ГИБРИДНЫЙ СИЛОВОЙ АГРЕГАТ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ)
AUTOMOTIVE HYBRID POWER PLANT (VERSIONS)

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано в качестве силового агрегата гибридных транспортных средств.
Из уровня техники известны гибридные силовые агрегаты транспортных средств, включающие тепловой двигатель, электроаккумуляторы, электромеханическую трансмиссию, имеющую в своем составе электрогенератор, электродвигатель, систему управления и механическую передачу с однократным разделением потока мощности, где присутствуют дифференциальные механизмы (см, например, книгу Н.В.Гулиа «Удивительная механика», М.: ЭНАС, 2006, стр.167 со схемой гибрида Toyota Prius на этой же странице. Для удобства анализа все ссылки в заявке приведены из одного легкодоступного источника на русском языке).
Недостатком приведенного устройства, принятого за аналог, является невысокая удельная мощность при рекуперации энергии торможения, что, во-первых, связано с малой удельной мощностью электроаккумуляторов, а во-вторых, с пониженной мощностью электромашин в трансмиссии гибрида, не рассчитанной на прохождение полной мощности торможения транспортного средства. Приводим пояснения, необходимые для анализа как последующих ссылок, так и самого изобретения.
В трансмиссиях с разделением потока мощности, в том числе и электромеханических, через электромашины проходит лишь часть мощности, идущей через трансмиссию. Это позволяет выполнять электромашины с малыми габаритно-массовыми показателями, а также повышает экономичность трансмиссии, так как в электромашинах переходит в тепло тем меньшая энергия, чем меньше мощность через них проходит. С этой точки зрения выгодно выполнять трансмиссию такой, чтобы мощность электромашин была минимальной в определенных пределах. Но тогда станет не эффективной рекуперация энергии при торможении транспортного средства, так как мощности электромашин не хватает для передачи в электроаккумулятор сколько-нибудь существенной части мощности торможения, часто превышающей мощность двигателя транспортного средства. Между тем, рекуперация энергии торможения является существенным фактором повышения экономичности транспортного средства. В городском цикле движения, например, рекуперация энергии торможения может обеспечить экономию 30…40% топлива.
Приведенная особенность является одним из основных факторов, снижающих эффективность городских электромобилей с электроаккумуляторами. Поэтому в существующих гибридах с электроаккумуляторами, в том числе в приведенном аналоге, установленная мощность электромашин в трансмиссии с однократным разделением потока мощности достаточно высока, что негативно отражается на экономичности и массогабаритных показателях всей трансмиссии.
Некоторое повышение экономичности дает использование в качестве накопителя энергии для рекуперации маховичных накопителей, которые могут принимать и отдавать несравнимо большую удельную мощность, чем, например, электрохимические аккумуляторы, и имеют при этом существенно большую удельную энергоемкость, чем, например, суперконденсаторы (см., например, вышеприведенный источник, стр.162). Это привело к созданию силовых агрегатов транспортных средств, включающих электрохимический источник энергии, электрическую трансмиссию и маховичный (супермаховичный) накопитель энергии с электрическим отбором мощности, что осуществлено в гибридном электромобиле - такси, разработанном в США (см., например, вышеприведенный источник, стр.169-170, с иллюстрациями на этих страницах). Это устройство также принято за аналог.
Недостатком устройства-аналога является уже описанная выше особенность - большая установленная мощность электромашин и высокие потери энергии при передаче энергии в маховик и обратно за счет ее многократного преобразования.
