Гибридное транспортное средство (варианты)

Полезная модель относиться к гибридному транспортному средству и может быть применена в транспортном машиностроении. Гибридное транспортное средство содержит двигатель внутреннего сгорания, устройство хранения электрической энергии, блок управления электромотором, электромотор, трансмиссию, управляющее устройство, отличающееся тем, что имеется зарядное устройство, применяется серийный механизм передачи механической мощности от двигателя внутреннего сгорания к трансмиссии и отдельный механизм ввода и вывода механической мощности от электромотора. Вариант, когда ротор электромотора имеет жесткую связь с выходным валом механизма передачи механической мощности от двигателя внутреннего сгорания с одной стороны и трансмиссией с другой. Вариант, когда механическая мощность от двигателя внутреннего сгорания и от электромотора передается на различные оси транспортного средства по отдельным, не связанным между собой, трансмиссиям. Вариант выполнения полезной модели, когда электромотор является электромотором-генератором. Гибридное транспортное средство может быть изготовлено с минимальным изменением конструкции серийного, а предложенная форма выполнения связи между двигателем внутреннего сгорания и электромотором, и их взаимное расположение позволяет упростить привод от электромотора.

Область техники, к которой относиться полезная модель

Полезная модель относиться к гибридному транспортному средству. Она может быть применена в транспортном машиностроении при производстве или при внесении изменений в конструкцию серийного транспортного средства.

Уровень техники

Известна конструкция гибридного транспортного средства, включающая двигатель внутреннего сгорания, трансмиссию, электрический мотор, накопитель энергии в виде блока аккумуляторных батарей и систему управления. В данном случае аналогом для каждого из предложенных вариантов полезной модели может служить параллельная схема гибридного привода, где трансмиссия соединяет двигатель и электромотор с колесами транспортного средства, используемая на автомобилях Тайота Приус.(см. описание изобретения к патенту РФ 2334624, МКП⁶ B60K 6/00 «Гибридное транспортное средство, способ управления гибридным транспортным средством и устройство выдачи мощности» опубликованного 27.09.2008) Эта конструкция, имеющая наибольшее число признаков, общих с предложением, принята за прототип.

Основным недостатком устройства-прототипа является сложное устройство и способ работы управляющего модуля, который управляет двигателем внутреннего сгорания, механизмом ввода-вывода электрической мощности и механической мощности и электродвигателем, а также технологически сложный в изготовлении механизм ввода-вывода электрической мощности и механической мощности. Кроме того, в устройстве-прототипе не предусмотрено возможности подзарядки батарей от электрических сетей общего пользования. Еще одним важным недостатком устройства-прототипа является необходимость значительных изменений конструкции серийного транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания при трансформации в гибридное транспортное средство.

Раскрытие полезной модели.

Задача разработки полезной модели состояла в создании гибридного транспортного средства на основе серийного транспортного средства, с учетом устранения недостатков устройства-прототипа.

Указанная задача решается тем, что предложено гибридное транспортное средство, включающее двигатель внутреннего сгорания, трансмиссию и электромотор, подключенный к трансмиссии между механизмом передачи механической мощности от двигателя внутреннего сгорания (коробкой переключения передач) и укороченным карданным валом. При этом блок: двигатель внутреннего сгорания - сцепление - коробка переключения передач остаются в неизменном виде серийного автомобиля. В одном предпочтительном варианте выполнения полезной модели электромотор подключается через электромагнитную муфту к механизму ввода-вывода механической мощности от электромотора (редуктору), один из валов которого соединен с одной стороны с выходным валом коробки переключения передач, а с другой стороны с укороченным карданным валом. Редуктор необходим для возможности применения электромотора с оптимальным значением крутящего момента и частоты вращения. Для работы электромотора на борту транспортного средства находится блок аккумуляторных батарей, блок управления электромотором, управляющее устройство, устройство зарядки батарей от электрических сетей общего пользования, как основного источника электроэнергии. Для каждого конкретного типа и модели транспортного средства подбираются свои параметры редуктора, электромотора, системы управления, системы зарядки и хранения электроэнергии. Дополнительно автомобиль укомплектовывается электрическим усилителем тормозов и электрическим усилителем рулевого управления, для возможности управления транспортным средством с выключенным двигателем внутреннего сгорания. Движение транспортного средства с помощью электромотора осуществляется на режимах разгона и неравномерного движения на малых скоростях в дорожных заторах, а двигатель внутреннего сгорания используется для перемещения на высокой скорости и при равномерном движении.

