Комбинированная энергетическая установка транспортного средства (варианты)

Комбинированная энергетическая установка транспортного средства (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Группа изобретений относится к области транспортного машиностроения, точнее к силовым установкам транспортных средств, предназначенным, преимущественно, для гибридных транспортных средств многоцелевого назначения.

Из уровня техники известны комбинированные энергетические установки (КЭУ) транспортных средств (ТС), содержащие в качестве источников передаваемой на вал привода ведущих колес ТС энергии: тепловой двигатель, например двигатель внутреннего сгорания (ДВС), и две электромашины, которые могут работать и как мотор, и как генератор и подключены к накопителю электрической энергии/батарее через преобразователи, а также средства управления работой ДВС и электромашин. В них обеспечение требуемого скоростного и тягового диапазона ТС достигается путем трансформации входящего крутящего момента, т.е. регулирование выходных силовых параметров установки осуществляется путем изменения передаточного отношения в автоматических ступенчатых или бесступенчатых коробках передач, размещенных на оси вала привода между электромашинами (WO/CN 2004052672 A1; US 7004884 В2, 2006 г.) или за ними (WO/DE 2004037594 A1; US 6705416 B1, 2004 г.).

Общий недостаток таких КЭУ обусловлен наличием коробок передач и дополнительных технических средств для обеспечения варьирования режимов подключения ДВС и электромашин к силовой линии «источник энергии - ведущие колеса» (например, одной или нескольких муфт сцепления), т.к. это, во-первых, усложняет их компоновочное решение и кинематику, а во-вторых, приводит к снижению КПД установки.

Этот недостаток частично устранен в КЭУ ТС, известной из патента RU 2334624 С2, 2008 г. (фиг.1), содержащей тепловой двигатель и две электрические машины с функциями как генераторов, так и тяговых двигателей, в которой функции варьирования режимов подключения машин и регулирования силовых параметров установки осуществляются одним механизмом варьирования, представляющим собой трехвальный планетарный дифференциал в совокупности с генератором - первой электромашиной, содержит наружное солнечное колесо с внутренним зубчатым венцом, внутреннее солнечное колесо, соединенное с валом первой электромашины, сателлиты и водило, соединенное с валом ДВС, причем вал наружного зубчатого венца дифференциала служит одновременно валом привода оси ведущих колес и вторая электромашина подключена к нему через редуктор. Такая установка конструктивно усложнена и имеет сниженный функциональный диапазон - в ней нельзя реализовать, например, последовательную схему работы (когда ДВС работает только на привод генератора - первой электромашины) из-за постоянной механической связи между коленвалом ДВС и осью ведущих колес, т.е. конструктивно не предусмотрено их разобщение; или режим движения ТС только от ДВС без энергетических потерь, поскольку даже при выключенной второй электрической машине, первая электромашина всегда задействована в качестве привода трехвального планетарного механизма.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой группы изобретений определена установка по патенту JP 6144020 A, 1994 г., содержащая вал привода ведущей оси ТС, тепловой двигатель, первую и вторую обратимые электрические машины, установленные в направлении ведущей оси последовательно друг за другом вдоль общей оси, совпадающей с осью вала привода, с возможностью подключения к этому валу, при котором соединение теплового двигателя и первой электрической машины с валом привода выполнено с возможностью размыкания, а также исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемого по условиям движения транспортного средства варианта подключения двигателей к валу привода, представляющий собой комбинацию двух соединительных узлов, первый из которых размещен между тепловым двигателем и первой электрической машиной, а второй - между первой и второй электрическими машинами.

