ES2363848A1 - Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie. - Google Patents

Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie. Download PDF

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Abstract

Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie.
Comprende un generador-motor eléctrico (1), un embrague doble(2), una caja de transmisión (3), y un motor de combustión interna (4).
Mediante la caja de transmisión y el embrague doble se implementan dos cadenas cinemáticas o vías de transmisión de diferente dirección y sentido.
Modo motor: el embrague (8) se puede cerrar para transmitir el par motor del motor eléctrico (1), al árbol primario (10), árbol secundario (17), diferencial (19), y a las ruedas del vehículo.
Modo generador: se cierra el embrague (7) que permite transmitir el par motor del motor de combustión interna (4), al árbol (13), árbol (9), y a través del embrague al generador eléctrico. Permite reducir las dimensiones de los motores y generadores de los vehículos híbridos eléctricos.
En la caja de transmisión (3) se pueden utilizar: engranajes, correas dentadas, árboles de transmisión, o cadenas.

Description

Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie.
Sector de la técnica
La presente invención se enmarca dentro del sector técnico del automóvil, y más concretamente en el de los vehículos híbridos eléctricos.
Estado de la técnica
En los últimos años han proliferado las realizaciones de vehículos eléctricos. Estos vehículos pueden estar equipados con motores de corriente continua o alterna, siendo estos últimos los preferidos por los fabricantes por las características superiores que presentan. Estos vehículos incorporan sistemas de almacenamiento de energía que pueden estar formados por grupos de baterías y/o ultracapacitores. Los vehículos eléctricos se benefician de la cualidad que tienen muchos motores eléctricos de poder operar como generadores y así regenerar la energía cinética en las desaceleraciones, convirtiéndola en energía eléctrica para recargar los sistemas de almacenamiento de energía.
Los sistemas actuales de almacenamiento de energía eléctrica no poseen las características necesarias para proporcionar a los vehículos eléctricos unas prestaciones equiparables a las de los vehículos convencionales dotados de motores de combustión interna.
Es conocida la tecnología de los vehículos híbridos eléctricos, que mediante la combinación de uno o más motores eléctricos y otros sistemas diferentes intenta paliar las deficiencias de los vehículos eléctricos. Hay que destacar, por ser la que ha alcanzado un mayor éxito industrial, la tecnología que combina en un vehículo híbrido el motor eléctrico y él motor de combustión interna. Últimamente, la tendencia es a producir automóviles híbridos recargables, los cuales combinan el motor de combustión interna, el motor eléctrico, y un sistema de almacenamiento de energía eléctrica que puede ser recargado desde cualquier toma de corriente de la red eléctrica.
Atendiendo al sistema de transmisión empleado los vehículos híbridos se pueden clasificar en tres categorías principales:
Híbrido paralelo: El vehículo está dotado de un motor de combustión interna, que mediante un sistema de transmisión comunica el par motor a las ruedas del vehículo. Un motor eléctrico acopiado a la transmisión en algún punto, colabora con el motor de combustión interna cuando hay un requerimiento de una gran potencia, y además permite recuperar la energía cinética en las desaceleraciones, transformándola en energía eléctrica. Permite una reducción del consumo de combustible, si bien presenta los inconvenientes de los vehículos convencionales ya que el motor de combustión interna ha de trabajar en una amplia gama de revoluciones y estar dotado de un complejo sistema de transmisión. Básicamente se trata de un automóvil convencional al que se le ha dotado en alguna etapa de la transmisión de un motor-generador eléctrico, lo cual permite reducir la potencia necesaria del motor de combustión interna, recuperar la energía en las desaceleraciones, y así reducir el consumo.
Híbrido paralelo/serie: En este tipo de vehículo al igual que en el híbrido paralelo, el motor de combustión interna transmite el par a las ruedas del vehículo. Estos vehículos están dotados de un complejo sistema de transmisión y gestión electrónica que permite que el motor eléctrico sea en algunos momentos el encargado de proporcionar el par motor para mover el vehículo. Estos vehículos tienen la ventaja de consumir menos combustible que los híbridos en paralelo, pero con los inconvenientes de tener un motor de combustión interna que ha de trabajar en un amplio margen de revoluciones, y una compleja transmisión y gestión electrónica. Hoy en día, hay en producción un automóvil que incorpora un motor de combustión interna, dos motores-generadores eléctricos, y una transmisión compuesta por un tren epicicloidal y cambio automático electrónico de variador continuo.
Híbrido en serie: Es el esquema de transmisión más sencillo. En este tipo de vehículo el motor de combustión interna proporciona la energía mecánica a un generador eléctrico. Este generador se conecta a una línea de interconexión de corriente continua a través de la cual puede alimentar uno o más motores eléctricos encargados de proporcionar el par motor necesario para proporcionar la tracción a las ruedas del vehículo. A esta línea de corriente continua, también están conectados los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica del vehículo, normalmente constituidos por baterías y ultracapacitores.
