ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ГИБРИДНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, ГИБРИДНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ
ELECTRICAL ARCHITECTURE OF A HYBRID VEHICLE , HYBRID VEHICLE AND CONTROL METHOD

Изобретение относится к электрической архитектуре транспортного средства, содержащего приводной двигатель внутреннего сгорания и электрическую машину, связанную с колесами транспортного средства через гибридную трансмиссию.
Объектом изобретения является электрическая архитектура гибридного транспортного средства, двигатель внутреннего сгорания которого вращает генератор переменного тока для зарядки бортовой батареи низкого напряжения, связанной со стартером двигателя внутреннего сгорания и с бортовой сетью транспортного средства и в котором тяговая электрическая машина питается от тяговой батареи высокого напряжения, которая может подзаряжаться от двигателя внутреннего сгорания в мертвой точке.
Это изобретение находит свое предпочтительное применение на транспортном средстве, оборудованном гибридной трансмиссией, содержащей два концентричных первичных вала, каждый из которых содержит шестерню соединения с вторичным валом, связанным с колесами транспортного средства, и позволяет:
- отсоединять двигатель внутреннего сгорания от кинематической цепи, связывающей электрическую машину с колесами,
- приводить во вращение колеса от двигателя внутреннего сгорания с участием или без участия электрической машины, или
- связывать двигатель внутреннего сгорания и электрическую машину таким образом, чтобы объединять их соответствующие крутящие моменты, передаваемые на колеса.
Объектом изобретения являются также гибридное транспортное средство, имеющее такую электрическую архитектуру, а также способ управления.
Основным преимуществом применения гибридных трансмиссий является возможность обеспечения работы приводной кинематической цепи транспортного средства от двух источников энергии, теплового и электрического, создающих крутящие моменты, которые можно объединить в так называемом гибридном режиме или можно использовать раздельно либо в «чистом тепловом режиме», в котором электрическая машина не передает крутящий момент на тяговую цепь, либо в «чистом электрическом режиме», в котором двигатель внутреннего сгорания не передает крутящий момент на тяговую цепь. Предусмотрены также другие функциональные возможности, например возможность запуска двигателя внутреннего сгорания во время стоянки или в движении с использованием электрической машины в качестве стартера или возможность использования электрической машины в качестве генератора тока для зарядки батарей.
Главной проблемой гибридных транспортных средств является проблема автономии и зарядки батарей. Для зарядки тяговой батареи, полностью разрядившейся либо вследствие длительной стоянки транспортного средства, либо в результате ошибки в стратегии контроля уровня зарядки, известные гибридные транспортные средства могут применять только «зарядку на обочине», для чего транспортное средство необходимо остановить для использования тяговой машины в качестве генератора при помощи двигателя внутреннего сгорания.
Задачей настоящего изобретения является устранение этого недостатка и обеспечение энергетических потребностей тяговой машины на низкой скорости в случае полной разрядки тяговой батареи транспортного средства.
Для этого изобретением предусмотрено, чтобы двигатель внутреннего сгорания и генератор зарядки бортовой батареи образовали недорогой генераторный агрегат питания, способный обеспечивать энергетические потребности тяговой электрической машины в электрическом режиме.
Предпочтительно тяговая батарея и бортовая батарея соединены через преобразователь напряжения, позволяющий понижать напряжение между тяговой батареей и бортовой батареей.
В первом варианте выполнения преобразователь напряжения может работать реверсивно, что позволяет ему также повышать напряжение тока зарядки, проходящего от бортовой батареи в тяговую батарею.
Во втором варианте выполнения генератор переменного тока является высоковольтным генератором (которым можно управлять, например, через его ротор с обмотками по высокому или по низкому напряжению), соединяемым напрямую с тяговой батареей и связанным или не связанным с системой выпрямления или регулирования напряжения.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничивающего варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлена регенерация тяговой батареи гибридного транспортного средства на примере гибридной трансмиссии в мертвой точке;
на фиг. 2-7 представлены различные возможности работы этой трансмиссии;
на фиг. 8 представлена первая электрическая архитектура, адаптированная к трансмиссии;
на фиг. 9 показан первый вариант осуществления изобретения;
на фиг. 10 показан второй вариант осуществления изобретения.
