ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ Российский патент 1995 года по МПК B60L11/12 

Изобретение относится к транспорту, в частности для использования его в городском пассажирском автобусном транспорте, а также в качестве личного транспортного средства.

Аналогом изобретения является автомобиль, а прототипом электромобиль.

Основные достоинства автомобиля: мобильность; возможность достаточно длительного движения от заправки до заправки.

Основные недостатки автомобиля: дороговизна используемого топлива; загрязнение окружающей среды вредными компонентами выхлопных газов; большие потери тепловой энергии, получаемой от сгорания топлива, в окружающую среду; большие потери энергии при торможении; потери энергии при стоянках с работающим мотором; шумность.

Основные достоинства электромобиля: бесшумность работы; отсутствие выбросов в окружающую среду вредных веществ (кажущееся, так как для зарядки аккумуляторных батарей электромобилей используется электрическая энергия, вырабатываемая, в основном, тепловыми электростанциями, которые атмосферу все-таки загрязняют).

Основные недостатки электромобиля: небольшой пробег от зарядки аккумуляторной батареи до повторной зарядки; длительное время, которое требуется для зарядки аккумуляторной батареи; дороговизна электрической энергии, требующейся для зарядки аккумуляторной батареи; ограниченная возможность рекуперации электрической энергии, вырабатываемой при торможениях электромобиля.

Сущность изобретения. Эксплуатация предлагаемого электромобиля приведет к резкому сокращению расходования топлива на 100 км пробега. Существенными признаками для достижения этого результата являются: рекуперация почти всей электрической энергии, вырабатываемой обратимыми электроприводами колес при торможениях; использование генератора мотор-генератор для зарядки аккумуляторной батареи при снижении или прекращении потребления электрической энергии электроприводами колес, а также при остановках и стоянках с работающим мотором; снижение потерь в трансмиссии в силу ее упрощения.

Для рекуперации электрической энергии, вырабатываемой обратимыми электроприводами колес при торможении электромобиля, предлагается использовать электрический конденсатор (силовой электрический конденсатор). Выбор электрического конденсатора для этой цели оправдан двумя основными факторами: способностью электрического конденсатора практически мгновенно принимать энергию большого электрического тока, который неизбежен при экстренном торможении электромобиля, двигающегося с максимальной скоростью, тока, который для аккумуляторной батареи не приемлем; возможностью сконструировать его таким образом, чтобы напряжение на нем после двух-трех экстренных торможений было гораздо ниже, чем напряжение на выходной клемме генератора агрегата мотор-генератор.

После двух экстренных торможений подряд электромобиля, двигающегося с максимальной скоростью, напряжение на конденсаторе должно возрасти примерно на 20% от напряжения на выходной клемме генератора агрегата мотор-генератор. Это нужно для эффективного торможения электромобиля, ибо эта эффективность напрямую от этого зависит. Когда напряжение на выходных клеммах электропривода колес, при торможении работающих в режиме генераторов, и напряжение на конденсаторе сравняются, торможение прекратится, так как прекратится электрический ток. Таким образом, при торможении электромобиля в электрическом конденсаторе будет сосредоточиваться электрическая энергия пониженного по сравнению с напряжением на выходной клемме генератора агрегата мотор-генератор напряжения. Конденсатор же включен последовательно с генератором агрегата мотор-генератора, и когда на нем повышается напряжение, то на такую же величину повысится напряжение на выходе этого генератора в силу их последовательного соединения. В этом случае система стабилизации и регулирования напряжения на выходе генератора агрегата мотор-генератор уменьшит подачу топлива в мотор и приведет повысившееся напряжение к заданному значению. Конденсатор же через обмотку генератора агрегата мотор-генератор будет разряжаться на аккумуляторную батарею, а при включении электроприводов колес в режим двигателей, и на их питание, т.е. накопленная в конденсаторе электрическая энергия будет тут же рекуперироваться. Разряжаясь, конденсатор готов к приему электрической энергии, которая будет выработана при очередном торможении.

На чертеже показана примерная электрическая схема силовых, зарядно-разрядных и систем стабилизации и регулирования цепей электромобиля. Коммутационная аппаратура на схеме находится в положении для движения вперед в полноприводном варианте.

