ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО С АВТОМАТИЧЕСКОЙ БЕЗ ПЕРЕРЫВА МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ (ЭМТ) С ЦЕНТРАЛЬНЫМ ПРИВОДОМ

Настоящая полезная модель относится к трансмиссии транспортного средства, преимущественно к трансмиссиям колесных рабочих машин (например: колесные тракторы, фронтальные погрузчики, многоосные тягачи, автокраны и т.п.), а также может относиться и к гусеничным транспортным средствам (например: гусеничные тракторы, бурильно-крановые машины, асфальтоукладчики, машины дорожной техники и многие другие). Полезная модель может также быть использована для модернизации указанных транспортных средств с заменой механической или гидравлической трансмиссии на электромеханическую.
Рабочие транспортные средства, в частности трактора, оснащаются механической или гидравлической трансмиссией. Такие трансмиссии, наряду с достоинствами имеют ряд существенных недостатков, такие как высокая сложность, сопряженная с недостаточной надежностью, невысокая ремонтопригодность и диагностируемость неисправностей, а также относительно низкая эффективность (КПД). Особенно для гидравлических трансмиссий характерно наличие опасных факторов, таких как: высокое давление масла (до 400 атм.) и высокий расход горюче-смазочных материалов (дизельное топливо, трансмиссионное и моторное масла). Эффективность гидравлической трансмиссии, ее КПД, заметно снижаются при ее работе в отрицательных температурах окружающей среды.
Многие из известных транспортных средств подобного типа оснащаются электромеханическими трансмиссиями, которые значительно повышают уровень эффективности и диагностируемости трансмиссии в целом. Так, из уровня техники известна электромеханическая трансмиссия (см. патент RU 2412831, опубликовано 27.02.2011), которая содержит электрогенератор, приводной вал редуктора отбора мощности, электродвигатель, зубчатую передачу и выходной вал. Вал ротора электрогенератора выполнен полым. Внутри вала ротора установлен торсионный вал. Зубчатая передача выполнена в виде диапазонной коробки передач, снабженной полым входным валом и двумя промежуточными валами. На одном валу свободно установлены шестерни постоянного зацепления с жестко установленными шестернями на полом входном валу и переключающее устройство. На другом валу жестко установлены шестерни постоянного зацепления со свободно установленными шестернями на выходном валу.
Однако, несмотря на применение в известной трансмиссии электрического привода колес, она имеет ряд существенных недостатков ввиду использования малоэффективной схемы создания на движителях тягового усилия и передачи крутящего момента от силовых агрегатов.
В частности в известной трансмиссии применен сложный четырехдиапазонный согласующий редуктор, который снижает эффективность трансмиссии и не обеспечивает надежность привода. Так, в известной схеме двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имеет возможность механического соединения с элементами трансмиссии, что обуславливает наличие дополнительных и сложных по конструкции согласующих элементов привода и снижает общую надежность, ремонтопригодность и общее время наработки на отказ. Кроме того, подобная схема не позволяет реализовать адаптивный и эффективный контроль всеми компонентами трансмиссии, а также своевременное диагностирование неисправностей, поскольку не содержит необходимых компонентов силовой и управляющей электроники.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении эффективности (КПД) привода транспортного средства при одновременном сохранении степени его надежности.