En un vehículo híbrido en serie, las baterías son las encargadas de proporcionar la energía eléctrica cuando no funciona el generador, y los ultra-capacitores se encargan de suministrar la energía cuando hay necesidades puntuales de alta potencia que las baterías no pueden suministrar. En los casos de necesidad de carga elevada, tales como en aceleración o conduciendo en una carretera con pendiente la potencia requerida es relativamente más alta que la requerida en condiciones normales, y los periodos de picos de potencia son relativamente cortos, inferiores a treinta segundos. Por lo tanto un sistema de almacenamiento de energía de pico es requerido, el cual pueda relevar a la batería de la fatiga dinámica. Los ultra-capacitores presentan una densidad de energía inferior que las baterías, pero presentan una más grande densidad de potencia, y un mayor número de ciclos de vida que las baterías. Los ultra-capacitores son también los encargados de recibir la energía eléctrica procedente de la regeneración en las desaceleraciones y que la batería no puede absorber.
La tarea del sistema de gestión de energía es medir el estado de almacenamiento de baterías y ultra-capacitores y la energía requerida en la línea de corriente continua, y controlar el flujo de energía a fin y efecto de mantener un voltaje constante en la línea.
Cuando es necesario, el generador eléctrico entra en funcionamiento y proporciona, a través de la línea de corriente continua, la energía eléctrica para alimentar el motor eléctrico y recargar los sistemas de almacenamiento de energía. Un computador se encarga de realizar el balance de energía de acuerdo con los requerimientos del motor eléctrico y el estado de carga de las baterías para determinar la transferencia desde el generador al motor y sistemas de almacenamiento de energía de acuerdo a los algoritmos de control que hayan sido previamente introducidos en los controladores de los convertidores que conectan la línea de interconexión con el motor, con las baterías, y con los ultra-capacitores. Cuando hay una demanda muy alta de energía, la transferencia de energía eléctrica al motor puede realizarse desde el generador y desde los sistemas de almacenamiento de energía. Por el contrario, cuando el motor eléctrico funcione en modo generador o cuarto cuadrante, la energía eléctrica generada pasará del motor, al inversor y al convertidor con capacidad de suministro de la línea o barra de corriente continua. Los ultra-capacitores serán los encargados de absorber dicha corriente para después suministrarla a las baterías de manera que estas la puedan aceptar sin sufrir recalentamientos o deterioro.
El sistema eléctrico en el que varios motores de corriente alterna son alimentados por una línea común de corriente continua ha sido utilizado en varias industrias, entre ellas la del bobinado de papel o la del acero. En estas instalaciones hay motores eléctricos funcionando que de vez en cuando han de ser frenados. La energía de frenado es aprovechada y revertida a la línea mediante el inversor y un convertidor con capacidad de suministro de línea. El convertidor es el encargado de mantener un voltaje constante en la línea, sin ondulaciones o crestas, y adecuado para el funcionamiento de los inversores de los motores. En este esquema los motores conectados a la línea común de interconexión pueden pasar alternativamente a trabajar como generadores de corriente y proporcionar la energía eléctrica a la línea para ser utilizada por el resto de los motores. No hay interconexión mecánica entre los distintos motores-generadores.
En el vehículo híbrido eléctrico en serie se utiliza un esquema de transferencia de energía eléctrica: generador- línea de corriente continua- motor eléctrico, similar al instalado en los trenes y barcos modernos.
Debido a la ausencia de conexión mecánica entre el motor de combustión interna y el motor de propulsión los diferentes componentes pueden ser alojados de la manera más conveniente para obtener el mayor espacio útil o una mejor distribución del peso. El motor de combustión interna es normalmente más pequeño en un híbrido en serie porque sólo tiene que suplir la potencia media necesaria. Mientras que el motor de un vehículo convencional tiene que operar la mayoría del tiempo de forma ineficaz para poder satisfacer la variación de las demandas de potencia, con múltiples paradas y arranques, en el híbrido en serie el funcionamiento del motor se realiza dentro de la gama de revoluciones de máxima eficiencia. Debido a estas características este tipo de plataforma cinemática es ideal para el empleo en autobuses y en el entorno urbano.
No hay transmisión mecánica entre el motor de combustión y las ruedas del vehículo. Presenta la ventaja de que se pueden reducir las dimensiones y el consumo del motor de combustión interna porque éste puede ser optimizado para trabajar a las revoluciones de máxima eficiencia. Se puede elegir el intervalo de funcionamiento del motor de combustión interna.
El motor de combustión interna, o de potencia auxiliar puede ser operado independientemente de los requerimientos dinámicos del vehículo. El sistema de almacenamiento de energía opera como un tanque de energía entre el motor y eléctrico y el motor de combustión interna. La capacidad de almacenamiento de energía del sistema es un parámetro fundamental para la operación del vehículo y consecuentemente afectará a la operación del motor de combustión interna y por ende a la del generador eléctrico.
Embrague doble
Es conocida la tecnología que hace uso de un embrague doble asociado a una caja de cambio de velocidades robotizada. El embrague doble es utilizado como un medio para poder realizar los cambios de velocidades de una forma mucha más rápida que con los embragues convencionales. En este sistema utilizado en los vehículos convencionales dotados de motor de combustión interna, se utiliza un embrague doble y una caja de velocidades que dispone de dos árboles primarios coaxiales que tienen asociado cada uno de ellos un árbol secundario, y una única salida final de la transmisión hacia el diferencial. Cuando se selecta una velocidad, un embrague se cierra y el par motor se transmitirá a través de uno de los embragues, al árbol primario y al árbol secundario correspondiente. En el otro árbol secundario de la caja de velocidades es pre-selectada automáticamente la siguiente velocidad, de manera que cuando el conductor accione la leva o palanca de selección de velocidades, lo que se realizará será la apertura del embrague que estaba cerrado y se cerrará el embrague correspondiente del árbol primario y secundario de la nueva velocidad selectada.
