Привод гибридного автомобиля
Изобретение относится к автомобилестроению. Привод гибридного автомобиля содержит двигатель внутреннего сгорания, синхронный электродвигатель и шестеренную передачу с дифференциалом для привода двух колес, аккумулятор с инвертором тока и систему управления с бортовым компьютером. Между двигателем внутреннего сгорания, синхронным электродвигателем и шестеренной передачей установлены электромагнитные муфты. В качестве оптимального варианта синхронного электродвигателя принят электродвигатель с постоянными магнитами. Управление скоростью автомобиля путем изменения частоты тока, питающего электропривод, и током заряда путем воздействия системы управления на дроссельную заслонку с сервоприводом двигателя внутреннего сгорания позволяет с помощью двух привычных для водителя педалей разгонять и тормозить автомобиль одним электродвигателем или в сочетании с двигателем внутреннего сгорания, заряжать батарею при движении с постоянной скоростью и при остановленном автомобиле, обеспечивает рекуперацию энергии при торможении автомобиля. Упрощается конструкция и повышается эффективность гибридного привода. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к приводам гибридных автомобилей, в частности к управлению силовыми установками.
Из современного уровня техники известны разные конструкции гибридных приводов автомобиле [1]. Все они представляют сочетание двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электрических машин, соединяемых по различным схемам.
Последовательная схема - маломощный ДВС соединен с небольшим генератором, заряжающим аккумуляторную батарею. Электрический двигатель питается от аккумуляторной батареи и вращает колеса автомобиля. При такой схеме подключения, ДВС никогда непосредственно не приводит транспортное средство в движение, Конструкция подобных гибридных автомобилей предполагает использование аккумуляторов увеличенной емкости. Данная схема подключения двигателей использована Chevrolet Volt, Opel Ampera.
Управление такими агрегатами сравнительно просто. С помощью дроссельной заслонки ДВС управляют зарядом аккумуляторной батареи, а изменением скорости электродвигателя управляют скоростью автомобиля. Может быть применена рекуперация электрической энергии при торможении автомобиля. К недостаткам следует отнести наличие двух электрических машин и невозможность разгона автомобиля одновременно с помощью ДВС и электромотора.
Параллельная схема - ДВС, электрический двигатель и коробка передач соединяются с помощью автоматических муфт. Данная схема свойственна практически для всех умеренных гибридов и для ряда полных (например, Audi Duo). Для гибридных автомобилей с параллельной схемой характерна возможность как одновременного, так и раздельного использования возможностей ДВС и электродвигателя для движения колес. Электрический мотор способствует быстрому разгону транспортного средства, а также обеспечивает выполнение функции рекуперативного торможения. Гибриды с параллельной схемой - Hyundai Elantra Hybrid, Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid. Недостатками таких приводов является подзарядка аккумулятора только при торможении автомобиля и необходимость согласования работы ДВС и электродвигателя при совместном приводе колес.
Последовательно-параллельная схема (смешанная) - планетарный редуктор обеспечивает связь ДВС, электрогенератора и электрического двигателя. Примером гибридных автомобилей с последовательно-параллельной схемой (Full Hybrid) является наиболее популярными в мире гибридные автомобили - Toyota Prius, Shevrolet Volt, Honda Insight. В модели Toyota Prius реализован следующий механизм: движения автомобиля на низкой скорости (до 40 км/ч) происходит благодаря работе электродвигателя, питаемого литий-ионной аккумуляторной батареей, но при большем разгоне активизируется двигатель внутреннего сгорания, который обеспечивает тягу на высокой скорости. При этом электроника регулирует работу моторов и генератора.
В последовательно-параллельной схеме [2] Привод снабжен планетарным механизмом, в котором вал двигателя внутреннего сгорания соединен через ряд шестерен с валом генератора, тяговым электродвигателем и дифференциалом ведущих колес. Такая схема требует наличия и электромотора и генератора, сложный алгоритм управления планетарным механизмом совместной работой двух двигателей, а также необходимость подключения электродвигателя к инвертору и регулирования частоты тока при работе в режиме двигателя и переключения к выпрямителю при работе в режиме рекуперации при торможении автомобиля. При приводе автомобиля от электродвигателя необходимо управлять частотой тока, а при приводе от ДВС или от двух двигателей необходимо управлять еще и подачей топливной смеси в ДВС.