Заявленный технический результат достигается путем создания транспортного средства с автоматической без перерыва потока мощности бесступенчатой электромеханической трансмиссии (ЭМТ) с центральным приводом, которое содержит установленные на элементах конструкции транспортного средства асинхронный мотор-генератор (АМГ), тяговый асинхронный электродвигатель (ТАД), элементы силовой и управляющей электроники для управления АМГ и ТАД, контроллер верхнего уровня (КВУ) для управления двигателем внутреннего сгорания (ДВС), компонентами трансмиссии и потоками мощности, а также содержащая каналы для передачи и получения управляющих и информационных электрических сигналов (в том числе диагностических) между КВУ, ДВС, АМГ, ТАД и элементами силовой и управляющей электроники, при этом элементы силовой электроники представляют собой силовые преобразователи для управления АМГ и ТАД и выполнены на интегральных интеллектуальных силовых модулях, имеющих жидкостное охлаждение, а элементы управляющей электроники представляют собой контроллеры управления, причем АМГ соединен с ДВС через муфту гашения крутильных колебаний, а ТАД соединен через согласующий двухдиапазонный редуктор с ведущим мостом транспортного средства, при этом АМГ и его силовой преобразователь являются двунаправленными и выполнены с возможностью обеспечения преобразования механической энергии от ДВС в электрическую, а при торможении - электрическую энергию, полученную при рекуперации механической энергии торможения, в механическую энергию компрессионного торможения в ДВС, причем АМГ и ТАД имеют жидкостное охлаждение статора и принудительное воздушное охлаждение ротора, что создает более комфортные условия работы электромашин и повышает общую надежность и ресурс системы.
Каналы для передачи и получения управляющих и информационных электрических сигналов представляют собой мультиплексную шину передачи данных по протоколу CAN.
В состав контроллера верхнего (КВУ) уровня включается модуль определения геопозиции по стандарту GPS для автоматического управления транспортным средством. В состав КВУ включается модуль акселерометра.
Блок силовой электроники выполнен с возможностью подключения электрического питания от него постоянным током внешних потребителей - навесных орудий.
Совокупность указанных выше признаков направлена на повышение эффективности (КПД) привода транспортного средства при одновременном сохранении степени надежности данного привода.
На фиг. 1 представлен общий вид компоновки электромеханической трансмиссии на тракторе.
На фиг. 2 представлена структурная схема электромеханической трансмиссии.
На фиг. 3 приведены результаты полевых испытаний электромеханической трансмиссии в составе трактора.
В примере реализации (см. фиг. 1 и 2) заявленного транспортного средства (сельскохозяйственный трактор) применен комплект тягово-энергетического оборудования (КТЭО) электромеханической трансмиссии переменно-переменного тока, который включает в себя:
1. тяговый асинхронный мотор-генератор (АМГ) переменного тока (1);
2. тяговый асинхронный электродвигатель (ТАД) (2);
3. блок силовой электроники (БСЭ) (3) с двумя силовыми преобразователями (СП): одним - для питания АМГ (4) и одним для питания ТАД (5), каждый из которых управляется своим контроллером (m-Contr);
4. контроллер верхнего уровня (КВУ) для управления потоками мощности и тягой (6), связанный с органами управления и индикации (8) транспортного средства и выполнен с возможностью подключения к сервисной вычислительной системе (СВС) (7) (ноутбук со специализированным ПО, подключаемый к КВУ для считывания в режиме online текущих параметров КТЭО и трактора, записи аварийных логов с последующим их анализом в табличной и графической форме для определения причин и места аварии). При этом в состав КВУ может входить модуль GPS (9) для автоматического управления транспортным средством;
5. преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC/DC) с контроллером (m-Contr) (10) для предварительного заряда шины постоянного тока от аккумуляторных батарей (11);
6. датчик тока утечки (ДТУ) для контроля изоляции высоковольтных кабелей (18);
7. шина (12) для питания и управления внешними потребителями, в частности навесными орудиями;
8. комплекты систем жидкостного охлаждения БСЭ, АМГ и ТАГ (на схеме не показаны);
9. согласующий двухдиапазонный редуктор (CP) (13), который соединен с ведущим мостом транспортного средства (применена схема с центральным приводом транспортного средства);
10. двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (14) с контроллером (m-Contr), соединенный с АМГ через муфту гашения крутильных колебаний (15);
11. мультиплексную информационную шину с протоколом передачи CAN (может быть также протокол LIN/ETHERNET/FLEXRAY) (16) для передачи/получения управляющих и информационных сигналов от электронных систем и управляющих компонентов трансмиссии;
12. Задний мост транспортного средства (17).