В качестве прототипа выбрано устройство, максимально приближенное к изобретению как по совокупности существенных признаков, так и достигаемому эффекту - это гибридный силовой агрегат электромобиля и электробуса, описанный и представленный на схемах на стр.163 вышеприведенного источника. Устройство-прототип включает бесступенчатую трансмиссию с разделением потока мощности (супервариатор), автономный электрический источник энергии (аккумулятор или электрохимический генератор) с электродвигателем, играющим роль двигателя транспортного средства, соединенный кинематически как с входным валом супервариатора, так и механической связью с маховиком (супермаховиком) накопителя энергии, с возможностью как поочередного, так и одновременного их подключения. Выходной вал супервариатора кинематически соединен с движителем (ведущими колесами) транспортного средства. Супервариатор - это многодиапазонная бесступенчатая передача с варьирующим звеном и сложным (двукратным) разделением потока мощности, благодаря наличию двух дифференциальных механизмов в дифференциальной передаче (см. опубликованную заявку 2008139533, F16Н 15/50, Б.И. №11, 2010, авторы - Гулиа Н.В, Давыдов В.В.). Устройство-прототип устраняет основной недостаток устройств-аналогов, так как маховик накопителя здесь выполнен с механическим отбором мощности, и мощность подается на маховик или отбирается от маховика полностью, независимо от установленной мощности варьирующего звена в супервариаторе. И хотя благодаря двукратному разделению потока мощности, установленная мощность варьирующего звена (механического вариатора, электро- или гидровариатора) может быть весьма малой (оптимум для транспортного средства около 10% от полной мощности), через весь супервариатор - от входного до выходного валов проходит полная мощность для движения, разгона или рекуперативного торможения транспортного средства
Недостатком устройства-прототипа является то, что варьирующее звено супервариатора здесь выполнено в виде механического вариатора, что не позволяет экономично использовать электроэнергию автономного источника энергии транспортного средства (например, электроаккумулятора) без ее преобразования в механическую для режимов движения транспортного средства, не требующих больших мощностей (движение без разгонов и торможений в городе, движение в пробках и тд). Разгон и рекуперативное торможение проводятся с использованием энергии маховика накопителя через супервариатор. Автономным источником энергии здесь назван источник энергии, не получающий питания извне, например, по проводам и пр. Таковым может быть тепловой двигатель, электрохимический накопитель энергии, топливный элемент и т.д.
Задачей изобретения является создание гибридного силового агрегата транспортного средства, обеспечивающего как экономичную передачу энергии вращения от входного вала супервариатора со сложным разделением потока мощности на привод движителя транспортного средства, так и эффективную рекуперацию кинетической энергии транспортного средства при его торможении; кроме того, предлагаемый силовой агрегат должен обеспечивать экономичное движение транспортного средства от автономного электрического источника энергии, например, электроаккумулятора, при малых затрачиваемых мощностях, а также подзарядку последнего при малоинтенсивной рекуперации энергии торможения, например, при торможениях с небольшой скорости и движении на пологих спусках.
Указанная задача решается тем, что предложен гибридный силовой агрегат транспортного средства, включающий, как минимум, один автономный источник энергии и маховичный накопитель энергии с механической системой отбора мощности, а также многодиапазонную бесступенчатую трансмиссию с разделением потока мощности (супервариатор), входной вал которого выполнен с возможностью периодического кинематического соединения с системой отбора мощности маховичного накопителя, характеризующийся тем, что супервариатор выполнен, как минимум, на одном из диапазонов его работы с двукратным разделением потока мощности и включает две обратимые электромашины, пропускающие через себя часть полной мощности, проходящей через супервариатор, механически соединенные дифференциальным приводом, включающим, как минимум, два дифференциальных механизма, с входным и выходным валами супервариатора, а автономный источник энергии выполнен в виде накопителя электроэнергии любого типа, причем обратимые электромашины выполнены с возможностью периодического электрического соединения через преобразователи как одна с другой, так и с накопителем электроэнергии.
Другим отличием заявляемого устройства по этому варианту исполнения является то, что номинальное напряжение накопителя электрической энергии ниже номинального напряжения электромашин, а соединение электромашин с накопителем электроэнергии выполнено посредством автономных инверторов напряжения и двунаправленного конвертора уровня напряжения.
