WO1991014596A1 - Differencial electronico autoblocante para vehiculos de traccion electrica - Google Patents

Differencial electronico autoblocante para vehiculos de traccion electrica Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a direct wheel drive system for electric vehicles by means of asynchronous motors fed at variable frequency, which integrates in the control itself the balancing function of motor pairs in each wheel, with the consequent distribution of mechanical powers, in the same way that operates the mechanical differential used until now in the vast majority of motor vehicles.
  • the function of the classic differential consists precisely in making an adequate distribution of the power transmitted by the engine to each driving wheel.
  • the two motor pairs must be the same so that the vehicle is driven with equal force by both wheels and does not tend to "cross" with respect to the path defined by the position of the steering wheels. In this situation the power transmitted by each wheel is the same, since it is the product of the torque for angular velocity.
  • Feeding these motres is effected by means of inverters is a t i cos a variable frequency, of the type of attack source tens tio n (Voltage Source Inverter) either width modulation i mpulso (PWM) or control in bang-bang (currente Control Mode) the remaining t i after investors not allow to control themselves and effective value of the applied voltage in the case of a vehicle ctr é i co comes from a battery substantially constant voltage.
  • the inverters must be controlled so that the mechanical torque supplied by each motor is the same at all times.
  • the classic mechanical differential has the disadvantage that if forgiveness i gives adhesion to the floor of one of the wheels, said t wheel i thus repackaging, dissipating it full power of the engine U n i ca solut i consists ng converting rigid shaft when this occurs (i ential autoblocante d).
  • the problem is compounded by the possibility that one of the left engines serv i c out i or breakdown of the engine itself or the drive or controller that gob i Erna.
  • the proposed solution for this is that the two motors have two shaft that can be coupled to a clutch med i, operating normally as two sem i and j is independent. In the event of a breakdown, the clutch is automatically coupled while the motor is completely disconnected.
  • the transmission system consists of two electric motors each coupled to one of the driving wheels of the vehicle powered by a variable frequency inverter as shown in figures la and Ib for the case of front-wheel drive or rear wheel drive respectively.
  • Both inverters referred to by 2 and 2 'in Figure 2 for the particular case of rear-wheel drive, (which can in general incorporate their own internal logic of control of the trip impulses to the power semiconductors of the bridge, either by means of of transistors, SCR, GTO, etc.) are controlled by a central regulator 3 from which they receive the torque setpoint according to the position of the accelerator pedal 4, feed the motors 1 and 1 'coupled directly to wheels 5 and 5 '.
  • the mechanical torque control of each motor is carried out by sliding control, according to the scheme of figure 3a, with the machine working at constant flow.
  • the two inverters must be of the type of voltage attack with PWM wave so that, in addition to minimizing the harmonic content of the supply current to each motor, it allows the Volts / hertz ratio to be relagulated to achieve a family of characteristic curves of constant maximum torque, as indicated in figure 3b. Under these conditions the torque is proportional to the slippage in the work area. It is therefore sufficient to measure the instantaneous speed in the wheel by means of the 6 and 6 "tacodynamics and the instantaneous value of the power supply to obtain the desired slip value.
  • the voltage and frequency measurements can be replaced by the setpoint value existing within the control program itself and which is used to determine the switching moments of the power elements of the inverter bridge if it is of the PWM type.
  • the equipment incorporates a self-locking device whose operation is illustrated in Figures 5a and 5b in which the components that are in operation at a given time are shown shaded. In normal operation, when all of them are operational (figure 5.a) each converter feeds its corresponding motor and the central regulator is responsible for balancing the torques in each axle shaft as described in the previous paragraphs.
  • both semi-axles can be mechanically coupled by means of the central clutch shown in the figures, thus converting the assembly into a rigid shaft
  • the drive of this clutch can be done manually or automatically.
  • the maneuver is carried out by means of a mechanical lever that is responsible for moving a mechanical sleeve between both axles or that drives a conventional clutch.
  • East Drive can also be carried out by means of a controlled electromagnet from the vehicle dashboard.
  • the drive is carried out by means of an electromagnet controlled by the speed regulator itself so that both axles are coupled when the system detects packing of one of the wheels due to loss of adhesion or a defect in the operation of one of the the motors, in which case it is also responsible for leaving the defective motor out of service.
  • this situation is signaled on the dashboard by a suitable optical or acoustic warning, not explicitly represented in Figure 5 for simplicity.

