Автомобиль с комбинированной энергоустановкой

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Красневский Леонид Григорьевич Мариев Павел Лукьянович Адашкевич Владимир Иосифович Белевич Александр Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Автомобиль с комбинированной энергоустановкой, в моторном отсеке которого расположен силовой агрегат с двигателем внутреннего сгорания, коробкой передач и приводом на ведущий мост, также содержит электропривод задних колес, связанный с накопителем электроэнергии, и электронную систему управления, отличающийся тем, что задние колеса автомобиля имеют независимую подвеску и выполнены в виде мотор-колес со встроенными в их ступицы электрическими машинами, управляемыми от контроллеров, при этом автомобиль содержит стартер-генератор, присоединенный к валу двигателя внутреннего сгорания, источник электроэнергии, блок коммутации и силовой преобразователь, причем выход стартер-генератора присоединен к первому входу блока коммутации, второй вход которого связан с источником электроэнергии, выход силового преобразователя соединен с контроллерами мотор-колес и буферным накопителем электроэнергии, а вход - с выходом блока коммутации, информационно-управляющие входы блока коммутации, силового преобразователя и контроллеров мотор-колес связаны с выходами электронной системы управления. 2. Автомобиль с комбинированной энергоустановкой по п. 1, отличающийся тем, что мотор-колесо выполнено в виде электропривода прямого действия в составе бесколлекторной электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов и контроллера. 3. Автомобиль с комбинированной энергоустановкой по п. 1, отличающийся тем, что источник электроэнергии может быть выполнен в виде автономной батареи водородных топливных элементов или блока аккумуляторных батарей, или в их сочетании. Полезная модель относится к области наземных транспортных средств, а конкретно к автомобилям с комбинированными энергоустановками. Все промышленно развитые страны с концавека активно работают над проблемами радикального снижения потребления транспортными средствами углеводородного топлива и загрязнения окружающей среды продуктами его сгорания. В настоящее время общепризнанным путем решения данной проблемы являются энергоустановки на водородных электрохимических генераторах (топливных элементах - ТЭ). Это обусловлено тем, что КПД процесса получения энергии в ТЭ вдвое выше, чем при сгорании топлива в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), и неограниченными запасами водорода в природе. При этом установки на ТЭ являются экологически чистыми, т.к. в результате их работы образуется только вода. Если на выходе ДВС при сгорании топлива получают механическую энергию, то на выходе ТЭ - постоянный электрический ток, который еще должен быть преобразован в механическую энергию. Для этого необходим электропривод ведущих колес транспортного средства, который пока также не относится к объектам массового производства. Но применение электропривода дополнительно создает возможность рекуперации кинетической энергии автомобиля при его торможении. По имеющимся оценкам, совместное использование этих трех новых технологий позволяет повысить в таких комбинированных энергоустановках КПД использования химической энергии топлива на 75 . Массовый переход к применению ТЭ - длительный процесс, поскольку требует промышленного освоения трех упомянутых выше новых для массового производства технологий. При этом само собой разумеется, что необходима и четвертая - технология соответствующей бортовой управляющей и силовой электроники, которая связывает все упомянутые компоненты в единую систему. Но оказалось, что использование (сохранение) в комбинированных энергоустановках ДВС вместо ТЭ также позволяет получить существенный эффект практически уже сегодня при сохранении высокой степени унификации с машинами серийного производства. Такие гибриды рассматриваются как закономерная промежуточная стадия перехода к водородным энергоустановкам, т.