Способ управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства

Способ управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства

Реферат

Изобретение относится к гибридным колесным транспортным средствам. Оно касается управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства.

На транспортных средствах целесообразно применять комбинированные силовые установки, состоящие из двигателя внутреннего сгорания, электрической машины и аккумуляторной батареи для накопления энергии торможения и последующего ее использования для привода транспортного средства. Использование в такой силовой установке электрической машины в качестве электродвигателя привода колес дает возможность применять двигатель внутреннего сгорания меньшей мощности, работающий при большей нагрузке и, значит, на более экономичных режимах, что позволяет снизить расход топлива и выбросы в атмосферу вредных веществ, выделяющихся с отработавшими газами двигателя. Появляется возможность в меньшей мере использовать двигатель внутреннего сгорания на режимах с крайне низким КПД, например, на режимах холостого хода. Применение таких силовых установок дает возможность дополнительно снизить расход топлива за счет рекуперации энергии торможения транспортного средства. В этом случае электрическая машина используется в качестве генератора электрического тока и энергия торможения преобразуется с ее помощью для подзарядки аккумулятора. Эффект достигается, например, при движении транспортного средства на подъемах при включении электрической машины в режиме работы электродвигателя для ее совместной работы с двигателем внутреннего сгорания. Силовая установка в этом случае вырабатывает большую мощность для преодоления возвышающегося участка пути на оптимальной скорости движения. Затем при спуске, во время торможения, электрическая машина используется в качестве генератора электрического тока для подзарядки аккумуляторной батареи энергией, которая была израсходована электрической машиной. Определение наклонного участка дороги, где потребуется торможение и будет возможно использовать энергию рекуперации для заряда батареи, можно производить по сигналу навигационной системы, учитывающей маршрут движения транспортного средства. Аналогично с помощью навигационных систем при движении транспортных средств могут устанавливаться подъемы и все другие участки маршрутов, на которых транспортное средство изменяет параметры своего движения, учет которых важен для оптимального управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства. Сведения об использовании навигационных систем для управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства приведены, например, в заявках №№1256476, 1842758, поданных в Европейское патентное ведомство, в патентах №№5832396, 5778326, 5927415, выданных в США.

Недостатком применения навигационных систем в перечисленных аналогах является то, что управление комбинированными силовыми установками в них осуществляются без учета таких параметров проходимых маршрутов движения транспортных средств, как особенности рельефа - подъемы и спуски, наличие перекрестков, участков с ограничением скоростных режимов и т.д. По этой причине управление процессами зарядки-разрядки аккумуляторных батарей в комбинированных силовых установках не оптимизированы для достижения транспортными средствами максимальной топливной экономичности и снижения выброса вредных веществ с отработавшими газами в атмосферу. Кроме того, в аналогах не используются такие резервы по снижению расхода топлива и выброса вредных веществ с отработавшими газами в атмосферу при прохождении транспортными средствами отдельных участков маршрутов движения, как выключение двигателей внутреннего сгорания и движение транспортного средства накатом.

В качестве прототипа настоящего изобретения принят изложенный в международной заявке WO 2005115786 способ управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства, состоящего из двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере одной обратимой электрической машины и одной аккумуляторной батареи, электронной системы управления комбинированной силовой установкой, системы навигации транспортного средства, характеризующийся тем, что при торможении транспортного средства электрическую машину включают с помощью электронной системы управления на режим генератора электрического тока, который подают на аккумуляторную батарею для подзарядки, а накопленную в аккумуляторной батарее энергию используют в последующем для привода транспортного средства с помощью электрической машины, которую переводят с помощью электронной системы управления на режим работы электродвигателя. Как и в аналогах, в прототипе для торможения транспортного средства включают в работу электрическую машину в качестве генератора электрического тока, снабжающего энергией аккумуляторную батарею. В прототипе при движении транспортного средства по городу или через город включают электрическую машину на работу в качестве электродвигателя привода колес транспортного средства и выключают двигатель внутреннего сгорания для уменьшения выброса в атмосферу вредных веществ, выделяющихся с отработавшими газами двигателя. При выезде из города включают в работу двигатель внутреннего сгорания и переводят электрическую машину с режима работы в качестве электродвигателя на режим работы в качестве генератора - для зарядки аккумуляторной батареи энергией, израсходованной при движении через город. После полной зарядки аккумуляторной батареи до максимально возможного уровня отсоединяют электрическую машину от колес транспортного средства. Энергию, накопленную в аккумуляторной батарее, используют, например, при подъеме транспортного средства по крутому участку дороги, когда мощность двигателя внутреннего сгорания оказывается недостаточной для быстрого преодоления этого трудного участка дороги. Затем при спуске по наклонному участку дороги электрическую машину используют в качестве генератора электрического тока для подзарядки аккумуляторной батареи. Если транспортное средство после его движения по равнине, то есть по пологому участку дороги, спускается в долину или ущелье при полностью заряженной аккумуляторной батарее, то в этом случае при торможении транспортного средства электрической машиной происходит превращение кинетической и потенциальной энергии движущегося транспортного средства в тепловую энергию, что нерационально.