В прототипе подключение теплового двигателя и двух электрических машин к валу привода ведущих колес осуществляется через планетарную коробку передач с изменяемым передаточным отношением, которая необходима в этом решении для того, чтобы получить возможность использовать электромашины с разными характеристиками: первая электромашина низкомоментная и высокооборотная, а вторая - высокомоментная и низкооборотная,

Однако в отдельных режимах, например в режиме разгона автомобиля с максимальной интенсивностью, является нерациональным использовать две такие машины одновременно, как это делается в прототипе. Этот режим требует создания на ведущих колесах автомобиля высоких крутящих моментов для обеспечения трогания автомобиля с места и быстрого разгона до определенной скорости, но при этом частота вращения колес и соответственно валов трансмиссии невысокая. Для второй электромашины этот режим является оптимальным, а первая электромашина при этом большую часть времени разгона с максимальной интенсивностью работает на режиме низкой эффективности, который характеризуется сниженным КПД, что обуславливает повышение энергозатрат на единицу производимой мощности и соответственно приводит к снижению энергоэффективности всей установки.

Использование разнотипных электромашин в тяговом режиме при необходимости управления процессом переключения в коробке передач значительно усложняет систему управления КЭУ. Это происходит из-за того, что процесс переключения необходимо согласовать и объединить с логикой работы отдельных компонентов установки на всех режимах ее функционирования, в т.ч. по текущим условиям движения ТС, соответственно, требуется достаточно сложный управляющий блок с более усложненным программным продуктом, что увеличивает затраты, не всегда оправданные. К тому же при передаче мощности на ведущие колеса посредством коробки передач имеются механические потери. Эти потери присутствуют в большинстве режимов работы силовой установки. Данные потери также приводят к снижению КПД и, следовательно, энергоэффективности КЭУ в целом.

Таким образом, к недостаткам прототипа следует отнести низкую энергоэффективность из-за неоптимального использования электрических машин; сложность системы управления ввиду необходимости управлять переключением в коробке передач в соответствии с логикой работы всей энергетической установки; снижение КПД при передаче мощности на ведущие колеса через коробку передач, а также сниженный функциональный диапазон, так как в нем отсутствует возможность реализации параллельной схемы работы, при которой предусмотрена совместная работа ДВС и одной либо двух электромашин в тяговом режиме.

Задача, решаемая предлагаемой группой изобретений, направлена на создание функционально и экономически эффективных комбинированных энергетических установок гибридных ТС.

Технический результат, получаемый от реализации изобретений, состоит в обеспечении расширенного диапазона функциональных возможностей установки и повышении ее эффективности за счет энергосбережения, снижения потерь в кинематике и упрощения управления ею.

Заявленный технический результат достигается тем, что в соответствии с первым вариантом в комбинированной энергетической установке транспортного средства, содержащей вал привода ведущей оси ТС, тепловой двигатель, первую и вторую обратимые электрические машины, установленные в направлении ведущей оси последовательно друг за другом вдоль общей оси, совпадающей с осью вала привода, с возможностью подключения к этому валу, при котором соединение теплового двигателя и первой электрической машины выполнено с возможностью размыкания, а также исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемого по условиям движения транспортного средства варианта подключения двигателей к валу привода, представляющий собой комбинацию двух соединительных узлов, первый из которых размещен между тепловым двигателем и первой электрической машиной, а второй - между первой и второй электрическими машинами, согласно изобретению электрические машины выполнены равнозначными по характеристикам, при этом общая ось размещения теплового двигателя и обеих электрических машин лежит на оси вала привода, расположенной перпендикулярно ведущей оси ТС, и соединение каждого из двигателей с валом привода выполнено с возможностью индивидуального подключения своим выходным валом напрямую с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения, причем соединение второй электрической машины с валом привода выполнено постоянным.

Дополнительное существенное отличие состоит в том, что в ней имеется блок управления, связанный с общей управляющей системой транспортного средства, и к нему подключены все управляемые составляющие установки, в т.ч. соединительные узлы исполнительного механизма варьирования.

В частных случаях исполнения:

- первый соединительный узел выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения и может быть установлен на корпусе теплового двигателя;

- второй соединительный узел выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения.