Наиболее близким по компоновке является принятый в качестве прототипа привод гибридного автомобиля, включающий соединенные последовательно ДВС, синхронный электродвигатель с постоянными магнитами и механизм трансмиссии ведущих колес, а также аккумулятор, инвертор и систему управления [4]. Между ДВС и электродвигателем и между электродвигателем и приводом ведущих колес установлено по одной электромагнитной муфте. Система управления режимами работы привода имеет измерители скорости ДВС, электродвигателя и ведущих колес и предусматривает несколько режимов работы. Преимуществом этой компоновки является только отсутствие генератора и возможность использования электродвигателя в двигательном и генераторном режиме. Для запуска ДВС при неподвижном и движущемся автомобиле в любом случае нужно остановить электродвигатель, соединить его соответствующей муфтой с ДВС и использовать в качестве стартера.
Разгон автомобиля производят в начале электродвигателем. Очевидно, при этом водитель должен управлять частотой тока. Затем нужно разогнать ДВС до выравнивания скоростей агрегатов, что контролируется датчиками скоростей. Возможно, это может выполнить автоматическая система управления,. После этого нужно включить вторую электромагнитную муфту и дальнейший разгон осуществлять ДВС и электромотором. При этом нужно управлять частотой тока и скоростью ДВС и согласовывать их работу. После достижения заданной скорости, очевидно, водитель должен отключить электродвигатель от инвертора и подключить его к батареи через выпрямитель, чтобы перевести его в режим генератора, и с помощью педали газа поддерживать постоянство скорости. Возможно изменять ток заряда аккумулятора и степенью его заряда может автоматическая система управления.
После заряда аккумулятор можно выключить обе электромагнитные муфты, остановить ДВС и перевести электродвигатель в режим двигателя. При этом водитель должен изменением частоты тока согласовать скорости электродвигателя и трансмиссией и затем включить электромагнитную муфту между электродвигателем и трансмиссией. Если вновь потребуется подзарядка аккумулятора, необходимо выключить электромагнитную муфту между трансмиссией и электродвигателем, дождаться остановки электродвигателя при свободном выбеге, включить электромагнитную муфту между электродвигателем и ДВС, запустить ДВС, согласовать его скорость со скоростью трансмиссии, включить электромагнитную муфту между электродвигателем и трансмиссией. За это время автомобиль заметно снизит скорость. Автомобиль необходимо одним или двумя двигателями разогнать до заданной скорости, затем перевести электродвигатель в генераторный режим и в дальнейшем управлять ДВС с помощью дроссельной заслонки. При необходимости торможения водитель отпускает педаль газа. При этом двигатель в режиме генератора обеспечивает замедление автомобиля и рекуперацию электроэнергии. Ускорить торможение водитель может педалью тормоза. Если торможение потребуется при использовании электродвигателя в качестве двигателя, то его необходимо предварительно перевести его в режим генератора.
Очевидно описанная конструкция имеет много элементов, сложна в управлении и не обеспечивает высокое качество движения, что не оправдывает отсутствие дополнительного генератора.
Целью предлагаемого изобретения является создание простого и эффективного гибридного привода автомобиля, обеспечивающего зарядку аккумулятора и рекуперацию энергии при торможении автомобиля.
Для достижения этой цели привод гибридного автомобиля, состоящий из двигателя внутреннего сгорания, синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, шестеренной передачи с дифференциалом для привода передних колес, электромагнитной фрикционной муфты между шестеренной передачей и электродвигателем, электромагнитной фрикционной муфты между электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания, аккумулятора, инвертора, системы управления с бортовым компьютером, включающей датчик температуры охлаждающей жидкости, система управления содержит сервопривод управления дроссельной заслонкой двигателя внутреннего сгорания, регулятор ускорения двигателя, соединенный с педалью газа автомобиля и используемый для управления скоростью повышения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, регулятор интенсивности торможения, соединенный с педалью тормоза автомобиля и используемый для управления скоростью снижения частоты переменного тока, создаваемого инвертором бортовой компьютер управляет работой двигателя внутреннего сгорания при его запуске и выведении в рабочий режим, а также током заряда аккумулятора. Привод гибридного автомобиля может содержать дополнительно асинхронный электродвигатель и шестеренную передачу с дифференциалом для привода задних колес.
