RU2709639C1

RU2709639C1 - Method of controlling electric vehicle drive and device for its implementation

Info

Publication number: RU2709639C1
Application number: RU2018138459A
Authority: RU
Inventors: Султанхан Багатович Аджиманбетов; Александр Черменович Хатагов; Заурбек Александрович Хатагов; Тамерлан Вячеславович Дрияев
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-12-19

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: group of inventions relates to the control of the traction system of vehicles with electric traction. Electric vehicle drive control method consists in the following. In all modes of motion, the gear ratio of the variator within the range of its smooth variation D is maintained inversely proportional to the signal of the speed intensities setting device. At starting, anchor and motor excitation winding are connected to the battery immediately, and in case of backward motion, the maximum speed setting signal is simultaneously reduced to the required value. At automatic stopping speed of electric vehicle is smoothly reduced and at the moment of speed setting signal drop to level 1/D engine is switched to electrodynamic braking mode, and when setter signal falls below 0.1/D from storage battery excitation winding is disconnected. In case of accelerated braking additionally s rate of decline of speed setting signal is increased proportional to brake pedal position. Electric vehicle drive device comprises traction storage battery, start-stop unit, DC motor and excitation reverser, motion mode selector, variator, main gear and control unit.

EFFECT: simplification of electric vehicle drive control.

2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемые изобретения относятся к автомобилестроению, а именно к автомобилям с электрическим приводом, и особенно эффективно могут быть использованы в городских условиях (когда максимальная скорость движения ограничена). Современные серийно выпускаемые электромобили имеют одну и ту же обобщенную функциональную схему привода: тяговая аккумуляторная батарея; управляемый преобразователь; система обеспечения функционирования привода электромобиля; электродвигатель; редуктор; главная передача. (https://auto.ironhorse.ru/ct/elektromobili)The present invention relates to the automotive industry, namely to cars with electric drive, and can be especially effectively used in urban conditions (when the maximum speed is limited). Modern commercially available electric vehicles have the same generalized functional drive circuit: traction battery; controlled converter; electric vehicle drive functioning support system; electric motor; gearbox; main gear. (https://auto.ironhorse.ru/ct/elektromobili)

Схема технологически сложна и перенасыщенна разнообразными датчиками состояния и подсистемами нормализации работы всех элементов. Как аналог, может быть указан еще и тяговый электропривод постоянного тока (Патент РФ №2131361), который содержит силовой широтно-импульсный преобразователь, двухполюсный контактор и электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением.The circuit is technologically complex and oversaturated with a variety of state sensors and normalization subsystems for all elements. As an analogue, a direct current traction electric drive can also be indicated (RF Patent No. 2131361), which contains a pulse-width pulse converter, a bipolar contactor, and a direct current electric motor with independent excitation.

Все подобные схемы имеют принципиальную особенность: регулирование скорости производится по электрическому каналу «преобразователь - двигатель», а редуктор только понижает скорость вращения двигателя в фиксированное число раз. В городском цикле движения, характеризующемся регулярными троганиями с места, разгонами, торможениями и остановками, это приводит к частым пиковым значениям пусковых и тормозных токов. Если электродвигателю такие режимы не опасны благодаря его высокой перегрузочной способности, то в тяговом аккумуляторе зарядный ток (при прямой рекуперации во время торможений) может в несколько раз превысить допустимое значение, а броски разрядного тока аккумулятора во время разгонов резко снижают его емкость между подзарядками. Кроме прочего, существенно укорачивается и жизненный цикл аккумулятора - самого дорогого элемента привода.All such schemes have a fundamental feature: speed control is carried out through the electric channel "converter - motor", and the gearbox only reduces the speed of rotation of the motor by a fixed number of times. In the urban cycle of movement, characterized by regular starting, acceleration, braking and stopping, this leads to frequent peak values of starting and braking currents. If such modes are not dangerous for the electric motor due to its high overload capacity, then in the traction battery the charging current (during direct recovery during braking) can exceed the permissible value by several times, and surges of the discharge current of the battery during acceleration sharply reduce its capacity between recharges. Among other things, the life cycle of the battery, the most expensive drive element, is significantly shortened.