Еще одним отличием заявляемого устройства по этому варианту исполнения является то, что номинальное напряжение накопителя электрической энергии соответствует номинальному напряжению электромашин, а соединение электромашин с накопителем электроэнергии выполнено посредством автономных инверторов напряжения.
Указанная задача также решается том, что предложен гибридный силовой агрегат транспортного средства, включающий, как минимум, один автономный источник энергии и маховичный накопитель энергии с механической системой отбора мощности, а также многодиапазонную бесступенчатую трансмиссию с разделением потока мощности - супервариатор, входной вал которого выполнен с возможностью периодического кинематического соединения с системой отбора мощности маховичного накопителя, характеризующийся тем, что устройство содержит второй автономный источник энергии, выполненный в виде теплового двигателя, вал которого выполнен с возможностью периодического кинематического соединения с входным валом супервариатора, а супервариатор выполнен, как минимум, на одном из диапазонов его работы с двукратным разделением потока мощности и включает две обратимые электромашины, пропускающие через себя часть полной мощности, проходящей через супервариатор, механически соединенные дифференциальным приводом, включающим, как минимум, два дифференциальных механизма, с входным и выходным валами супервариатора, а автономный источник энергии выполнен в виде накопителя электроэнергии любого типа, причем обратимые электромашины выполнены с возможностью периодического электрического соединения через преобразователи как одна с другой, так и с накопителем электроэнергии.
Другим отличием заявляемою устройства по второму варианту исполнения является то, что номинальное напряжение накопителя электрической энергии ниже номинального напряжения электромашин, а соединение электромашин с накопителем электроэнергии выполнено посредством автономных инверторов напряжения и двунаправленного конвертора уровня напряжения.
Еще одним отличием заявляемого устройства по второму варианту исполнения является то, что номинальное напряжение накопителя электрической энергии соответствует номинальному напряжению электромашин, а соединение электромашин с накопителем электроэнергии выполнено посредством автономных инверторов напряжения.
Указанные отличия позволяют получить технический эффект, заключающийся, в основном, в обеспечении как эффективной передачи энергии вращения от входного вала супервариатора на привод движителя транспортного средства, эффективной рекуперации кинематической энергии транспортного средства при его торможении, а также в обеспечении эффективного преобразования электрической энергии в механическую для привода транспортного средства.
Устройство представлено па чертежах фиг.1 и фиг.2, где изображены его принципиальные схемы по первому (фиг.1) и второму (фиг.2) вариантам.
Устройство по первому варианту выполнения (фиг.1) включает автономный источник энергии, например аккумуляторную батарею 1, электрически соединенную через инверторы 2 с регулируемыми обратимыми электромашинами 3 и 4, а также соединенными между собой через упомянутые инверторы. Кроме того, устройство включает маховичный накопитель энергии в виде маховика 5, кинематически соединенного, например, через понижающую передачу (на чертежах не представлена) и муфту включения 6 с входным валом 7 многодиапазонной бесступенчатой трансмиссии с разделением потока мощности (супервариатора). Вал 7 проходит в приведенном для примера конкретном выполнении супервариатора через полый ротор электромашины 4 и соединяется с водилом 8 дифференциального механизма первого разделения 9 (обведен штриховой линией), который первым разделяет поток мощности, поступающий от вала 7, причем часть мощности направляется в обратимые регулируемые электромашины 3 и 4, а оставшаяся часть направляется в дифференциальные механизмы 10 и 11 (обведены штриховой линией) для последующего (второго) ее разделения.
Дифференциальный механизм второго разделения прямого режима 10 и дифференциальный механизм второго разделения обратного режима 11 вместе с дифференциальным механизмом первого разделения 9 образуют дифференциальный блок 12 (обведен штриховой линией).