En este tipo de cambio no hay pedal de embrague y el accionamiento de los embragues se realiza mediante actuadores electromecánicos o electrohidráulicos accionados por las levas o palanca situados en el puesto de conducción. La electrónica de gestión se encarga de controlar la acción de cierre y apertura de los embragues teniendo en cuenta las velocidades relativas de entrada y salida.
Hoy en día hay disponibles embragues dobles de discos en seco, y húmedos de discos con aceite a presión. Los embragues en seco son los más eficientes, por no tener que disponer de una bomba de presión de aceite.
Hay disponibles en el mercado paquetes que incluyen todo el conjunto de embrague doble en seco: embrague, actuadores, y unidad electrónica de control.
Hay estudios realizados recientemente para la realización de vehículos híbridos en paralelo provistos de embrague doble y caja de velocidades dual. Estos vehículos contarían con un motor de combustión interna, un embrague doble, una caja de velocidades, y un motor eléctrico acoplado a la transmisión.
Problema técnico planteado
Los vehículos convencionales están diseñados intencionadamente con motores de combustión interna excesivamente grandes y potentes. Este exceso de potencia de los motores viene determinado por criterios comerciales que obligan a los fabricantes a producir vehículos con motores aptos para producir grandes cantidades de potencia y par motor que normalmente sólo serán utilizados durante breves momentos en raras ocasiones. Estos vehículos son diseñados bajo el criterio de potencia de pico necesaria, y no con el criterio de potencia media necesaria.
Los ciclos de circulación estandarizada ISO utilizados en Europa, Japón, o E.E.U.U. demuestran que sólo durante muy breves momentos se necesitan aplicar potencias elevadas en la conducción de vehículos de turismo.
Hoy en día están disponibles en el mercado vehículos convencionales provistos de motores cuya potencia es muchas veces superior a la necesaria, y que además han de operar en un amplio margen de revoluciones. Estos vehículos son muy poco eficientes energéticamente.
Los vehículos híbridos eléctricos en serie representan una solución para la reducción del consumo de combustible y la reducción de las emisiones de gases contaminantes. En un vehículo híbrido eléctrico en serie se puede instalar un motor de combustión interna con un criterio de potencia necesaria. El motor de combustión interna de un vehículo híbrido en serie puede ser operado en la zona de revoluciones que ofrece mejor rendimiento.
En un vehículo híbrido eléctrico en serie, el motor eléctrico es el encargado de proporcionar el par motor necesario para producir el movimiento del vehículo. El motor eléctrico deberá de proporcionar la potencia y el par necesarios para operar en toda la gama de utilización del vehículo, desde el ralentí hasta la máxima velocidad.
La energía necesaria para el funcionamiento del motor eléctrico puede ser suministrada por el generador eléctrico y/o el sistema de almacenamiento de energía eléctrica. Si el vehículo dispone de una adecuada capacidad de almacenamiento de energía eléctrica, entonces podrá funcionar durante un determinado tiempo sin necesidad de poner en funcionamiento el motor de combustión interna.
El motor de combustión interna es el encargado de suministrar la energía mecánica para que el generador eléctrico la transforme en energía eléctrica y así poder suministrar la energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del motor eléctrico y la recarga de los sistemas de almacenamiento de energía.
Al igual que sucede con los vehículos convencionales, los requerimientos de tipo comercial condicionan el diseño de vehículos híbridos en serie, dotados de motores excesivamente potentes, para poder ofrecer unas características de aceleración que muy esporádicamente serán utilizadas. Otro factor que contribuye al empleo de motores eléctricos excesivamente potentes en los vehículos híbridos es serie viene determinado por el hecho de que el motor eléctrico será el único encargado de suministrar el par motor a las ruedas del vehículo y deberá contrarrestar el peso del motor de combustión interna, generador y sistema de almacenamiento de energía eléctrica.
La paradoja viene determinada por el hecho de que en el vehículo híbrido eléctrico en serie se consigue racionalizar y reducir dimensiones y consumo del motor de combustión interna, pero sin embargo se ha de incrementar la potencia del motor eléctrico instalado. El aumento de potencia del motor eléctrico provoca el consiguiente necesario aumento de potencia en el generador, motor de combustión interna y sistema de almacenamiento de combustible. La consecuencia final es que el sistema motriz de los vehículos híbridos en serie es demasiado voluminoso y pesado.
Si bien en principio la plataforma de vehículo híbrido en serie es la más eficiente y simple, las consideraciones anteriores han provocado que sólo se haya empleado en autobuses urbanos, donde hay mucho espacio disponible para instalar todos los elementos de la cadena cinemática. Hay algunos diseños de vehículos grandes, tipo todo terreno, que todavía no se han llevado a la fase de fabricación.
La técnica utilizada hasta la fecha en el diseño de vehículos híbridos eléctricos no es adecuada para la fabricación de vehículos de turismo utilitarios debido a la falta de espacio útil y al excesivo peso.
