МОДУЛЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
AUTOMOTIVE COMBINED POWER PLANT AND ELECTRIC POWER CONVERTER THERE FOR

Изобретения относятся к области транспортного машиностроения, точнее к комбинированным силовым установкам, предназначенным, преимущественно, для гибридных транспортных средств различного назначения и с разнообразными компоновочными решениями: с приводом на передние или задние колеса.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, направлена на расширение арсенала эффективных комбинированных энергетических установок и модулей преобразования электроэнергии для них, экономичных при изготовлении за счет достигаемого уровня унификации и типизации и конструктивного упрощения, а при эксплуатации - за счет повышения КПД тяговых двигателей и снижения потерь в трансмиссии.
Известна комбинированная энергетическая установка (КЭУ), содержащая вал привода ведущих колес транспортного средства (ТС) и связанные с ним тепловой двигатель, электромашину-генератор и тяговую электромашину, а также инвертор и накопитель энергии (ЕР 1433643, 1999 г.), в которой обе электромашины смонтированы внутри общего корпуса. Недостатком данной КЭУ является невозможность работы электромашины-генератора в тяговом режиме большую часть времени функционирования КЭУ и невозможность работы тяговой электромашины при этом в высокоэффективном диапазоне.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой комбинированной энергетической установки определена установка, содержащая вал привода его ведущих колес, двигатель - генераторный блок и блок преобразования электроэнергии, включающий в себя две электромашины и передающее устройство, выходной вал которого связан с валом привода ведущих колес, а также инвертор и накопители энергии (WO 2008/056067 A1, 2008 г.).
В прототипе блок теплового двигателя объединен с блоком преобразования электроэнергии передающим устройством (сумматором), выполненным в виде планетарного механизма, содержащего два планетарных ряда и два дополнительных редуктора, также планетарных, по одному для каждого вала. Планетарный механизм передает на ведущие колеса транспортного средства общий суммированный крутящий момент от двух электрических машин и теплового двигателя в следующем порядке. Часть крутящего момента от теплового двигателя поступает на эпицикл первого планетарного ряда, а на солнечное колесо того же ряда поступает крутящий момент от первой электрической машины. Водило этого планетарного ряда связано с солнечной шестерней первого дополнительного планетарного редуктора, с эпициклического колеса которого суммированный крутящий момент посредством цепной передачи передается на эпициклическое колесо второго планетарного ряда, являющееся одновременно аналогичным элементом второго дополнительного планетарного редуктора, принимающего крутящий момент от второй электрической машины, вал которой связан с солнечным колесом этого редуктора. Солнечное колесо второго ряда посредством цепной передачи принимает оставшуюся часть крутящего момента от теплового двигателя, а водило второго планетарного ряда передает суммированный крутящий момент на вал, связанный с помощью зубчатой передачи с общей трансмиссией ТС, и передает суммированный крутящий момент на его ведущие колеса. При этом в прототипе невозможно использовать режим движения с использованием тяги только от теплового двигателя, что является недостатком такой КЭУ.
Другим недостатком прототипа является необходимость работы теплового двигателя при движении ТС на тяге от обеих электрических машин, что заметно ухудшает топливно-экономические показатели КЭУ, а также ограничения в использовании для привода ведущих колес тяги сразу от двух электрических машин, т.к. наличие механической связи теплового двигателя с блоком преобразования электрической энергии, а следовательно и с ведущими колесами ТС, вызывает необходимость использовать первую электрическую машину в качестве генератора. Это означает, что в такой КЭУ не может быть реализован принцип ее работы, при котором скоростной диапазон ТС обслуживается последовательно работающими в зоне эффективного КПД двумя равноценными электромашинами. Передача на вал привода ведущих колес ТС мощности от всех тяговых двигателей через передающий планетарный механизм с интеграцией линий передачи (по описанному выше алгоритму их приема, суммирования и выдачи) обусловило значительное конструктивное усложнению этого механизма. Использование в КЭУ сумматора такой конструкции не позволяет обеспечивать режим работы в зоне эффективного КПД, препятствует выполнению блока преобразования электроэнергии в ней в виде универсального унифицированного модуля.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого модуля преобразования электроэнергии является устройство по патенту US 7186197, 2007 г., которое содержит две электромашины и передающее устройство в виде механического сумматора моментов, имеющего корпус с размещенными в нем двумя параллельными входными валами для подключения электромашин, выходным валом для подключения нагрузки, планетарным редуктором, выполненным в виде дифференциала и дополнительной понижающей передачей, предназначенной для согласования угловых скоростей связанных элементов. Электрические машины передают крутящие моменты на выходной вал устройства, работая одновременно и согласованно. Возможен режим передачи момента только от одной электрической машины, в то время как вал второй электрической машины не вращается. Передача крутящего момента на выходной вал от обеих электрических машин осуществляется при различном или одинаковом скоростном режиме их функционирования, и в планетарном редукторе обеспечивается согласование угловых скоростей их валов с угловой скоростью выходного вала устройства посредством дополнительной, расположенной на выходном валу, понижающей передачи. При одинаковом скоростном режиме работы электрических машин эпициклические шестерни редуктора вращаются в одном направлении и передают крутящий момент на выходной элемент дифференциала, а с него через дополнительную понижающую передачу на выходной вал устройства. Когда угловые скорости валов электрических машин различны, солнечные шестерни планетарного редуктора, вращаясь тоже с различными угловыми скоростями, приводят во вращение сателлиты в противоположных направлениях, что позволяет компенсировать разницу угловых скоростей валов электрических машин, приводя значение угловой скорости вращения водила планетарного механизма к средней между угловыми скоростями вращения сателлитов. С водила крутящий момент передается на выходной элемент дифференциала, а с него через дополнительную понижающую передачу на выходной вал устройства. Когда крутящий момент на выходной вал устройства передает одна электромашина сумматор функционирует аналогичным образом.