Ведущий вал 7 супервариатора кинематически соединен также с водилом 13 дифференциального механизма 11 и с центральным внешним зубчатым колесом 14 дифференциального механизма 10, водило 15 которого, как и центральное внешнее зубчатое колесо 16 дифференциального механизма 11, кинематически соединено с согласующей передачей 17 (обведена штриховой линией). Вал электромашины 3, закрепленной, как и электромашина 4, на корпусе 18 супервариатора, соединен с зубчатым колесом 19, приводящим центральное зубчатое колесо 20 дифференциального механизма первого разделения 9, в свою очередь соединенное с общим центральным внутренним зубчатым колесом 21 дифференциальных механизмов 10 и 11. Центральное внутреннее зубчатое колесо 22 упомянутого дифференциального механизма 9 соединено с полым ротором электромашины 4.
Часть мощности от колеса 20 после первого ее разделения в дифференциальном механизме 9 подается в согласующую передачу 17 через соединяющее их звено 23.
Согласующая передача 17 выполнена планетарной и состоит из планетарного ряда 24 (обведен штриховой линией) и планетарного ряда 25 (обведен штриховой линией), центральные внутренние колеса которых, соответственно 26 и 27, соединены, соответственно, с водилом 15 дифференциального механизма 10 и с центральным внешним зубчатым колесом дифференциального механизма 11. С этими же элементами дифференциальных механизмов 10 и 11, соответственно, соединены полумуфты включения 28 и 29, выполненные с возможностью соединения с соответствующими полумуфтами 30 и 31, расположенными на подвижных в осевом направлении элементах 32 и 33, связанных с возможностью передачи крутящего момента с водилом 34 согласующей передачи 17 и связанным с ее выходным валом 35, связанным кинематически с ведущими колесами транспортного средства. Элементы 32 и 33 перемещаются в осевом направлении вилками, соответственно, 37 и 38, центральные внешние зубчатые колеса 38 и 39 планетарных рядов 24 и 25 выполнены с возможностью их торможения тормозами соответственно 40 и 41.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства по второму варианту. Отличие устройства по фиг.2 от устройства по фиг.1 заключается в наличии второго автономного источника энергии - теплового двигателя, например, двигателя внутреннего сгорания 42, вал которого соединен с входным валом 7 супервариатора муфтой включения 43, а маховик 5 соединен с валом 7, помимо муфты включения 6, еще и зубчатой передачей 44 (обведена штриховой линией). Кроме того, в схеме по фиг.1 аккумуляторная батарея 1 выполнена высоковольтной, как это практикуется в электромобилях, а в устройстве по фиг.2 - низковольтной, как это практикуется в автомобилях, так как транспортное средство с устройством по фиг.2 является автомобилем с комбинированной (гибридной) силовой установкой, а по фиг.1 - электромобилем. Поэтому в схеме на фиг.2 использован конвертор напряжения 45, преобразующий низкое напряжение батареи 1 в высокое, более приемлемое для работы электромашин 3 и 4. В остальном схема по фиг.2 идентична схеме по фиг.1.
