Комбинированная (гибридная) энергоустановка транспортного средства на базе мотор-генераторной установки

Комбинированная (гибридная) энергоустановка транспортного средства на базе мотор-генераторной установки

Реферат

Заявленное техническое решение относится к области транспортного машиностроения, а именно к транспортным средствам с электрической тягой.

Рост численности автомобильного парка, сокращение запасов топлива нефтяного происхождения, рост цен на нефть предопределяют поиск новых и нестандартных решений в области сокращения расхода топлива и выбросов вредных веществ в атмосферу автотранспортом. В настоящее время получили большое распространение работы по созданию комбинированных (гибридных) энергоустановок транспортных средств.

Среди существующих разработок одним из направлений является создание комбинированных энергоустановок, первичным источником энергии в которых служит двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Так, например, из патента РФ №17690 U1, МПК В60L 11/12, опубл. 20.04.2001, известна гибридная тяговая установка, содержащий ходовое шасси с ведущими колесами и тяговую энергетическую установку, включающую ДВС, мотор-генератор, тяговые электродвигатели, связанные с ведущими колесами, буферную аккумуляторную и конденсаторную батареи, блок управления. Подобная энергоустановка в сравнении с непосредственным механическим приводом колес транспортного средства от ДВС позволяет значительно сократить расход топлива и улучшить экологические показатели в результате увеличения времени работы ДВС на установившихся режимах, а также в результате рекуперации энергии торможения транспортного средства.

Однако применение ДВС обуславливает использование жидких или газообразных углеводородных топлив, обычно нефтяного происхождения, что, в свою очередь, не может не вызывать загрязнения окружающей среды.

Альтернативным вариантом является применение в составе комбинированной энергоустановки ДВС, работающего на синтез-газе, который можно получать непосредственно на борту транспортного средства в термокаталитическом реакторе из различных первичных топлив как нефтяного происхождения, так и ненефтяного - бензина, дизельного топлива, биоэтанола, этанола, метанола и др.

Комбинированная энергетическая установка для автотранспортного средства является совокупностью разноплановых элементов, имеющих различные принципы действия и выходные параметры. В результате при общем блоке управления для всех элементов комбинированной энергетической установки в нем происходит решение множества различных задач одновременно, что снижает его быстродействие. Кроме того, расположение отдельных элементов комбинированной энергетической установки на некотором удалении друг от друга вызывает рассогласование управляющих воздействий и контрольных сигналов вследствие искажения передаваемых сигналов и появления в них шумов из-за наводки электрических помех в проводах большой длины.

Технический результат, на достижение которого направлено данное техническое решение, заключается в обеспечении многотопливности транспортной установки, т.е. способности работать на различных видах топлива: как нефтяного, так и ненефтяного происхождения при значительном снижении содержания вредных веществ в отработавших газах ДВС. Кроме того, техническим результатом также является повышение надежности и точности управления комбинированной энергетической установкой транспортного средства, что повышает эффективность ее работы.

Согласно заявленному техническому решению гибридная (комбинированная) энергоустановка (КЭУ) транспортного средства (ТС), платформа которого преимущественно представляет собой унифицированную автотранспортную платформу (УАТП), включает в себя механически связанный с ведущими колесами ТС тяговый электродвигатель, первичный источник электрической энергии для зарядки буферного накопителя энергии (БНЭ), представляет собой двигатель-генераторную установку (ДГУ), состоящую из двигателя внутреннего сгорания (ДВС), использующего в качестве топлива синтез-газ, и приводимого им электрогенератора, с системой подготовки топлива, и систему управления КЭУ. Тяговый электродвигатель подключен к БНЭ, представляющему собой несколько последовательно соединенных блоков аккумуляторных батарей, с возможностью потребления его энергии в процессе движения ТС и рекуперации энергии в процессе торможения ТС. Тяговый электродвигатель представляет собой обратимую асинхронную электромашину частотного управления с короткозамкнутым ротором, подключенную к БНЭ через преобразователь напряжения (инвертор). Первичный источник электрической энергии, обеспечивающий зарядку БНЭ, представляет собой двигатель-генераторную установку с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), использующий в качестве топлива высоконасыщенный водородом синтез-газ, и приводимым им электрогенератором (ЭГ), с системой подготовки топлива, главным элементом которой является термокаталитический реактор, в котором подаваемое углеводородное топливо за счет тепловой энергии выпускных газов ДВС преобразуется в синтез-газ. Использование в качестве топлива для ДВС синтез-газа позволяет достичь значительного снижение содержания вредных веществ в отработавших газах. ДГУ соединена с БНЭ через преобразователь напряжения (инвертор), преобразующий вырабатываемую ДГУ электрическую энергию до параметров, необходимых для зарядки БНЭ, и имеет электрический выход для питания электрифицированных агрегатов ТС (например, электроусилитель руля, электропривод компрессора и т.д.). Параметры подачи топлива в термокаталитический реактор устанавливаются с учетом режимов работы ДВС системой хранения и подачи топлива (СХиПТ). При этом каждый из элементов КЭУ имеет собственную систему управления и контроля (СУиК). Система управления КЭУ дополнительно включает в себя электронную систему автоматического управления и контроля верхнего уровня (САУиКВУ), собирающую информацию с индивидуальных СУиК, на основании которой САУиКВУ в зависимости от внешних управляющих сигналов от органов управления ТС (ОУ) координирует работу всех элементов КЭУ. При этом, по меньшей мере, одна из систем СУиК и/или система САУиКВУ являются микропроцессорными.

Предложенное техническое решение поясняется чертежом (фиг.1), на котором изображена принципиальная функциональная схема комбинированной энергоустановки автотранспортного средства.