Примерная электрическая схема силовых, зарядно-разрядных и систем стабилизации и регулирования цепей электромобиля содержит: мотор 1 агрегата мотор-генератор тепловой двигатель, мощность которого должна соответствовать мощности приводного им во вращение генератора; генератор 2 агрегата мотор-генератор генератор постоянного электрического тока, мощность которого должна соответствовать назначению электромобиля. Напряжение генератора должно соответствовать напряжению полностью заряженной аккумуляторной батареи, а его электрический ток должен обеспечивать разгон электромобиля и возможные перегрузки. Генератор должен быть оснащен системой стабилизации и регулирования напряжения на его выходной клемме. Система стабилизации и регулирования напряжения на выходной клемме генератора включает в себя вольтметр-датчик 3 напряжения на выходной клемме генератора, подключенный к необъединенным выходам генератора и конденсатора, воздействует на регулятор 4 напряжения. Регулятор напряжения пропорционально-интегрального типа, воздействует на исполнительный механизм 5. Исполнительный механизм 5 воздействует на регулирующий орган 6, который управляет подачей топлива в мотор. Регулирующий орган 6 в зависимости от напряжения на выходной клемме генератора изменяет подачу топлива в мотор. При повышении напряжения выше заданного, подача топлива уменьшается, а при его понижении, увеличивается. Амперметр 7 предназначен для контроля величины электрического тока генератора. Контактор 8 предназначен для отключения генератора, когда мотор остановлен. Аккумуляторная батарея 9 служит параллельно с генератором агрегата мотор-генератор для питания электроприводов колес электромобиля, а также для пуска мотора и обеспечения работы светотехнической и иной аппаратуры на борту электромобиля. Другое ее важное назначение в предлагаемом электромобиле это принятие в себя излишков электрической энергии, которые будут появляться в системе генератора 2 агрегата мотор-генератор электроприводы колес при торможении электромобиля, т. е. когда электроприводы колес переключаются в режим генераторов, а также когда электромобиль стоит с работающим мотором. Для этого предусмотрена разрядка аккумуляторной батареи на первом этапе движения электромобиля до допустимой величины, о чем можно судить по напряжению на ее клеммах. Очевидно, что когда аккумуляторная батарея полностью заряжена, напряжена на ее клеммах должно соответствовать номинальному напряжению на генераторе агрегата мотор-генератор и при первоначальном движении электромобиля питание электроприводов его колес будет осуществляться, в основном, от аккумуляторной батареи, а по мере ее разрядки это питание будет перекладываться все более и более на генератор 2 агрегата мотор-генератор. Это будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на клеммах аккумуляторной батареи не понизится до допустимой величины. Для этого предусмотрена система автоматического регулирования напряжения на клеммах аккумуляторной батареи, которая содержит: вольтметр-датчик 10 напряжения на клеммах аккумуляторной батареи, воздействующей на регулятор 11 напряжения; регулятор напряжения пропорционального типа, воздействующий на исполнительный механизм 12; исполнительный механизм 12 воздействующий на регулирующий орган 13; регулирующий орган 13, от которого зависит соотношение электрических токов, параллельно питающих электроприводы колес электромобиля от аккумуляторной батареи и от генератора агрегата мотор-генератор. Когда напряжение на клеммах аккумуляторной батареи понизится до допустимой величины, питание электроприводов колес электромобиля должно осуществляться только от генератора агрегата мотор-генератор, а аккумуляторная батарея в этой ситуации будет лишь принимать излишки электрической энергии, когда они появятся в системе генератор агрегата мотор-генератор электроприводы колес, а по мере зарядки, а следовательно, и повышения напряжения на ее клеммах, системой автоматического регулирования напряжения она снова будет подключаться для параллельного питания электроприводов колес электромобиля. Нуль-амперметр 14 находится в цепи аккумуляторной батареи и предназначен для контроля величины и направления электрического тока, через нее проходящего. Контактор движения 15 предназначен для подачи напряжения на реостат 16 движения. Его включение сблокировано с педалью, которой перемещается ползунок реостата 16 движения. Управление педалью осуществляется ногой водителя. Реостат 16 движения предназначен для регулирования величины электрического тока, поступающего к электроприводам колес электромобиля и, следовательно, скорости его движения. Амперметр 17 предназначен для контроля величины электрического тока, проходящего через электроприводы колес при его движении. Контактор 18 направления движения. Управление им предполагается рукою водителя, рукоятка которого имеет два положения: движение вперед и движение назад. Нуль-амперметр 19 предназначен для контроля величины и направления электрического тока, проходящего через электроприводы задних колес электромобиля при его движении или торможении. Нуль-амперметр 20 предназначен для контроля величины и направления электрического тока, проходящего через электроприводы передних колес электромобиля при его движении или торможении. Контактор 21 предназначен для отключения питания электроприводов передних колес электромобиля, если в этом возникнет необходимость. Контактор 22 предназначен для отключения питания электроприводов задних колес электромобиля, если в этом возникнет необходимость.