к. охватывают перечисленные выше технологии, кроме самих ТЭ. Вместо последних сохраняется классический поршневой ДВС. Машины с этими энергоустановками получили широкую известность в мире под названием гибридный электрический автомобиль (перевод с английского- ). В последние годы ряд моделей гибридов вышли на стадию промышленного производства. Вместе с тем, количество и разнообразие ежегодно патентуемых в мире конструкций гибридов свидетельствует о том, что активно продолжаются поиски таких технических решений, которые позволяли бы максимально использовать традиционные серийные компоненты и даже серийные автомобили в качестве базовых для трансформации в гибриды. Одна из таких конструкций описана, например, в патенте американской фирмыЭлектрический ведущий мост для гибридного автомобиля 1. Мост предназначен для двухосного легкового автомобиля с передним продольным расположением ДВС, через механическую трансмиссию и карданный вал связанного с основным ведущим мостом обычной конструкции. Предложенный мост содержит мотор-генератор, установленный в его картере вместе с планетарным редуктором и межколесным дифференциалом, и устанавливается вместо второго (неведущего) моста. Совместно с основным они 2 75002011.08.30 образуют гибридный привод параллельной схемы. В патенте отмечается, что данная конструкция значительно проще и дешевле специально спроектированных электромобилей и гибридов (в том числе на ТЭ), высокая стоимость которых заставляет производителей искать более простые, а значит, более доступные массовому потребителю варианты. Хотя предлагаемая конструкция моста также весьма сложна и ее изменение в процессе испытаний и отработки достаточно трудоемко. В 2 описан гибридный легковой автомобиль с энергоустановкой на ТЭ, компоненты которой размещены в моторном отсеке, под передними и задними сиденьями, в багажнике. Очевидно, что это совершенно новая конструкция, создание и производство которой связано с большими затратами. Из приведенных примеров следует, что выбор, создание и отработку различных вариантов гибридной энергоустановки целесообразно проводить с помощью такого транспортного средства, которое давало бы возможность устанавливать и испытывать ее компоненты в различных комбинациях без существенного изменения собственной конструкции. Из известных аналогов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является описанный в патенте 3 японской фирмыдвухосный автомобиль с комбинированной энергоустановкой, в переднем моторном отсеке которого поперечно расположен силовой агрегат, включающий двигатель внутреннего сгорания,коробку передач и привод на передний ведущий мост, а на заднем мосту с зависимой подвеской колес установлен электропривод, мотор-генератор которого связан с главной передачей и подключен к накопителю энергии в виде аккумуляторной батареи, а также электронную систему управления. К недостаткам данной конструкции можно отнести ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что она не обеспечивает отработку, испытание и реализацию различных схемно-компоновочных решений гибридных энергоустановок и их компонентов. Задачей предлагаемого технического решения является расширение технических возможностей автомобиля за счет обеспечения испытаний различных типов энергоустановок и реализации их схемно-компоновочных решений (или их натурных моделей малой мощности) посредством размещения на нем базовых компонентов таких энергоустановок, в том числе программно-алгоритмического обеспечения их электронных систем, а также снижение затрат на их выполнение. Поставленная задача решается тем, что автомобиль с комбинированной энергоустановкой, в моторном отсеке которого расположен силовой агрегат с двигателем внутреннего сгорания, коробкой передач и приводом на ведущий мост, также содержит электропривод задних колес, связанный с накопителем электроэнергии, и электронную систему управления, согласно предлагаемому техническому решению, задние колеса автомобиля имеют независимую подвеску и выполнены в виде мотор-колес со встроенными в их ступицы электрическими машинами, управляемыми от контроллеров, при этом автомобиль содержит стартер-генератор, присоединенный к валу двигателя внутреннего сгорания, источник электроэнергии, блок коммутации и силовой преобразователь, причем выход стартер-генератора присоединен к первому входу блока коммутации, второй вход которого связан с источником электроэнергии, выход силового преобразователя соединен с контроллерами мотор-колес и буферным накопителем электроэнергии, а вход - с выходом блока коммутации, информационно-управляющие входы блока коммутации, силового преобразователя и контроллеров мотор-колес связаны с выходами электронной системы управления. Мотор-колесо выполнено в виде электропривода прямого действия в составе бесколлекторной электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов и контроллера. 