Отличием полезной модели является то, что ротор электромотора соединен с выходным валом коробки переключения передач с одной стороны и с укороченным карданным валом транспортного средства с другой, то есть они вращаются совместно без применения редуктора и электромагнитной муфты.

Следующим отличием полезной модели является то, что механическая мощность от двигателя внутреннего сгорания и от электромотора передается на различные оси транспортного средства по отдельным, не связанным между собой, трансмиссиям. Для транспортного средства с приводом от двигателя внутреннего сгорания на переднюю ось, электропривод осуществляется соответственно на заднюю ось или оси, механически связанные между собой. Для транспортного средства с несколькими задними осями и приводом от двигателя внутреннего сгорания на заднюю ось или оси, электропривод осуществляется на одну из задних осей, не имеющую механической связи с трансмиссией с приводом от двигателя внутреннего сгорания.

Следующим отличием полезной модели является то, что механическая мощность от электромотора передается без применения редуктора.

Следующим отличием полезной модели является то, что электромотор является электромотором-генератором, то есть обратимой электрической машиной и способен работать в режиме генерации электроэнергии. Механическая энергия для вращения электромотора в режим генератора передается через трансмиссию, и является рекуперативной энергией при торможении транспортного средства электромотором или частью энергии двигателя внутреннего сгорания при движении транспортного средства. Устройство хранения электроэнергии способно получать энергию и от зарядного устройства и от электромотора-генератора. Блок управления электромотором, осуществляет передачу электроэнергии от устройства хранения электроэнергии к электромотору-генератору и получает электроэнергию от электромотора-генератора и передает на устройство хранения электроэнергии.

Благодаря выше указанному, в полезной модели достигается технический результат, заключающийся в том, что предложенное гибридное транспортное средство может быть изготовлено с минимальным изменений конструкции серийного транспортного средства с двигателем внутреннего сгорания. В том, что использование предложенной формы выполнения связи между элементами, а именно двигателем внутреннего сгорания и электромотором, и их взаимное расположение позволит упростить, в сравнении с устройством-прототипом, конструктивный элемент - механизм ввода-вывода механической мощности от электромотора, а некоторых вариантах полезной модели исключить его. В том, что возможно применение простейшего устройства управления электромотором, и даже работа в ручном режиме переключения между приводом от двигателя внутреннего сгорания и приводом от электромотора. В том, что для каждого режима движения транспортного средства возможно использование оптимального, с точки зрения экономии топлива, источника механической энергии. В том, что полезная модель позволит использовать сетевую электроэнергию, более дешевую, чем топливо и сэкономит часть энергии за счет рекуперации энергии торможения транспортного средства. В том, что уменьшит вредное воздействие транспортного средства на экологию за счет снижения токсичных выбросов по указанным причинам.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле полезной модели, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию новизна.

Сущность полезной модели поясняется структурными схемами вариантов выполнения гибридного транспортного средства и описанием его работы. Краткое описание схем:

на фиг.1 представлена структурная схема предпочтительного варианта выполнения полезной модели включающей: двигатель внутреннего сгорания и механизм передачи мощности от него на трансмиссию, блок аккумуляторов, блок управления электромотором, трансмиссию, электромотор, который подключен к трансмиссии через редуктор и электромагнитную муфту, управляющее устройство, устройство зарядки батарей;

на фиг.2 - представлена та же схема, что и на фиг.1, но ротор электромотора имеет жесткую связь с выходным валом механизма передачи механической мощности от двигателя внутреннего сгорания с одной стороны и трансмиссией автомобиля с другой, то есть они вращаются совместно, без применения механизма ввода-вывода механической мощности от электромотора и без электромагнитной муфты;

на фиг.3 представлена схема, в состав которой входят устройства, что и на фиг.1, но механическая мощность от двигателя внутреннего сгорания и от электромотора передается на различные оси транспортного средства по отдельным, не связанным между собой, трансмиссиям.