Контакторами 21 и 22 может быть выбрана приводность электромобиля. Если контакторы 21 и 22 замкнуты, то электромобиль полноприводной. Если контактор 21 замкнут, а контактор 22 разомкнут, то электромобиль переднеприводной. Если контактор 21 разомкнут, а контактор 22 замкнут, то электромобиль заднеприводной.

Имеются обратимые электроприводы 23 правого переднего колеса, 24 левого переднего колеса, 25 правого заднего колеса и 26 левого заднего колеса.

Для обеспечения одинаковых скоростей вращения электроприводы 23 и 24, а также 25 и 26 включены последовательно (схема Вард-Леонарда). Контактор 27 торможения предназначен для переключения электроприводов колес электромобиля при его торможении в режим генераторов и подключения их к электрическому конденсатору 30. Включение контактора 27 торможения сблокировано с педалью, перемещающей ползунок реостата 28 торможения. Управление педалью торможения осуществляется ногой водителя электромобиля. Реостат 28 торможения предназначен для регулирования величины электрического тока, вырабатываемого электроприводами колес электромобиля, которые при его торможении работают в режиме генераторов и, следовательно, эффективности торможения. Амперметр 29 предназначен для контроля величины электрического тока, вырабатываемого электроприводами колес при торможении, когда они работают в режиме генераторов, и направляемого в электрический конденсатор 30. Электрический конденсатор 30 предназначен для приема в себя электрической энергии, вырабатываемой электроприводами колес электромобиля при торможении, когда они работают в режиме генераторов. В этом случае на конденсаторе начнет повышаться напряжение, но так как он включен последовательно с генератором агрегата мотор-генератор, то на такую же величину будет повышаться напряжение на выходной клемме генератора. В этом случае сработает система стабилизации и регулирования напряжения на выходной клемме генератора агрегата мотор-генератор и уменьшит подачу топлива в мотор, не позволяя этому напряжению повышаться выше заданного значения. Электрическая энергия, принятая конденсатором, сразу же будет из него расходоваться через обмотку генератора агрегата мотор-генератор на зарядку аккумуляторной батареи, а при переключении электроприводов колес в режим двигателей, и на их питание, т.е. электрическая энергия, выработанная при торможении электромобиля и принятая в электрический конденсатор, будет рекуперирована. Разряжаясь, конденсатор готов принимать электрическую энергию, которая будет выработана при очередном торможении электромобиля.

Выбор электрического конденсатора для этих целей обусловлен тем, что он способен почти мгновенно принять энергию большого электрического тока, неизбежного при торможении электромобиля, двигающегося с максимальной скоростью. Теоретически возможен мгновенный останов электромобиля и никаких ремней безопасности не нужно, так как энергия силы инерции почти полностью будет преобразовываться в энергию электрическую. Основная характеристика электрического конденсатора это его емкость. Чем больше будет емкость конденсатора, тем эффективнее будет торможение электромобиля, но тем больше потребуется времени для рекуперации электрической энергии, при торможении в нем запасенной. Емкость электрического конденсатора должна быть такой, чтобы после двух экстренных торможений электромобиля, двигающегося с максимальной скоростью, повышение напряжения на нем составило бы порядка 20% от номинального напряжения на выходной клемме генератора агрегата мотор-генератор. Это нужно для обеспечения эффективности торможения электромобиля, ибо с уменьшением его скорости, напряжение, вырабатываемое электроприводами его колес, работающими в режиме генераторов, будет понижаться и наступит момент, когда оно сравняется с напряжением на конденсаторе. Когда это произойдет, торможение прекратится, так как прекратится электрический ток. Таким образом в конденсаторе будет сосредоточиваться и вместе с тем сразу же расходоваться электрическая энергия, вырабатываемая при торможении электромобиля электроприводами его колес, пониженного по сравнению с напряжением на выходной клемме генератора агрегата мотор-генератор напряжения. Так как генератор соединен с конденсатором последовательно, то при повышении напряжения на конденсаторе, на такую же величину оно повысится на выходной клемме генератора агрегата мотор-генератор, но система стабилизации и регулирования напряжения на нем этого не позволит. Она уменьшит подачу топлива в мотор и приведет напряжение на выходной клемме генератора к его заданному значению. Электрическая энергия же, запасенная в электрическом конденсаторе, сразу же, но постепенно, станет расходоваться на зарядку аккумуляторной батареи, а при переключении электроприводов колес электромобиля в режим двигателей, и на их питание, т. е. вся она, если не считать потерь на электрическое сопротивление, будет рекуперирована. Полупроводниковый диод 31 предназначен для предотвращения утечки электрической энергии на узел минусовых клемм 33. Когда на электрическом конденсаторе нет напряжения, то генератор агрегата мотор-генератор через этот диод имеет электрическую цепь с узлом 33 минусовых клемм. Полупроводниковый диод 32 предназначен для предотвращения утечки электрической энергии из конденсатора через электроприводы колес электромобиля, если при остановке электромобиля педаль контактора 27 окажется нажатой. Вольтметр 34 предназначен для контроля наличия или отсутствия напряжения на конденсаторе. Клеммы 35 предназначены для подключения внешних источников питания, например зарядных устройств, солнечных батарей и т.п. а также использования источников энергии электромобиля для нужд, имеющих быть за бортом.