75002011.08.30 Источник электроэнергии может быть выполнен в виде автономной батареи водородных топливных элементов или блока аккумуляторных батарей, или в их сочетании. На фиг. 1 представлена компоновка предлагаемого автомобиля с комбинированной энергоустановкой. На фиг. 2 - структурная схема автомобиля с комбинированной энергоустановкой. На фиг. 3 - функциональная схема электропривода мотор-колеса. Автомобиль (фиг. 1) содержит силовой агрегат с двигателем внутреннего сгорания 1,коробкой передач 2 и приводом на ведущий мост 3, задний мост 4 с независимой подвеской мотор-колес 5, 6 со встроенными в их ступицы электрическими машинами 7, 8, стартер-генератор 9, присоединенный к валу двигателя внутреннего сгорания 1, источник 10 электроэнергии, блок 11 коммутации, силовой преобразователь 12, буферный накопитель 13 электроэнергии, электронную систему управления 14 и контроллеры 15, 16, размещенные в отсеках трансформируемого салона автомобиля. При этом стартер-генератор 9(фиг. 2) присоединен к первому входу блока 11 коммутации, второй вход которого связан с источником 10 электроэнергии, силовой преобразователь 12 соединен своим выходом с контроллерами 15, 16 электроприводов мотор-колес 5, 6 и буферным накопителем 13 электроэнергии, а входом - с выходом блока 11 коммутации, электронная система управления 14 связана с силовым преобразователем 12, контроллерами 15, 16 и блоком 11 коммутации по информационной шине 17. Электроприводы мотор-колес 5, 6 выполнены по аналогичной схеме (фиг. 3) и состоят из бесколлекторной электрической машины 7 (или 8) с возбуждением от постоянных магнитов и контроллера 15 (или 16). Контроллер 15(или 16) содержит микропроцессор 18 управления приводом, выходы которого по шине 20 соединены с входами драйвера 21 силового моста на транзисторах Т 1-Т 6 и диодах Д 1-Д 6,а входы а, б, с соединены с выходами А, Б, С соответственно датчиков 22 углового положения, задатчик 23 частоты вращения электрических машин 7 (или 8) подключен к входу микропроцессора 18 управления электроприводом. Бесколлекторная электрическая машина 7 (или 8) с возбуждением от постоянных магнитов подключена своими обмотками к трехфазному выходу силового моста на транзисторах Т 1-Т 6. Шины 24 питания электропривода мотор-колес постоянным током (выводы Ш и Ш-) далее (фиг. 2) связаны с выходом силового преобразователя 12 и буферного накопителя 13 электроэнергии. Автомобиль работает следующим образом. Как видно из описания конструкции и состава компонентов, автомобиль позволяет формировать различные виды комбинированных энергоустановок и, таким образом, получать транспортное средство для реализации выбранного целевого назначения. При всех видах комбинированных энергоустановок на автомобиле постоянно установлен силовой агрегат 1, который обеспечивает подвижность (и в этом смысле автономность) транспортного средства независимо от состава и подключения других испытуемых компонентов гибридной энергоустановки, установленных на автомобиле, как показано на фиг. 1 и 2. Транспортное средство скомбинированной энергоустановкой, содержащей ДВС. Для городского цикла движения в качестве источников энергии транспортного средства используются двигатель внутреннего сгорания (ДВС), нагруженный на стартер-генератор 9, и также источник электроэнергии 10, выполненный в виде блока аккумуляторных батарей, которые вырабатывают постоянный ток для питания силового электропривода мотор-колес 5, 6. Блок коммутации 11 обеспечивает распределение энергетического потока от стартер-генератора 9 и источника электроэнергии 10 через силовой преобразователь 12 к контроллерам 15, 16 электроприводов мотор-колес 5, 6. При этом соотношение мощностей стартер-генератора 9 и источника электроэнергии 10, подключенных через блок коммутации 11 и силовой преобразователь к тяговому электроприводу мотор-колес 5, 6,определяет система управления 14 на основе анализа параметров движения транспортного средства. При этом энергетические потоки распределяются блоком коммутации 11 посредством регулирования от системы управления 14 следующим образом 4 75002011.08.30 при установившемся движении транспортного средства с высоким уровнем энергетических затрат (движение с большой скоростью или движение с большим крутящим моментом на мотор-колесах) обеспечивается суммирование энергетических потоков от источника электроэнергии 10 (блока аккумуляторных батарей) и ДВС плюс стартергенератор 9 в соотношении их номинальных мощностей при установившемся движении транспортного средства с низким уровнем энергетических затрат (движение накатом, остановка или движение с малым крутящим моментом на мотор-колесах) обеспечивается разделение энергетического потока от ДВС плюс стартергенератор 9 к источнику электроэнергии 10 для подзарядки его блока аккумуляторных батарей и через силовой преобразователь 12 к электроприводам мотор-колес 5, 6. В режиме торможения или движения накатом транспортного средства его кинетическая энергия преобразуется в электрических машинах 7, 8 электроприводов мотор-колес 5, 6 в необходимый уровень электрического напряжения и осуществляется зарядка буферного накопителя электроэнергии 13. После зарядки буферный накопитель электроэнергии 13 обеспечивает кратковременное питание электроприводов мотор-колес 5, 6 при трогании автомобиля с места и разгоне, таким образом осуществляя энергетическую разгрузку ДВС со стартер-генератором 9 и источника электроэнергии 10. Это дает возможность уменьшить установленную мощность силовой установки транспортного средства (ДВС 1,стартер-генератора 9 и источника 10 электроэнергии). Возможно также кратковременное движение транспортного средства только за счет источника электроэнергии 10 и буферного накопителя электроэнергии 13, а ДВС при этом отключен. Система управления 14 на описанных тяговых и тормозных режимах обеспечивает согласованную работу всех компонентов энергоустановки на переходных и установившихся режимах в соответствии с введенным в нее программно-алгоритмическим обеспечением. Для загородного цикла движения силовой агрегат 1 работает в установившемся режиме с заданной постоянной мощностью, равной номинальной, а основной крутящий момент ДВС силового агрегата 1 передается через коробку передач 2 и привод переднего ведущего моста 3 на передние колеса. Кроме этого, ДВС силового агрегата 1 вращает стартер-генератор 9 и часть энергии направляет для накопления в источник электроэнергии 10. А электроприводы мотор-колес 5, 6 работают стационарно в режиме выбега. Но при движении транспортного средства по инерции (например, под гору) контроллерами 15, 16 электроприводов мотор-колес 5, 6 осуществляется рекуперация дополнительной кинетической энергии в буферный накопитель 13. При этом система управления 14 следит за уровнем мощности, потребной для обеспечения заданных параметров движения транспортного средства. При увеличении тяговой нагрузки на оси автомобиля система управления 14 посредством команд на блок коммутации 11 подключает дополнительную мощность от источника электроэнергии 10 через силовой преобразователь 12 к электроприводам мотор-колес 5, 6 заднего моста 4. А при необходимости разгона транспортного средства с максимальным ускорением (пиковой тяговой нагрузке) энергия буферного накопителя электроэнергии 13 посредством контроллеров 15, 16 подается по шинам 24 питания к электроприводам мотор-колес 5, 6. Такой алгоритм распределения энергии в комбинированной энергоустановке транспортного средства улучшает его динамические характеристики, снижает расход топлива, позволяет применять силовой агрегат с меньшим номиналом мощности. Транспортное средство с комбинированной энергоустановкой с батареей на водородных топливных элементах. В качестве источника 10 электроэнергии используется батарея водородных топливных элементов (БТЭ), которая вырабатывает постоянный ток для питания силового электропривода мотор-колес 5, 6. Выходные электрические параметры БТЭ преобразуются силовым преобразователем 12 до значений, необходимых для питания по шинам Ш и Шчерез контроллеры 15, 16 электроприводов мотор-колес 5, 6. При торможении транспорт 5 75002011.08.30 ного средства или движении по инерции контроллерами 15, 16 электроприводов моторколес 5,6 осуществляется рекуперация кинетической энергии движения автомобиля в буферный накопитель 13, также подключенный к шинам питания Ш и Ш- для ее дальнейшего использования при тяговых пиковых нагрузках транспортного средства. Силовой агрегат 1 на описанном режиме отключен и может использоваться только как маршевый при неработающей батарее водородных топливных элементов. Транспортное средство - электромобиль. В данном исполнении силовой агрегат 1 отключен. В качестве источника энергии транспортного средства используется источник электроэнергии 10, выполненный в виде блока электрохимических батарей. При торможении транспортного средства или движении по инерции использование его кинетической энергии осуществляется аналогично режиму работы с водородными топливными элементами. Восполнение энергии блока