Abstract

Sistema de reparto de pares para vehiculos eléctricos que permite que las dos ruedas motrices giren impulsadas por el mismo par motor con independencia de la velocidad de giro de cada una. El reparto de potencias se lleva a cabo mediante un control electrónico (3) que actúa sobre los inversores (2, 2') a frequencia variable que alimentan a los motores asincronos (1, 1') acoplados directamente a las ruedas (5, 5'). Los inversores permiten un control simultáneo del valor eficaz y la frecuencia de la tensión aplicada. El control de los equipos se realiza por un único sistema controlado (3) que permite controlar en todo momento el par de cada motor (1, 1'), adjustando la frecuencia de alimentación de forma que los pares motores en cada rueda (5, 5') sean iguales. El sistema incluye un dispositivo autoblocante que convierte en rígido el eje en caso de averia de un motor o pérdida de adherencia de una de las ruedas.

Description

DIFERENCIAL ELECTRÓNICO AUTOBLOCANTE PARA VEHÍCULOS DE TRACCIÓN ELÉCTRICA.
El presente invento se refiere a un sistema de tracción directa a las ruedas para vehículos eléctricos mediante motores asincronos alimentados a frecuencia variable, que integra en el propio control la función de equilibrado de pares motores en cada rueda, con la consiguiente distribución de potencias mecánicas, de la misma forma que opera el diferencial mecánico utilizado hasta ahora en la inmensa mayoría de los vehículos automóviles. La función del diferencial clásico consiste precisamente en efectuar un reparto adecuado de la potencia transmitida por el motor a cada rueda motriz. Cuando el vehículo avanza en línea recta los dos pares motores deben ser iguales para que el vehículo sea impulsado con igual fuerza por ambas ruedas y no tienda a "cruzarse" respecto de la trayectoria definida por la posición de las ruedas directrices. En esta situación la potencia que transmite cada rueda es la misma, ya que es el producto del par por la velocidad angular. En cambio, cuando el vehículo describe una curva, la rueda exterior describe una trayectoria más larga que la interior, por tanto debe girar a más velociddad. No obstante, el par motor en ambas ruedas debe seguir siendo el mismo para poder conservar la trayectoria deseada, lo cual implica que la potencia enviada a la rueda exterior sea mayor, en proporción directa a las velocidades de giro de cada una. Los prototipos actuales de vehículo eléctrico incorporan normalmente un único motor que sustituye al de combustión interna de un vehículo convencional, y por tanto la transmisión de potencia a las rueda, tanto si se trata de un vehículo de tracción trasera o delantera, debe efectuarse por medio de un diferencial. Existe la posibilidad de un eje rígido, y de hecho algunos vehículos convencionales lo montan, pero esta solución conlleva un comportamiento extraño en curvas cerradas y un mayor desgaste de los neumáticos. Dado que uno de los problemas básicos que condicionan la viabilidad de un vehículo eléctrico es el peso total en orden de marcha (a causa del gran peso de las baterías de almacenamiento actuales) y el rendimiento del conjunto (a acusa del relativo bajo rendimiento de las propias baterías), la solución propuesta pasa por la supresión del diferencial mecánico que es sustituido por dos motores con acoplamiento directo a las ruedas motrices. Estos motores deben ser lo más robustos posible desde el punto de vista mecánico, ya que todas las irregularidades del terreno se trasmitirían directamente a ellos a través de su eje y por tanto queda descartada la utilización de motores de corriente continua, siendo sustituidos por motores asincronos de jaula de ardilla.
La alimentación a estos motres se efectúa por medio de inversores estáticos a frecuencia variable, del tipo de ataque por fuente de tensión (Voltage Source Inverter) ya sea con modulación de ancho de impulso (PWM) o de control en bang-bang (Cúrrente Control Mode) Los restantes tipos de inversores no permiten controlar por sí mismos e valor eficaz de la tensión aplicada que en el caso de un vehículo eléctrico procede de unas baterías de tensión esencialmente constante. En cualquiera de estos casos los inversores deben ser controlados de forma que el par mecánico suministrado por cada motor sea el mismo en todo momento.
El diferencial mecánico clásico tiene el inconveniente de que en caso de perdida de adherencia al suelo de una de las ruedas, dicha rueda tiende a embalarse, disipándose en ella toda la potencia del motor La única solución consiste en convertir en rígido el eje cuando esto ocurre (diferencial autoblocante). En nuestro caso el problema se agrava con la posibilidad de que uno de los motores quede fuera de servicio por averia del propio motor o del convertidor o el controlador que lo gobierna. La solución propuesta para este caso consiste en que los dos motores tengan dos extremos de eje que se puedan acoplar mediante un embrague, funcionando en condiciones normales como dos semiejes independientes. En caso de avería el embrague se acopla aumáticamente al tiempo que se desconecta completamente el motor avenado. Este acoplamiento permite que el vehículo siga en funcionamiento si bien con la mitad de la potencia, hasta que pueda ser reparado. De esta forma se obtiene una mayor fiabilidad en el conjunto al contar con una cierta redundancia en el sistema motriz cosa que no ocurre en los motres de combustión interna, en los que' en caso de fallo simple de un elemento queda todo el motor fuera de servicio y el vehículo inmovilizado. En su versión automática el acoplamiento mediante embrague estaría accionado mediante un electroimán, de forma que acople ambos semiejes de forma automática e instantánea en caso de detección de avería o de pérdida de adherencia de una de las ruedas. En todo caso, dicho acoplamiento siempre se puede realizar de forma manual para prevenir fallos en el propio mecanismo de accionamiento del embrague y su funcionamiento es tal que acople ambos semiejes en caso de pérdida de alimentación de la bobina del electroimán.