Un motor eléctrico sobredimensionado con respecto de la carga de trabajo es muy ineficiente, aún en el caso de disponer de un buen controlador. La mayor parte del tiempo el par generado por el motor es superior que la necesidad de carga y se pierde en resistencias internas. Gran parte de la energía de entrada se pierde sin realizar ningún trabajo efectivo. Además, los motores eléctricos extraen una gran cantidad de energía eléctrica en los sucesivos arranques. Como la cantidad de energía perdida en el arranque es proporcional al par motor que el motor es capaz de producir, las pérdidas de energía serán muy superiores en el motor sobredimensionado. Lo ideal será instalar un motor eléctrico adecuado a la carga de trabajo, pero ello no es posible si queremos que los vehículos tengan unas buenas prestaciones en aceleración y velocidad punta.
Hemos de tener en cuenta que los motores eléctricos, por sus peculiares características, no requieren la utilización de un cambio de velocidades para ser instalados en un vehículo. Un motor eléctrico sobredimensionado respecto de la carga media prevista, e instalado en un vehículo con una relación de transmisión que permita que el vehículo pueda alcanzar una velocidad determinada, puede tener un bajo rendimiento a bajas velocidades, como las que se suelen alcanzar en el tráfico urbano.
A igualdad de cociente de rendimiento, el motor eléctrico sobredimensionado con respecto a la carga media de trabajo sufrirá mayores pérdidas de energía.
Una solución sería instalar un motor adecuado a la carga de trabajo, y un motor auxiliar que se pudiera conectar a la transmisión en los momentos puntuales, pero ello conllevaría en un principio un aumento del peso, dimensiones y complejidad del vehículo.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere a un mecanismo por el que el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie puede ser operado como motor y transmitir el par motor a la transmisión para poder mover las ruedas del vehículo.
El mecanismo comprende un generador-motor eléctrico, un embrague doble, una caja o sistema de transmisión, y un motor de combustión interna.
El motor eléctrico está unido al embrague doble. El eje del motor eléctrico está acoplado al eje de entrada del embrague doble y ambos son solidarios. El embrague doble posee dos embragues independientes el uno del otro. Cada embrague posee su propio eje. Los ejes de los embragues son coaxiales.
El embrague doble, consta de: el paquete con los dos embragues, actuadores electromecánicos, unidad de gestión electrónica, levas o palancas de control.
El mecanismo ha sido diseñado para la instalación de un embrague doble de discos en seco actuados mediante actuadores electromecánicos. Este sistema es el más eficiente. Se puede instalar un embrague húmedo, o de discos en baño de aceite a presión cuando se requiera transmitir un par muy elevado a través del embrague doble, pero tiene el inconveniente que se le deberá acoplar una bomba eléctrica de aceite y el correspondiente circuito hidráulico.
La unidad de gestión electrónica del embrague doble recibe información de la lectura que realizan los sensores Hall de los impulsos recibidos de las ruedas generatrices instaladas en los árboles primarios y secundarios de la caja de transmisión. También puede recibir la información de las revoluciones del motor eléctrico, del motor de combustión interna, velocidad en el diferencial, posición del pedal del acelerador, posición del pedal de freno, mando de freno de mano, posición del mando de selección de freno regenerador, par motor del motor de combustión interna, par motor del motor eléctrico. Mediante estos datos puede determinar el resbalamiento de los embragues y gestionar correctamente su apertura o cierre.
En el lado opuesto, o de salida del embrague se ha instalado una caja o sistema de transmisión.
La caja de transmisión posee dos árboles coaxiales. Cada uno de los árboles coaxiales está acoplado mediante un estriado a uno de los dos ejes de los embragues del embrague doble.
A cada árbol le corresponde un embrague. Los árboles son uno macizo y el otro hueco, estando el macizo ubicado en el interior hueco del otro. Los árboles tienen rodamientos intercalados y pueden girar libremente el uno con respecto del otro. Estos dos árboles serán: uno primario y otro secundario, respectivamente y con relación a la operación que realizan en las respectivas cadenas cinemáticas a las que pertenecen.
Los engranajes de la caja de transmisión son solidarios en el giro, a los ejes en los que van montados.
El árbol primario, interior, macizo, tiene un engranaje que engrana con el engranaje de un árbol secundario que a su vez posee otro engranaje que engrana con la corona del diferencial.
En el modo motor se puede cerrar el embrague correspondiente y posibilita la transmisión del par del motor eléctrico a través del embrague doble, al árbol primario, al árbol secundario, al diferencial, y al las ruedas del vehículo.
De este modo la energía eléctrica procedente de los sistemas de almacenamiento de energía puede ser transformada en energía mecánica en el motor eléctrico y ser utilizada para la tracción del vehículo. En estas circunstancias el vehículo funcionará como un vehículo eléctrico.
Un motor de combustión interna puede estar instalado unido o próximo a la caja de transmisión, y en en el lado opuesto al del embrague doble.
En el modo generador, el motor de combustión interna transmite el par motor al árbol primario de la caja de transmisión al que está acoplado a través del estriado. Este árbol primario posee un engranaje que engrana con el engranaje del árbol secundario o hueco y al que le transmite el par. El embrague correspondiente a este árbol se cierra y puede transmitir el par a través del eje de entrada del embrague doble, al eje del generador eléctrico.
