ITUB20155524A1 - Sistema di ripartizione di coppia per motoveicoli elettrici a due ruote motrici. - Google Patents

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ITUB20155524A1
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IT
Italy
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wheel
motor
vehicle
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ITUB2015A005524A
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Antonio Ranalli
Andrea Andreucci
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Visionar S R L
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Description

SISTEMA DI RIPARTIZIONE DI COPPIA PER MOTOVEICOLI ELETTRICI A DUE RUOTE MOTRICI
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo Tecnico
La presente domanda di brevetto per invenzione industriale ha per oggetto un sistema di ripartizione di coppia per motoveicoli elettrici a due ruote motrici.
L’invenzione consiste in un sistema elettronico di controllo che consente dì ripartire la coppia richiesta alle ruote anteriori e posteriori dì veicoli a due ruote disposte su due assi (es. motociclette), equipaggiati con un motore elettrico agente sulla ruota anteriore e con un motore elettrico agente sulla ruota posteriore, in modo da realizzare un sistema a trazione integrale che apporta vantaggi alla guida del veicolo semplici da fruire anche per i piloti meno esperti.
Tecnica di riferimento
L’applicazione della trazione su ambo le ruote dì veicoli a due ruote come biciclette, ciclomotori, scooters e motocicli è arte nota. Classicamente i veicoli a due ruote motorizzati sono equipaggiati con un unico motore, a combustione interna, Ìbrido o elettrico, che mediante opportuni organi meccanici (alberi, giunti, catene, ingranaggi) trasmette il moto rotatorio alla ruota posteriore.
Comunque nota, ma meno tipica, è l’applicazione di un motore, a combustione interna o più semplicemente elettrico, che trasmette il moto alla sola ruota anteriore. Alcuni modelli di bicicletta a pedalata assistita utilizzano tale configurazione.
Invece quando un veicolo a due ruote è equipaggiato con sistemi in grado di trasmettere il moto generato da uno o più motori ad ambo le ruote si parla di trazione integrale, o 2WD nel linguaggio comune.
US 3,268,025 descrive un veicolo a due ruote, caratterizzato dal fatto che il moto generato dall’unico motore a combustione interna viene trasmesso ad ambo le ruote mediante alberi, catene, corone e pignoni, e dall’innovazione data dal fatto che la trasmissione del moto alla ruota anteriore è realizzata utilizzando accorgimenti tali da rendere possibile e facile la sterzata.
US 5,054,572 descrive un sistema meccanico diverso da quello descritto in US 3,268,025, per trasmettere il moto alla ruota anteriore e consentirne la sterzata.
US 5,873,428 descrive un sistema idraulico per trasmettere il moto alla ruota anteriore.
US 6,505,699 descrive un ulteriore sistema meccanico per la trasmissione del moto dell’unico motore anche alla ruota anteriore, con accorgimenti che ne rendono relativamente semplice l’applicazione su motocicli esistenti.
GB2,265,588 descrive un motociclo avente due ruote motrici che includono nel mozzo un motore elettrico ciascuno.
US 2010/0,224,432 descrive che le alle due moto-ruote motrici elettriche viene associato un vantaggio in termini di consumo energetico, senza specificare in che modo le due moto-ruote elettriche vengano controllate.
Scopi deH’invenzione
Scopo della presente invenzione è di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota fornendo un sistema di ripartizione di coppia per motoveicoli elettrici a due ruote motrici che sia in grado di rendere la guida del veicolo semplice anche per piloti esperti.
Altro scopo della presente invenzione è di fornire un tale un sistema di ripartizione di coppia che sia accurato, efficiente e di semplice realizzazione ed istallazione.
Altro scopo della presente invenzione è di fornire un tale un sistema dì ripartizione dì coppia che sia economico ed in grado di consentire risparmi energetici.
Questi scopi sono raggiunti in accordo aH’invenzione con le caratteristiche della rivendicazione indipendente 1.
Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.
Breve descrizione dell’invenzione
Il sistema di ripartizione di coppia per motoveicoli elettrici a due ruote motrici, secondo Γ invenzione, comprende:
- un motore elettrico anteriore e un motore elettrico posteriore per trasmettere il moto rispettivamente ad una ruota anteriore e una ruota posteriore,
- un controllo di potenza anteriore e un controllo di potenza posteriore collegati rispettivamente al motore anteriore e al motore posteriore per alimentare il motore anteriore e il motore posteriore,
- mezzi rilevatori collegati a organi del veicolo per rilevare informazioni relative alla marcia del veicolo, e
- un sistema di controllo collegato a detti mezzi rilevatori, al controllo di potenza anteriore e al controllo di potenza posteriore.