на фиг.4 - представлена та же схема, что и на фиг.3, но без использования редуктора.

Осуществление полезной модели

Изображенная на фиг.1 структурная схема наиболее предпочтительного варианта выполнения гибридного транспортного средства содержит двигатель внутреннего сгорания 1, механизмы передачи механической мощности от двигателя внутреннего сгорания к трансмиссии, далее по тексту в виде коробки переключения передач 3 и муфты сцепления 2 серийного транспортного средства, в конструкцию которого вносятся изменения. С коробкой переключения передач 3 соединен механизм ввода-вывода механической мощности от электромотора, далее по тексту редуктор 4, с помощью которого происходит передача крутящего момента от электромотора 8 на карданный вал 5. Подбор типа редуктора 4 (зубчатый, ременный, цепной и т.п.) и его передаточного числа осуществляется при проектировании конкретного автомобиля. Соединение коробки переключения передач 3 и редуктора 4 в простейшем варианте осуществляется соединительной муфтой, а также может быть выполнено в виде карданного вала (не показан) в зависимости от места расположения редуктора 4 на раме транспортного средства и расстояния между ними. Кардный вал 5 передает вращение от двигателя внутреннего сгорания 1 и от электромотора 8 на колеса 7 через осевой редуктор 6. Электромотор 8 соединяется с редуктором 4 через электромагнитную муфту 9. Управление электромотором 8 производит блок управления электромотором 10, который состоит из контроллера и других необходимых систем управления работой электромотора. Устройство хранения электрической энергии в виде блока аккумуляторных батарей 11 питает электродвигатель 8 и заряжается от электрической сети общего пользования посредством зарядного устройства 12. Расчет конкретной электрической схемы блока управления 10, блока аккумуляторных батарей 11 и зарядного устройства 12 и электродвигателя 8 также зависит от необходимых технических характеристик транспортного средства и его модели. Управляющее устройство 13 воспринимает сигналы от органов управления транспортным средством 14 и подает управляющие команды на блок управления электромотором 10 и на двигатель внутреннего сгорания 1 в части его запуска или остановки.

Ниже приводиться описание работы гибридного транспортного средства согласно структурой схеме фиг.1.