Элементы силовой и управляющей электроники представляют собой соответственно электрически соединенные силовые преобразователи (СП) на основе интегрированных интеллектуальных IGBT-модулей, преобразователи постоянного напряжения звена постоянного тока в постоянное (DC/DC) и цифровые системы управления на основе контроллеров (m-Contrl) для векторного или частотного управления асинхронными электрическими машинами и управления бортовыми потребителями. Причем элементы силовой электроники выполнены с возможностью электрического соединения с приводными элементами движителей вспомогательными приводными элементами и бортовыми потребителями электроэнергии и с возможностью передачи управляющих и информационных электрических сигналов между ними.
Все вышеуказанные элементы установлены и закреплены относительно несущей части транспортного средства.
Согласно заявленной полезной модели в качестве основной принята последовательная кинематическая схема, в которой кинематические связи между ДВС и ведущими колесами принципиально исключаются. Это позволяет управлять ДВС в зависимости от требуемой мощности по критерию максимальной топливной эффективности, независимо от скорости движения транспортного средства. В такой схеме при грамотном построении системы управления исключается глушение ДВС и появляется возможность осуществлять трогание с места с максимальным моментом без переключения передач, что для тракторов весьма актуально. Последовательная схема обеспечивает реализацию разнообразных эффективных конструкторских решений и новых компоновок. В последовательной схеме существует возможность исключения коробки передач, сцепления, карданного вала, что существенно снижает общую массу силового оборудования; появляется возможность исключения механического дифференциала, который, в принципе, значительно затрудняет построение качественной системы управления движением, ухудшает управляемость и проходимость транспортного средства. В заявленной трансмиссии применен также асинхронный электропривод, который характеризуется высоким показателем надежности. В асинхронном приводе работа с ограничением мощности обеспечивается при ограничении напряжения питания двигателя за счет соответствующего ослабления поля. В отличие от синхронного привода с постоянными магнитами, где поле практически не регулируется, что приводит к необходимости завышения установленной мощности преобразователя в 3-10 раз. Для приводов легких транспортных средств это приемлемо; для средних и тяжелых транспортных средств это приводит к недопустимому усложнению системы привода, снижению ее надежности и КПД трансмиссии в целом, не говоря о технологической зависимости от магнитов на основе редкоземельных металлов, поставляемых из других стран.
Тяговый асинхронный двигатель с силовым преобразователем, специально спроектированные под конкретный тип транспортного средства, являются лучшим решением по критериям масса, габаритные размеры, удельный объем, КПД, ресурс и надежность. Все компоненты привода рассчитываются и проектируются с характеристиками, которые являются оптимальными для соединения между собой.
-1
В качестве примера приведем параметры оптимизированного тягового двигателя, используемого в тракторе мощностью 300 л.с., в точке М=1050 Н⋅м, N=1674 мин (точка выхода на гиперболу ограничения мощности 184 кВт). Наружный диаметр статора задавался равным 490 мм. Достигнутые показатели: при длине активной части 245 мм, индукции в зазоре 0,8 Тл, массе активных частей 205 кг, частоте питания 168,5 Гц КПД составил 0,953.
-1
На фиг. 3 приведены результаты полевых испытаний комплекта тягово-энергетического оборудования (КТЭО) в составе трактора мощностью 300 л.с. на предельных режимах работы тягового привода: максимальный момент тягового асинхронного двигателя 1200 Н⋅м, максимальная мощность 183 кВт, максимальная мощность асинхронного мотор-генератора 220 кВт при моменте 1200 Н⋅м и скорости 1700 мин. Суммарный КПД от вала ДВС до вала тягового двигателя составляет 0,87 и сохраняется в широком диапазоне частот вращения.
Для функционирования системы привода необходимо использование качественной системы управления, частотной или векторной. Такая система должна обеспечивать оптимальный по потерям режим работы двигателей во всех диапазонах частот вращения, электромагнитных моментов, скольжений, индукций и т.п. Однако для тяговых приводов необходимо также учитывать критерий максимального использования имеющихся ресурсов, прежде всего максимальных напряжения питания и тока, которые ограничиваются установленной мощностью силового преобразователя.
