СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ
METHOD OF CONTROLLING COMBINED POWER PLANT

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, точнее к способам управления силовыми установками с параллельной схемой передачи мощности на ведущие колеса гибридных транспортных средств, преимущественно, многоцелевого назначения.
Из уровня техники известны способы управления комбинированными энергетическими установками (КЭУ) транспортных средств (ТС), содержащими в качестве источников энергии, передаваемой на вал привода ведущих колес, тепловой двигатель (ТД), например двигатель внутреннего сгорания (ДВС), и две электромашины (ЭМ), работающие в режиме мотор - генератор, в которых, как правило, стремятся обеспечить работу ТД в устойчивом состоянии в так называемой эффективной точке, т.е. в такой рабочей точке, где его КПД имеет максимальную величину (например, ЕР 141583, 2002 г.; WO 2004052673, 2004 г.; WO/DE 2004037594 A1; US 6705416 B1, 2004 г). Требуемое регулирование тягового и скоростного диапазона ТС в них достигают за счет трансформации входящего крутящего момента в соответствующих узлах трансмиссии, например в автоматических ступенчатых или бесступенчатых коробках передач, путем изменения передаточного отношения. Варьирование режимов передачи мощности осуществляют выборочным подключением выходных валов ТД и обеих ЭМ к входному валу коробки передач посредством одного или нескольких узлов сцепления. А постоянство рабочего режима теплового двигателя в эффективной (рабочей) точке независимо от текущих условий движения ТС, например в аналоге по патенту US 6705416, обеспечивают путем регулирования тяговых и скоростных параметров электромашин.
Общим недостатком приведенных выше аналогов является некоторая усложненность алгоритма управления из-за разветвленной схемы регулирования параметров, к тому же регулировку тягового и скоростного диапазонов ТС в них осуществляют, воздействуя на органы управления всех основных агрегатов установки: теплового двигателя, обеих электромашин и коробкой передач. Передача мощности от источников энергии на ведущие колеса во всех режимах работы с помощью узлов трансмиссии усложняет кинематическую линию «источник энергии - ведущие колеса», что обуславливает конструктивное усложнение используемой КЭУ и приводит к значительному снижению ее КПД. Такое снижение КПД при передаче мощности теплового двигателя на вал привода ведущих колес ТС по величине заметно превосходит потери от вероятного смещения рабочей точки ТД от ее оптимального значения, характеризуемого частотой вращения вала и нагрузкой.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является способ управления КЭУ с параллельной схемой передачи мощности от источников механической и/или электрической энергии в виде теплового двигателя и двух электрических машин на ведущие колеса транспортного средства, в котором поддержание рабочего режима теплового двигателя ведут не в определенной рабочей точке, как в предыдущих аналогах, а в зоне, состоящей из множества точек его эффективной работы, и регулирование выходных параметров установки осуществляют, управляя в нем одним узлом: механизмом ввода-вывода электрической и механической энергии (RU 2334624 С2, 2008 г., фиг.1).
Передачу мощности на ведущие колеса в прототипе ведут через этот же механизм ввода-вывода, состоящий из трехвального планетарного дифференциала и генератора, и с его помощью обеспечивают вариантность режимов передачи мощности и подключения выходных валов теплового двигателя и первой электрической машины к валу зубчатого звена планетарного механизма, являющемуся валом привода колес, с постоянно изменяемым бесступенчато соотношением их угловых скоростей с учетом кинематики этого механизма. Управление нагрузочным режимом ТД ведут, обеспечивая работу ТД в эффективной зоне, представляющей собой множество его рабочих точек, лежащих на внешней скоростной характеристике двигателя. Работа ТД в данной зоне позволяет обеспечить быструю реакцию двигателя для выдачи требуемой для движения ТС мощности, но вместе с тем обуславливает снижение эффективности его работы, т.к. работа ТД в этой зоне приводит к снижению его КПД в областях с частотами, отличающимися от той, что соответствует частоте точки оптимальной работы, что также снижает общий КПД механической ветви передачи мощности на вал привода ведущих колес ТС. Для вывода ТД на работу в этой зоне управление генератором происходит по нагрузке, т.е. система управления, получая сигналы с датчиков скорости ТС и положения педали дроссельной заслонки, сопоставляет действительную и желаемую скорости ТС и в случае их несовпадения вычисляет по определенным зависимостям требуемый момент на генераторе с учетом параметров планетарного механизма, что приводит к ухудшению топливной экономичности ТС в целом.