Привод гибридного автомобиля может содержать два асинхронных электродвигателя для раздельными привода задних колес.
Устройство гибридного привода автомобиля поясняется с помощью рисунка, где предъявлена схема конструкции гибридного привода передних колес автомобиля. Привод состоит из двигателя внутреннего сгорания 1, синхронного электродвигателя с постоянными магнитами 2, шестеренной передачи с дифференциалом 3 для привода передних колес, электромагнитной фрикционной муфты 4 между шестеренной передачей и электродвигателем, электромагнитной фрикционной муфты 5 между электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания 1, аккумулятора 6, инвертора 7 сервопривода управления дроссельной заслонкой 11 двигателя внутреннего сгорания, регулятора ускорения двигателя 12, соединенного с педалью газа автомобиля и используемого для управления скоростью повышения частоты переменного тока, создаваемого инвертором регулятора интенсивности торможения 13, соединенного с педалью тормоза автомобиля и используемого для управления скоростью снижения частоты переменного тока, создаваемого инвертором. Бортовой компьютер 8, содержит датчик температуры 9 охлаждающей жидкости и управляет запуском и выведением в рабочий режим двигателя внутреннего сгорания, а также током и степенью заряда аккумулятора.
Электродвигатель питается от батареи 6 через инвертор 7, преобразующий постоянный ток в переменный ток изменяемой частоты. При разгоне двигателя скорость увеличения частоты тока задается педалью 12 ускорителя и регулируется инвертором пропорционального степени перемещения педали. Максимальное ускорение ограничено требованием отсутствия проскальзывания колес на сухом асфальте и отсутствия выпадения ротора электродвигателя из синхронизма.
Если водитель снял ногу с педали ускорителя, то автомобиль движется с достигнутой постоянной скоростью. Замедление и торможение двигателя осуществляется педалью тормоза 13, задающей замедление с помощью инвертора 7 пропорционально степени нажатия педали тормоза в пределах ее свободного хода. Затем педаль задействует гидравлическую систему торможения. При появлении сигнала замедления ускорение не возможно при любом положении педали ускорителя.
Запуск двигателя внутреннего сгорания производится водителем поворотом ключа зажигания при необходимости зарядки аккумулятора или использование ДВС совместно с электромотором для ускорения разгона автомобиля. Запуск и работа двигателя внутреннего сгорания происходит под управлением бортового компьютера автомобиля. Прогреваясь на холостых оборотах, двигатель внутреннего сгорания обеспечивает в зимнее время возможность прогрева салона автомобиля и аккумулятора.
Температуру двигателя внутреннего сгорания контролирует датчик 9. После прогрева ДВС при неподвижном автомобиле бортовой компьютер может с помощью инвертора запустить электродвигатель, выровнять скорости двигателей, с помощью электромагнитной фрикционной муфты 5 соединить двигатели и с помощью дроссельной заслонки 11 с сервоприводом увеличить подачу топливной смеси в двигатель внутреннего сгорания, который заставит ротор электродвигателя опережать по фазе свое вращающееся магнитное поле и тем самым переведет его в режим генератора. Бортовой компьютер регулирует ток заряда, управляя положением дроссельной заслонки 12 и обеспечивает заряд аккумулятора до заданного предела. Также происходит подзаряд батареи при движении автомобиля с постоянной скоростью.
При ускорении автомобиля с помощью электродвигателя и двигателя внутреннего сгорания ротор электромотора не опережает электромагнитное поле и заряд батареи временно прекращается, а после достижения заданной скорости заряд батареи возобновляемая. При достижении заданной степени заряда батареи, при движении в заторах или при остановленном автомобиле двигатель внутреннего сгорания отключается от трансмиссии и останавливается. При необходимости зарядки аккумулятора двигатель внутреннего сгорания вновь запускается.
При необходимости торможения автомобиля водитель нажимает на педаль тормоза. ДВС муфтой 5 отсоединяется от электромотора. Инвертер задает снижение частоты тока тем интенсивнее, чем сильнее нажата педаль тормоза. Электродвигатель переходит в режим генератора, тормозит автомобиль и заряжает аккумулятор. В конце движения педали тормоза приводится в действие гидравлическая система тормозов.