В соответствии со вторым вариантом технический результат достигается тем, что в комбинированной энергетической установке транспортного средства, содержащей вал привода ведущей оси транспортного средства, тепловой двигатель, первую и вторую обратимые электрические машины, установленные в направлении ведущей оси последовательно друг за другом с возможностью подключения к этому валу, при котором соединение теплового двигателя и первой электромашины с валом привода выполнено с возможностью размыкания, а также исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемого по условиям движения транспортного средства варианта подключения двигателей к валу привода колес, представляющий собой комбинацию двух соединительных узлов, первый из которых размещен между тепловым двигателем и первой электрической машиной, а второй - между первой и второй электрическими машинами, согласно изобретению электрические машины выполнены равнозначными по характеристикам, при этом общая ось размещения теплового двигателя и первой электрической машины лежит на оси вала привода, расположенной перпендикулярно упомянутой ведущей оси, а ось размещения второй электрической машины параллельна оси вала привода, и соединение каждого из двигателей с валом привода выполнено с возможностью индивидуального подключения своим выходным валом через установленное между второй электрической машиной и валом привода согласующее устройство, не требующее внешнего регулирования, с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения, причем соединение второй электрической машины с валом привода выполнено постоянным.

Дополнительное существенное отличие состоит в том, что в ней имеется блок управления, связанный с общей управляющей системой транспортного средства, и к нему подключены все управляемые составляющие установки, в т.ч. соединительные узлы исполнительного механизма варьирования.

В частных случаях исполнения:

- первый соединительный узел выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения и может быть установлен на корпусе теплового двигателя;

- второй соединительный узел выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения;

- вторая электромашина установлена на корпусе согласующего устройства.

Обеспечение возможности механического соединения ТД и двух ЭМ с валом привода напрямую с возможностью размыкания этой связи позволяет расширить диапазон варьирования подключения этих двигателей к силовой линии установки, что необходимо для расширения функциональных возможностей КЭУ за счет реализации как последовательной, так и параллельной схемы работы, дополнительных режимов, требующих, например, отключение передачи мощности от ТД полностью или частично, и к тому же позволяет реализовать способ управления выходными скоростными и тяговыми характеристиками бесступенчатым изменением входящего крутящего момента без его трансформации. Это позволяет, во-первых, обеспечить работу ТД в режиме эффективной загрузки, и, во-вторых, значительно снизить потери в кинематике предлагаемой установки (в отличие от известных аналогов в ней нет необходимости в соответствующих узлах трансмиссии). Тому же способствует соединение выходных валов ТД и ЭМ с валом привода напрямую или через согласующее устройство с обеспечением постоянного соотношения их частот вращения и предлагаемое упрощенное конструктивное решение исполнительного узла. Размещение второй ЭМ на одной оси с ТД и первой ЭМ или параллельно им позволяет расширить конструктивный ряд проектируемых КЭУ. Выполнение обеих ЭМ равноценными по характеристикам (мощности и выполняемым функциям) необходимо для штатной загрузки ТД и повышения энергоэффективности установки, упрощения управления ею. Размещение всех трех машин последовательно вдоль общей оси в совокупности с возможностью их выборочного механического подключения к валу привода своими выходными валами напрямую позволяет значительно расширить диапазон реализуемых установкой схем и режимов работы, упрощением линии «источник мощности - ведущие колеса» снижает потери в этой линии.

На представленных чертежах:

фиг.1 - примерная схема предлагаемой комбинированной энергетической установки по первому варианту; фиг.2 - то же по второму варианту.

КЭУ по первому варианту содержит вал 1 привода ведущей оси ТС, связанный с источниками энергии: тепловым двигателем (ТД) 2, первой и второй электрическими машинами (ЭМ), соответственно, 3 и 4, которые установлены последовательно друг за другом в направлении ведущих колес и их общая ось размещения лежит на оси вала 1 привода, перпендикулярной при этом оси 5 ведущих колес.

Исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемых по условиям движения ТС вариантов подключения источников энергии к валу 1, представляет собой комбинацию двух управляемых соединительных узлов (СУ), первый из которых - СУ 6 размещен между ТД 2 и ЭМ 3, например, установлен на корпусе ТД, и связывает их с валом 1, а второй СУ 7 - между ЭМ 3 и ЭМ 4 и связывает обе электромашины между собой и с валом 1. Соединение выходных валов ТД 2, ЭМ 3, ЭМ 4 с валом 1 осуществляется напрямую и с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения. Соединение ТД 2 и ЭМ 3 с валом 1 выполнено с возможностью размыкания. Выходной вал ЭМ 4 соединен с валом 1 постоянно.

Обе электромашины равноценны по мощности, могут работать и как генераторы, и как тяговые двигатели, и подключены к накопителю 8 электрической энергии через преобразователь тока и напряжения 9. Все перечисленные составляющие установки подключены к управляющему блоку 10, связанному с общей управляющей системой ТС (на чертежах не показана).

СУ 6 и СУ 7 выполняются по типу управляемых: нормально-замкнутых сцеплений или нормально-разомкнутых сцеплений, причем в любой целесообразной комбинации исполнения.

ТД может быть любым - двигатель внутреннего сгорания: бензиновый или дизельный; газотурбинный, паровой.

Тип накопителя электрической энергии может быть любым - электрохимический накопитель (аккумуляторная батарея), конденсатор.

Описание режимов работы первого варианта КЭУ дано на конкретном примере исполнения, в котором ТД - двигатель внутреннего сгорания (ДВС), СУ 6 выполнен по типу нормально-замкнутого сцепления в виде сухого одно-двух-дискового сцепления, а СУ 7 - по типу нормально-разомкнутого сцепления и представляет собой электромагнитную муфту. Последовательный режим (подключены к валу 1: ТД 2, ЭМ 3, ЭМ 4, т.к. включен СУ 6; СУ 7 отключен).

В этом режиме ТД 2 связан с валом первой ЭМ 3, поскольку СУ 6 замкнут. При этом ЭМ 3, вал которой приводится от вала ТД 2, работает в режиме генератора и производит электрический ток, который через преобразователь 9 поступает во вторую ЭМ 4, работающую в режиме тягового электромотора при разгоне и равномерном движении транспортного средства. Поскольку муфта 7 разомкнута, между ЭМ 3 и ЭМ 4 нет механической связи, следовательно, нет механической связи между ДВС 2 и валом 1, поэтому ДВС 2 не передает свою мощность на ось 5 ведущих колес и работает независимо от изменения текущих условий движения ТС. Скоростной и силовой диапазоны ТС реализуются ЭМ 4, механически связанной с валом 1. При торможении ТС возможна зарядка накопителя 8 с помощью ЭМ 4, которая в этом случае работает как генератор: преобразует кинетическую энергию ТС в электрическую и направляет ее через преобразователь 9 в накопитель 8. Также возможна зарядка накопителя 8 с помощью первой ЭМ 3, если существует избыток мощности генерируемого ей тока, при разгоне и равномерном движении или при стоянке ТС.

Параллельный режим (подключены ТД 2, ЭМ 3, ЭМ 4, т.к. включены СУ 6 и СУ 7).

Коленвал ДВС 2 связан с валом первой ЭМ 3, поскольку СУ 6 замкнут и замкнута муфта 7. Следовательно, существует механическая связь между первой ЭМ 3 и второй ЭМ 4. Значит, в этом режиме ДВС, ЭМ 3 и ЭМ 4 имеют механическую связь с валом 1 и могут передавать свою мощность на ось 5. При этом режим работа теплового двигателя 2 зависит от изменения текущих условий движения ТС. ЭМ 3 и ЭМ 4 могут работать при разгоне как тяговые электрические моторы, расходуя энергию накопителя электрической энергии, при этом могут работать как обе машины одновременно, так и по отдельности. В данном режиме возможна зарядка накопителя 8 с помощью ЭМ 3 и ЭМ 4, или с помощью каждой из них в отдельности, которые в данном случае становятся генераторами и преобразуют кинетическую энергию ТС в электрическую и направляют ее через преобразователь 9 в накопитель 8 при разгоне и равномерном движении или при торможении ТС, если существует избыток мощности теплового двигателя 2 для привода колес.