Отсутствие учета особенностей рельефа местности при прохождении транспортным средством заданного маршрута не позволяет у прототипа оптимизировать процессы зарядки-разрядки аккумуляторной батареи и использовать в максимальной степени резервы, которые могут быть реализованы для экономии расхода топлива и снижения загрязнения атмосферного воздуха при движении с выключенным двигателем внутреннего сгорания и при движении транспортного средства накатом.

Задачей, решаемой с помощью изобретения, является экономия топлива, расходуемого двигателем внутреннего сгорания гибридного транспортного средства, снабженного обратимой электрической машиной и аккумуляторной батареей для накопления энергии, например, при движении транспортного средства по пересеченной местности с множеством спусков и подъемов, а также при движении в организованной транспортной сети с перекрестками со светофорами и с участками маршрутов с ограничением скоростных режимов, устанавливаемых дорожными знаками.

Дополнительной решаемой задачей является снижение выброса вредных веществ с отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания в процессе движения транспортного средства по заданному маршруту.

Решение поставленных задач достигается тем, что в способе управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства, состоящего из двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере одной обратимой электрической машины и одной аккумуляторной батареи, электронной системы управления комбинированной силовой установкой, системы навигации транспортного средства, характеризующимся тем, что при торможении транспортного средства электрическую машину включают с помощью электронной системы управления на режим генератора электрического тока, который подают на аккумуляторную батарею для подзарядки, а накопленную в аккумуляторной батарее энергию используют для привода транспортного средства с помощью электрической машины, которую переводят с помощью электронной системы управления на режим работы электродвигателя, дополнительно в навигационную систему вводят данные о проходимом маршруте в 3D-формате, электронную систему управления настраивают на режим максимальной топливной экономичности, при котором по сигналам навигационной системы электрическую машину переводят на режим работы в качестве генератора при торможении транспортного средства, по меньшей мере, перед перекрестками, на участках с ограничением скорости дорожного движения, устанавливаемой дорожными знаками, на участках спуска, при проведении подзарядки аккумуляторной батареи от двигателя внутреннего сгорания, который в каждом конкретном случае производится до величины, достаточной для наиболее экономичного движения транспортного средства на дальнейших участках проходимого транспортным средством маршрута, и по сигналам навигационной системы электрическую машину переводят на режим работы в качестве электродвигателя, по меньшей мере, на участках маршрута при разгоне транспортного средства после перекрестков, после ограничения скорости, устанавливаемой дорожными знаками, и при движении на подъемы, при которых производят максимально допустимую степень разрядки аккумуляторной батареи, достаточную для обеспечения наиболее экономичного движения транспортного средства по дальнейшему маршруту движения.

В заявленном способе управления также перед участками маршрута, на которых по сигналам навигационной системы включают электрическую машину на режим генератора, выключают двигатель внутреннего сгорания и переводят электрическую машину на работу в качестве электродвигателя для снижения запасенной электрической энергии в аккумуляторной батарее до минимально возможного уровня, достаточного для обеспечения максимальной экономии топлива при прохождении оставшейся части маршрута, и после достижения этого уровня, но до момента включения электрической машины на режим генератора продолжают движение транспортного средства накатом.

При реализации способа управления силовой установкой включение электрической машины для привода колес транспортного средства производят с помощью фрикционной муфты, осуществляющей механическую связь между ними.

Способ управления силовой установкой может характеризоваться также тем, что электронную систему управления настраивают на режим минимального выброса вредных веществ с отработавшими газами в атмосферу на всех участках проходимого маршрута.

