Привод гибридного автомобиля Российский патент 2024 года по МПК B60K6/20 B60K6/24 B60K6/26 B60K6/28 

Изобретение относится к автомобилестроению, а именно к приводам гибридных автомобилей, в частности к управлению силовыми установками.

В современном мире общепринятым мнением является наличие угрозы глобального потепления из-за парникового влияния углекислого газа в атмосфере Земли. Поэтому широко распространена идея отказа от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания и перехода на использование исключительно электромобилей. При этом наибольшую популярность имеют синхронные электродвигатели с постоянными магнитами. Они не требуют подачи электрического тока в ротор, что облегчает их использование в качестве генераторов и позволяет рекуперировать энергию при торможении автомобиля путем подключении электродвигателя к батарее аккумуляторов через выпрямитель. В частности, электромобили Тесла, управляемые одной педалью для изменения скорости автомобиля путем регулирования частоты тока питания от батареи при отпускании педали переходят в режим торможения, переводя двигатель в режим генератора.

Однако двигатели с постоянными магнитами имеют ряд существенных недостатков:

1. Они дороги, так как используют дефицитные и дорогие редкоземельные элементы.

2. Необходимо заботиться о предотвращении размагничивания постоянных магнитов.

3. Двигатели имеют постоянный момент при всех оборотах и требуют ограничивать ускорение автомобиля, чтобы не превысить предельный момент и выпасть из синхронизма. Поэтому автомобили Тесла снабжают мощными электродвигателями.

4. В автомобилях с полным приводом необходимо использовать и асинхронные двигатели, чтобы не требовались межосевые дифференциалы, которые не только усложняют конструкцию, но и снижают устойчивость автомобиля при плохих дорожных условиях.

5. При наличии синхронного и асинхронных двигателей в приводе автомобиля сложно перевести их одновременно в режим рекуперации.

Все доводы в пользу глобального потепления и необходимости бороться с выбросами углекислого газа весьма сомнительны. В русской редакции Википедии были ссылки на причастность великих ученых Жан-Батист Жозеф Фурье и Сванте Августа Арениуса к теории глобального потепления, но были удалены как ложные.

В соответствии с законом Стефана-Больцмана излучение тел пропорционально абсолютной температуре в четвертой степени, поэтому излучение Солнца с температурой около 6000 градусов Кельвина больше температуры Земли (около 300 градусов) в 20 раз и потому излучение Земли в 160000 раз меньше излучения Солнца. Флуктуации светимости Солнца но 0,3 % оказывают влияние на температуру Земли в 480 раз больше, чем все излучение Земли. Углекислый газ, составляющий 0,04 % от массы Атмосферы даже при прогреве до температуры Земли не сможет влиять на температуру Атмосферы. Напротив, пары и капли воды, а также твердые аэрозоли, извергаемые вулканами и угольными электростанциями экранируют проникновение Солнечных лучей и существенно снижают температуру Земли. Таяние ледников на полюсах Земли связано не с влиянием углекислого газа, а с проникновением ультрафиолетового излучения через озоновые дыры на полюсах Земли. Мощное ультрафиолетовое излучение поглощается водой во всех фазовых состояниях, что является причиной таяния льдов. Озоновые дыры образуются под действием фреонов, широко используемых в холодильниках и в аэрозольных упаковках. Но выполнению Монреальского протокола, ограничивающего использование фреонов, не уделяется должного внимания. Таяние ледников продолжается, приводит к повышению уровня мирового океана и создает угрозу сокращения площади суши на Земле.

Увеличение концентрации углекислого газа в городах из-за сжигания топлива в автомобилях, теплоэлектроцентралях и котлах, нагревающих теплоноситель для отопления зданий, приводит к снижению концентрации кислорода, необходимого для дыхания людей и животных. Поэтому целесообразно использовать гибридные автомобили, которые в городах и в заторах на дорогах могут использовать исключительно электрический привод. Они используют все преимущества электропривода, позволяют использовать ДВС в оптимальных режимах и значительно сократить расход топлива. Гибридные автомобили не требуют использования больших аккумуляторных батарей, для производства которых требуются дефицитные материалы и утилизация которых вызывает большие проблемы.