В заявленном устройстве применены элементы силовой и управляющей электроники, включающие силовые преобразователи на интегральных интеллектуальных силовых модулях, имеющих жидкостное охлаждение. Данные элементы являются элементами с высоким КПД, а узел жидкостного охлаждения эффективно обеспечивает стабильную температуру электронных компонентов модулей, что также способствует высокому КПД модулей при одновременном повышении их надежности за счет исключения перегрева. Это достигается за счет:
повышения быстродействия системы управления тяговыми и вспомогательными приводами, которая максимально быстро адаптирует потребление ими мощности к требованиям нагрузки (командам оператора), тем самым снижая потери при регулировании, при переходе на холостой ход и т.п.,
уменьшения потерь в силовых ключах СП, повышения эффективности системы охлаждения и других вспомогательных систем,
оптимизации всей системы по потреблению тока (мощности).
Для получения необходимых тяги и мощности общепромышленные асинхронные двигатели получаются большими по габаритным размерам и массе, с низким КПД и имеют большую стоимость. Для применения в составе ЭМТ, которая ставится вместо механической или гидромеханической трансмиссии требуются меньшие габаритные размеры и масса при максимально возможном КПД при невысокой стоимости. Поэтому для ЭМТ рабочих машин, в частности тракторов, применены специальные асинхронные двигатели, требуемые малые габаритные размеры и масса которых с высоким КПД обеспечиваются применением согласующего редуктора (снижающего требования по моменту и повышающего частоту вращения электродвигателя), а также применением более эффективного жидкостного охлаждения, позволяющего увеличить надежность и ресурс системы и уменьшить размеры электродвигателя за счет более эффективного отвода тепла по сравнению с традиционным воздушным охлаждением. Кроме того, эффективность жидкостного охлаждения не зависит от частоты вращения электродвигателя, как при воздушном охлаждении, при котором на малых частотах вращения необходимо применять дополнительный внешний вентилятор, увеличивая габаритные размеры, массу и стоимость.
Таким образом, использование согласующего двухдиапазонного редуктора с ведущим мостом транспортного средства и выполнение АМГ и ТАД с жидкостным охлаждением статора и принудительным воздушным охлаждением ротора, позволяют повысить КПД и диагностируемость привода транспортного средства при одновременном сохранении степени надежности данного привода.
Для обеспечения оптимизации топливной эффективности во всем диапазоне работы ДВС с учетом негативно влияющих «всплесков» сброса нагрузки или ее скачкообразного увеличения (которое может даже привести к останову ДВС) необходимо в режиме реального времени динамически корректировать управляющие воздействия. Оптимальные потоки мощности обеспечивает КВУ, наличие которого позволяет повысить КПД и топливную экономичность привода транспортного средства при одновременном сохранении его степени надежности.
Дополнительно рабочая машина может быть оснащена системой геопозиционирования GPS. При наличии GPS в тракторе с ЭМТ легко реализуется автоматическое управление - изменение скорости, тяги (не требуется никаких переключений передачи и прочих сопутствующих операций управления). Наличие акселерометра в КВУ ЭМТ позволяет сгладить продольные колебания трактора, обеспечивая более плавный его ход.
При наличии информации о состоянии навесного оборудования КВУ оптимально управляет мощностью ДВС. Пример: пахота, трактор с максимальной мощностью и силой тяги тащит плуг. В конце поля трактор должен развернуться. Для этого поднимается плуг. Резко снижается необходимая от ДВС мощность, и вместо быстрого снижение скорости и разворота на ограниченном пространстве трактор может даже кратковременно увеличить скорость, тем самым увеличивая необходимую для разворота площадь. КВУ, имея информацию о том, что тракторист поднял плуг, обеспечивает плавное и быстрое снятие тяги ТАД и нагрузки с ДВС, переводя его на другую частоту вращения и корректируя управляющие воздействия.