Работу рассмотрим на примере небольшого грузового автомобиля, сделанного на основе серийного, в котором добавлен электропривод, система его управления и блок аккумуляторных батарей. Водитель в кабине нажимает кнопку включения электропривода, кнопка отдельно на схеме не показана, но входит в блок органов управления транспортным средством 14. Сигнал от кнопки включения подается на управляющее устройство 13, которое в простейшем случае представляет собой блок электромагнитных реле. Управляющее устройство 13 подает питание на электромагнитную муфту 9 и на блок управления электромотором 10. Таким образом, привод от электромотора подключен к трансмиссии и готов к работе. Двигатель внутреннего сгорания (далее ДВС) 1 при этом выключен, коробка переключения передач 3 (далее КПП) находиться в положении нейтрали. Педаль акселератора двигателя внутреннего сгорания (не показана) совмещена с резистором управления тягой электромотора. При нажатии на педаль акселератора автомобиль трогается с места и разгоняется на тяге электромотора, которая передается через редуктор 4, карданный вал 5, осевой редуктор 6 на колеса 7. Педаль в этом случае, работает как резистор управления тягой электромотора 8. При достижении необходимой водителю скорости движения в диапазоне от 0 до 50 км/ч, он нажимает на кнопку запуска ДВС и штатный стартер заводит ДВС 1. Скорость движения на электроприводе ограничивается параметрами скорости вращения электромотора и его мощности. Характеристики электромотора 8 и редуктора 4 подбираются для оптимального режима движения автомобиля на скоростях от 0 до 50 км/ч. Водитель выжимает сцепление и переключает КПП 3 на соответствующую скорости движения автомобиля передачу. Положение педали сцепления контролирует концевой выключатель (не показан), расположенный в верхнем положении педали сцепления, который подает сигнал на управляющее устройство 13. При этом управляющее устройство 13 отключает питание электромотора 8 и электромагнитной муфты 9. Водитель включает выбранную передачу КПП 3, отпускает педаль сцепления и одновременно нажимает на педаль акселератора. Педаль в этом случае, уже используется для управления тягой ДВС 1. Далее движение осуществляется с использованием ДВС 1. Водитель самостоятельно оценивает дорожную ситуацию и может опять применить электропривод. Например, на светофоре водитель нажимает кнопку включения электропривода, управляющее устройство 13 отключает электропитание от ДВС 1, то есть «глушит» его, и подает питание на электромотор 8 и электромагнитную муфту 9. Далее движение осуществляется по описанному выше алгоритму. Аналогичные действия водитель производит, например, при маневрировании на складе, передвижении в дорожных заторах или в экологически чистой зоне, где движение он может осуществлять только на электроприводе. Причем, включение электропривода возможно и при движении автомобиля. Водитель переводит рычаг КПП в положение нейтрали, отпускает педаль сцепления и продолжает движение «накатом», при этом нажимает кнопку включения электропривода, при этом управляющее устройство 13 отключает электропитание от ДВС 1, то есть «глушит» его, и подает питание на электромотор 8 и электромагнитную муфту 9 и движение происходит на электроприводе. Дополнительная нагрузка на водителя при управлении не появляется, и требуется минимальное обучение особенностям применения и экономичным режимам работы от электропривода и от ДВС.

Аналогичным образом устроен и работает вариант исполнения полезной модели, изображенный на фиг.1, в которой электромотор 8 является обратимой электрической машиной и способен вырабатывать электроэнергию в режиме генератора. В этом случае отличие в работе и устройстве от описанного выше состоит том, что на педаль тормоза органов управления 14 устанавливается (реостат не показан). Когда водитель при движении нажимает на педаль тормоза, реостат воздействует на устройство управления 13, которое подключает электромотор 8 в режим генератора с нагрузкой заряда, соответствующей положению педали тормоза. Чем сильнее нажатие, тем больше заряд и механическое сопротивление электромотора-генератора 8. Так происходит рекуперация энергии. Реостат на педали тормоза установлен таким образом, что реагирует на ход педали от 0 до 3 см, при дальнейшем нажатии на педаль задействуется рабочая тормозная система автомобиля. Скорость реакции включения-отключения доступных к применению электромагнитных муфт 9 составляет до 16 мс, что вполне достаточно для реакции на команду торможения. Заряд от электромотора 8 подается через блок управления электромотором 10 на блок аккумуляторных батарей 11. Возможен заряд блока аккумуляторных батарей 11 при движении автомобиля, для этого составе органов управления 14 имеется кнопка заряда (не показана), при нажатии на которую управляющее устройство включает электромотор в режим генератора, движение при этом осуществляется за счет ДВС 1. Заряд батарей таким методом применяется для недопущения их глубокого разряда и при равномерном движении автомобиля в оптимальном режиме работы ДВС 1.

Представленная на фиг.2 схема отличается от описанной выше (фиг.1) тем, что в устройстве по фиг.1 не применяется редуктор 4, то есть что ротор электромотора 8 соединен с выходным валом коробки переключения передач 3 с одной стороны и с укороченным карданным валом 5 транспортного средства с другой, то есть они вращаются совместно без применения редуктора 4 и электромагнитной муфты 9. Электромотор 8 также может быть выполнен в виде обратимой электрической машиной и способен вырабатывать электроэнергию в режиме генератора. Управляющее воздействие от органов управления 14 подается управляющим устройством 13 на электромотор 8.