Для описания работы всего гибридного силового агрегата транспортного средства по обоим вариантам вначале целесообразно рассмотреть работу общего для этих вариантов звена - супервариатора, в конкретном исполнении, изображенном на схемах фиг.1 и фиг.2.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Работа многодиапазонной бесступенчатой передачи (супервариатора) происходит следующим образом. Вращение входного вала 7 подается на водило 8 дифференциального механизма 9 первого разделения потока мощности и водило 13 дифференциального механизма 11 второго разделения потока мощности прямого режима, а также связанное с водилом 13 центральное внешнее зубчатое колесо 14 дифференциального механизма 10 второго разделения потока мощности обратного режима. Далее вращение от центрального внешнего зубчатого колеса 20 подается на общее центральное внутреннее зубчатое колесо 21 дифференциальных механизмов 10 и 11 второго разделения потока мощности. Через упомянутый дифференциальный механизм 9 первого разделения - его центральные зубчатые колеса 22 и 20 - вал 7 связывается с валом электромашины 3 и полым ротором электромашины 4, при этом, благодаря дифференциальному механизму 9, только часть мощности направляется через электромашины 3 и 4. Благодаря второму разделению потока мощности в дифференциальных механизмах 10 и 11 эта часть мощности еще более уменьшается и при небольших диапазонах изменения частот вращения составляет около 10% от полной. Водило 15 дифференциального механизма 10 и внешнее зубчатое колесо 16 дифференциального механизма 11 передают суммарную мощность, прошедшую частично через электромашины 3 и 4, играющие роль варьирующего звена, а частично через зубчатые передачи дифференциальных механизмов 9, 10 и 11 на планетарную согласующую передачу 17. Назначение согласующей передачи 17 - преобразовывать достаточно узкие диапазоны частот вращения, выдаваемые упомянутыми выше водилом 15 и колесом 16, примерно равные 1,75, в непрерывно, без разрыва потока мощности, изменяющийся диапазон вращения выходного вала 35 передачи. Например, при частоте вращения вала 7, равной 2000 мин (здесь имеется в виду, что маховик 5 связан с валом 7 не только через муфту 6, но и через понижающую передачу, на чертежах не показанную), и изменении передаточного отношения варьирующего звена от бесконечности до единицы, при КПД около 0,8, частота вращения водила 15, как и звена 23, увеличивается от 0 до 2000 мин. Проходя через планетарный ряд 24 при заторможенном колесе 38 с передаточным отношением около 3 (первый диапазон), частоты вращения водила 15 изменяются до 0…670 на водиле 34 и, следовательно, и на выходном валу 35, а проходя через прямую передачу 32-34, включаемую полумуфтами 28 и 30 (третий диапазон), выдают 1150…2000 мин. При том же диапазоне изменения передаточных отношений варьирующего звена частота вращения колеса 16 изменяется в пределах 2000…3450 минпри КПД порядка 0,96. Проходя через планетарный ряд 25 при заторможенном колесе 39 с тем же передаточным отношением 3 (второй диапазон), частоты вращения колеса 16 изменяются в пределах 670…1150 мин на водиле 34 и валу 35 при КПД порядка 0,95, а проходя через прямую передачу 32-34, включаемую полумуфтами 29 и 31 (четвертый диапазон), выдают те же 2000…3400 мин. Таким образом, частота вращения выходного вала 35 бесступенчато изменяется с двукратным переходом с режимов прямого разделения на режимы обратного разделения, но при разных передаточных отношениях согласующей передачи соответственно равны 0…670, 670…1150, 1150…2000, 2000…3450 мин. В момент переключения между первым и вторым, а также между третьим и четвертым диапазонами водило 15 и колесо 16 одновременно имеют частоту вращения 2000 мин, а в момент переключения между вторым и третьим диапазонами частоты вращения водило 15 и колесо 16 соотносятся как передаточное число планетарной согласующей передачи (около 3). Переключение производится с перекрытием, то есть следующая передача включается без выключения предыдущей, которая выключается лишь после кратковременного включения двух передач одновременно, что исключает разрыв потока мощности. При этом соответствующее передаточное отношение варьирующего звена достигается регулированием электромашин 3 и 4 посредством инверторов 2. Общий диапазон варьирования многодиапазонной бесступенчатой передачи стремится к бесконечности при КПД, начиная с конца первого диапазона.
Теперь, когда принцип работы супервариатора рассмотрен, переходим к описанию работы первого варианта всего гибридного силового агрегата (фиг.1).
Рассмотрим основные режимы движения электромобиля, работающего по городскому циклу - наиболее выгодному для реализации полезных свойств гибридного силового агрегата.
1. Разгон маховика производится до начала движения транспортного средства от аккумуляторной батареи 1 через инверторы 2 и электромашины 4 в режиме двигателя при включенной муфте 6 и остановленном колесе 20, например, при электрически заторможенной электромашине 3.
2. Движение с малыми нагрузками (мощностями).
Транспортное средство приводится от аккумуляторной батареи 1 через инверторы 2 и электромашины 3 и 4 путем бесступенчатого изменения передаточного отношения супервариатора, начиная с первого диапазона. Маховик 5 при этом вращается без обмена энергией с движущимся транспортным средством.
