ЭКОНОМИЧНОЕ РЕКУПЕРАТИВНОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО АККУМУЛЯТОРОВ АВТОМОБИЛЕЙ
COST EFFICIENT RECUPERATIVE CHARGING DEVICE FOR AUTOMOBILE ACCUMULATORS

Изобретение относится к области электрооборудования автомобилей, а именно к устройствам для подзарядки аккумуляторных батарей во время движения.
Общеизвестные устройства для подзарядки аккумуляторных батарей (АБ) обладают существенным недостатком: относительно высоким энергопотреблением. В этих устройствах (фигура 1) электроэнергия для подзарядки АБ (5) вырабатывается генератором (2), в результате преобразования механической энергии двигателя внутреннего сгорания - ДВС (1), который при этом потребляет значительное количество топлива. Трехфазный диодный выпрямитель (3) преобразует переменное напряжение генератора в постоянное напряжение и заряжает аккумуляторную батарею (5). Регулятор напряжения (6) измеряет и стабилизирует напряжение на зажимах аккумуляторной батареи. Регулятор напряжения изменяет ток в обмотке возбуждения (4) генератора, осуществляя, таким образом, подзарядку АБ, как только напряжение на ней становится ниже допустимого. Стабилизация напряжения на зажимах аккумуляторной батареи необходима для нормальной работы системы зажигания, освещения, системы «климат - контроль», стеклоподъемников, аудиоаппаратуры и других электроприборов, количество которых увеличивается с каждой новой моделью автомобиля (Вершигора В.А. и др. Автомобили «Спутник ВАЗ 2108-2109», устройство и ремонт. 2-е издание, переработанное и дополненное. М., Транспорт, 1992, Стр.152-162).
Подзарядка АБ осуществляется независимо от того, находится ли автомобиль в режиме разгона, или в режиме торможения, или его двигатель работает в режиме холостого хода. Т.е. в автомобилях с ДВС полностью отсутствуют системы для накопления и полезного использования кинетической энергии при торможении. Этим, в основном, и объясняется большое различие в удельном потреблении автомобилем топлива при движении по трассе и в городском цикле, которое у большинства автомобилей составляет 20-30%, а также при движении в темное и светлое время суток (10-15%), с кондиционером и без него (8-10%). Являясь не только транспортным средством, но и малоэффективной «электростанцией на колесах», автомобиль расходует значительную часть топлива на получение электроэнергии. Именно это и является основной причиной появления сравнительно недавно автомобилей с гибридными двигателями.
Гибридный двигатель представляет собой конструкцию, сочетающую электромашину с рекуперативным торможением (двигатель - генератор) и двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Гибридный двигатель запасает кинетическую энергию в аккумуляторе при торможении автомобиля, преобразуя ее в электрическую, и использует эту энергию, в дальнейшем при разгоне, а не выбрасывает в окружающую среду в виде тепла и стертых тормозных колодок. Он обладает достоинствами каждого из этих двух двигателей и при этом потребляет на 20-25% меньше топлива, чем ДВС. Однако автомобили с гибридными двигателями, существенно отличаясь по конструкции от классических автомобилей с ДВС, требуют значительного переоснащения как производственных мощностей, так и станций технического обслуживания. Поэтому они с трудом продвигаются на рынке, поскольку имеют гораздо большую стоимость и проблематичны в обслуживании (сайты в Интернет: hybridportal.ru/dostoinstva-i-nedostatki…, www.gibridnye-avtomobili.ru/dostoinstva_i…).