El árbol secundario exterior, hueco, tiene un engranaje que está engranado al engranaje de un árbol primario. Éste árbol primario, está acoplado mediante estriado interno, al estriado del árbol de un motor de de combustión interna instalado junto a la caja de transmisión.
De este modo se puede transmitir la energía mecánica generada por el motor de combustión interna para que el generador la transforme en energía eléctrica. En estas circunstancias el vehículo funcionará como vehículo híbrido en serie, siendo la energía eléctrica generada utilizada para alimentar un motor, o motores instalados, y también servirá para recargar los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica.
Mediante este mecanismo se implementan dos cadenas cinemáticas o vías de transmisión diferenciadas, que posibilitan que el generador eléctrico acoplado a un motor de combustión interna perteneciente a un vehículo híbrido en serie, sea desacoplado del motor de combustión interna y acoplado a la transmisión del vehículo para poder ser operado como motor.
Mediante unas levas o palanca de cambio, el conductor puede seleccionar la acción del generador, punto neutro, o la acción del motor eléctrico. La operación también puede ser programada para que sea completamente automática; de manera que el vehículo pueda funcionar en modo eléctrico o híbrido; dependiendo del estado de carga de las baterías, de las condiciones de la marcha del vehículo y de los requerimientos que realice el conductor con los pedales de acelerador y freno.
Cuando el motor-generador eléctrico acoplado al mecanismo funciona en el modo motor eléctrico, el funcionamiento es igual que el del motor eléctrico principal, y recibe las órdenes de su correspondiente controlador de motor.
El controlador de motor recibe información de: posición del interruptor marcha-paro, interruptor marcha adelante-marcha atrás, posición del pedal de acelerador, pedal de freno, freno de estacionamiento, mando de freno regenerativo. Además puede recibir órdenes provenientes de sistemas activos y pasivos relativos a la estabilidad y tracción del vehículo, como los que son instalados en los vehículos de hoy en día.
Cuando el motor-generador funciona en modo generador es controlado por el sistema propio de gestión del generador y que se rige de acuerdo con los algoritmos desarrollados y que se hayan ensamblados en el esquema de control que regula el flujo de energía del generador, la línea de interconexión de corriente continua, el sistema de almacenamiento de energía, y el motor eléctrico principal.
La velocidad de operación del embrague doble es del orden de milisegundos. Esta altísima velocidad de funcionamiento permite realizar la operación de cambio de modo de generador a modo motor en cuestión de milisegundos. Con mayor velocidad que la requerida para realizar un cambio de velocidad en un vehículo convencional. Cuando se realiza el cambio del modo de generador al modo de motor eléctrico se conmuta el circuito de control de manera que el controlador reciba la información de posición de los pedales de acelerador, freno, y sentido de la marcha. Esta provisión asegura una entrega de potencia de forma suave y rápida. Permite diseñar un vehículo híbrido eléctrico en serie en el que el motor eléctrico principal no esté sobredimensionado, si no que sea instalado un motor eléctrico de acuerdo con criterios de potencia media necesaria, y no con criterios de potencia de pico puntual.
El cambio de modo motor eléctrico a modo generador eléctrico no es imprescindible que sea realizado rápidamente. Puede realizarse con el motor de combustión interna en marcha o estando parado, y utilizar el motor-generador como motor de arranque del motor de combustión interna. Una vez alcanzado el régimen de funcionamiento, se procede con la operación normal como generador eléctrico.
Una de las ventajas de la implantación del mecanismo en un vehículo híbrido en serie es que se transmite el par motor producido por el motor-generador eléctrico a las ruedas de uno de los ejes del vehículo. El motor eléctrico principal del vehículo híbrido en serie transmite el par motor a las ruedas del otro eje. De esta manera cuando se desee se podrá tener tracción en todos los ejes, o tracción integral.
Este sistema tiene la ventaja de que la transmisión puede ser más ligera y sencilla de fabricación. Pueden ser varios los motores eléctricos instalados, como en el caso de que haya más de dos ejes, o que sean motores eléctricos instalados directamente en las
ruedas.
Puede haber un modo de funcionamiento en el que se cierre el embrague que permite la transmisión desde el motor-generador a las ruedas, pero sin que se energice eléctricamente el motor; de manera que el rotor del motor pueda girar libre de cargas, movido por el giro de las ruedas con el movimiento del vehículo. En este modo cuando se frene el vehículo se podrá aprovechar también este motor-generador en modo regenerador y aprovechar la energía cinética en la desaceleración. Cuando se desee se podrá energizar de nuevo este motor eléctrico. En este modo se podrá conectar también un sistema activo de control de tracción para aumentar la estabilidad, a la vez que se mantiene una economía de marcha.
La interconexión eléctrica entre los diferentes elementos o módulos del vehículo se realiza según el esquema usado en los vehículos híbridos en serie. El generador alimenta una línea de corriente continua a través del inversor y convertidor correspondiente. A la línea de corriente continua están conectados: el conjunto de baterías mediante los convertidores de doble sentido, y el paquete de ultracapacitadores mediante su correspondiente convertidor de doble sentido. El motor eléctrico principal del vehículo se encuentra conectado a la línea mediante el convertidor y el inversor.