КЭУ имеет в своем составе тяговый асинхронный электродвигатель (ТАЭД) (2) с коротко замкнутым ротором, представляющий собой обратимую электромашину, принципиальным условием применения которой является обеспечение ей высокого КПД во всем рабочем диапазоне частот вращения и нагрузок. ТАЭД (2) механически, посредством шарнирных валов и редуктора, соединен с ведущими колесами (1) ТС и развивает максимальную мощность, необходимую для динамичного движения ТС, а также рекуперации энергии в буферный накопитель энергии (БНЭ) (4) при торможении ТС. Для обеспечения согласования электрических параметров между ТАЭД (2) и БНЭ (4) применен преобразователь напряжения (инвертор) (3) частотного регулирования.

Одним из узловых элементов комбинированных энергетических установок являются БНЭ (4). К ним предъявляются жесткие требования по характеристикам удельной мощности как заряда, так и разряда. Требования по емкости накопителей энергии в составе комбинированных энергоустановок по сравнению с требованиями, предъявляемыми к накопителям электромобилей, снижены. Это обусловлено наличием первичного источника энергии в составе комбинированных энергоустановок, который обеспечивает дальность хода автотранспортного средства, в то время как в конструкции электромобиля запас хода обеспечивается единственным накопителем энергии.

КЭУ ТС работает следующим образом. В термокаталитический реактор (16) из системы хранения и подачи топлива (СХиПТ) (8) поступает первичное топливо. В термокаталитическом реакторе (16) за счет энергии отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (9) первичное топливо преобразуется в синтез-газ, который поступает в ДВС (9). ДВС (9) приводит электрогенератор (ЭГ) (7), вырабатывающий электроэнергию для заряда БНЭ (4), состоящего из четырех блоков аккумуляторных батарей. Заряд БНЭ (4) осуществляется через преобразователь напряжения (инвертор) (6). Энергия, накопленная в БНЭ (4), расходуется на питание ТАЭД (2) через преобразователь напряжения (инвертор) (3), преобразующий постоянное напряжение БНЭ (4) в переменное изменяемой частоты и амплитуды и наоборот, что необходимо для рекуперации энергии при торможении. ТАЭД (2) механически соединен с ведущими колесами транспортного средства (1).

Система управления КЭУ в предлагаемой схеме является многоуровневой и выполнена в модульном исполнении. Отдельные модули этой системы выполнены в виде индивидуальных систем управления и контроля (СУиК) (10), (11), (12), (13) и (14), осуществляющих управление и контроль такими узлами схемы, как: СХиПТ (8), ДВС (9), ЭГ (7), Инвертор (6), БНЭ (4) и Инвертор (3). Описанные модули системы управления имеют связь с объектами управления и контроля и непосредственно с электронной системой автоматического управления и контроля верхнего уровня (САУиК ВУ).

САУиК ВУ служит для координирования действий всех элементов энергоустановки КЭУ, обеспечения наиболее эффективной их работы и обеспечения управления всей энергоустановкой по сигналам органов управления (ОУ) (15) транспортным средством.

1. Гибридная (комбинированная) энергоустановка (КЭУ) транспортного средства (ТС), включающая в себя механически связанный с ведущими колесами ТС тяговый электродвигатель, подключенный к буферному накопителю энергии (БНЭ) с возможностью потребления его энергии в процессе движения ТС и рекуперации энергии в процессе торможения ТС, первичный источник электрической энергии для зарядки БНЭ, представляющий собой двигатель-генераторную установку с системой подготовки топлива, и систему управления КЭУ, отличающаяся тем, что тяговый электродвигатель представляет собой обратимую асинхронную электромашину частотного управления с короткозамкнутым ротором, подключенную к БНЭ через преобразователь напряжения (инвертор), первичный источник электрической энергии, обеспечивающий зарядку БНЭ, представляет собой двигатель-генераторную установку, состоящую из двигателя внутреннего сгорания (ДВС), использующего в качестве топлива синтез-газ, и приводимого им электрогенератора (ЭГ), система подготовки топлива представляет собой термокаталитический реактор, в котором за счет энергии отработавших газов произвольное углеводородное топливо преобразуется в синтез-газ, параметры подачи топлива в термокаталитический реактор устанавливаются с учетом режимов работы ДВС бортовой системой хранения и подачи топлива (СХиПТ), первичный источник энергии электрически соединен с БНЭ через преобразователь напряжения (инвертор), преобразующий вырабатываемую первичным источником электрическую энергию до параметров, необходимых для зарядки БНЭ, при этом система управления КЭУ включает в себя индивидуальные для каждого из инверторов, БНЭ, ЭГ, ДВС и СХиПТ системы управления и контроля (СУиК), информацию с которых обрабатывает система автоматического управления и контроля верхнего уровня (САУ и КВУ), получающая управляющие сигналы от органов управления ТС (ОУ), в зависимости от которых на основании информации с индивидуальных СУиК система САУ и КВУ управляет индивидуальными СУиК, координируя работу всех элементов КЭУ.

2. КЭУ по п.1, отличающаяся тем, что БНЭ, служащий для накопления электроэнергии, представляет собой несколько последовательно соединенных блоков аккумуляторных батарей.

3. КЭУ по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна из систем СУиК и/или система САУ и КВУ являются микропроцессорными.

4. КЭУ по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ДВС используемого для привода электрогенератора используется ДВС с изменяемой степенью сжатия.

5. КЭУ по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что установлена на платформе ТС, представляющей собой унифицированную автотранспортную платформу (УАТП).