В то же время, для использования кинетической энергии (хотя бы частично), вовсе не требуется значительной модернизации классических автомобилей с ДВС, поскольку они уже имеют и генератор, преобразующий механическую энергию в энергию электрическую, и батарею для аккумулирования электрической энергии. Значительная экономия топлива уже может быть достигнута, если подзарядка АБ будет осуществляться не только по мере ее разряжения, а в первую очередь, в моменты времени, когда осуществляется торможение автомобиля, либо двигателем (при сбросе газа), либо при нажатии на тормоз. К примеру, автомобиль «ВАЗ-21» может нормально работать без подзарядки аккумуляторной батареи от одного часа, в темное время, до двух часов, в светлое время суток. Трудно себе представить, что в течение такого времени не понадобится режим торможения, и аккумулятор не получит дополнительной подзарядки.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение количества топлива, затрачиваемого автомобилем на выработку электроэнергии для подзарядки аккумуляторной батареи, во время движения. Этот технический результат достигается тем, что заявляемое устройство осуществляет подзарядку АБ преимущественно во время торможения автомобиля. Поэтому дополнительным полезным результатом такого решения является продление срока службы деталей тормозной системы: тормозных колодок, дисков, барабанов и т.п. Для этого в устройстве (фигура 2) имеется два датчика: датчик давления тормозной жидкости (7) в гидравлической тормозной системе (9) и датчик мгновенного расхода топлива двигателем (8). При нажатии на тормоз или при снижении потребления топлива, т.е. при торможении автомобиля двигателем (при сбросе газа), ток в обмотке возбуждения генератора оказывается пропорционален тормозному усилию. Это усилие при нормальном режиме движения создается, в основном, генератором, вырабатывающим электроэнергию для подзарядки АБ. Частое торможение используется при движении автомобиля в городском цикле и по пересеченной местности, именно здесь и проявляется существенная экономия топлива. Если же автомобиль движется по трассе с постоянной скоростью без торможения, то подзарядка АБ осуществляется традиционным способом от преобразования механической энергии ДВС, с потреблением топлива, при снижении напряжения на клеммах АБ, до критического значения.
В качестве датчика мгновенного расхода топлива (8) и датчика давления тормозной жидкости (7) применяются серийно выпускаемые устройства, которые не требуют оригинального исполнения. А вот регулятор напряжения требует существенных изменений. Функциональная схема модернизированного регулятора напряжения, выполненного на аналоговых элементах, представлена на фигуре 3.
Сигнал с датчика мгновенного расхода топлива (8) поступает на инвертирующий вход операционного усилителя (10), поэтому, при снижении расхода топлива в режиме торможения двигателем, на выходе операционного усилителя (ОУ), напряжение будет расти, приоткрывая биполярный n-р-n транзистор (11) и увеличивая ток в обмотке возбуждения генератора (4). На схеме не показана цепь, исключающая подзарядку АБ, при холостом ходе двигателя, когда потребление топлива также мало. Резисторы отрицательной обратной связи (12) и (13) обеспечивают оптимальный диапазон изменения тока в обмотке возбуждения. Сигнал с датчика давления тормозной жидкости (7) поступает на неинвертирующий вход ОУ, поэтому, с ростом давления при нажатии на тормоз, напряжение на выходе операционного усилителя (ОУ) будет также расти. В обоих случаях, при торможении двигателем или тормозом будет заряжаться АБ (5). Более эффективно батарея будет заряжаться, если используются оба способа торможения, одновременно. При этом будет больше и тормозной момент, создаваемый генератором, т.о. генератор участвует в торможении автомобиля, уменьшая износ тормозных колодок. Если автомобиль долго движется с постоянной скоростью без торможения, то АБ не подзаряжается. При снижении напряжения на клеммах батареи, до критического значения, напряжение на инвертирующем входе ОУ (14), создаваемое делителем напряжения на резисторах (15) и (16), становится меньше, чем на неинвертирующем входе (на стабилитроне 18). При этом сравнивающее устройство на ОУ (14) из отрицательного насыщения переходит в насыщение положительное. Стабилитрон (22) проводит ток в базу транзистора (11), и ток в обмотке возбуждения увеличивается, что приводит к подзарядке АБ. Резисторы (19), (20) и (21) выполняют функцию сумматора. Цепи питания и частотной коррекции ОУ на схеме не показаны. Не показана и цепь, исключающая перенапряжение на АБ, приводящее к закипанию электролита.
Габариты устройства не превышают размеров спичечного коробка, а стоимость, в пределах 500 руб., окупается экономией топлива, через 2-3 тысячи километров пробега.