La utilización de una combinación de ultracapacitores y baterías en el sistema de almacenamiento de energía de este tipo de vehículo permite obtener un máximo rendimiento energético, y aprovechar las ventajas que aporta la invención. Los ultracapacitores, permiten aprovechar la energía recuperada durante las desaceleraciones, y también absorber los excesos de energía que pueda producir el generador. Cuando existe una demanda de alta potencia y el vehículo es utilizado en modo eléctrico con los dos motores, los ultracapacitores son el elemento ideal para proporcionar esa elevada demanda de picos o crestas de potencia. Las baterías, por el contrario, actúan como almacenes de energía y la aportan o reciben en las condiciones normales de utilización.
El hecho de conectar las baterías a la línea mediante convertidores de doble sentido, y la utilización del mecanismo objeto de la presente invención, puede permitir la reducción de las dimensiones del sistema de almacenamiento de energía de un vehículo híbrido en serie. El sistema de almacenamiento de energía eléctrica del vehículo provisto del mecanismo inventado podrá ser diseñado atendiendo a tas necesidades medias de energía eléctrica, y no de acuerdo a las demandas puntuales de crestas de potencia. Ello permite reducir considerablemente el peso y el volumen del sistema de almacenamiento de energía eléctrica de un vehículo híbrido en serie.
La transferencia de energía en el vehículo se realiza a través de la línea de interconexión de corriente continua. Se controla y mantiene el voltaje en la línea. Para ello se crean algoritmos para controlar al sistema de almacenamiento de energía con los convertidores de corriente continua de doble sentido. Se crean también algoritmos que controlarán la transferencia de energía a través de la línea. Hay diferentes métodos de control de la transferencia de energía entre el generador y el motor eléctrico; desde el más simple en el que el motor de combustión interna del generador eléctrico funciona solamente a las revoluciones de máxima eficiencia o mínimo consumo, hasta otros más complejos en los que el control del generador eléctrico se realiza teniendo en cuenta parámetros relativos al estado de carga de las baterías, demanda de potencia realizada por el conductor, o incluso modelos de funcionamiento programables atendiendo a parámetros tales como el trayecto que se va a realizar. Esto dependerá del modelo de vehículo en el que se instale el mecanismo objeto de la presente invención.
La utilización del mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie presenta las siguientes ventajas:
Permite la reducción de las dimensiones del motor eléctrico instalado en un vehículo híbrido eléctrico en serie. Menor tamaño y peso. Menor potencia necesaria.
Permite la reducción de las dimensiones del generador eléctrico instalado en un vehículo híbrido eléctrico en serie. Menor tamaño y peso. Menor potencia necesaria.
Permite la reducción de las dimensiones del motor de combustión interna instalado en un vehículo híbrido eléctrico en serie. Menor tamaño y peso. Menor potencia necesaria.
Permite la reducción de las dimensiones del sistema de almacenamiento de energía instalado en un vehículo híbrido eléctrico en serie. Menor tamaño y peso. Menor Capacidad necesaria.
Permite la reducción del consumo de energía de un vehículo híbrido eléctrico en serie.
Permite el incremento del espacio útil en un vehículo híbrido eléctrico en serie.
La experiencia y los ciclos de conducción estandarizados en Europa, Japón, y E.E.U.U., demuestran que, en circunstancias normales, un vehículo de turismo medio no necesita emplear más de 40 kilowatios de potencia. Los vehículos de turismo existentes en la actualidad, utilizan motores sobredimensionados intencionadamente para cumplir con las exigencias del mercado. En algunas ocasiones, cinco o más veces la potencia citada.
Caso hipotético
A. Si deseamos fabricar un vehículo de turismo híbrido eléctrico en serie le deberemos instalar un motor eléctrico con una potencia mínima que le permita acelerar de acuerdo con las expectativas del mercado, aunque después no emplee esa elevada potencia, o lo haga en muy contadas ocasiones. Si en el supuesto turismo instalamos un motor, supongamos de 100 kilowatios, le podemos instalar un generador de aproximadamente 100 kilowatios, y el motor de combustión interna deberá de poder desarrollar los 100 kilowatios que requiere la operación del generador eléctrico. El sistema de almacenamiento de energía puede estar dimensionado de acuerdo a las características particulares del vehículo, y de acuerdo a la potencia instalada y el consumo de energía del vehículo.
B. Si diseñamos el vehículo anterior, pero con un motor eléctrico de 50 kilowatios, y lo dotamos con el mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie, podremos también dotar al vehículo de un generador de 50 kilowatios. Se puede dotar al vehículo con un sistema de almacenamiento de energía acorde con el consumo y ta potencia instalada. El vehículo así diseñado operará normalmente con el motor de 50 kilowatios y cuando sea requerido lo hará con dos motores de 50 kilowatios. El vehículo así diseñado puede superar en prestaciones al vehículo de A de un solo motor de 100 kilowatios.
El vehículo citado en B puede ser más ligero, y tener mejores prestaciones en aceleración, velocidad punta, consumo, autonomía y alcance, que el vehículo citado en B. Además puede disponer de un mayor espacio útil para ocupantes y equipaje. Puede ser más económico de fabricación, consumir menos y la operación del mismo más económica.