Режим электромобиля.

В данном режиме отключен ДВС 2 от вала 1, т.к. разомкнут СУ 6. При трогании ТС с места и разгоне до определенной скорости, а также при движении со скоростями ниже определенной скорости при условии достаточного запаса энергии в накопителе 8, возможно движение транспортного средства только с помощью тяги от ЭМ 3 и ЭМ 4, или только от ЭМ 4. Если тяги ЭМ 4 недостаточно в конкретных условиях движения транспортного средства, то подключается ЭМ 3. Когда ЭМ 3 не задействована, то для уменьшения механических потерь размыкается сцепление 7.

При торможении ТС зарядка накопителя 8 возможна с помощью ЭМ 3 и ЭМ 4, или с помощью каждой из них в отдельности, которые в данном случае становятся генераторами.

Режим обычного автомобиля (привод только от ДВС).

В данном режиме все тяговое усилие на ведущие колеса передается ДВС 2 и весь скоростной и силовой диапазоны ТС реализуются этим двигателем, т.к. СУ 6 и муфта 7 замкнуты и обеспечивают механическую связь коленвала ДВС с валом 1. При этом на ЭМ 3 и ЭМ 4 электрическая энергия из накопителя 8 не подается.

Режим запуска теплового двигателя 2.

При работе в режиме электромобиля и в случае отключения ДВС при стоянке транспортного средства возникает необходимость запуска ДВС 2. Для этого возможно использовать ЭМ 3, работающую как электрический мотор с функцией стартера. При этом узел сцепления 6 замкнут, а муфта сцепления 7 разомкнута.

Согласно второму варианту КЭУ содержит так же как и в первом варианте вал 1 привода ведущей оси ТС, связанный с источниками энергии: тепловым двигателем (ТД) 2, первой и второй электрическими машинами (ЭМ), соответственно, 3 и 4, которые установлены последовательно друг за другом в направлении ведущих колес и ось вала 1 привода при этом перпендикулярна оси 5 ведущих колес.

Исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемых по условиям движения ТС вариантов подключения источников энергии к валу 1, представляет собой комбинацию двух управляемых соединительных узлов (СУ), первый из которых СУ 6 размещен между ТД 2 и ЭМ 3, например установлен на корпусе ТД, и связывает их с валом 1, а второй СУ 7 - между ЭМ 3 и ЭМ 4 и связывает обе электромашины между собой и с валом 1. Обе электромашины равноценны по мощности, могут работать и как генераторы, и как тяговые двигатели, и подключены к накопителю 8 электрической энергии через преобразователь тока и напряжения 9. Все перечисленные составляющие установки подключены к управляющему блоку 10, связанному с общей управляющей системой ТС (на чертежах не показана).

СУ 6 и СУ 7 выполняются по типу управляемых нормально-замкнутых или нормально-разомкнутых сцеплений, причем в любой целесообразной комбинации исполнения.

ТД может быть любым - двигатель внутреннего сгорания: бензиновый или дизельный; газотурбинный, паровой.

Тип накопителя электрической энергии может быть любым - электрохимический накопитель (аккумуляторная батарея), конденсатор.

В отличие от первого варианта во втором варианте реализации изобретения ТД 2 и ЭМ 3 размещены на общей оси, лежащей на оси вала 1, а ЭМ 4 размещена на оси 11 параллельно им. Соединение выходных валов ТД 2, ЭМ 3, ЭМ 4 с валом 1 осуществляется также с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения, но через согласующее устройство 12, установленное между ЭМ 4 и валом 1, при этом соединение ТД 2 и ЭМ 3 с валом 1 выполнено с возможностью размыкания, а ЭМ 4 - постоянным. Корпус ЭМ 4 может быть закреплен на корпусе согласующего устройства 12.

Режимы работы КЭУ по второму варианту осуществляется аналогично описанным для первого варианта с той лишь разницей, что в передаче мощности от источников энергии на вал 1 привода оси ведущих колес участвует согласующее устройство, не требующее внешнего регулирования, например шестеренчатый редуктор с неизменяемым соотношением угловых скоростей его входного и выходного звеньев.