Para ello el sistema de transmisión según el invento consta de dos motores eléctricos acoplados cada uno de ellos a una de las ruedas motrices del vehículo alimentados mediante un inversor a frecuencia variable como se muestra en las figuras la y Ib para el caso de tracción delantera o tracción trasera respectivamente. Ambos inversores denominados por 2 y 2' en la figura 2, para el caso particular de tracción trasera, (que pueden en general incorporar su propia lógica interna de mando de los impulsos de disparo a los semiconductores de potencia del puente, ya sean por medio de transistores, SCR, GTO, etc) se encuentran controlados por un regulador central 3 del cual reciben la consigna de par de acuerdo con la posición del pedal del acelerador 4, alimentan los motores 1 y 1 ' acoplados directamente a las ruedas 5 y 5'. En la versión más sencilla del sistema de control, y la que se propone como preferente, el control del par mecánico de cada motor se efectúa por control del deslizamiento, según el esquema de la figura 3a, con la máquina trabajando a flujo constante. Para ello los dos inversores deber ser del tipo de ataque por tensión con onda PWM de forma que, además de minimizar el contenido en armónicos de la corriente de alimentación a cada motor, permita relagular la relación Voltios/hertzios para conseguir una familia de curvas características de par máximo constante, como se indica en la figura 3b. En estas condiciones el par es proporcional al deslizamiento en la zona de trabajo. Es sufiente por tanto medir la velocidad instantánea en la rueda por medio de la tacodinamos 6 y 6" y el valor instantáneo de la fruencia de alimentación para obtener el valor del deslizamiento deseado.
Cuando el vehículo toma una curva, la trayectoria de la rueda exterior es más larga que la de la rueda interior, y por tanto aparecen reacciones en cada rueda que hacen que el par resistente que se ofrece a una de ellas sea distinto del que se ofrece a la otra. La rueda que "ve" menos par resistente tiende a girar más deprisa y la otra más despacio. En el caso de un giro a la izquierda, si la frecuencia de alimentación de cada motor no variase, el punto de funcionamiento de la rueda izquierda pasaría del punto 1 al punto 2 en la figura 4 mientras que 1 punto de funcionamiento de la rueda derecha pasaría del punto 1 al 3 en la misma figura. Estos cambios implican diferentes pares mecánicos en cada rueda, y para evitarlo el sistema debe modificar la frecuencia de alimentación de cada inversor, y por tanto las respectivas velocidades de sincronismo de modo que con el correspondiente valor del deslizamiento, los pares mecánicos se equilibren en los puntos de funcionamiento designados por 2' y 3', con ambas ruedas girando a diferentes velocidades angulares indicadas Por 1 Y 2 en Ia fí§ura 4. De esta forma se consigue el equilibrado de pares mecánicos con diferentes velocidades angulares, estando éstas determinadas por los diferentes radios de giro de cada rueda a lo largo de la curva. El sistema de control está basado en un microprocesador de suficiente capacidad de cálculo y debe medir en todo momento la tensión de salida de los inversores y la frecuencia de su armónico fundamental, así como la velocidad angular instantánea de cada motor. Las medidas de tensión y de frecuencia pueden sustituirse por el valor de consigna existente dentro del propio programa de control y que sirve para determinar los instantes de conmutación de los elementos de potencia del puente inversor en el caso de que éste sea del tipo PWM. El equipo incorpora un dispositivo autoblocante cuyo funcionamiento se ilustra en las figuras 5a y 5b en las que se muestran sombreados los componentes que se encuentran en funcionamiento en un momento dado. En funcionamiento normal, cuando todos ellos se encuentran operativos (figura 5.a) cada convertidor alimenta a su correspondiente motor y el regulador central se encarga de equilibar los pares en cada semieje tal como se ha descrito en los párrafos anteriores. En caso de fallo de alguno de los componentes de cada cadena de accionamiento o en caso de pérdida de adherencia de una de las ruedas al pavimento, ambos semiejes se pueden acoplar mecánicamente por medio del embrague central mostrado en las figuras, convirtiendo así al conjunto en un eje rígido. El accionamiento de este embrague puede realizarse de forma manual o automática. En el primer caso la maniobra se realiza mediante una palanca mecánica que se encarga de desplazar un manguito mecánico entre ambos semiejes o que acciona un embrague convencional. Este accionamiento también puede realizarse por medio de un electroimán controlado desde el salpicadero del vehículo. En el segundo caso el accionamiento se lleva a cabo mediante un electroimán controlado por el propio regulador de velocidad de forma que ambos semiejes queden acoplados cuando el sistema detecta embalamiento de una de las ruedas por pérdida de adherencia o un defecto en el funcionamiento de uno de los motores, en cuyo caso se encarga además de dejar fuera de servicio el motor defectuoso. En este caso esta situación se señaliza en el salpicadero mediante un aviso óptico o acústico adecuado, no representado explícitamente en la figura 5 por simplicidad.
En todo caso, por razones de seguridad, cuando el accionamiento del embrague se efectúa por medio del electroimán, el funcionamiento de éste es tal que en caso de pérdida de alimentación eléctrica de la bobina el embrague queda acoplado mecánicamente.
Naturalmente, cualquier modificación o variación relativa a la elección del tipo de inversor o del procedimiento de control del par mecánico interno del motor, de los sensores utilizados para las distintas magnitudes, o de la forma de acoplamiento mecánico entre semiejes, dentro del espíritu del invento, no se saldrá del marco del mismo.