Проблема может быть снята использованием вместо редуктора хотя бы трехскоростной коробки передач (http://ecoconceptcars.ru/2011/07 /trexskorostnaya-transmissiya-antonov-plc-budet-ekonomit-do-15-enersii-elektromobilya.html) или же вариатора с автоматическим бесступенчатым изменением передаточного отношения (Трансмиссия гибридного автомобиля Форд С MAX Energy; Патент РФ №2332599), как это делают в обычных и гибридных автомобилях.The problem can be solved by using at least a three-speed gearbox (http://ecoconceptcars.ru/2011/07 /trexskorostnaya-transmissiya-antonov-plc-budet-ekonomit-do-15-enersii-elektromobilya.html) instead of a gearbox or a variator with an automatic stepless change of gear ratio (Transmission of a hybrid car Ford C MAX Energy; RF Patent No. 2332599), as is done in conventional and hybrid vehicles.

Тем самым уменьшаются броски токов в электрической цепи привода и, главное, уменьшается расход ресурса тяговой батареи. Однако для электромобиля с регулированием скорости по электрическому каналу такая модернизация усложняет и удорожает без того непростую схему привода, может привести к дополнительным проблемам с ремонтами, обслуживанием и т.д., и в итоге теряет реальный смысл.This reduces the inrush currents in the electric circuit of the drive and, most importantly, reduces the resource consumption of the traction battery. However, for an electric vehicle with speed control via an electric channel, such an upgrade complicates and increases the price of an already complicated drive circuit, can lead to additional problems with repairs, maintenance, etc., and as a result loses its real meaning.

Возникает идея передачи функции регулирования скорости движения электромобиля в механический канал: тогда двигатель становится нерегулируемым, регулирующий его энергоснабжение преобразователь - ненужным, а редуктор заменяется на управляемый вариатор.The idea arises of transferring the function of controlling the speed of an electric vehicle to a mechanical channel: then the engine becomes unregulated, the converter regulating its power supply becomes unnecessary, and the gearbox is replaced by a controlled variator.

Как прототип можно указать имеющие все эти признаки способ и систему управления силовой передачей моторного транспортного средства (Патент РФ №2389626). Передача содержит нерегулируемый двигатель и специальный реверсируемый вариатор, выходной вал которого при определенном передаточном числе имеет возможность быть неподвижным («нейтраль зубчатой передачи»). Используется «регулирование крутящего момента». Скорость регулируется косвенно: вариатор отрабатывает задаваемый ему реактивный крутящий момент и автоматически обеспечивает изменения передаточного числа, обусловленные ускорением двигателя и/или транспортного средства. С целью сохранения управлямости движением транспортного средства в диапазоне низких обратных передаточных чисел вариатора, включающем «нейтраль зубчатой передачи», двигатель не отключается, а его скорость поддерживается путем задания ему некоторого крутящего момента, даже когда силовая передача работает в состоянии «движения накатом».As a prototype, you can specify the method and system for controlling the power transmission of a motor vehicle having all these characteristics (RF Patent No. 2389626). The transmission contains an unregulated engine and a special reversible variator, the output shaft of which at a certain gear ratio has the ability to be stationary ("gear neutral"). “Torque control” is used. The speed is controlled indirectly: the variator fulfills the reactive torque set to it and automatically provides changes in the gear ratio due to acceleration of the engine and / or vehicle. In order to maintain control over the movement of the vehicle in the range of low reverse gear ratios of the variator, including the "gear neutral", the engine is not turned off, and its speed is maintained by setting it to some torque, even when the power transmission is in the "coasting" state.

Фактически все перечисленные свойства прототипа являются его же недостатками и вынужденным ответом на неверную исходную посылку: косвенное регулирование скорости с использованием обратной связи по сигналу датчика реактивного крутящего момента на вариаторе. Это, а также сложный, симметричный по реверсу, вариатор, и обусловили возникновение «сингулярностей» в процессе «движения накатом», что потянуло за собой усложнение электронного блока, изощренный алгоритм управления режимами движения в нем, необходимость постоянной работы двигателя без отключений, и т.д.In fact, all of the listed properties of the prototype are its drawbacks and a forced response to an incorrect initial premise: indirect speed control using feedback from the signal of the reactive torque sensor on the variator. This, as well as a complex, symmetric in reverse, variator, caused the appearance of “singularities” in the process of “coasting”, which led to the complication of the electronic unit, a sophisticated algorithm for controlling the driving modes in it, the need for constant engine operation without shutdowns, and t .d.

