitje vsake faze 13 sestavljeno iz treh tuljav, bi stikala namestili tako, da bi s stikali preklapljali med načinom s tremi vzporedno vezanimi tuljavami in tremi

-3zaporedno vezanimi tuljavami. Če bi bilo navitje vsake faze sestavljeno iz štirih tuljav bi jih lahko uporabljali na način, da bi bile vse štiri vezane vzporedno, vse štiri zaporedno ali pa po dve vzporedno in potem ta par zaporedno. Pri večjem številu tuljav, se odpre še več možnih kombinacij povezav.

Pri opisanem načinu so na izhodu elektromotorja 3 in sistema električnih stikal 10 le trije dovodni vodniki 9. Rešitev bi lahko kombinirali s še kakšnim dodatnim sistemom stikal pri viru energije ali pri krmilni elektroniki.

Rešitev bi lahko uporabili tudi pri sistemih s številom faz, ki se razlikuje od tri. Pomembno je le, da se z različnimi položaji in stanjem povezav stikal lahko doseže različne kombinacije zaporedno in vzporedno povezanih tuljav ali povezav v zvezdo ali trikot, pri čemer je položaj stikal in stanje povezav za vsako fazo lahko enako kot v trifaznem sistemu.

V kolikor se rešitev uporablja na več pogonskih oseh istega vozila, je smiselno, da se prehod med eno in drugo prestavo ne izvede sočasno na vseh oseh, ampak da se izvede prestavljanje prestave izmenično na posameznih oseh. To pomeni, da se preklop najprej izvede na eni osi, kasneje pa še na drugih. Če imamo dve gnani osi je ena izmed možnosti najprej preklop na eni osi, potem pa na drugi. Postopek preklopa je lahko tak, da se ob preklopu električne prestave najprej sklopka 2 na osi, kjer poteka prestavljanje električne prestave sprosti, pogon na osi, kjer ne poteka prestavljanje kompenzira zmanjšan navor, ki je posledica sprostitve sklopke na osi, kjer poteka preklop električne prestave, z zagotavljanjem dodatnega navora, elektromotor 3, ki je na osi, kjer poteka prestavljanje električne prestave, zmanjša obrate, izvede se preklop sistema električnih stikal 10 v sistemu ob osi, kjer poteka preklop električne prestave, elektromotor 3 na osi, kjer poteka preklop električne prestave, se požene na zahtevane obrate, s sklopko 2 na osi, kjer poteka preklop električne prestave se sklopi s kolesom, na osi, kjer ni potekal preklop električne prestave, pa se navor vrne na vrednost, ki ne kompenzira navora na osi, kjer je bil izveden preklop električne prestave. Tak način preklopa se lahko izvede tudi v sistemih z več kot dvema gnanima osema, pri čemer poteka preklop na vsaki osi posebej, pogoni na aktivno gnanih oseh pa skupaj kompenzirajo manjkajoč navor osi, na kateri se izvaja preklop električne prestave.

Delna rešitev problema je tudi v ločenem preklopu na vsaki posamezni osi, kar je uporabno, če je vsaka os gnana z več kot enim pogonskim elektromotorjem 3. Konkretno to pomeni, da lahko na eni osi izvajamo preklop na vseh elektromotorjih hkrati, ali pa na vsakem posebej. Če izvajamo preklop na vsakem posebej, moramo paziti na varnost, saj bi zaradi različnih

-4pogonskih navorov na posameznih straneh vozil lahko prišlo do zasuka vozila ali slabše vodljivosti.

Posebna oblika preklopa je tudi preklop ob mirovanju vozila ali ob počasni vožnji oziroma pri hitrosti pri kateri ne prihaja do iskrenja ob preklopu stikala, ki se lahko izvede tudi pri sistemih brez mehanske sklopke. To pomeni, da je sistem tak, da sklopke 2 sploh ni, ali pa je običajno sklopljena. Če poteka preklop ob počasni vožnji ali mirovanju, se lahko izvede na vseh gnanih oseh istočasno. V tem primeru se za preklop le preklopi položaje električnih stikal, reguliranje položaja sklopke in obratov motorja pa ni pomembno. Prednost izuma je v zmanjšanju možnosti za nesrečo ali okvare, saj preklop počasi vrtečega elektromotorja 3 ali mirujočega elektromotorja ne povzroča iskrenja, samo kombiniranje zaporednih in vzporednih tuljav pa omogoča tudi večje razpone delovanja.