Показанная на фиг. 1-7 трансмиссия 17 содержит сплошной первичный вал 1, напрямую соединенный через систему 2 фильтрации (втулка-амортизатор, демпфер, двойной маховик и т.д.) с маховиком 3 двигателя внутреннего сгорания (не показан). На сплошном валу 3 установлена шестерня 4 холостого хода, которая может быть подсоединена к нему через первую систему 5 соединения (кулачковая муфта, синхронизатор или другой тип муфты плавного или неплавного соединения). С ротором электрической машины 7 соединен полый первичный вал 6. На вторичном валу 10 установлены две шестерни 11 и 12 холостого хода. Шестерни 11, 12 холостого хода можно соединять с первичным валом через вторую систему 13 соединения (кулачковая муфта, синхронизатор или другой тип муфты плавного или неплавного соединения). На вторичном валу 10 установлена также неподвижная шестерня 14 и шестерня 15 соединения с дифференциалом 16, связанным с колесами (не показаны) транспортного средства.
Первое средство 5 соединения может занимать по меньшей мере три положения, в которых:
- двигатель внутреннего сгорания отсоединен от кинематической цепи, соединяющей электрическую машину 7 с колесами (положение 1),
- двигатель внутреннего сгорания вращает колеса при участии или без участия электрической машины (положение 2), и
- двигатель внутреннего сгорания и электрическая машина 7 связаны так, чтобы объединять свои соответствующие крутящие моменты, передаваемые на колеса (положение 3).
Показанная на фиг. 1 первая система соединения находится в положении 3, как и на фиг. 5 и 6, то есть она связывает во вращении сплошной первичный вал 1 и полый первичный вал 6. Вторая система 13 соединения разомкнута. Таким образом, трансмиссия находится в «мертвой точке». Вращающийся двигатель внутреннего сгорания может вращать тяговую электрическую машину, которая в этом случае работает в режиме генератора для зарядки батарей стоящего на месте транспортного средства.
На фиг. 2 первая система 5 соединения разомкнута (положение 1), тогда как вторая система 13 соединения замкнута и соединяет шестерню холостого хода 12 низшей передачи с вторичным валом 10. Трансмиссия находится в электрическом режиме на низшей передаче или первой передаче переднего хода.
На фиг. 3 первая система 5 соединения по-прежнему разомкнута (положение 1), тогда как вторая система 13 соединения замкнута и соединяет шестерню холостого хода 11 промежуточной передачи с вторичным валом 10. Трансмиссия находится в электрическом режиме на промежуточной передаче или второй передаче переднего хода.
На фиг. 4 первая система 5 соединения замкнута в положении 2, соединяя шестерню 4 холостого хода, установленную на сплошном валу 1, с этим валом, тогда как второе средство 13 соединения разомкнуто. Трансмиссия находится на высшей передаче или третьей передаче. Электрическая машина не выдает крутящий момент.
На фиг. 5 первое средство 5 соединения замкнуто в положении 3, соединяя сплошной вал 1 с полым валом 4. Вторая система 13 соединения замкнута, соединяя шестерню холостого хода 12 низшей передачи и вторичный вал 10. Трансмиссия работает в гибридном режиме на низшей передаче. Действия двигателя внутреннего сгорания и электрической машины на кинематическую цепь объединены. Передача крутящего момента от полого первичного вала 6 на вторичный вал происходит через шестерни 8, 12.
На фиг. 6 первое средство 5 соединения остается замкнутым в положении 3, как на фиг. 5. Сплошной первичный вал 1 соединен с полым первичным валом 6. Вторая система 13 соединения замкнута; шестерня холостого хода 11 промежуточной передачи соединена с вторичным валом 10. Трансмиссия работает в гибридном режиме на промежуточной передаче. Действия двигателя внутреннего сгорания и электрической машины на кинематическую цепь объединены.
На фиг. 7 первая система 5 соединения замкнута в положении 2 и соединяет шестерню холостого хода 4, установленную на сплошном первичном валу 1, с этим валом. Кроме того, второе средство 13 соединения замкнуто, соединяя шестерню холостого хода 11 промежуточной передачи с вторичным валом 10. Трансмиссия находится в гибридном режиме на высшей передаче с объединенным участием двигателя внутреннего сгорания и электрической машины.