3. Движение со средними и большими мощностями.
Если мощность составляет примерно менее 20% от максимальной, то движение производится от аккумуляторной батареи; при большей потребной мощности энергия отбирается и от маховика 5 управлением электромашин 3 и 4 через инверторы 2. При этом часть мощности на движитель транспортного средства отбирается от маховичного накопителя 5 в форме механической энергии, а другая часть поступает в движитель в форме преобразованной в механическую энергию электрической энергии аккумуляторной батареи 1. Электромашины 3 и 4 одновременно участвуют в обоих процессах преобразования и передачи мощности.
4. Рекуперативное торможение.
Если оно сопряжено с выделением высоких мощностей (интенсивное торможение), то кинематическая энергия транспортного средства направляется в маховик 5, который для этого подсоединяется к валу 7 муфтой 6. При неинтенсивном торможении энергия передается в виде электрической энергии непосредственно в аккумуляторную батарею 1 с помощью инверторов 2.
5. Торможение маховика.
Производится перед длительной стоянкой, чтобы не затрачивать энергию на холостое вращение маховика 5. Производится, в основном, при неподвижном транспортном средстве с помощью инверторов 2 и электромашины 4, в порядке, обратном описанному в п.1, с переводом кинетической энергии в виде электрической в аккумуляторную батарею 1, имеющую меньшие потери на саморазряд при хранении энергии, чем маховик 5.
Рассмотрим теперь режим движения транспортного средства с гибридным силовым агрегатом по второму варианту изобретения (фиг.2).
1. Запуск двигателя 42 и разгон маховика 5.
Может производиться различными способами, например, запуском теплового двигателя 42 энергией аккумуляторной батареи 1 через электромашину 3 в режим электродвигателя и инвертора 2 и конвертора 45, преобразующего низкое напряжение от батареи 1 в более эффективное высокое. Далее целесообразно вести разгон маховика 5 непосредственно от работающего двигателя 42 при включенных муфтах 6 и 43, как при неподвижном, так и при движущемся транспортном средстве.
2. Движение с малыми нагрузками (мощностями).
Транспортное средство приводится от аккумуляторной батареи 1 через инверторы 2 и электромашины 3 и 4 путем бесступенчатого изменения передаточного отношения супервариатора, начиная с первого диапазона. Маховик 5 при этом вращается без обмена энергией с движущимся транспортным средством.
3. Движение со средними и большими мощностями.
Если мощность составляет примерно менее 20% от максимальной, то движение производится от аккумуляторной батареи; при большей потребной мощности энергия отбирается также от двигателя 42 и маховика 5 управлением электромашин 3 и 4 через инверторы 2. При этом часть мощности на движитель транспортного средства отбирается от теплового двигателя 42 и маховичного накопителя 5 в форме механической энергии, а другая часть поступает в движитель в форме преобразованной в механическую энергию электрической энергии аккумуляторной батареи 1. Электромашины 3 и 4 одновременно участвуют в обоих процессах преобразования и передачи мощности.
4. Рекуперативное торможение.
Если оно сопряжено с выделением высоких мощностей (интенсивное торможение), то кинематическая энергия транспортного средства направляется в маховик 5, который для этого подсоединяется к валу 7 муфтой 6. При неинтенсивном торможении энергия передается в виде электрической энергии непосредственно в аккумуляторную батарею 1 с помощью инверторов 2.
5. Торможение маховика.
Производится перед длительной стоянкой, чтобы не затрачивать энергию на холостое вращение маховика 5. Производится, в основном, при неподвижном транспортном средстве с помощью инверторов 2 и электромашины 4, в порядке, обратном описанному в п.1, с переводом кинетической энергии в виде электрической в аккумуляторную батарею 1, имеющую меньшие потери на саморазряд при хранении энергии, чем маховик 5.