Изображенное на чертеже гибридное транспортное средство представляет собой автомобиль, имеющий комбинированную силовую установку, содержащую двигатель 1 внутреннего сгорания для привода передних колес 2 через ступенчатую коробку передач 3, обратимую электрическую машину 4 для привода задних колес 5 через управляемую фрикционную муфту 6 и редуктор 7. С электрической машиной 4 имеет электрическую связь аккумуляторная батарея 8, предназначенная для накопления энергии, выделяющейся при торможении автомобиля, с целью ее использования для увеличения силы тяги на колесах при разгоне автомобиля, при движении на подъемах автомобиля по крутым участкам дороги, при разгоне после участков маршрута с ограниченной скоростью движения и т.д.

Комбинированная силовая установка имеет автоматическое управление с помощью электронной системы управления 9, один из входов которой подключен к навигационной системе 10, в частности системе ГЛОНАСС - отслеживающей маршрут движения автомобиля, характеризуемый равнинными 11 и понижающимися 12 участками.

Заявленный способ управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства, состоящего из двигателя внутреннего сгорания 1, по меньшей мере одной обратимой электрической машины 4 и одной аккумуляторной батареи 8, электронной системы управления 9 комбинированной силовой установкой, системы навигации 10 транспортного средства, характеризующийся тем, что при торможении транспортного средства электрическую машину 4 включают с помощью электронной системы управления 9 на режим генератора электрического тока, который подают на аккумуляторную батарею 8 для подзарядки, а накопленную в аккумуляторной батарее 8 энергию используют для привода транспортного средства с помощью электрической машины 4, которую переводят с помощью электронной системы управления 9 на режим работы электродвигателя, реализуется следующим образом. В навигационную систему 10 вводят данные о проходимом маршруте в 3D-формате, электронную систему управления 9 настраивают на режим максимальной топливной экономичности, при котором по сигналам навигационной системы 10 электрическую машину 4 переводят на режим работы в качестве генератора при торможении транспортного средства, по меньшей мере, перед перекрестками, на участках с ограничением скорости дорожного движения, устанавливаемой дорожными знаками, на участках спуска, при проведении подзарядки аккумуляторной батареи 8 от двигателя внутреннего сгорания 1, который в каждом конкретном случае производится до величины, достаточной для наиболее экономичного движения транспортного средства на дальнейших участках проходимого транспортным средством маршрута. По сигналам навигационной системы 10 электрическую машину 4 переводят на режим работы в качестве электродвигателя, по меньшей мере на участках маршрута при разгоне транспортного средства после перекрестков, после ограничения скорости, устанавливаемой дорожными знаками, и при движении на подъемы, при которых производят максимально допустимую степень разрядки аккумуляторной батареи 8, достаточную для обеспечения наиболее экономичного движения транспортного средства по дальнейшему маршруту движения. Перед участками маршрута, на которых по сигналам навигационной системы 10 включают электрическую машину 4 на режим генератора, выключают двигатель внутреннего сгорания 1 и переводят электрическую машину на работу в качестве электродвигателя для снижения запасенной электрической энергии в аккумуляторной батарее 8 до минимально возможного уровня, достаточного для обеспечения максимальной экономии топлива при прохождении оставшейся части маршрута и после достижения этого уровня, но до момента включения электрической машины на режим генератора продолжают движение транспортного средства накатом.

Включение электрической машины 4 для привода колес транспортного средства осуществляют с помощью фрикционной муфты 6, осуществляющей механическую связь между ними.

Вариант реализации предложенного способа управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства заключается в том, что электронную систему управления 9 настраивают на режим минимального выброса вредных веществ с отработавшими газами в атмосферу на всех участках проходимого маршрута.

В реальной эксплуатации предлагаемый способ управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства может иллюстрироваться следующими примерами.

При движении транспортного средства в городе включают в работу электрическую машину 4 в качестве электродвигателя привода задних колес 5 и выключают двигатель 1 внутреннего сгорания для уменьшения выброса в атмосферу вредных веществ, выделяющихся с отработавшими газами двигателя. Подзарядку аккумуляторной батареи 8 при эксплуатации транспортного средства в городе целесообразно производить от стационарной городской электрической сети. В зависимости от суточного пробега автомобиля в условиях города и особенностей маршрута движения - перекрестков, участков с ограничением скоростного режима, условий дорожного движения, рельефа местности, зарядку аккумуляторной батареи 8 производят как от стационарной городской электрической сети, так и от двигателя внутреннего сгорания 1, с помощью которого может осуществляться при необходимости передача мощности на передние колеса 2 через ступенчатую коробку передач 3.