Для регулирования скоростных и тяговых параметров в соответствии с текущими условиями движения ТС в прототипе необходимо управлять не только генератором, но и самим тепловым двигателем и второй электромашиной. Это приводит к усложнению системы управления КЭУ.
К тому же при реализации способа-прототипа повышаются вспомогательные энергетические затраты в используемой КЭУ, вызванные постоянным бесступенчатым изменением передаточного отношения, осуществляемым путем регулирования нагрузки на генераторе, т.е. энергия батареи дополнительно расходуется на обеспечение функционирования генератора, являющегося составным звеном механизма ввода-вывода энергии, в результате требуется увеличение времени работы ДВС для восполнения затраченной при этом энергии, снижается КПД передачи мощности. Использование в механической ветви передачи мощности на вал привода ведущих колес транспортного средства узла трансмиссии приводит к более значительному падению КПД данной ветви. Кроме того, данный узел требует специального управления, что усложняет способ управления.
Задача, решаемая изобретением, направлена на создание эффективного энергосберегающего способа управления комбинированной энергетической установкой с параллельной схемой передачи мощности от источников энергии на ведущие колеса транспортного средства, позволяющего повысить КПД и расширить функциональный диапазон используемых установок при упрощении их кинематики,
Технический результат, получаемый от реализации изобретения, заключается в упрощении алгоритма управления КЭУ, в повышении эффективности работы ТД, снижении непродуктивных энергозатрат при передаче мощности на ведущие колеса ТС.
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе управления комбинированной энергетической установкой с параллельной схемой передачи мощности на вал привода ведущих колес от силового агрегата в виде теплового тягового двигателя и двух электрических машин, работающих как в режиме тяговых двигателей, так и генераторов, включающем варьирование режимов передачи мощности путем комбинационных схем подключения к упомянутому валу привода колес выходных валов теплового двигателя и/или электрических машин, управление нагрузочным режимом теплового двигателя, при котором обеспечивают его работу в тяговом режиме в зоне, представляющей собой множество рабочих точек двигателя, лежащих на характеристике, ограниченной диапазоном максимальной эффективности одного из его рабочих параметров, и регулирование тяговых и скоростных параметров транспортного средства в соответствии с текущими условиями движения, согласно изобретению подключение выходных валов теплового двигателя и электрических машин к валу привода колес осуществляют с обеспечением постоянного соотношения их частот вращения, при этом зону работы теплового двигателя определяют как множество его рабочих точек, лежащих на характеристике минимальных удельных расходов топлива, ограниченной эффективным диапазоном частот вращения выходного вала двигателя, и работу двигателя в указанной зоне ведут, поддерживая нагрузку на его валу на постоянном, устанавливаемом вне зависимости от текущих условий движения транспортного средства уровне, путем обеспечения выравнивающей компенсации отклонения фактической частоты вращения выходного вала теплового двигателя от требуемой по условиям движения транспортного средства, которую осуществляют управляемой работой, по меньшей мере, одной из двух упомянутых электрических машин в режиме генератора.
Причем подключение выходных валов теплового двигателя и двух электрических машин к валу привода колес осуществляют путем их механического соединения с валом привода напрямую или через согласующее устройство, не требующее внешнего управления.