То есть предлагаемый привод гибридного автомобиля содержит минимальное число агрегатов, включает известные в автомобилестроении датчики и органы управления, требует простой алгоритм управления и при этом обеспечивает эффективную работу.
При движении с постоянной скоростью ДВС приводит колеса автомобиля и обеспечивает зарядку аккумулятора. Электродвигатель при этом не расходует электроэнергию. Простым нажатием на педаль ускорителя водитель переводит электрическую машину в режим двигателя и обеспечивает ускорение автомобиля совместно ДВС и электродвигателем.
Привод гибридного автомобиля для осуществления полного привода может содержать кроме описанного привода передних колес асинхронный электродвигатель и шестеренную передачу с дифференциалом для привода задних колес автомобиля. Асинхронный электродвигатель питается через инвертор 7 от батареи 6. Передаточное число шестеренной передачи 15 подобрано так, чтобы скорость задних колес равнялась скорости передних колес при выбранном коэффициенте асинхронности, то есть отставания ротора двигателя от скорости вращения магнитного поля статора асинхронного двигателя. Так обеспечивается равная скорость колес без использования фрикционных муфт и возможность постоянной работы полного привода, что гарантирует высокую проходимость автомобиля и устойчивость его движения по дороге при проскальзывании колес одной из осей. При торможении автомобиля асинхронный электродвигатель переходит в режим работы генератора, так как педалью тормоза 14 и компьютером задается снижение частоты тока. При этом обеспечивается рекуперация электроэнергии, как и от синхронного электродвигателя привода передних колес.
Привод гибридного автомобиля для осуществления полного привода может содержать кроме привода, передних колес два асинхронных электродвигателя для раздельного привода задних колес автомобиля. Асинхронные электродвигатели питаются через инвертор 7 от батареи 6. и обеспечивают согласование скоростей колес передних и задних осей и возможность постоянной работы полного привода. Обеспечивается проходимость автомобиля даже при проскальзывании одного из колес передней и задней осей и устойчивость его движения по дороге. При торможении автомобиля асинхронные электродвигатели переходят в режим работы генератора и обеспечивают рекуперацию электроэнергии, как и синхронный электродвигатель привода передних колес.
Использованные источники информации.
1 https://www.electra.com.ua/elektroavtomobil/200-printsip-raboty-benzinovo- elektricheskikh-gibridnykh-avtomobilej.html
2. Патент США №5865263, МПК6 B60K 6/00, гибридный автомобиль заявл. 23.02.1996, опубл. 02.02.1999, приор. 28.02.1995, №7-063538 (Япония).
3. Патент РФ №2297924, МПК 6/02 (2006.01), привод гибридного автомобиля,, опубл. 27.04.2007, Бюл. №12.
4 Патент РФ 2380240С1 МПК 6/02 (2006.01), привод гибридного автомобиля. Опул. 27.01.2010. Бюл. №3.
1. Привод гибридного автомобиля, состоящий из двигателя внутреннего сгорания, синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, шестеренной передачи с дифференциалом для привода передних колес, электромагнитной фрикционной муфты между шестеренной передачей и синхронным электродвигателем, электромагнитной фрикционной муфты между синхронным электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания, аккумулятора, инвертора, системы управления с бортовым компьютером, включающей датчик температуры охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что с целью создания простого и эффективного гибридного привода автомобиля, обеспечивающего зарядку аккумулятора и рекуперацию энергии при торможении автомобиля, система управления содержит сервопривод управления дроссельной заслонкой двигателя внутреннего сгорания, регулятор ускорения электродвигателя, соединенный с педалью газа автомобиля и используемый для управления повышением частоты переменного тока, создаваемого инвертором, регулятор интенсивности торможения, соединенный с педалью тормоза автомобиля и используемый для управления скоростью снижения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, бортовой компьютер управляет работой двигателя внутреннего сгорания при его запуске и выведении в рабочий режим, а также током заряда аккумулятора.
2. Привод гибридного автомобиля по п.1, содержащий дополнительно асинхронный электродвигатель и шестеренную передачу с дифференциалом для привода задних колес.
3. Привод гибридного автомобиля по п.1, содержащий дополнительно два асинхронных электродвигателя для раздельного привода задних колес.