На фиг. 8 схематично показана описанная выше гибридная трансмиссия 17, включающая в себя первичные валы 1, 6 и вторичный вал 10, здесь же показаны двигатель 19 внутреннего сгорания и тяговая электрическая машина 7. Электрическая машина 7 электрически связана с тяговой батареей 18. Двигатель 19 внутреннего сгорания вращает генератор 26 зарядки бортовой батареи 22, питающей бортовую сеть 23 и стартер 24 двигателя 19 внутреннего сгорания. Генератор 21 питает бортовую батарею током низкого напряжения. С другой стороны, ток, проходящий между двигателем 19 внутреннего сгорания и тяговой батареей 18, является током высокого напряжения. Для обеспечения зарядки бортовой батареи 22 от тяговой батареи между ними установлен преобразователь тока 26. Преобразователь 26 понижает напряжение тока, проходящего от тяговой батареи 18 к бортовой батарее 22, при этом от бортовой батареи 22 к тяговой батарее 18 ток зарядки проходить не может. Следовательно, тяговую батарею 18 можно заряжать во время стоянки «на обочине дороги» от двигателя внутреннего сгорания, работающего в режиме генератора, при трансмиссии в мертвой точке, как показано на фиг. 1, но эту батарею нельзя заряжать от бортовой батареи 22.
Показанные на фиг. 9 две батареи 18, 22 тоже соединены через преобразователь напряжения 26. Однако в этом случае преобразователь 26 является реверсивным и позволяет не только понижать напряжение между тяговой батареей 18 и бортовой батареей 22, но также повышать напряжение обратного тока зарядки, проходящего от бортовой батареи 22 в направлении тяговой батареи 18. Таким образом, ток может проходить между двумя батареями в двух направлениях. Кроме того, генератор был усилен для обеспечения энергетических потребностей тяговой батареи, по меньшей мере, во время трогания с места транспортного средства и движения на низкой скорости. Таким образом, двигатель внутреннего сгорания и генератор переменного тока образуют генераторный агрегат, способный удовлетворить энергетические потребности тяговой электрической машины во время трогания с места и на низких скоростях перемещения транспортного средства в электрическом режиме.
Показанный на фиг. 10 генератор 21 переменного тока является высоковольтным генератором, например перемотанным генератором, напрямую подключаемым к тяговой батарее 18 без реле преобразователя напряжения. При этом преобразователь напряжения всегда присутствует в архитектуре. С другой стороны, генератор 21 подключен к тяговой батарее 18 между преобразователем напряжения 26 и этой батареей. Как и в предыдущем случае, двигатель 19 внутреннего сгорания и генератор 21 переменного тока образуют генераторный агрегат, способный обеспечивать энергетические потребности тяговой электрической машины 7 во время трогания с места и на малых скоростях движения транспортного средства в электрическом режиме. При этом бортовая батарея 22 находится вне цепи зарядки тяговой батареи 7, и преобразователь тока используют только для возможной подзарядки бортовой батареи от тяговой батареи. Поэтому больше нет необходимости, чтобы он был реверсивным.
После запуска двигателя внутреннего сгорания (в принципе, при помощи стартера, получающего питание от бортовой батареи) транспортное средство может тронуться с места и двигаться в электрическом режиме до определенного порога скорости. При этом двигатель внутреннего сгорания используют в качестве генератора для зарядки тяговой батареи в электрическом режиме через бортовую батарею, тогда как всю движущую энергию обеспечивает электрическая машина 7. Как правило, такая работа представляет собой «гибридно-последовательную» работу транспортного средства, тогда как трансмиссия изначально предусмотрена как трансмиссия для «гибридно-параллельной» работы, при которой и двигатель внутреннего сгорания и электрическая машина передают механическую энергию на колеса. Это позволяет стронуть с места транспортное средство после стоянки и обеспечивает его движение на малых скоростях. Как только скорость движения транспортного средства становится достаточной для соединения двигателя внутреннего сгорания с колесами через трансмиссию, режим можно поменять и перейти, например, в другой режим, например в тепловой режим (фиг. 4) или в гибридный режим (фиг. 5 и 6), когда двигатель внутреннего сгорания связан с колесами.
Изобретение позволяет использовать трансмиссию в дополнительном режиме, называемом режимом «гибридно-последовательной» работы, в случае полной разрядки тяговой батареи, когда электрическую машину используют в качестве источника движущей энергии, питаемого от тяговой батареи, которая подзаряжается от двигателя внутреннего сгорания, работающего в качестве генератора. Этот дополнительный режим можно получить с умеренными затратами, например посредством перемотки высоковольтного генератора в сочетании с регулированием напряжения без необходимости наличия управляющего инвертора для второй машины. В зависимости от параметров размерности механических и электрических органов трансмиссии этот режим работы, называемый «гибридно-последовательным», можно применять по меньшей мере на первой низшей передаче трансмиссии до порога скорости, сверх которого либо движущую энергию электрической машины и движущую энергию двигателя внутреннего сгорания объединяют в гибридном режиме, либо единственным источником движущей энергии является двигатель внутреннего сгорания.