Основной недостаток прототипа - это отсутствие у него функции вывода электромашин на режим работы в зоне с максимальной эффективностью, т.к. в нем невозможно обеспечить скоростной диапазон его выходного вала в соответствии со скоростным диапазоном ТС. Также к его недостаткам следует отнести использование в сумматоре в качестве передающих зубчатых зацеплений специального, насыщенного большим числом элементов и связей, планетарного редуктора, конструктивно достаточно усложненного. По этой же причине применение сумматора с таким выполнением зацепления в модуле преобразования электроэнергии для КЭУ ТС и наличие в нем понижающей дополнительной передачи в виде эпициклического редуктора на выходном валу обуславливает вероятность непроизводительных потерь мощности в установке.
Технический результат, получаемый при использовании изобретений, заключается в реализации поставленной задачи.
Сущность изобретений состоит в следующем.
- В комбинированной энергетической установке транспортного средства, содержащей вал привода его ведущих колес, двигатель-генераторный блок и включающий в себя две электрические машины и передающее устройство, выходной вал которого связан с валом привода ведущих колес, блок преобразования электроэнергии, по меньшей мере один, а также инвертор и буферные накопители энергии, согласно изобретению, блок преобразования электроэнергии выполнен в виде закрепленного на несущей системе транспортного средства унифицированного модуля, обеспечивающего при работе установки вывод каждой из электрических машин в зону высокого КПД путем согласования ее частотного диапазона со скоростным диапазоном транспортного средства, в котором передающее устройство представляет собой механический сумматор моментов, не требующий внешнего управления, и обе электрические машины установлены на корпусе сумматора.
При этом установка может содержать несколько модулей преобразования электроэнергии, размещенных со стороны его ведущих колес и составляющие ее основу компоненты, такие как двигатель-генераторный блок, инвертор и буферные накопители энергии также могут быть выполнены в виде унифицированных модульных блоков.
M
ГП
- В модуле преобразования электроэнергии, например, для комбинированной энергетической установки, содержащем две электрические машины и передающее устройство в виде механического сумматора моментов, имеющего корпус с размещенными в нем двумя параллельными входными валами для подключения электрических машин, выходным валом для подключения нагрузки и зубчатыми передаточными зацеплениями, согласно изобретению, электрические машины закреплены на корпусе сумматора и подключены к его входным валам напрямую, а в качестве зубчатых передаточных зацеплений сумматор содержит две шестеренчатые пары постоянного зацепления, выполненные с разными величинами передаточных чисел и передаточное число каждой пары определяется соотношением граничной линейной скорости, соответствующей угловой скорости вала электрической машины, определяющей границу зоны работы с максимальной эффективностью, и максимальной линейной скорости движения транспортного средства с учетом передаточного числа главной передачи его трансмиссии, соответствующей начальной или конечной границам зоны работы электрических машин с максимальной эффективностью, по формуле , где U - передаточное число шестеренчатой пары модуля, U - передаточное число главной передачи трансмиссии транспортного средства,  - граничная линейная скорость,  - линейная скорость транспортного средства.
На представленных чертежах:
фиг.1 - примерная схема КЭУ с использованием предлагаемого модуля преобразования электроэнергии, с приводом на задние колеса ТС;
фиг.2 - модуль преобразования электроэнергии (схема);
фиг.3 - сумматор моментов (схема);
фиг.4 - график вывода работающих электромашин в зону эффективного КПД.
Предлагаемая КЭУ содержит вал 1 привода ведущих колес ТС и следующие, составляющие ее основу, компоненты: двигатель-генераторный блок 2, универсальный унифицированный модуль преобразования электроэнергии 3, инвертор 4 и буферные накопители энергии 5 и может быть построена по модульному принципу, при котором перечисленные компоненты выполняются в виде унифицированных блоков, составляющих оптимальный типоразмерный ряд, что будет способствовать снижению затрат на изготовление таких установок при повышении уровня ремонтопригодности за счет взаимозаменяемости узлов, расширению диапазона компоновочных решений КЭУ.