Il sistema di controllo è configurato per ricevere dette informazioni relative alla marcia del veicolo dai mezzi di rilevazione, elaborare dette informazioni ed inviare a detti controlli di potenza segnali di comando indicativi della ripartizione di coppia da effettuare sulle due ruote.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche dell’ invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a sue forme dì realizzazione puramente esemplificative e quindi non limitative, illustrate nei disegni annessi, in cui:
la Fig. 1 è una vista schematica laterale di un veicolo a due ruote provvisto di due motori elettrici che azionano le ruote;
le Figg 2 e 3 sono viste come Fig. 1, illustranti due differenti disposizioni del motore posteriore che trasmette il moto alla ruota posteriore;
la Fìg. 4 è uno schema a blocchi del sistema di ripartizione di coppia secondo Finvenzione;
la Fig. 5 è uno schema a blocchi illustrante in maggiore dettaglio il sistema dì controllo del sistema dì riparazione dì coppia dì Fig. 4; e
la Fig. 6 è uno schema a blocchi illustrante in maggiore dettaglio il blocco finale del sistema di controllo dì Fig. 5.
Descrizione dettagliata delFinvenzìone
Con riferimento a Fig. 4 viene illustrato il sistema dì ripartizione di coppia, secondo Finvenzione, indicato complessivamente con il numero di riferimento (100). Il sistema di ripartizione dì coppia (100) si applica a veicoli motorizzati dotati di due ruote in linea, ad esempio biciclette, scooter, ciclomotori e motocicli.
In Fig. 1 è mostrato un veicolo avente una ruota anteriore (2) e una ruota posteriore (4). Un primo motore elettrico, in seguito chiamato motore anteriore (1), trasmette il moto alla ruota anteriore (2). Un secondo motore elettrico, in seguito chiamato motore posteriore (3), trasmette il moto alla ruota posteriore (4).
Il motore anteriore (1) può essere del tipo trifase a magneti permanenti ed è disposto nel mozzo della ruota anteriore (2) del veicolo, o in prossimità del mozzo, per trasmettere direttamente o mediante una serie di ingranaggi il moto alla ruota anteriore (2).
Invece il posizionamento del motore posteriore (3) dipende dalla particolare tipologia di motore elettrico e dalla configurazione ciclistica scelta dal costruttore del veicolo. Il motore posteriore (3) può essere collocato o al posto o in prossimità del mozzo della ruota posteriore (4), oppure in un braccio oscillante posteriore (6) (Fig. 2), oppure alfintemo di un corpo di un telaio (8) del veicolo (Fig. 3).
Negli ultimi due casi il motore posteriore (3) trasmette il moto alla ruota posteriore (4) mediante un sistema dì trasmissione (9) del tipo a catena, a cinghia, ad ingranaggi, ad albero, o una combinazione di essi.
Con riferimento a Fig. 4, i motori elettrici (1, 3) sono collegati a controlli di potenza (11, 13) comprendenti dispositivi elettronici programmabili che veicolano opportunamente una corrente elettrica ai motori (1, 3) in modo da realizzarne la rotazione degli alberi motori in maniera controllata.
Un sistema di accumulo (5) (Fig. 1) di energia elettrica fornisce ai controlli di potenza (11, 13) un’energia necessaria all’ azionamento dei motori elettrici (1, 3).
Per alcuni tipi dì motori elettrici, ad esempio per i motori a magneti permanenti, Ì controlli dì potenza (11, 13) ricevono in ingresso un segnale rappresentativo dell’ entità della rotazione del comando dell’acceleratore e sono in grado di fornire corrente al motore in maniera tale che la coppia motrice sviluppata dal motore sia una funzione nota della rotazione dell’acceleratore. Questo tipo dì comando del motore è chiamato “controllo di coppia”.
In un veicolo con due ruote motrici azionate da due motori elettrici, in cui è presente tipicamente un unico acceleratore, si pone il problema dì come ripartire la coppia richiesta alle due ruote.
Il sistema di ripartizione dì coppia (100) comprende un sistema dì controllo (20) che fornisce una possibile soluzione del problema, fornendo al pilota uno strumento semplice da utilizzare ed adattabile a diversi fondi stradali.