Управление выходными скоростными и тяговыми характеристиками бесступенчатым изменением входящего крутящего момента без его трансформации, осуществляемым изменением параметров работы ЭМ при подключении выходных валов ТД и двух ЭМ к валу привода колес с обеспечением постоянного соотношения их частот вращения, при котором отпадает необходимость встройки узла трансмиссии в линию передачи мощности, во-первых, обеспечивает работу ТД в режиме эффективной загрузки и, во-вторых, позволяет значительно упростить алгоритм управления и кинематику используемой установки, повышая тем самым КПД КЭУ. Регулирование тяговых и скоростных параметров ТС управлением параметрами режимов работы электрических машин (в отличие от прототипа, где дополнительно регулируются параметры работы теплового двигателя и механизма ввода-вывода мощности), осуществляемым при постоянстве нагрузочного режима теплового двигателя вне зависимости от текущих условий движения ТС, путем компенсации отклонения угловой скорости вала теплового двигателя от требуемой по условиям движения, также способствует упрощению системы и алгоритма управления КЭУ.
Определение зоны работы теплового двигателя как множества его рабочих точек, лежащих на характеристике минимальных удельных расходов топлива, ограниченной эффективным диапазоном частот вращения вала двигателя при неизменном уровне нагрузки на нем, значительно повышает экономичность работы теплового двигателя, следовательно, и энергоэффективность КЭУ в целом (следует отметить, что вероятное уменьшение КПД теплового двигателя из-за его работы в зоне, ограниченной частотами, оказывает меньшее отрицательное влияние на общий КПД механической ветви передачи мощности, чем при использовании в этой ветви узла изменения соотношения угловых скоростей входного и выходного элементов).
Описание сущности способа проиллюстрированно прилагаемыми схемами, где на фиг.1 представлена зона работы ТД; на фиг.2 - диаграмма эффективности работы ТД; на фиг.3 - характеристики ТД: внешняя скоростная и минимальных удельных расходов.
Сущность способа поясняется на конкретном примере его реализации, при котором выходные валы источников энергии соединены с валом привода ведущих колес напрямую, источником механической энергии является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), и в режиме движения ТС, при котором задействованы все три источника энергии.
Согласно изобретению выходные валы ДВС и двух электрических машин подключены к валу привода с обеспечением постоянного соотношения их частот вращения (без специального, требующего внешнего управления, узла трансмиссии). Это позволяет передачу мощности на ведущие колеса ТС осуществлять без трансформации входящего крутящего момента и регулировать тяговые и скоростные параметры ТС лишь путем управления параметрами режимов работы электрических машин.
В основном (тяговом) режиме работы автомобиля в данном примере это регулирование осуществляют путем изменения тока возбуждения на обмотках электрических машин в зависимости от реальной скорости ТС и положения педали акселератора, являющейся при этом задающим элементом, сигнал которого вместе с сигналами от датчиков скорости ТС подается в систему управления КЭУ, где в зависимости от режима ее работы вырабатывается управляющий сигнал, подаваемый на электрические компоненты КЭУ.