Работа полезной модели в этом случае отличается от работы, описанной выше для фиг.1 тем, что электромотор 8 находиться в постоянном соединении с КПП 3 и карданным валом 5. При такой схеме включения электромотора 8 в трансмиссию транспортного средства устраняются потери механической мощности в редукторе 4 и электромагнитной муфте 9, проще задействовать режим генерации электроэнергии, проще подключение электромотора 8 к трансмиссии автомобиля. Однако, возникает постоянное сопротивление движению при использовании ДВС 1 и необходимо применять электромоторы 8 с высоким значением крутящего момента.

Представленная на фиг.3 схема, отличается от описанной выше (фиг.2) тем, что механическая мощность от двигателя внутреннего сгорания 1 и от электромотора 8 передается на различные оси транспортного средства по отдельным, не связанным между собой, трансмиссиям. Для транспортного средства с приводом от двигателя внутреннего сгорания 1 на переднюю ось, электропривод осуществляется соответственно на заднюю ось или оси, механически связанные между собой. Электромотор 8 через электромагнитную муфту передает вращение на осевой редуктор 6 и далее на колеса 7. Соединение электромотора 8 и осевого редуктора 6 возможно посредством карданного вала (на рисунке не показан). Для транспортного средства с несколькими задними осями и приводом от двигателя внутреннего сгорания на заднюю ось или оси, электропривод осуществляется на одну из задних осей, не имеющую механической связи с трансмиссией с приводом от двигателя внутреннего сгорания 1. Электромотор 8 также может быть выполнен в виде обратимой электрической машиной и способен вырабатывать электроэнергию в режиме генератора.

Работа полезной модели в этом случае аналогична работе описанной выше для фиг.2 и дополнительно имеется возможность совместного использования привода от ДВС 1 и от электромотора 8, так как при этом работают разные трансмиссии и нет необходимости применения усиленного карданного вала, осевого редуктора 6 и привода на колеса 7 с расчетом на одновременную передачу мощности ДВС 1 и электромотора 8. В этом случае электромотор помогает ДВС 1 перемещать автомобиль, например при обгоне, при движении в гору, при разгоне с буксировкой тяжелого прицепа. Одновременное применение осуществляется так: при движении автомобиля на приводе от ДВС 1 и необходимости помощи от электромотора 8 водитель, не выключая передачу и не выжимая сцепление, нажимает кнопку включения электропривода. Управляющее устройство 13 подает питание на электромагнитную муфту 9, на блок управления электромотором 10 и электромотора 8. Педаль акселератора в этом случае, работает и как резистор управления тягой электромотора 8 и как регулятор тяги ДВС 1. Управляющее устройство 13, при работающем ДВС 1, подает питание на электромотор 8 с плавным нарастанием от нуля до мощности, соответствующей положению резистора на педали акселератора. Временная задержка составляет 5 секунд и достаточна для ощущения водителем новых значений тяги автомобиля, и регулировки скорости движения автомобиля с помощью педали акселератора. Отключение электромотора 8 водитель производит нажатием на педаль сцепления специально, либо при переключении передачи. Данную схему предпочтительно использовать в легковом автомобиле, так как она позволяет задействовать электромотор 8 в режимах разгона даже на больших скоростях движения автомобиля. Такой вариант полезной модели может быть использован, например, в милицейских машинах, когда для обычного патрулирования достаточно средней мощности ДВС 1, а при необходимости погони за нарушителем мощность автомобиля значительно повышается на короткое время. При этом увеличение веса и стоимости автомобиля из-за электропривода в большей части компенсируется уменьшением мощности и веса и стоимости ДВС 1 и его систем.

В режиме генератора электромотор 8 работает аналогично описанию фиг.2, получая механическую энергию через привод от колес 7 в режиме рекуперации и в режиме зарядки при движении автомобиля на тяге ДВС 1.

Представленная на фиг.4 схема, отличается от описанной выше (фиг.3) тем, что электромотор 8 с осевым редуктором 6 соединен через редуктор 4. Соединение редуктора 4 и осевого редуктора 6 возможно посредством карданного вала (на рисунке не показан). Электромотор 8 также может быть выполнен в виде обратимой электрической машиной и способен вырабатывать электроэнергию в режиме генератора.