Descripción de las figuras
El dibujo de la figura 1 es una representación con vista lateral esquemática de una posible realización de la invención. La figura representa un mecanismo apto para ser instalado en sentido transversal.
En (1) se representa una sección del motor-generador eléctrico, (2) es el embrague doble, (3) es la caja de transmisión, y (4) es la representación de una sección del bloque motor de un motor de combustión interna.
El eje (5) del motor-generador eléctrico está acoplado mediante el estriado al eje (6) de entrada del embrague doble. El embrague doble está provisto de dos embragues independientes (7) y (8).
La caja de transmisión consta de dos árboles coaxiales (9), y (10). El árbol (9) es hueco y está acoplado al eje del embrague (7). El árbol (10) es macizo y está acoplado al eje del embrague (8). Ambos árboles pueden girar independientemente el uno del otro.
Mediante la caja de transmisión y el embrague doble se implementan dos cadenas cinemáticas distintas:
Cadena cinemática del generador eléctrico: El árbol (14) del motor de combustión interna se acopla a través de su estriado con el árbol primario (13) de la caja de transmisión. El engranaje (12), está engranado al engranaje (11).
Cuando se cierra el embrague (7), se puede transmitir el par motor, desde el árbol (14) del motor de combustión interna, a través del árbol (13), el árbol (9), el embrague (7), el eje (6) del embrague doble, al eje (5) del generador (1).
Cadena cinemática del motor eléctrico: El engranaje (15) está engranado con el engranaje (16) del árbol secundario (17). Este árbol (17) tiene incorporado el engranaje (18) que engrana con la corona del diferencial (19).
Cuando se cierra el embrague (8), se puede comunicar el par motor desde el eje (5) del motor eléctrico, a través del eje (6) del embrague doble, el embrague (8), el árbol (10) con su engranaje (15), el engranaje (16) del árbol (17), y el engranaje (18) del grupo cónico del diferencial (19).
(20) Representa una de las ruedas generadoras de impulsos, instaladas en los árboles de la caja de transmisión, para excitar los sensores Hall.
El dibujo de la figura 2 es una representación esquematizada de un modelo de una posible instalación del mecanismo en un vehículo híbrido en serie. En este caso el mecanismo ha sido instalado en el eje delantero en posición transversal.
El generador motor es (1), la caja de transmisión es (2), y el motor de combustión interna es (3).
(4) representa el convertidor inversor del generador-motor.
(5) representa la línea de interconexión de corriente continua.
(6) representa el módulo de baterías.
(7) representa el grupo o paquete de ultracapacitores.
(8) representa el convertidor-inversor del motor principal.
(9) representa el motor eléctrico principal del vehículo.
(10) representa el diferencial del eje trasero del vehículo.
Cuando se selecta el modo motor, el motor eléctrico (1) puede proporcionar el par motor a las ruedas del eje al que está acoplado mediante el mecanismo (2). El sistema de almacenamiento de energía formado por las baterías (6), y los ultracapacitores (7), proporcionan la energía eléctrica al motor eléctrico principal (9) y/o el motor eléctrico (1), mediante la línea de interconexión de corriente continua (5), y los respectivos convertidores-inversores (8) y (4). El funcionamiento entonces es igual al de un vehículo eléctrico.
Cuando se seleccione un modo de regeneración en la desaceleración del vehículo se podrá aprovechar la energía cinética y transformarla en eléctrica para recargar los sistemas de almacenamiento de energía mediante los motores-generadores (1) y/o (9), los inversores-convertidores (4) y/o (8), la línea de interconexión (5), los ultracapacitores (6), y las baterías (7).
Cuando se selecta el modo generador eléctrico, el motor de combustión interna (3) proporciona la energía mecánica al generador eléctrico (1) mediante la caja de transmisión (2). La energía eléctrica pasa a través del inversor-convertidor (4) a ta línea de interconexión de corriente continua (5). A través de la línea de interconexión de corriente continua se alimenta al motor eléctrico principal y al sistema de almacenamiento de energía. El funcionamiento entonces es el de un vehículo híbrido en serie.
El dibujo de la figura 3 representa el esquema de una posible realización del mecanismo. Apto para la instalación longitudinal del mecanismo.
(1) representa el motor eléctrico.
(2) representa el embrague doble.
(3) representa el árbol coaxial exterior hueco.
(4) representa el árbol primario interior. Dispone de un estriado para ser acoplado a un árbol de transmisión y al diferencial de un eje de ruedas del vehículo.
(5) representa un árbol secundario del tren de engranajes de la transmisión entre el motor de combustión interna (7), y el generador eléctrico (1).
(6) representa un árbol secundario que se puede acoplar al eje (7) del motor de combustión interna.
(7) representa una sección del eje o árbol de un motor de combustión interna.
El dibujo de la figura 4 representa el mecanismo para ser instalado longitudinalmente en un vehículo, y en el que la transmisión entre el motor de combustión interna y el generador eléctrico se realiza mediante correa dentada.
(1) representa el motor-generador eléctrico.
(2) representa el embrague doble.
(3) representa el árbol coaxial exterior hueco.
(4) representa el árbol coaxial interior, Es árbol primario. Dispone de un estriado para ser acoplado a un árbol de transmisión y al diferencial de un eje de ruedas del vehículo.