Il sistema di controllo (20) viene implementato in un circuito elettronico programmabile che comunica con i controlli di potenza (13, 11) dei motori anteriore (1) e posteriore (3). Tale sistema di controllo (20) esegue le seguenti funzioni:
- legge la posizione di un acceleratore principale (14) ed eventualmente di un acceleratore secondario (15) per il comando diretto della ruota anteriore (2),
- riceve direttamente o mediante i controlli di potenza le velocità angolari (21, 22) delle due ruote (2, 4),
- riceve i dati da un sensore di inclinazione (18) che fornisce almeno l’angolo di inclinazione del veicolo rispetto al suo asse longitudinale (angolo dì rollio),
- rileva Γ azionamento delle leve dei freni (16, 17) relativi alle due ruote (4, 2) e
- riceve da un selettore (19) azionabile dal pilota, la modalità di guida che egli desidera per il particolare tracciato che sta percorrendo.
Il sensore di inclinazione è istallato nel telaio (8) del veicolo.
L’accelerare primario (14) e l’acceleratore secondario (15) comprendono sensori acceleratore (14a, 14b) atti a rilevare l’angolo dì rotazione dell’acceleratore e quindi il livello di accelerazione.
La selezione della modalità dì guida è importante per adattare la risposta dei motori (1, 3) all’azionamento dell’acceleratore principale (14) e dell’eventuale acceleratore secondario (15) alle preferenze del pilota ed al tipo di fondo stradale che si sta percorrendo (strada asfaltata, terra, breccia, sabbia, rocce, fango, neve). Una prima modalità dì guida selezionabile consente di azionare in modo diretto, singolarmente ed indipendentemente, Ì due motori (1, 3) che agiscono sulle due ruote (2, 4). In questo modo, un pilota esperto può dosare a proprio piacimento la coppia da fornire singolarmente alle due ruote per eseguire le manovre di cui ha bisogno.
Le altre modalità di guida, che possono essere in un numero grande a piacere, escludono completamente Γ acceleratore secondario (15) in modo che i due motori (1, 3) vengano comandati a partire dal grado di azionamento dell’acceleratore principale (14) e da un certo numero di regole che vanno a limitare l’azionamento del motore che agisce sulla ruota anteriore, secondo Ì criteri che saranno meglio descritti in seguito. Queste modalità dì guida consentono ai piloti meno esperti di fruire della trazione integrale, senza doversi preoccupare di azionare opportunamente un secondo acceleratore per il comando della ruota anteriore.
Nelle modalità di guida che consentono il comando coordinato dei due motori (1, 3) è possibile ulteriormente abilitare il funzionamento di un controllo antislittamento (40) (Fig. 6) che limita lo slittamento delle ruote (2, 4), cercando di annullare la differenza di velocità periferica delle ruote.
Qualunque sia la collocazione fisica del motore posteriore (3) che agisce sulla ruota posteriore (4), e noto il sistema di trasmissione (9) dotato o meno dì un eventuale cambio di velocità, è possibile determinare il rapporto di trasmissione come il valore che lega la velocità angolare dell’albero motore a quella della ruota.
Lo stesso concetto vale per il motore anteriore (1) che agisce sulla ruota anteriore (2), collocato nel mozzo ruota o in prossimità dì esso. Tali due rapporti di trasmissione sono noti al sistema di controllo (20), così come Io sono i diametri delle ruote (2, 4), necessari per il calcolo delle velocità periferiche delle ruote a partire dalla loro velocità angolari. Le velocità angolari possono essere misurate direttamente mediante mezzi dì rilevazione velocità angolare (13a, 13b) che possono essere opportuni sensori disposti sulle ruote (2, 4), oppure sistemi di calcolo integrati nei controlli di potenza (13, 11).
Con riferimento a Fig. 5, il sistema di controllo (20) comprende due blocchi di non linearità (29, 30), di tipo programmabili, che consentono di rendere non lineare la risposta degli acceleratori (15, 14) al grado dì apertura, per esempio per evitare brusche partenze all’ azionamento dei comandi.
Il sistema dì controllo (20) comprende inoltre tre blocchi di mappatura, in seguito chiamati blocchi criteri (24, 25, 26). I blocchi criteri (24, 25, 26) servono a limitare opportunamente il segnale dì comando da fornire alla ruota anteriore (2). I blocchi criteri (24, 25, 26) effettuano delle operazioni di mappatura delle grandezze che ricevono in ingresso:
- velocità angolare (22) della ruota posteriore (4) dai mezzi dì rilevazione velocità angolare (Ila),
- angolo dì rollio del veicolo dal sensore dì inclinazione (18),
- grado di apertura dell’ acceleratore principale (14) dal sensore acceleratore 14a.