Claims

REIVINDICACIONESLos puntos de invención propia y nueva que se presentan para que sean objeto de Patente de Invención son los siguientes:
1. Diferencial electrónico autoblocante para tracción eléctrica que consiste en un control programado del par motor que proporciona cada uno de los motores de tracción acoplados directamente a las ruedas motrices del vehículo, de forma que los pares mecánicos proporcionados por cada motor sean iguales en todo momento, con independencia de la velocidad a la que gire cada rueda y que en caso de trayectoria curvilínea será mayor en la rueda exterior y menor en la rueda interior.
2. Diferencial electrónico según el punto n° 1 caracterizado porque los motores de accionamiento directo de cada rueda son de corriente alterna alimentados a frecuencia variable por sendos inversores estáticos de cualquiera de los tipos habituales, entre los que se prefieren los de onda PWM (pulse with modulated, modulación de anchura de pulsos), y cuyas referencias de tensión y frecuencia de salida vienen determinadas por un control programable central.
3. Diferencial electrónico según los puntos 1 y 2 caracterizado porque dicho control programable central determina los valores de tensión y frecuencia de alimentación a los motores en función de la posición del acelerador (consigna de par) de modo que la frecuencia de deslizamiento sea constante y por tanto el par mecánico de cada motor. Dicha frecuencia de deslizamiento se obtiene como diferencia entre el valor de la pulsación eléctrica de las corrientes de estator y la velocidad angular de cada motor medida por un captador adecuado (dínamo tacométrica, encoder, etc).
4. Diferencial electrónico según los punto 1 a 3 que incorpora un dispositivo de acoplamiento mecánico de los ejes de ambas ruedas que los convierte en un eje rígido, pudiendo realizarse dicho acoplamiento de forma anual o automática, cuando queda fuera de servicio uno de los dos motores o cuando se detecta pérdida de adherencia de una de las ruedas motrices.
5. Diferencial electrónico según los puntos 1 a 4 en el que el dispositivo de acoplamiento mecánico entre ejes es accionado en su versión manual por medio de una palanca mecánica o por medio de un electroimán o actuador electromagnético controlado desde el puesto de conducción del vehículo y en su versión automática por medio de un electroimán o actuador electromagnético controlado desde el sistema de regulación de velocidad de los motores y cuya entrada en funcionamiento queda señalizada en el puesto de conducción.
6. Diferencial electrónico según los puntos 1 a 5 en el que el electroimán o actuador electromagnético del dispositivo de acoplamiento entre ejes está conectado de forma que éstos queden acoplados rígidamente en caso de fallo en la alimentación de la bobina del electroimán o actuador electromagnético.
7. "DIFERENCIAL ELECTRÓNICO AUTOBLOCANTE PARA VEHÍCULOS DE TRACCIÓN ELÉCTRICA" todo tal y conforme se describe en la presente Memoria, la cual consta de diez folios mecanografiados por una sola cara.
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