Технической задачей изобретения является использование принципа прямого управления скоростью по механическому каналу, а именно применение нереверсивного управляемого вариатора в трансмиссии и учет органических особенностей такого привода.An object of the invention is to use the principle of direct control of speed along a mechanical channel, namely the use of a non-reversible controlled variator in a transmission and taking into account the organic features of such a drive.

Решение указанной технической задачи обеспечивается тем, что в способе управления приводом электромобиля и устройстве для его осуществления, содержащем блок управления, тяговую аккумуляторную батарею, электродвигатель постоянного тока с независимым возбуждением, реверсор возбуждения, главную передачу с вариатором, отличающийся тем, что: во всех режимах движения передаточное отношение вариатора (в пределах диапазона D его плавного изменения) поддерживают обратно-пропорциональным сигналу задатчика интенсивности скорости движения; при трогании с места якорь и обмотку возбуждения двигателя подключают к батарее сразу, а в случае движения назад одновременно понижают до требуемого максимальный уровень сигнала задания скорости; при автоматической остановке скорость электромобиля плавно снижают и в момент спада сигнала задания скорости до уровня 1/D двигатель переключают в режим электродинамического торможения, а при спаде сигнала задатчика ниже 0,1/D от аккумуляторной батареи отключают и обмотку возбуждения; при ускоренном торможении дополнительно наращивают темп спада сигнала задания скорости пропорционально положению педали тормоза.The solution of this technical problem is provided by the fact that in the method of controlling the drive of an electric vehicle and a device for its implementation, comprising a control unit, a traction battery, a direct current electric motor with independent excitation, an excitation reverser, a final drive with a variator, characterized in that: in all modes the motion of the gear ratio of the variator (within the range D of its smooth change) is maintained inversely proportional to the signal of the drive of the intensity of the speed of movement; when starting off, the armature and the field winding of the motor are connected to the battery immediately, and in the case of backward movement, the maximum level of the speed reference signal is simultaneously lowered to the required level; during automatic stop, the vehicle’s speed is gradually reduced and at the moment the speed reference signal drops to 1 / D level, the engine is switched to electrodynamic braking mode, and when the setpoint signal drops below 0.1 / D, the field coil is disconnected from the battery; with accelerated braking, the recession rate of the speed reference signal is additionally increased in proportion to the position of the brake pedal.

2. Устройство привода электромобиля, содержащее тяговую аккумуляторную батарею, блок старт-стопа, электродвигатель постоянного тока и реверсор возбуждения, переключатель режима движения, трансмиссию, состоящую из принудительно управляемого вариатора и главной передачи, блок управления с педалями тормоза и акселератора, отличающееся тем, что педаль тормоза дополнительно соединена с первым входом блока управления, педаль акселератора подключена ко второму входу блока управления, переключатель режима движения в положении «назад» подключен к третьему входу блока управления, якорь электродвигателя и обмотка его возбуждения раздельно подключены к тяговой аккумуляторной батарее через блок старт-стопа, первый выход блока управления, соединен с входом управления вариатором, а его второй выход, соединен с входом управления блока старт-стопа.2. An electric vehicle drive device comprising a traction battery, a start-stop block, a direct current electric motor and an excitation reverser, a drive mode switch, a transmission consisting of a forcedly controlled variator and final drive, a control unit with brake and accelerator pedals, characterized in that the brake pedal is additionally connected to the first input of the control unit, the accelerator pedal is connected to the second input of the control unit, the drive mode switch in the "back" position is connected chen to the third input of the control unit, the armature of the motor and winding its excitation separately connected to the traction battery through the unit start-stop, the first output of the control unit is connected to a variator control input, and its second output connected to the control unit input of a start-stop.