ДВС в это время работает в заданной зоне (фиг.1), представляющей собой множество точек, лежащих на характеристике минимальных удельных расходов топлива (кривая ХМУР на фиг.3), ограниченной эффективным диапазоном частот вращения выходного вала двигателя при неизменном уровне нагрузки на нем. Такая зона работы ДВС определяет максимальную экономичность двигателя при его функционировании. Несмотря на то что эта зона ограничена кривой минимальных удельных расходов топлива в диапазоне частот, некоторое сокращение эффективности работы теплового двигателя на границах этого диапазона лишь незначительно влияет на эффективность КЭУ в целом, что видно из схемы фиг.2 (если сравнивать с тем снижением КПД, к которому могло бы привести использование специального узла трансформации момента в линии передачи мощности от теплового двигателя на ведущие колеса ТС). При этом данная зона не ограничивает мощностной потенциал ДВС, так как почти соответствует внешней скоростной характеристике (кривая ВСХ на фиг.3) двигателя. При работе ДВС в этой зоне обеспечивают постоянство нагрузки на нем. Здесь следует учитывать тот факт, что в случае жесткой механической связи ДВС с ведущими колесами его режим работы будет в общем случае зависеть от режима движения транспортного средства. Параметры этой зависимости определяют эффективный диапазон частот, которым ограничена зона его функционирования. Условие неизменности уровня нагрузки на ДВС обеспечивают управлением параметрами рабочего режима генератора, функции которого в данном конкретном примере выполняет первая электромашина. В зависимости от положения педали акселератора на валу генератора вырабатывается необходимый момент. Положение педали акселератора определяется датчиком, и сигнал с него подается в систему управления КЭУ, которая определяет необходимый ток возбуждения обмотки генератора, соответствующий тому моменту, который необходимо реализовать на его валу. Изменение момента на валу генератора определит ту часть нагрузки, которая будет догружать или разгружать тепловой двигатель в зависимости от условий движения транспортного средства. В различных ситуациях может потребоваться ускорение или замедление ТС, что определится изменением положения педали акселератора, отслеживаемого датчиком положения. В соответствии с этим изменением изменяют частоту вращения вала ДВС, которая определит угол раскрытия дроссельной заслонки. Значение данного параметра соответствует работе ДВС по характеристике минимальных удельных расходов. Нагрузочный режим ДВС остается постоянным в эффективном диапазоне частот вращения его вала, потому что происходит непрерывное отслеживание дроссельной заслонкой данной частоты, что выражается в непрерывном изменении угла ее открытия. При этом частота будет определяться тем, как изменяется момент на валу генератора, который зависит от положения педали акселератора.
Таким образом, согласно изобретению в предложенном способе управления тепловой двигатель не подвергается внешнему управляющему воздействию. Управление осуществляют только параметрами рабочего режима электрических машин, которыми одновременно одним и тем же алгоритмом регулируют тяговые и скоростные параметры транспортного средства в целом и поддерживают нагрузочный режим теплового двигателя постоянным. При этом учитывается лишь сигнал от датчика скорости ТС и с датчика положения педали акселератора. В случае необходимости поддержать постоянную скорость при изменении условий движения или в случае необходимости изменить скорость при постоянных условиях движения происходит воздействие водителя ТС на педаль акселератора. Положение педали определяется датчиком положения, сигнал с которого поступает в систему управления КЭУ, которая определяет необходимый ток возбуждения обмотки генератора для создания на его валу момента. Этот момент определит изменение частотного режима ДВС, но нагрузочный режим при этом останется неизменным. Данное изменение режима работы теплового двигателя будет соответствовать реакции ТС на управляющее действие водителя при воздействии на педаль акселератора. В случае несоответствия появившегося изменения режима движения ТС требуемому режиму, который определяется степенью воздействия водителем на педаль акселератора, данное воздействие будет изменено. Это изменение по сигналу датчика положения педали акселератора снова поступит в систему управления КЭУ, которая снова определит необходимое изменение значения тока возбуждения обмотки генератора для выработки необходимого момента на его валу. Этот процесс будет происходить непрерывно, пока не закончится управляющее воздействие на педаль акселератора, что будет говорить о достижении требуемого режима движения ТС. Такое регулирование нагрузки по отклонению текущего параметра от его требуемого значения с последующей компенсацией данного отклонения не требует использования специальных зависимостей для определения необходимого тока возбуждения на обмотке генератора. Весь процесс происходит непрерывно и в той мере, которая необходима для компенсации обнаруженного отклонения. Это же относится и ко второй электрической машине, работающей в тяговом режиме. Система управления КЭУ, используя аналогичные сигналы, определяет необходимый ток возбуждения обмотки электромотора для поддержания режима движения ТС на требуемом уровне или для изменения этого режима в соответствии с управляющим воздействием водителя на педаль акселератора.