При выезде из города включают в работу двигатель 1 внутреннего сгорания и переводят электрическую машину 4 с режима работы в качестве электродвигателя на режим работы в качестве генератора для зарядки аккумуляторной батареи 8 энергией, израсходованной при движении в городе. После полной зарядки аккумуляторной батареи до максимально возможного уровня отсоединяют электрическую машину 4 от колес 5 транспортного средства фрикционной муфтой 6. Дополнительную энергию, накопленную в аккумуляторной батарее 8, используют при подъеме транспортного средства по крутому участку пути, когда мощность двигателя внутреннего сгорания оказывается недостаточной для быстрого преодоления этого трудного участка дороги. Затем при спуске по наклонному участку дороги электрическую машину 4 используют для торможения автомобиля в качестве генератора для подзарядки аккумуляторной батареи.

При движении на маршруте по равнинному участку перед участком спуска заранее по сигналу от навигационной системы 10 о наличии впереди понижающегося участка 12 включают в работу электрическую машину 4 в качестве электродвигателя привода транспортного средства и выключают двигатель внутреннего сгорания 1. При этом полностью расходуют запасенную в аккумуляторной батарее 8 энергию, понижая ее заряд до наименьшего возможного уровня, после чего продолжают движение по инерции накатом до начала увеличения скорости транспортного средства, происходящего при его спуске. Тогда для торможения транспортного средства включают электрическую машину 4 в работу в качестве генератора электрического тока, заряжая аккумуляторную батарею 8.

Вследствие включения в работу электрической машины в качестве электродвигателя привода колес перед подъездом транспортного средства к спуску с пологого участка дороги обеспечена своевременная подготовка аккумуляторной батареи 8 к накоплению энергии, выделяющейся при торможении транспортного средства электрической машиной 4 во время спуска. При этом в период приближения к спуску использование электрической машины 4 в качестве электродвигателя вместо двигателя внутреннего сгорания 1 дает возможность экономить топливо, расходуемое двигателем внутреннего сгорания 1, и снизить выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя внутреннего сгорания 1.

1. Способ управления комбинированной силовой установкой гибридного транспортного средства, состоящего из двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере, одной обратимой электрической машины и одной аккумуляторной батареи, электронной системы управления комбинированной силовой установкой, системы навигации транспортного средства, характеризующийся тем, что при торможении транспортного средства электрическую машину включают с помощью электронной системы управления на режим генератора электрического тока, который подают на аккумуляторную батарею для подзарядки, а накопленную в аккумуляторной батарее энергию используют для привода транспортного средства с помощью электрической машины, которую переводят с помощью электронной системы управления на режим работы электродвигателя, отличающийся тем, что в навигационную систему вводят данные о проходимом маршруте в 3-D формате, электронную систему управления настраивают на режим максимальной топливной экономичности, при котором по сигналам навигационной системы электрическую машину переводят на режим работы в качестве генератора при торможении транспортного средства, по меньшей мере, перед перекрестками, на участках с ограничением скорости дорожного движения, устанавливаемой дорожными знаками, на участках спуска, при проведении подзарядки аккумуляторной батареи от двигателя внутреннего сгорания, который в каждом конкретном случае производится до величины, достаточной для наиболее экономичного движения транспортного средства на дальнейших участках проходимого транспортным средством маршрута, и по сигналам навигационной системы электрическую машину переводят на режим работы в качестве электродвигателя, по меньшей мере, на участках маршрута при разгоне транспортного средства после перекрестков, после ограничения скорости, устанавливаемой дорожными знаками, и при движении на подъемы, при котором производят максимально допустимую степень разрядки аккумуляторной батареи, достаточную для обеспечения наиболее экономичного движения транспортного средства по дальнейшему маршруту движения.

2. Способ управления по пункту 1, отличающийся тем, что перед участками маршрута, на которых по сигналам навигационной системы включают электрическую машину на режим генератора, выключают двигатель внутреннего сгорания и переводят электрическую машину на работу в качестве электродвигателя для снижения запасенной электрической энергии в аккумуляторной батарее до минимально возможного уровня, достаточного для обеспечения максимальной экономии топлива при прохождении оставшейся части маршрута и, после достижения этого уровня, но до момента включения электрической машины на режим генератора, продолжают движение транспортного средства накатом.

3. Способ по пункту 1 или 2, отличающийся тем, что включение электрической машины для привода колес транспортного средства производят с помощью фрикционной муфты, осуществляющей механическую связь между ними.

4. Способ по пункту 1 или 2, отличающийся тем, что электронную систему управления настраивают на режим минимального выброса вредных веществ с отработавшими газами в атмосферу на всех участках проходимого маршрута.