Из современного уровня техники известны разные конструкции гибридных приводов автомобилей [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 торможении автомобиля электродвигатель переводится в режим генератора, что позволяет осуществлять рекуперацию энергии и тем повышать коэффициент полезного действия (КПД) силовой установки При такой схеме подключения ДВС никогда непосредственно не приводит транспортное средство в движение. Конструкция подобных гибридных автомобилей предполагает использование аккумуляторов увеличенной емкости, но меньшей, чем в электромобилях. Данная схема подключения двигателей использована Chevrolet Volt, Opel Ampera.

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 помогает 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 необходимость использования автоматической коробки передач, подзарядка аккумулятора только при торможении автомобиля или работе электродвигателя в режиме генератора, а также необходимость согласования работы ДВС и электродвигателя при совместном приводе колес. 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 и автоматической коробкой передач для достижения заданной скорости автомобиля.

Последовательно-параллельная схема (смешанная) - планетарный редуктор обеспечивает связь ДВС, электрогенератора и электрического двигателя, примером гибридных автомобилей с последовательно-параллельной схемой (Full Hybrid) является Toyota Prius, Ford Escape Hybrid, Lexus RX 450h. Недостатками такой схемы являются наличие ДВС, электродвигателя, генератора и планетарного редуктора и возможность использования ДВС только совместно с генератором и электродвигателем.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и принятый за прототип, является [2] привод гибридного автомобиля, состоящий из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) со стартером, генератором и аккумулятором низкого напряжения, бензобаком и системой питания с дроссельной заслонкой, снабженной сервоприводом, синхронного электродвигателя, шестеренного редуктора, соединенного с синхронным электродвигателем, дифференциала для привода передних колес, двух электромагнитных муфт для соединения шестеренного редуктора с дифференциалом и с ДВС, аккумуляторной батареи большого напряжения и емкости, инвертора, системы управления с бортовым компьютером, соединенного с педалью ускорителя автомобиля регулятора интенсивности повышения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, педали тормоза автомобиля, соединенной с регулятором интенсивности снижения частоты переменного тока, создаваемого инвертором и для остановки автомобиля.

Такой привод гибридного автомобиля имеет недостатки:

1. В нем используется синхронный электродвигатель, недостатки которого перечислены выше.

2. Электромагнитные муфты громоздки и требуют питания электрическим током в рабочем состоянии.

Целью предлагаемого изобретения является создание простого, дешевого и эффективного гибридного привода автомобиля, обеспечивающего зарядку аккумуляторной батареи и рекуперацию энергии при торможении автомобиля.

Эта цель достигается тем, что в приводе гибридного автомобиля, состоящего из двигателя внутреннего сгорания со стартером, генератором и аккумулятором низкого напряжения, бензобаком и системой питания с дроссельной заслонкой, снабженной сервоприводом, электродвигателя, шестеренного редуктора, соединенного с электродвигателем, дифференциала для привода передних колес, аккумуляторной батареи большого напряжения и емкости, инвертора, системы управления с бортовым компьютером, соединенного с педалью ускорителя автомобиля регулятора интенсивности повышения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, и педали тормоза, соединенной с регулятором интенсивности снижения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, и для остановки автомобиля

применен асинхронный электродвигатель, для соединения редуктора с дифференциалом передних колес используется управляемая вручную зубчатая муфта, а для подключения двигателя внутреннего сгорания к редуктору используется сцепление, управляемое бортовым компьютером с помощью сервопривода.

Привод гибридного автомобиля может содержать дополнительно два асинхронных электродвигателя с редукторами для обеспечения постоянного полного привода, автомобиля.

Устройство гибридного привода автомобиля поясняется с помощью рис. 1, где представлена схема конструкции гибридного привода передних колес автомобиля. Привод состоит из двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 1, асинхронного электродвигателя 11, шестеренного редуктора 16, дифференциала 13 для привода передних колес 12, управляемой вручную зубчатой муфты 15 между шестеренным редуктором 16 и дифференциалом 13, сцеплоения17 между ДВС 1 и редуктором 16, аккумулятора 9, инвертора 8, сервопривода 4 управления дроссельной заслонкой 3 двигателя внутреннего сгорания, педали ускорителя 6 автомобиля используемого для регулирования интенсивности повышения частоты переменного тока, создаваемого инвертором 8, педали тормоза автомобиля, используемой для регулирования интенсивности снижения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, и для полной остановки автомобиля. Бортовой компьютер 5 управляет запуском и выведением в рабочий режим двигателя внутреннего сгорания, а также током и степенью заряда аккумулятора, Электродвигатель питается от аккумулятора 9 через инвертор 8, преобразующий постоянный ток в переменный ток изменяемой частоты.