Работа полезной модели в этом случае аналогична работе описанной выше для фиг.3 и отличается используемым электромотором 8 и более предпочтительна для применения в грузовом автомобиле или автобусе ввиду значительно большего значения необходимого крутящего момента.

Приведенное выше описание структурной схемы гибридного транспортного средства показывает, что заявленное гибридное транспортное средство может быть реализовано на практике, следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию промышленная применимость.

Применение описанной полезной модели позволяет получить высокий экономический и экологический эффект, в первую очередь, на машинах используемых в крупных городах со сложной дорожной и экологической обстановкой.

1. Гибридное транспортное средство, содержащее двигатель внутреннего сгорания, устройство хранения электрической энергии в виде блока аккумуляторных батарей, передающего и получающего электрическую энергию, блок управления электромотором, осуществляющий передачу электроэнергии от устройства хранения электроэнергии и к нему с учетом управляющего воздействия от органов управления, электромотор, получающий электроэнергию от устройства хранения и передающий механическую энергию на трансмиссию, получающий механическую энергию от трансмиссии и вырабатывающий электроэнергию, трансмиссия, состоящая из карданного вала и осевого редуктора, передающая механическую энергию на колеса, управляющее устройство, которое согласовывает работу привода от двигателя внутреннего сгорания и от электромотора путем получения информации от датчиков и вывода управляющего воздействия, отличающееся тем, что ротор электромотора имеет жесткую связь с выходным валом механизма передачи механической мощности от двигателя внутреннего сгорания с одной стороны и трансмиссией с другой, то есть они вращаются совместно, механизмы передачи механической мощности от двигателя внутреннего сгорания к трансмиссии (коробка переключения передач, сцепление, вариатор и т.п.) применяются от серийных негибридных транспортных средств и являются обычной составляющей привода с использованием двигателя внутреннего сгорания.

2. Гибридное транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что применяется механизм ввода-вывода механической мощности от электромотора, который является отдельным от механизма передачи мощности двигателя внутреннего сгорания устройством, один из валов которого соединен с трансмиссией автомобиля, а другой с электромотором через электромагнитную муфту, которая обеспечивает подключение и отключение электрического привода при необходимости и в соответствии с командами управляющего устройства.

3. Гибридное транспортное средство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что имеется возможность заряда устройства хранения от сети общего пользования посредством зарядного устройства, расположенного на борту транспортного средства либо внешнего зарядного устройства.

4. Гибридное транспортное средство, содержащее двигатель внутреннего сгорания, устройство хранения электрической энергии в виде блока аккумуляторных батарей, передающего и получающего электрическую энергию, блок управления электромотором, осуществляющий передачу электроэнергии от устройства хранения электроэнергии и к нему с учетом управляющего воздействия от органов управления, электромотор, получающий электроэнергию от устройства хранения и передающий механическую энергию на трансмиссию, получающий механическую энергию от трансмиссии и вырабатывающий электроэнергию, трансмиссия, состоящая из карданного вала и осевого редуктора, передающая механическую энергию на колеса, управляющее устройство, которое согласовывает работу привода от двигателя внутреннего сгорания и от электромотора путем получения информации от датчиков и вывода управляющего воздействия, отличающееся тем, что механическая мощность от двигателя внутреннего сгорания и от электромотора передается на различные оси транспортного средства по отдельным, не связанным между собой, трансмиссиям, а электромотор соединен через электромагнитную муфту с осевым редуктором и далее с колесами транспортного средства, механизмы передачи механической мощности от двигателя внутреннего сгорания к трансмиссии (коробка переключения передач, сцепление, вариатор и т.п.) применяются от серийных негибридных транспортных средств и являются обычной составляющей привода с использованием двигателя внутреннего сгорания.

5. Гибридное транспортное средство по п.4, отличающееся тем, что электромотор соединен через электромагнитную муфту и механизм ввода-вывода механической мощности от электромотора с осевым редуктором и далее с колесами транспортного средства.

6. Гибридное транспортное средство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что имеется возможность заряда устройства хранения от сети общего пользования посредством зарядного устройство, расположенного на борту транспортного средства либо внешнего зарядного устройства.