Električna prestava za električna vozila z direktnim pogonom po izumu je torej značilna po tem, da je vsaj na eni osi vozilo gnano z električnim pogonom, kjer je elektromotor 3 preko sklopke 2 povezan s kolesom 1, pri čemer so krajišča posameznih tuljav 4 elektromotorja 3 postavljena tako, da so na dostopnem mestu ali v sistemu električnih stikal 10 in se povezujejo v vzporedne ali zaporedne kombinacije in v zvezdo ali trikot. Pri tem se ob preklopu pogona na posamezni osi prestave izvede razklop sklopke 2, zmanjšanje obratov elektromotorja 3, preklop navitja tuljav 4, povečanje obratov in sklop sklopke 2.

V drugi varianti po izumu je električna prestava značilna po tem, daje vozilo gnano na več kot eni osi, pri čemer je vsaj na eni osi z električnim pogonom, kjer je elektromotor 3 direktno ali preko sklopke povezan s kolesom 1, pri čemer so krajišča posameznih tuljav 4 elektromotorja 3 postavljena tako, da so na dostopnem mestu ali v sistemu električnih stikal 10 in se povezujejo v vzporedne ali zaporedne kombinacije in v zvezdo ali trikot. Vsako os lahko poganja en ali več elektromotorjev 3. Preklopi se izvajajo na več oseh in se časovno ne prekrivajo.

V tretji varianti pa se preklop električne prestave izvede ob mirovanju ali pri vožnji, ki ne presega 20% hitrosti najnižje prestave oziroma do hitrosti, pri kateri ob preklopu stikala ne pride do neželenega pojava iskrenja.

Izum je uporaben na širokem področju električnih pogonov v vozilih, predvsem pa v avtomobilih ter večjih vozilih kot so tovornjaki, avtobusi in razna gospodarska vozila. Uporaba izuma zmanjša stroške izdelave posameznih komponent in porabo energije ob delovanju vozila.

Claims (6)

1. Električna prestava za električna vozila z direktnim pogonom na vsaj eni osi, označena s tem, da je vsaj na eni osi vozilo gnano z direktnim električnim pogonom, kjer je elektromotor (3) preko sklopke (2) povezan s kolesom (1), pri čemer so krajišča posameznih tuljav (4) elektromotorja (3) postavljena tako, da so na dostopnem mestu ali v sistemu električnih stikal 10 in se povezujejo v vzporedne in/ali zaporedne kombinacije ali v zvezdo ali trikot.

2. Električna prestava po zahtevku 1 označena s tem, da se ob preklopu pogona na posamezni osi prestave izvede razklop sklopke (2), zmanjšanje obratov elektromotorja (3), preklop stikal (11), (12), ki povezujejo krajišča tuljav (4), povečanje obratov in sklop sklopke (2).

3. Električna prestava za električna vozila z direktnim pogonom na vsaj eni osi, označena s tem, da je vozilo gnano na več kot eni osi, pri čemer je vsaj na eni osi gnano z električnim pogonom, kjer je elektromotor (3) direktno ali s sklopko 2 povezan s kolesom (1), pri čemer so krajišča posameznih tuljav (4) elektromotorja (3) postavljena tako, da so na dostopnem mestu ali v sistemu električnih stikal (10) in se povezujejo v vzporedne ali zaporedne kombinacije ter so lahko povezane v zvezdo ali trikot, prestavljanje pa se izvede tako, da se preklopi na posameznih fazah časovno ne prekrivajo, zmanjšan navor ob preklopu na pogonu ene osi pa kompenzirajo preostali pogoni na drugih oseh.

4. Električna prestava po zahtevku 3 označena s tem, da se preklop električne prestave izvede ob mirovanju ali pri vožnji, ki ne presega 20% hitrosti najnižje prestave oziroma pri hitrosti kjer ob preklopu ne pride do iskrenja, pri čemer v sistemu sklopka ni potrebna, obenem pa se preklop lahko izvede na več oseh hkrati.

5. Električna prestava po zahtevkih 1, 2, 3 in 4 označena s tem, da lahko vsako os poganja en ali več elektromotorjev 3.

6. Električna prestava po zahtevkih od 1 do 5, označena s tem, da se preklopi, ki se izvajajo na več oseh, časovno ne prekrivajo.