электрохимических батарей производится в режиме подзарядки транспортного средства на стоянке посредством подключения к входу блока коммутации 11 специального зарядного устройства, работающего от электросети. Выполнение электропривода мотор-колес 5, 6 в составе высокомоментной бесколлекторной электрической машины с возбуждением от постоянных магнитов и контроллера 15, 16 позволяет применить безредукторную схему мотор-колес и при этом обеспечить высокий крутящий момент на колесе в режиме трогания, а также эффективное торможение транспортного средства и рекуперацию тормозной энергии в буферный накопитель. Современные бесколлекторные электрические машины (вентильные) имеют лучшие показатели по сравнению с другими типами электрических машин (асинхронными, постоянного тока) по удельной мощности и крутящему моменту. Управление электродвигателем 7, 8 мотор-колес 5, 6 осуществляется по шине 20 микропроцессором 18 через драйвер силового моста 21, который обеспечивает коммутацию обмоток двигателя 7, 8 посредством транзисторов Т 1 Т 6. Логика коммутации обмоток двигателя 7, 8 определяется микропроцессором управления 18 по сигналам от датчиков углового положения ротора А, В, С. Диоды Д 1 Д 6 необходимы для реализации рекуперативного режима двигателя 7, 8. При этом в режиме рекуперации на силовых шинах 24 происходит превышение напряжения (за счет электродвижущей силы обмоток двигателя) над напряжением питания и осуществляется зарядка буферного накопителя 13. Задатчик частоты вращения 23 вырабатывает уровень сигнала, соответствующий заданной оператором скорости движения транспортного средства, и подает его на микропроцессор управления электроприводом мотор-колес 5, 6. Как известно из уровня техники данной области, возможен и ряд других режимов работы комбинированной энергоустановки параллельного типа в транспортных средствах различного целевого назначения. Все они реализуемы в предлагаемой полезной модели и могут быть использованы в описанных выше целях. Таким образом, на предлагаемом транспортном средстве возможно выполнение работ по выбору параметров, элементов конструкции, отработке режимов функционирования, программно-алгоритмического обеспечения описанной комбинированной энергоустановки и, таким образом, снижение затрат на их выполнение для последующего применения на этом или других транспортных средствах в качестве основной. Пример исполнения предлагаемого технического решения. В качестве базового транспортного средства для реализации предлагаемого технического решения выбран экспериментальный образец малогабаритного переднеприводного легкового автомобиля, оснащенного двигателем внутреннего сгорания МеМЗ-245 мощностью 53 л.с., многоступенчатой механической трансмиссией и имеющего трансформируемый кузов. Задние колеса автомобиля заменены на безредукторные мотор-колеса со встроенными в их ступицы бесколлекторными электродвигателями с возбуждением от постоянных магнитов типас номинальной мощностью по 4,5 кВт. Электродвигатели 6 75002011.08.30 совместно с контроллерами составляют вентильный электропривод прямого действия,обеспечивающий двигательный и рекуперативный режимы движения транспортного средства. Крутящий момент в 290 Нм, развиваемый этими электродвигателями, достаточен для обеспечения его трогания с места. Дополнительно на этот автомобиль установлены следующие компоненты гибридной силовой установки источник электроэнергии в виде батареи водородных топливных элементов и блока аккумуляторов, силовой преобразователь, буферный накопитель электроэнергии, блок коммутации и электронная система управления. Масса автомобиля, оснащенного гибридной силовой установкой, равна 630 кг. В таком исполнении автомобиль позволяет проводить основные виды работ по организации и отладке взаимодействия всех компонентов в гибридных режимах, отладке алгоритмов функционирования и программного обеспечения электронной системы управления,уточнения параметров и конструктивного исполнения комбинированной энергоустановки. Эти параметры соответствуют расчетным для данного малогабаритного автомобиля при его серийном производстве в гибридном исполнении. Применительно к гибридным транспортным средствам большей мощности данный автомобиль в гибридном исполнении может использоваться как действующая физическая модель, набор компонентов которой позволяют значительно снизить затраты на решение задач, связанных с созданием для них новых комбинированных установок. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7