Le rispettive uscite dei blocchi criteri (24, 25, 26) forniscono un valore normalizzato tra zero ed uno e vengono moltiplicate in un blocco moltiplicatore (27) per tener conto contemporaneamente del contributo dì ogni blocco criterio.
Un blocco dì gestione (23) è collegato al selettore (19) per gestire le modalità di guida, a seconda della posizione del selettore (19). Il blocco di gestione (23) Ìndica ad ogni blocco criterio (24, 25, 26) quali leggi dì mappatura deve utilizzare.
La definizione delle curve dì mappatura implementate all’interno dei blocchi criteri (24, 25, 26) è decisa dal costruttore del veicolo, che può decidere ad esempio dì azzerare il comando alla ruota anteriore fin quando l’acceleratore principale (14) non abbia raggiunto un certo grado di apertura, per poi sagomare a piacimento il resto della risposta fino magari a renderla massima quando l’acceleratore principale (14) è completamente aperto.
Se il motore anteriore (1) ha una potenza insufficiente ad avviare il veicolo da fermo, il costruttore, tramite i blocchi criteri (24, 25, 26), può evitare che il motore anteriore (1) venga azionato, finché il veicolo non raggiunga una velocità minima.
Inoltre, il costruttore, tramite Ì blocchi criteri (24, 25, 26), può decidere di parzialìzzare un segnale dì comando (Of) inviato al controllore di potenza (13) del motore anteriore (1), in conformità all’ angolo di rollio del veicolo rilevato dal sensore di inclinazione (18). Tutto ciò al fine di beneficiare della trazione della ruota anteriore (2), evitando comportamenti bruschi dell’avantreno in condizioni di bassa velocità e di piega accentuata.
Le uscite dei blocchi criteri (24, 25, 26), oltre ad essere moltiplicate tra loro, vengono ulteriormente moltiplicate, mediante il blocco moltiplicatore (27), per il segnale proveniente dal sensore acceleratore (14a) dell’acceleratore principale (14), eventualmente reso non lineare dal blocco di non linearità (30). A questo stadio viene realizzata la limitazione del segnale dell’acceleratore principale (14) per generare il segnale di comando (Of) da inviare al controllore dì potenza (13) del motore anteriore.
A valle del blocco dì moltiplicazione (27) si trova un deviatore (28) comandato dal blocco gestore (23) e collegato all’acceleratore secondario (15).
Il deviatore (28) consente di gestire il motore anteriore
(1):
- direttamente tramite l’acceleratore secondario (15), o - attraverso i blocchi criteri (24, 25, 26).
Il segnale proveniente dall’acceleratore secondario (15) eventualmente può essere reso non lineare dal blocco di non linearità (29).
Il sistema di controllo (20) comprende inoltre un blocco finale (31) che invia segnali dì comando di coppia (Of, Or) rispettivamente al controllo dì potenza (13) del motore anteriore ( 1 ) ed al controllo di potenza (11) del motore posteriore (3).
Con riferimento a Fig. 6, il blocco finale (31) comprende il controllo antislittamento (40). Il blocco gestore (23) delle modalità di guida agisce anche sul blocco finale (31) per attivare o disattivare il controllo and-slittamento (40).
Il controllo antislittamento (40) comprende un deviatore (32) comandato dal blocco gestore (23). Nel caso sì voglia disabilitare il controllo antislittamento (40), il blocco gestore (23) invia agli stadi successivi il valore zero. Nel caso invece si intenda abilitare la funzione antislittamento del controllo antislittamento (40), il deviatore (32) invia a valle un segnale della differenza tra la velocità periferica (Vf) della ruota anteriore (2) e la velocità periferica (Vr) della ruota posteriore (4). Tali velocità periferiche (Vr, Vf) sono facilmente calcolabili essendo noti le velocità angolari (21, 22), Ì diametri delle ruote ed Ì rispettivi rapporti di riduzione.
Tale differenza tra le velocità periferiche (Vr, Vf) genera un segnare errore (e). A seconda dell’entità del segnale errore (e), un blocco di decisione (33) invia agli stadi successivi un segnale appropriato.
Se e≥x, significa che la velocità periferica Vf della ruota anteriore (2) è pari o supera la velocità periferica Vr della posteriore (4) di una quantità identificata come x, allora il segnale errore (e) viene inviato, mediante una serie di deviatori comandati dal blocco di decisione (33), ad un primo regolatore (34), mentre ad un secondo regolatore (35) giunge il valore zero.