(5) representa el conjunto de poleas y correa dentada.
(6) representa el árbol que se puede acoplar al motor de combustión interna.
En la figura 5 se representa el mecanismo en el que la transmisión del motor eléctrico a las ruedas del vehículo, y la transmisión del motor de combustión interna al generador eléctrico se realiza mediante correas dentadas.
(1) representa el motor eléctrico.
(2) representa el embrague doble.
(3) representa el árbol coaxial exterior hueco.
(4) representa las poleas pertenecientes al árbol primario coaxial interior macizo, y árbol secundario de la transmisión del motor eléctrico a un eje de ruedas del vehículo.
(5) representa las poleas pertenecientes al árbol coaxial exterior secundario y al árbol primario que se puede acoplar al eje del motor de combustión interna, para la trasmisión entre el motor de combustión interna y el generador eléctrico.

Claims (7)

1. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie. Comprende un generador-motor eléctrico, un embrague doble, una caja de transmisión y un motor de combustión interna.
Mediante la caja de transmisión y el embrague doble se pueden implementar dos cadenas cinemáticas de distinta dirección.
El eje de un motor-generador eléctrico se acopla al eje de entrada de un embrague doble, y son solidarios en el giro. El embrague doble posee dos embragues independientes cuyos ejes son coaxiales.
El embrague doble está unido a una caja de transmisión por el lado opuesto al del generador-motor eléctrico, o lado de salida del embrague doble.
La caja de transmisión contiene dos árboles coaxiales. Cada uno de los árboles coaxiales está acoplado mediante su estriado a un eje de embrague del embrague doble. A cada árbol le corresponde un embrague. Los árboles son independientes y pueden girar libremente el uno del otro.
El árbol primario interior tiene un engranaje que engrana con el engranaje de un árbol secundario que a su vez posee un engranaje que engrana con la corona de diferencial de un eje de ruedas del vehículo. Cuando se cierra el embrague correspondiente al árbol primario interior, se puede transmitir el par motor del motor eléctrico a las ruedas del vehículo.
El árbol secundario exterior tiene un engranaje que está engranado al engranaje de un árbol primario. Este árbol primario puede estar acoplado mediante su estriado al árbol motor o eje de un motor de combustión interna. Cuando se cierra el embrague correspondiente al árbol secundario exterior, el motor de combustión interna puede transmitir el par motor al generador-motor eléctrico para generar energía eléctrica.
Alternativamente, se puede diseñar la caja de transmisión para que los árboles coaxiales interior o exterior formen parten de la cadena cinemática del generador o la cadena cinemática del generador. Siendo ello una cuestión particular de cada diseño.
Conectando un embrague se puede seleccionar la operación del generador eléctrico, conectando el otro embregue se puede seleccionar la operación del motor eléctrico, se puede selectar o un modo neutro en el que los dos embragues estén desconectados, caracterizado porque la caja de transmisión utiliza trenes de engranajes para implementar las dos cadenas cinemáticas. Una formada por el motor de combustión interna-caja de transmisión-embrague doble-generador eléctrico, y la otra formada por el motor eléctrico-embrague doble-caja de transmisión-diferencial.
2. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según la reivindicación 1, caracterizado por utilizar un embrague con discos a presión de aceite, bomba de presión eléctrica y circuito hidráulico correspondiente. Los embragues dobles a presión de aceite disponibles hoy en día pueden trabajar con un par motor más elevado que los embragues dobles de discos en seco.
3. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la transmisión del par motor del motor eléctrico al diferencial del vehículo se realiza a través del árbol primario coaxial interno. Este árbol primario posee un estriado que se puede acoplar a un árbol de transmisión que está acoplado al diferencial de uno de los ejes de ruedas del vehículo.
4. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie, según las reivindicaciones 1, 2, y 3, caracterizado porque la transmisión entre el eje del motor de combustión interna y el eje del generador eléctrico se realiza mediante una correa dentada. Las poleas de la correa dentada están instaladas en el árbol coaxial exterior y en el árbol primario que se puede acoplar al eje del motor de combustión interna.
5. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según las reivindicaciones 1, 2, 3, y 4, caracterizado porque la transmisión entre el eje del motor de combustión interna y el eje del generador eléctrico se realiza mediante una cadena de transmisión. Las coronas de la cadena están instaladas en el árbol coaxial exterior y en el árbol primario que se puede acoplar al eje del motor de combustión interna.
6. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, y 5, caracterizado porque la transmisión del par motor desde el motor de combustión interna al generador eléctrico, y desde el motor eléctrico a la transmisión del vehículo se realiza mediante correas dentadas. Las poleas para las correas están instaladas en los árboles coaxiales y en los árboles que se acoplan respectivamente al eje del motor de combustión interna y al árbol secundario que se acopla al árbol de la transmisión al diferencial del vehículo.
7. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, y 6, caracterizado porque la transmisión del par motor desde el motor de combustión interna al generador eléctrico, y desde el motor eléctrico a la transmisión del vehículo se realiza mediante cadenas. Las coronas de las cadenas están instaladas en los árboles coaxiales y en los árboles que se acoplan respectivamente al eje de combustión interna, y al árbol secundario que se acopla al árbol de la transmisión del vehículo.
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