Устройство полного привода гибридного автомобиля показано на рис. 2 Дополнительно к устройствам, используемым для привода передних колес, указанных на рис. 1, полный привод дополнен двумя асинхронными электродвигателями 18, подключенными к инвертору 8 и двумя редукторами 19 для раздельного привода задних колес 20.

При разгоне автомобиля интенсивность увеличения частоты тока задается педалью 6 ускорителя и регулируется инвертером пропорционально степени перемещения педали.

Если водитель снял ногу с педали ускорителя, то автомобиль движется с достигнутой постоянной скоростью. Замедление и торможение двигателя осуществляется педалью замедлителя 7, задающей снижение частоты тока с помощью инвертора 8 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.

Для осуществления зарядки аккумулятора 9 при неподвижном двигателе водитель должен выключить зубчатую муфту 15, отключить от инвертора 8 электродвигатели 18 у автомобиля с полным приводом и дать команду компьютеру 5 на запуск ДВС. Компьютер 5 запускает ДВС 1, после достижения заданной температуры ДВС компьютер 5 запускает и увеличивает скорость электродвигателя 11. В момент согласования скоростей ДВС и электродвигателя компьютер с помощью сервопривода 10 сцепления 17 соединяет коленчатый вал ДВС с редуктором 16, который постоянно соединен с электродвигателем11. Затем компьютер 5 задает с помощью инвертора 8 оптимальную скорость электродвигателя 11 и с помощью сервопривода 4 заслонки 3 увеличивает подачу топлива в ДВС до достижения заданного тока заряда батареи от электродвигателя 11, работающего в генераторном режиме, так как ДВС заставляет электродвигатель опережать поле статора. Так как скорость двигателя внутреннего сгорания определяется частотой вращения магнитного поля генератора,, то дроссельная заслонка двигателя внутреннего сгорания может быть открыта полностью, обеспечивая поступления большого количества воздуха и большую мощность при использовании обедненной горючей смеси.

При достижении заданной степени заряда аккумулятора компьютер 5 отключает механическое соединение ДВС1 и электродвигателя 11 и останавливает ДВС и электродвигатель.

Трогание автомобиля всегда производится после включения водителем зубчатой муфты 15, подключения к инвертору двух электродвигателей 18 на автомобиле с полным приводом и нажатия на педаль 6. При резком нажатии на педаль 6 частота тока резко возрастает, пусковой ток и момент на валу двигателя в первые секунды будут в несколько раз больше номинальных и ускорение автомобиля будет велико, а затем ток и момент станут номинальными. Если водитель до трогания автомобиля разрешит компьютеру включить ДВС, то при выравнивании скоростей ДВС и электродвигателя дальнейшее ускорение автомобиля будет при совместной работе ДВС и электродвигателя, пока водитель будет задавать педалью ускорителя увеличение скорости электродвигателя.

Когда водитель отпустит педаль ускорителя, частота тока и скорость автомобиля будут оставаться постоянными. Так как компьютер заставляет ДВС опережать электродвигатель, регулируя ток заряда батареи от электродвигателя, работающего в качестве генератора, то мощность ДВС будет расходоваться на движение автомобиля и подзаряд батареи. При движении с горки ток заряда будет увеличиваться. При движении в гору вся мощность ДВС может расходоваться на привод автомобиля, а в случае ее недостатка для поддержания заданной скорости электродвигатель будет расходовать энергию батареи.

Простым нажатием на педаль ускорителя водитель переводит электрическую машину в режим двигателя и обеспечивает ускорение автомобиля совместно электродвигателем и ДВС.

При достижении заданной степени заряда батареи компьютер отсоединит ДВС от редуктора и остановит ДВС. При уменьшении заряда батареи до нижнего уровня компьютер запустит ДВС и соединит его с редуктором и электродвигателем для подзарядки батареи.

При движении в городе или в заторах водитель может снять разрешение на использовании ДВС.

При необходимости торможения автомобиля водитель нажимает на педаль тормоза. Компьютер с помощью сервопривода 10 отсоединяет ДВС от редуктора, инвертор задает снижение частоты тока тем интенсивнее, чем сильнее нажата педаль тормоза. Все электродвигатели переходят в режим генератора, тормозят автомобиль и заряжают аккумулятор. В конце движения педали тормоза приводится в действие гидравлическая система тормозов, что обеспечивает полную остановку автомобиля.