Оба представленных варианта равноценны с точки зрения реализации поставленной задачи. Целесообразность использования того или иного варианта определяется в основном типом и габаритами ТС, позволяющими рационально разместить составляющие КЭУ.

Предлагаемые КЭУ эффективны в работе, а также не требуют дополнительных капитальных затрат при постановке гибридных ТС на производство.

1. Комбинированная энергетическая установка транспортного средства, содержащая вал привода ведущей оси ТС, тепловой двигатель, первую и вторую обратимые электрические машины, установленные в направлении ведущей оси последовательно друг за другом вдоль общей оси, совпадающей с осью вала привода, с возможностью подключения к этому валу, при котором соединение теплового двигателя и первой электрической машины выполнено с возможностью размыкания, а также исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемого по условиям движения транспортного средства варианта подключения двигателей к валу привода, представляющий собой комбинацию двух соединенных узлов, первый из которых размещен между тепловым двигателем и первой электрической машиной, а второй - между первой и второй электрическими машинами, отличающаяся тем, что в ней электрические машины выполнены равнозначными по характеристикам (мощности и выполняемым функциям), при этом общая ось размещения теплового двигателя и обеих электрических машин лежит на оси вала привода, расположенной перпендикулярно ведущей оси ТС, и соединение каждого из двигателей с валом привода выполнено с возможностью индивидуального подключения своим выходным валом напрямую с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения, причем соединение второй электрической машины с валом привода выполнено постоянным.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в ней имеется блок управления, связанный с общей управляющей системой транспортного средства, и к нему подключены все управляемые составляющие установки, в том числе соединительные узлы исполнительного механизма варьирования.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первый соединительный узел исполнительного механизма варьирования выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что второй соединительный узел исполнительного механизма варьирования выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что первый соединительный узел исполнительного механизма варьирования установлен на корпусе теплового двигателя.

6. Комбинированная энергетическая установка транспортного средства, содержащая вал привода ведущей оси транспортного средства, тепловой двигатель, первую и вторую обратимые электрические машины, установленные в направлении ведущей оси последовательно друг за другом с возможностью подключения к этому валу, при котором соединение теплового двигателя и первой электромашины выполнено с возможностью размыкания, а также исполнительный механизм варьирования, предназначенный для обеспечения требуемого по условиям движения транспортного средства варианта подключения двигателей к валу привода колес, представляющий собой комбинацию двух соединительных узлов, первый из которых размещен между тепловым двигателем и первой электрической машиной, а второй - между первой и второй электрическими машинами, отличающаяся тем, что в ней электрические машины выполнены равнозначными по характеристикам (мощности и выполняемым функциям), при этом общая ось размещения теплового двигателя и первой электрической машины лежит на оси вала привода, расположенной перпендикулярно упомянутой ведущей оси, а ось размещения второй электрической машины параллельна оси вала привода, и соединение каждого из двигателей с валом привода выполнено с возможностью индивидуального подключения своим выходным валом через установленное между второй электрической машиной и валом привода согласующее устройство, не требующее внешнего регулирования, с обеспечением постоянного (неизменяемого) соотношения их частот вращения, причем соединение второй электрической машины с валом привода выполнено постоянным.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что в ней имеется блок управления, связанный с общей управляющей системой транспортного средства, и к нему подключены все управляемые составляющие установки, в том числе соединительные узлы исполнительного механизма варьирования.

8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что первый соединительный узел исполнительного механизма варьирования выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения.

9. Установка по п.6, отличающаяся тем, что второй соединительный узел исполнительного механизма варьирования выполнен по типу нормально-замкнутого соединения или по типу нормально-разомкнутого соединения.

10. Установка по п.6, отличающаяся тем, что первый соединительный узел исполнительного механизма варьирования установлен на корпусе теплового двигателя.

11. Установка по п.6, отличающаяся тем, что вторая электрическая машина установлена на корпусе согласующего устройства.