На фиг. 1 представлена схема привода транспортного средства по предлагаемому способу. Она содержит тяговую аккумуляторную батарею 1, педаль тормоза 2, педаль акселератора 3, переключатель режимов движения 4 минимум на три положения («вперед», «нейтраль», «назад»); блок управления 5, блок автоматического старт-стопа 6, реверсор возбуждения 7, обмотку возбуждения двигателя 8, двигатель постоянного тока 9, бесступенчатый вариатор 10 с принудительно управляемым передаточным отношением, штатное тормозное устройство 11 (включающее ручной тормоз), главную передачу 12.In FIG. 1 shows a diagram of a vehicle drive by the proposed method. It contains a traction battery 1, a brake pedal 2, an accelerator pedal 3, a mode switch 4 at least three positions ("forward", "neutral", "back"); control unit 5, automatic start-stop block 6, field reverser 7, field winding of motor 8, DC motor 9, continuously variable variator 10 with a force-controlled gear ratio, standard braking device 11 (including a manual brake), final drive 12.

Управление приводом электромобиля осуществляется следующим образом. При переводе переключателя 4 из нейтрального в положение «вперед» активируются блоки управления 5 и автоматического старт-стопа 6. Далее, при нажатии на педаль 3 акселератора задатчик интенсивности формирует нарастающий с требуемым темпом сигнал задания скорости электромобиля, который подается на вход вычислителя обратной величины. И задатчик, и вычислитель располагаются в блоке управления 5, их выходы и являются выходами этого блока: I-й передает сигнал от вычислителя на управляющий вход вариатора 10; II-й - от задатчика на управляющий вход блока 6 стартстопа. Фронтом сигнала II блока 5 осуществляется переход блока 6 из состояния «стоп» в состояние «старт», т.е. на якорь 9 и на обмотку 8 возбуждения через реверсор 7 поступает напряжение аккумуляторной батареи 1; электродвигатель почти мгновенно разгоняется до номинальной скорости. Передаточное отношение вариатора, соответственно сигналу I блока 5, плавно уменьшается от максимального до минимального - электромобиль начинает разгоняться.The drive control of an electric vehicle is as follows. When the switch 4 is switched from neutral to the “forward” position, the control units 5 and the automatic start-stop 6 are activated. Further, when the accelerator pedal 3 is pressed, the intensity adjuster generates an electric vehicle speed signal that increases at the required rate and is fed to the input of the reciprocal calculator. Both the master and the calculator are located in the control unit 5, their outputs are the outputs of this unit: the I-th transmits a signal from the calculator to the control input of the variator 10; II-nd - from the master to the control input of the start-stop block 6. The signal II front of block 5 transfers block 6 from the stop state to the start state, i.e. the armature 9 and the field winding 8 through the reverser 7 receives the voltage of the battery 1; the electric motor almost instantly accelerates to rated speed. The gear ratio of the variator, corresponding to the signal I of block 5, smoothly decreases from maximum to minimum - the electric car begins to accelerate.

При движении задним ходом сначала переключатель режимов 4 переводится из нейтрального в положение «назад», сигнал этого положения подается на реверсор возбуждения 7 и в блок управления 5. Тем самым обмотка возбуждения 8 переключается на обратную полярность, обеспечивая противоположное направление вращения электродвигателя, а в блоке 5 задатчику интенсивности устанавливается уменьшенное значение максимума выходного сигнала, чем понижается скорость перемещения задним ходом. В остальном автоматика привода работает так же, как и при движении вперед.When reversing, the mode switch 4 is first switched from neutral to the "back" position, the signal of this position is fed to the excitation reverser 7 and to the control unit 5. Thus, the excitation winding 8 is switched to reverse polarity, providing the opposite direction of rotation of the electric motor, and in the block 5, the reduced intensity of the output signal is set to the intensity adjuster, thereby lowering the reverse speed. Otherwise, the drive automation works the same as when moving forward.