Invece se e<y, significa che la velocità periferica Vf della ruota anteriore (2) è pari o inferiore a quella Vr della posteriore (4) dì una quantità identificata come y, allora il segnale errore (e) viene inviato al secondo regolatore (35), mentre al primo regolatore (34) giunge il valore zero,
Invece se il valore del segnale errore (e) è contenuto tra i valori x ed y, entrambi i regolatori (34) e (35) ricevono un segnale pari a zero, in modo che non esercitino alcuna funzione dì regolazione.
A questo livello il controllo antislittamento (40), se abilitato, ha espletato la sua funzione, inviando agli stadi successivi un contributo di correzione oppure il valore zero se nessuna correzione è stata richiesta dal pilota mediante la selezione delle modalità dì guida né è stata necessaria, vista la modesta entità dello scostamento tra le velocità periferiche delle due ruote.
Il blocco finale (31) comprende due primi blocchi differenziatori (36, 37) che prendono in carico i segnali di comando già elaborati dagli altri stadi e vi applicano un’eventuale correzione fornita dal controllo antislittamento (40).
Due secondi blocchi differenziatori (38, 39) attenuano Ì segnali mediante il contributo dell’eventuale azione frenante esercitata dal pilota sulle leve freno (16, 17) che agiscono rispettivamente sulle ruote anteriore (2) e posteriore (4). Tale azione frenante è misurata da opportuni sensori freni (16a, 17a).
Bisogna considerare che il sistema (100) secondo l’invenzione comprende: i due motori (1, 3), i due controlli dì potenza (13, 11), il sistema di controllo (20), Ì sensori (Ila, 13a, 14a, 15a, 16a, 17a, 18) e il selettore (19).
All’uscita dei secondi blocchi differenziatori (38, 39), Ì segnali di comando (Of, Or) per i controlli di potenza (13, 11), rappresentativi della coppia da richiedere ai due motori elettrici (1, 3), sono completamente generati.
Alle presentì forme di realizzazione dell'invenzione, possono essere apportate variazioni e modifiche equivalenti, alla portata dì un tecnico del ramo, che rientrano comunque entro l'ambito dell'invenzione.

Claims (3)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema (100) dì ripartizione di coppia per motoveicoli elettrici a due ruote motrici comprendente: - un motore elettrico anteriore (1) e un motore elettrico posteriore (3) per trasmettere il moto rispettivamente ad una ruota anteriore (2) e una ruota posteriore (4), - un controllo di potenza anteriore (13) e un controllo di potenza posteriore (11) collegati rispettivamente al motore anteriore (1) e al motore posteriore (3) per alimentare il motore anteriore e il motore posteriore, - mezzi rilevatori (13a, Ila, 14a, 15a, 16a, 17a, 18) collegati a organi (13, 11, 14, 15, 16, 17, 8) del veicolo per rilevare informazioni relative alla marcia del veicolo, e - un sistema di controllo (20) collegato a detti mezzi rilevatori (13a, Ila, 14 a, 15 a, 16a, 17a, 18), al controllo dì potenza anteriore (13) e al controllo di potenza posteriore (11), detto sistema di controllo (20) essendo configurato per ricevere dette informazioni relative alla marcia del veicolo dai mezzi di rilevazione, elaborare dette informazioni ed inviare a detti controlli di potenza (13, 11) segnali di comando (Of, Or) indicativi della ripartizione di coppia da effettuare sulle due ruote (2, 4).
  2. 2. Sistema (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi rilevatori comprendono uno o più dei seguenti sensori: - sensori dì rilevazione velocità angolare (13 a, Ila) per rilevare la velocità angolare della ruota anteriore (2) e della ruota posteriore (4), - sensori acceleratore (15a, 16a) istallati in un acceleratore principale (15) del motore anteriore (1) e/o in un acceleratore secondario (14) del motore posteriore (3) per rilevare Γ angolo dì rotazione dell’ acceleratore anteriore (15) e/o dell’ acceleratore posteriore (14), - sensori freno (17a, 16a) istallati in una leva del freno anteriore (17) e in una leva del freno posteriore (16) per rilevare il livello dì frenata dei freni anteriore e posteriore, - un sensore di inclinazione (18) disposto nel telaio (8) del veicolo per rilevare Γ angolo di rollio del veicolo.
  3. 3. Sistema (100) secondo la rivendicazione 1, comprendente un selettore (19) azionabile dall’utente per selezionare la modalità di guida che desidera eseguire l’utente detto sistema di controllo (20) comprendendo un gestore (23) collegato al selettore, per gestire la modalità di guida selezionata dall’utente.
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