M
ГП
Модуль преобразования электроэнергии 3 состоит из двух тяговых с одинаковыми скоростными характеристиками электромашин 6 и 7 и не требующего внешнего управления механического сумматора моментов 8, имеющего собственный корпус 9 с размещенными в нем параллельно друг другу входными валами 10 и 11 и выходным валом 12, который связан с валом 1. Две параллельные друг другу шестеренчатые пары 13 и 14 постоянного зацепления выполнены с разными величинами передаточных чисел, которые подобраны таким образом, чтобы скоростной диапазон работы машин 6 и 7 был согласован со скоростным диапазоном ТС. Для каждой пары зацепления передаточное число определяется соотношением граничной линейной скорости, соответствующей угловой скорости вала электромашины, определяющей границу зоны работы с максимальной эффективностью, и максимальной линейной скорости движения транспортного средства с учетом передаточного числа главной передачи его трансмиссии, соответствующей начальной или конечной границам зоны работы электромашин с максимальной эффективностью по формуле , где U - передаточное число модуля, U - передаточное число главной передачи,  - граничная линейная скорость,  - линейная скорость транспортного средства.
Модуль 3 установлен на несущей системе ТС (на чертежах условно не показана) по месту расположения ведущих колес ТС. В зависимости от назначения, типа, мощностных параметров и габаритов гибридных ТС установка может содержать один или несколько модулей 3.
Универсальность модуля 3 состоит в том, что простым варьированием его характеристик можно добиться оптимальной и согласованной работы электромашин различных типов, смонтированных в КЭУ для установки на транспортные средства разных классов и назначения. Предлагаемый модуль может быть использован не только в КЭУ ТС, но и в качестве самостоятельного приводного агрегата в разных отраслях промышленности.
Выполнение и размещение двигатель-генераторного блока 2 и его подключение к валу привода ведущих колес ТС в данной заявке не регламентируется, т.к. определяется разумной целесообразностью в каждом конкретном варианте построения КЭУ.
Как следует из представленной на фиг.4 схемы, каждая электромашина имеет зону работы с наивысшим КПД, характеризуемую определенным диапазоном частот вращения ее вала. При управлении движением ТС его скоростной режим разбивается на два условных участка. Поскольку машины 6 и 7 имеют одинаковый скоростной диапазон, на каждом из этих участков используется одинаковый диапазон частот вращения вала электромашин, соответствующий зоне высоких КПД каждой электрической машины, потому что валы электромашин связаны с ведущими колесами ТС через зубчатые зацепления с разными, но специально подобранными, передаточными числами.
M1
M2
В работу электрические машины включаются последовательно: на первом участке скоростного диапазона ТС, характеризуемом скоростями от нулевой до граничной для данного участка , определяемой граничной по параметру эффективности частотой вращения вала электромашины, работает та электрическая машина, которая передает крутящий момент на ведущие колеса ТС через зубчатую пару с большим передаточным числом, например, 6. При этом режим ее работы характеризуется высокими КПД, т.к. диапазон частот вращения вала электромашины, которому соответствует диапазон линейных скоростей от нулевой до , согласован через передаточное число передающего устройства U со скоростным диапазоном транспортного средства. Как только скорость транспортного средства превышает граничную для первой части диапазона , электромашина 6 отключается и в работу включается электромашина 7, связанная с ведущими колесами транспортного средства через зубчатое зацепление с меньшим передаточным числом U. При этом она полностью реализует всю вторую часть скоростного диапазона ТС от граничной скорости  до максимальной для транспортного средства . Режим ее работы при этом также характеризуется высокими КПД, т.к. частотный диапазон электромашины, которому соответствует диапазон линейных скоростей от  до , также согласован через передаточное число передающего устройства со скоростным диапазоном транспортного средства. Таким образом, повышается общий КПД работы комбинированной энергетической установки.
При необходимости обеспечения требуемой повышенной динамики ТС в работу одновременно могут включаться обе электрических машины, таким образом реализуется максимальная сила тяги на ведущих колесах ТС. В этом случае появляется возможность преодоления транспортным средством максимальных сопротивлений движению. Такой получаемый результат значительно перекрывает некоторое вероятное при этом отклонение режима работы электрических машин от максимально эффективного.
Благодаря предлагаемому решению модуля преобразования электроэнергии, открывающему новые возможности в создании комбинированных энергетических установок, достигается:
- упрощение и удешевление их конструкций;
- возможность унифицировать и типизировать основные компоненты установки на высоком уровне, повысить их надежность и ремонтопригодность;
- повышение эффективности КЭУ за счет повышения КПД ее тяговых машин и снижения потерь в трансмиссии.
Достигаемое улучшение эксплуатационных параметров КЭУ способствует созданию гибридных транспортных средств на более высоком качественном уровне.
Реализация предлагаемой группы изобретений позволяет снизить затраты при производстве новых моделей гибридных транспортных средств, а также сроки постановки их на производство и последующего изготовления за счет возможности использования модульного принципа построения КЭУ.
Также это позволяет получать новые модели гибридных транспортных средств разных классов модернизацией существующих без значительного увеличения капитальных затрат только путем замены или перестановки унифицированных модулей основных компонентов КЭУ, наладив отдельное, по меньшей мере мелкосерийное, производство таких модулей.