На всех агротехнических операциях - пахота, культивирование, сеяние ЭМТ обеспечивает необходимую постоянную скорость вне зависимости от условий на поле с минимальным потреблением на этом режиме топлива без вмешательства тракториста (который только задает органами управления необходимую скорость трактора). Либо, при тяжелых операциях обеспечивается работа с отдачей полной мощности ДВС но без опасности его заглушения.
В транспортном режиме (второй диапазон согласующего редуктора) педалью или джойстиком устанавливается требуемая тяга, трактор управляется аналогично обычному автомобилю.
ЭМТ также позволяет разорвать механическую связь между ДВС трактора и навесным орудием, достаточно только подключить кабелями постоянное напряжение к электрифицированному навесному орудию (сеялка, разбрызгиватель и т.п.), которые обычно подключаются либо карданом, либо шлангами высокого давления. В навесном орудии это напряжение преобразуется в необходимое для привода механизмов. Подобное решение снижает расход топлива до 10% и существенно повышает КПД привода транспортного средства при одновременном сохранении степени надежности данного привода.
В ЭМТ имеется высокое напряжение (до 800 В постоянного тока и до 550 В переменного). Для исключения утечек тока и, соответственно, для повышения уровня электробезопасности и надежности привода, тем более при работе в поле, все высоковольтные цепи, (за исключением разъема для навесного электрифицированного орудия) скрыты в герметичном блоке силовой электроники, а соединения с АМГ и ТАД выполнены в закрытом канале между БСЭ и корпусом трактора, в котором размещены АМГ и ТАД (см. фиг. 1)
Таким образом, технический результат заявленного привода транспортного средства достигается за счет:
оптимального по критериям максимального КПД, минимальной массы и габаритных размеров асинхронного генератора и его силового электронного преобразователя, максимально адаптированного под характеристики применяемого ДВС;
оптимального по критериям максимального КПД, минимальных массе, габаритных размерах тягового электродвигателя, силового электронного преобразователя и согласующего редуктора при примененном ведущем мосте и ведущих колесах;
коэффициент редукции согласующего редуктора может быть независимо выбран для двух разных диапазонов режимов работы трактора:
рабочий диапазон с максимальным моментом и максимальной скоростью 20 км/час;
транспортный диапазон, обеспечивающий с достаточным для транспортирования груженого прицепа моментом максимальную скорость 40 км/час;
использован максимально возможный уровень напряжения на шине постоянного тока для данного класса силовых полупроводниковых приборов, при котором обеспечиваются минимальные токи (и, следовательно, минимальные потери) и максимальный КПД АМГ и ТАД;
уменьшение габаритных размеров АМГ, ТАД и БСЭ, требуемое для размещения оборудования КТЭО на серийном тракторе, без доработок его конструкции, достигнуто применением эффективного жидкостного охлаждения электрических машин и силовой электроники;
применение двунаправленных АМГ и его силового преобразователя позволило отказаться от тормозного резистора (дополнительные блоки снижают надежность, увеличивают массу и габаритные размеры) применив компрессионное торможение через ДВС при рекуперации механической энергии торможения в электрическую вначале в ТАД, который работает в режиме генератора, а затем обратно в механическую в АМГ, который работает в режиме двигателя;
КВУ, управляя ДВС, АМГ, БСЭ и ТАД обеспечивает оптимальные потоки мощности при ограниченной допустимой мощности ДВС во всем рабочем диапазоне с учетом импульсных нагрузочных моментов со стороны ведущих колес при минимально возможном для этого режима потреблении топлива и минимальном отклонении напряжения в шине постоянного тока.
Следует отметить, что все перечисленные элементы управления транспортным средством, а также элементы привода и силовой электроники закреплены относительно несущей части транспортного средства, составляя в совокупности единое устройство (изделие), элементы которого находятся в конструктивной и функциональной взаимосвязи для обеспечения работоспособности всех узлов транспортного средства и достижения заявленного технического результата.