Порядок управления электромобилем. Включить контактор 8 и запустить мотор 1.

Контакторами 21 и 22 выбрать приводность электромобиля.

Рукояткой управления контактором 18 выбрать направление движения вперед или назад.

Ножной педалью включить контактор 15 и подать напряжение к обратимым электроприводам колес. Дальнейшим плавным нажатием педали включить в работу реостат 16 движения, электроприводы колес включатся в работу и электромобиль начнет двигаться.

При необходимости подтормаживания или торможения нога переставляется на педаль реостата 28 торможения. В этом случае будет замкнут контактор 27 и электроприводы колес электромобиля будут переключены в режим генераторов и начнут вырабатывать электрический ток, который начнет поступать в электрический конденсатор 30. Степень эффективности торможения регулируется педалью реостата 28 торможения, т.е. величиною силы электрического тока, заряжающего конденсатор 30. Напряжение на конденсаторе начнет повышаться, но конденсатор сразу же начнет и разряжаться. Вначале через обмотку генератора для зарядки аккумуляторной батареи, а с возобновлением движения и для питания электроприводов колес электромобиля.

Должна быть предусмотрена блокировка, предотвращающая одновременное включение контакторов 15 и 27.

Механизмы, аппаратура, силовые, зарядно-разрядные и систем стабилизации и регулирования цепи должны быть спроектированы и изготовлены специально.

Для достижения максимальной экономичности при эксплуатации предлагаемого электромобиля, а также его экологичности, он должен быть дополнен ТЕНТЭРОМ специальным зарядным устройством, которое для целей выработки электрической энергии использует низкотемпературную тепловую энергию бесполезно, но с вредом для природы, выбрасываемую современными тепловыми двигателями, тепловую энергию выхлопных газов и систем охлаждения.

Использование: в городском экологически чистом транспорте. Сущность изобретения: электромобиль обеспечивает рекуперацию почти всей электроэнергии, придаваемой ему при ускорениях, когда он переводится в режим торможения. Машина оснащена обратимыми электрическими приводами колес, обладающими способностью вырабатывать электроэнергию при торможении. Эти приводы питаются от аккумуляторной батареи и от генератора агрегата мотор-генератор, которые снабжены индивидуальными системами автоматического регулирования напряжения. Для аккумуляции энергии больших токов, неизбежных при экстренных торможениях, предусмотрен электрический конденсатор, включенный последовательно с генератором агрегата мотор-генератора. 1 ил.

ЭЛЕКТРОМОБИЛЬ, содержащий аккумуляторную батарею и агрегат мотор-генератор, подключенные параллельно к обратимым электродвигателям колес с возможностью запитки их в режиме движения, электрический конденсатор, соединенный с электродвигателями с возможностью зарядки от них в режиме рекуперативного торможения, системы регулирования и стабилизации напряжения на заданном уровне, снабженные входными датчиками напряжения и регулирующими органами, один из которых связан с цепью подачи топлива в мотор-генератор агрегата, отличающийся тем, что упомянутый конденсатор включен последовательно с мотор-генератором агрегата с возможностью разрядки через него на аккумуляторную батарею или электродвигатели, при этом датчик напряжения системы регулирования и стабилизации подключен к необъединенным выводам мотор-генератора и конденсатора.