Автоматическая остановка осуществляется отпусканием педали 3 акселератора при не нажатой педали 2 тормоза. Сначала электромобиль тормозится с комфортным замедлением, обеспеченным темпом спада сигнала задатчика интенсивности, за счет роста передаточного отношения вариатора. По достижении передаточным отношением максимума, а сигналом 7 блока 5 соответствующего этому максимуму значения, блок 6 автоматического старт-стопа переводит двигатель в режим динамического торможения переключением его якорной обмотки 9 с аккумуляторной батареи 1 на тормозное сопротивление, установленное в блоке 6. Обмотка возбуждения 8 отключается от батареи не в этот же момент, а по окончании режима динамического торможения (соответствует спаду сигнала задатчика интенсивности до уровня ≤0,01 его максимума, что соответствует и полной остановке электромобиля).The automatic stop is carried out by releasing the accelerator pedal 3 when the brake pedal 2 is not depressed. At first, the electric car is braked with a comfortable deceleration provided by the rate of decline of the signal of the intensity adjuster due to the increase in the gear ratio of the variator. Upon reaching the maximum gear ratio, and the signal 7 of block 5 corresponds to this maximum value, the automatic start-stop block 6 puts the engine into dynamic braking mode by switching its anchor winding 9 from the battery 1 to the brake resistance installed in block 6. The field winding 8 is disconnected from the battery not at the same moment, but at the end of the dynamic braking mode (corresponds to the decay of the intensity adjuster signal to the level ≤0.01 of its maximum, which corresponds to the complete stop Novki electric).

Ускоренное торможение электромобиля, вплоть экстренного, осуществляется нажатием на педаль 2 штатного тормоза с одновременной подачей сигнала, пропорционального наклону этой педали, на вход блока управления 5, которым регулируется темп спада сигнала задатчика интенсивности таким образом, чтобы замедление скорости вращения выходного вала вариатора 10 было соответственным желаемой степени торможения. При необходимости окончательной остановки она происходит под параллельным действием штатного тормоза и автоматически включающегося режима электродинамического торможения двигателя.Accelerated braking of an electric vehicle, up to an emergency one, is carried out by depressing the standard brake pedal 2 while supplying a signal proportional to the slope of this pedal to the input of the control unit 5, which controls the rate of decay of the intensity adjuster signal so that the rotation speed of the output shaft of the variator 10 is appropriate desired degree of inhibition. If the final stop is necessary, it occurs under the parallel action of the standard brake and automatically activated electrodynamic braking of the engine.

Буксировка электромобиля должна происходить в положении переключателя 4 «нейтраль», штатный тормоз 11 при этом используется в обычном порядке. При стоянке машины (переключатель 4 также в положении «нейтраль») используется штатный стояночный тормоз.Towing an electric vehicle must occur in the position of the switch 4 "neutral", the standard brake 11 is used in this way in the usual manner. When the car is parked (switch 4 is also in the “neutral” position), the standard parking brake is used.

Использование предложенного изобретения позволяет:Using the proposed invention allows:

Во-первых, увеличение скорости транспортного средства соответствует уменьшению передаточного отношения вариатора, т.е. сигнал задания скорости и сигнал управления передаточным отношением вариатора обратно пропорциональны, и это обязательно должно быть учтено в управлении приводом.Firstly, an increase in vehicle speed corresponds to a reduction in the gear ratio of the variator, i.e. the speed reference signal and the variator gear ratio control signal are inversely proportional, and this must be taken into account in controlling the drive.

Во-вторых, обычный вариатор имеет не бесконечный, а ограниченный диапазон регулирования (не более 6-10). Плавное регулирование скорости осуществляется в пределах от нижней границы в (1/6-1/10) до расчетного значения максимальной скорости. Если при трогании с места такой электромобиль будет разгоняться вначале с небольшим рывком (что еще терпимо), то при остановке (вариатору задается наибольшее передаточное отношение) скорость снизится не до нуля, а до тех же 1/6-1/10 максимума. Наложение внешнего тормоза не поможет, двигатель легко его преодолеет, т.к. благодаря вариатору на колесах в это время будет в 6-10 раз