Кратковременным нажатием на педаль тормоза водитель может снизить скорость автомобиля.

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. Использование полного привода гарантирует высокую проходимость автомобиля и устойчивость его движения по плохой дороге при проскальзывании колес.

Предлагаемое устройство имеет преимущества по сравнению со всеми известными электрическими и гибридными автомобилями.

1. Не требует создания сети электрозаправок.

2. Не требует использование аккумуляторной батареи очень большой емкости.

3. Не требует полной зарядки батареи для увеличения пробега автомобиля и позволяет не допускать чрезмерного разряда аккумуляторной батареи, что способствует увеличению срока ее годности.

4. Не критичен к снижению емкости аккумуляторной батареи при низкой температуре атмосферы и длительной эксплуатации автомобиля.

5. Стимулирует использовать электрическую сеть для заправки аккумуляторов ночью во время снижения потребления электроэнергии, когда снижены тарифы.

6. Обеспечивает рекуперацию энергии всех электродвигателей при движении с горки и при торможении вплоть до полной остановки автомобиля.

7. Не требует сложного алгоритма управления.

8. Не требует расходования тока аккумуляторной батареи для подогрева автомобиля перед началом поездки в холодное время года.

Предлагаемое устройство имеет преимущество по сравнению со всеми известными автомобилями с ДВС:

1. Не нужна коробка передач и мощный форсированный двигатель для разгона автомобиля, что упрощает его конструкцию.

2. Обеспечивается быстрый разгон автомобиля благодаря увеличенному моменту пуска электродвигателя и дальнейшему разгону совместно электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания небольшой мощности.

3. Двигатель внутреннего сгорания используется только в экономных режимах работы на обедненных горючих смесях, что обеспечивает полное сгорание топлива.

4. Оптимальный режим работы двигателя внутреннего сгорания и рекуперация энергии при замедлении электродвигателя позволяют значительно снизить расход топлива и увеличить пробег автомобиля на одной заправке автомобиля.

Использованные источники информации.

1. https://www.electra.com.ua/elektroavtomobil/200-printsip-raboty-benzinovo-elektricheskikh-gibridnykh-avtomobilej.html

2. Патент RU 2764612 С1.

Изобретение относится к автомобилестроению. Привод гибридного автомобиля состоит из двигателя внутреннего сгорания со стартером и генератором, аккумуляторов высокого и низкого напряжения, системы питания с дроссельной заслонкой, снабженной сервоприводом, асинхронного электродвигателя, шестеренного редуктора, соединенного с электродвигателем, дифференциала для привода передних колес, инвертора, системы управления с бортовым компьютером, соединенного с педалью ускорителя автомобиля, регулятора интенсивности повышения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, и педали тормоза автомобиля, используемой для управления интенсивностью снижения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, и для остановки автомобиля. Для соединения редуктора с дифференциалом передних колес используется управляемая вручную зубчатая муфта. Для подключения двигателя внутреннего сгорания к шестеренному редуктору используется сцепление, управляемое бортовым компьютером с помощью сервопривода. Повышается эффективность привода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Привод гибридного автомобиля, состоящий из двигателя внутреннего сгорания со стартером, генератором и аккумулятором низкого напряжения, бензобаком и системой питания с дроссельной заслонкой, снабженной сервоприводом, электродвигателя, шестеренного редуктора, соединенного с электродвигателем, дифференциала для привода передних колес, аккумуляторной батареи большого напряжения и емкости, инвертора, системы управления с бортовым компьютером, соединенного с педалью ускорителя автомобиля, регулятора интенсивности повышения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, и педали тормоза автомобиля, используемой для управления интенсивностью снижения частоты переменного тока, создаваемого инвертором, и для остановки автомобиля, отличающийся тем, что применен асинхронный электродвигатель, для соединения редуктора с дифференциалом передних колес используется управляемая вручную зубчатая муфта, а для подключения двигателя внутреннего сгорания к шестеренному редуктору используется сцепление, управляемое бортовым компьютером с помощью сервопривода.

2. Привод гибридного автомобиля по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен двумя асинхронными электродвигателями с редукторами для обеспечения постоянного полного привода автомобиля.