крутящий момент. Надо либо вводить синхронизированный с тормозом механизм сцепления, либо отключать в этот момент электродвигатель от батареи и переводить его в режим электродинамического торможения. Последнее для «чистого» электромобиля предпочтительнее, поскольку экономит ресурс аккумулятора и может быть выполнено блоком автоматического «старт-стопа» с двумя особенностями: 1) при каждом трогании электромобиля якорь и обмотку возбуждения двигателя сразу соединяют с аккумулятором, причем для снижения коммутационных бросков тока надо в схему последовательно с якорем наглухо подключить пусковой индуктивный реактор; 2) во время остановки электромобиля в момент достижения передаточным отношением вариатора максимального значения якорь двигателя должен перемыкаться на тормозное сопротивление, а обмотка возбуждения - оставаться подключенной к батарее до практической остановки электромобиля.Secondly, a conventional variator has not an infinite, but a limited range of regulation (no more than 6-10). Smooth speed control is carried out in the range from the lower limit in (1 / 6-1 / 10) to the calculated value of the maximum speed. If when starting off, such an electric car will accelerate at first with a small jerk (which is still bearable), then when it stops (the variator is set to the highest gear ratio), the speed will decrease not to zero, but to the same 1 / 6-1 / 10 maximum. Applying an external brake will not help, the engine will easily overcome it, because thanks to the variator on wheels at this time it will be 6-10 times

torque. You must either enter the clutch mechanism synchronized with the brake, or disconnect the electric motor from the battery at this moment and put it into electrodynamic braking mode. The latter is preferable for a “clean” electric vehicle, since it saves battery life and can be performed by an automatic “start-stop” unit with two features: 1) at each starting of the electric vehicle, the armature and the field winding of the motor are immediately connected to the battery, and to reduce switching inrush currents, in series with the anchor, tightly connect the inductive starting reactor; 2) during the stop of the electric car when the gear ratio of the variator reaches its maximum value, the motor armature must be connected to the braking resistance, and the field winding must remain connected to the battery until the electric car is practically stopped.

В-третьих, достоинством подобного привода для городских условий является возможность выбора электродвигателя с пониженной номинальной мощностью. Однако при этом, ввиду относительно большой массы транспортного средства, разгоны несколько затягиваются, а торможения, наоборот, из-за увеличения передаточного отношения вариатором и соответственного увеличения тормозного момента, становятся слишком резкими. Поэтому в блоке управления для формирования сигнала управления скоростью электромобиля необходим задатчик интенсивности, причем с разными (и регулируемыми) длительностями фронта и спада сигнала.Thirdly, the advantage of such a drive for urban conditions is the ability to choose an electric motor with a reduced rated power. However, due to the relatively large mass of the vehicle, acceleration is somewhat delayed, and braking, on the contrary, due to an increase in the gear ratio of the variator and a corresponding increase in braking torque, become too sharp. Therefore, in the control unit for the formation of a signal for controlling the speed of an electric vehicle, an intensity adjuster is needed, moreover, with different (and adjustable) durations of the signal front and fall.

Claims

1. A method of controlling an electric vehicle drive comprising a control unit, a traction battery, a direct current electric motor with independent excitation, an excitation reverser, a final drive with a variator, characterized in that in all driving modes, the variator gear ratio within the range D of its smooth change is supported back proportional to the signal of the adjuster of the speed of movement; when starting off, the armature and the field winding of the motor are connected to the battery immediately, and in the case of backward movement, the maximum level of the speed reference signal is simultaneously reduced to the required level, when automatically stopped, the speed of the electric vehicle is gradually reduced and when the speed reference signal drops to the level 1 / D, the engine is switched to electrodynamic braking mode, and when the setpoint signal drops below 0.1 / D from the battery, the field winding is disconnected as well, while accelerated braking, the spa tempo is further increased Yes, the speed reference signal is proportional to the position of the brake pedal.

2. An electric vehicle drive device comprising a traction battery, a start-stop block, a direct current electric motor and an excitation reverser, a drive mode switch, a transmission consisting of a forcedly controlled variator and final drive, a control unit with brake and accelerator pedals, characterized in that the brake pedal is additionally connected to the first input of the control unit, the accelerator pedal is connected to the second input of the control unit, the drive mode switch in the "back" position is connected chen to the third input of the control unit, the armature winding of the motor and its excitation separately connected to the traction battery through the unit start-stop, the first control unit is connected to the variator output control input and its second output is connected to the start-stop control unit input.