MD1632Z - Transmisie electrică pentru vehiculul hibrid - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la construcţia de maşini, şi anume, la transmisii electrice pentru vehicule hibride.Transmisia, conform invenţiei, conţine un motor-generator sincron (1), care este unit cu un motor cu ardere internă (3) printr-o transmisie mecanică demultiplicatoare (19), şi cu un motor-generator sincron de tracţiune (7). Bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului (1) sunt conectate la intrarea unui comutator electronic (21), iar bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului sincron de tracţiune (7) sunt conectate la intrarea unui comutator electronic (22). Terminalele comutatoarelor electronice (21) şi (22) sunt conectate între ele, la invertorul de curent (11) şi la un redresor de control (23) al curentului alternativ pentru încărcarea acumulatorului (4) de la motor-generatorul sincron (1) sau de la motor-generatorul sincron de tracţiune (7). Transmisia mai conţine un bloc de comandă (16) al transmisiei electrice a vehiculului hibrid, un bloc de comandă (17) al motorului cu ardere internă (3) şi un bloc de comandă (18) al vehiculului hibrid.

Description

Invenţia se referă la construcţia de maşini, şi anume, la transmisii electrice pentru vehicule hibride.

Dispozitivul propus permite funcţionarea motorului cu ardere internă a unui vehicul hibrid nu numai la viteză constantă, ceea ce exclude ralantiul, reduce consumul de combustibil şi transferul turaţiilor motorului cu ardere internă. Acestea sunt reduse, utilizând un reductor pentru a controla frecvenţa curentului rotorului motor-generatorului sincron, care permite generarea unui curent variabil pentru a alimenta motor-generatorul sincron de tracţiune şi pentru a asigura o gamă largă de modificări ale vitezei pentru toate modurile de funcţionare ale vehiculului hibrid de la pornire până la deplasarea cu viteză maximă potrivită.

Un vehicul hibrid este un vehicul care utilizează energia mai multor surse, inclusiv o baterie de acumulatoare pentru a roti roţile. Vehiculele hibride precum HEV (hybrid electric vehicle) şi PHEV (plug-in hybrid electric vehicle) există de mulţi ani. O mulţime de HEV-uri pot fi văzute astăzi pe drumuri, deoarece sunt destul de răspândite, acestea sunt utilizate pe şine, mări şi în aer. Potrivit Agenţiei Internaţionale pentru Energie (IEA) Global EV Outlook 2019, numărul vehiculelor electrice şi hibride în 2018 a depăşit 5,1 milioane, cu două milioane mai mult decât în 2017. Necesitatea majorării eficienţei şi reducerii emisiilor dăunătore, continuă să stimuleze creşterea sectorului pieţei HEV, precum şi sporirea tehnologiilor sofisticate spre modernizare continuă dictată de creşterea cererii faţă de sistemele HEV. Astfel, îmbunătăţirea HEV în sistemele integrate este esenţială nu numai în industria auto, dar şi în celelalte sectoare de transport (Hau K. T., Electric Vehicles Machines and Drives Design, Analisis and Application John Wiley & Sons Singapore Pte., Ltd., 2015, p. 400). De asemenea, un vehicul hibrid poate recupera energia cinetică în timpul frânării, reducând suplimentar consumul de combustibil (Chris Mi, Abul Masrur, Hybrid Electric Vehicles. Principles and Applications with Practical Perspectives, John Wiley & Sons Ltd, US, 2018, p. 567).

Pentru a regenera energia cinetică a vehiculului în timpul frânării, se foloseşte un motor-generator sincron, care se referă la o maşină electrică reversibilă. Vehiculele hibride utilizează un motor-generator sincron ca generator de energie pentru motorul cu ardere internă şi ca motor pentru pornirea motorului cu ardere internă. În vehiculele hibride, de la surse de energie se transferă energia către roţi prin diferite convertoare de curent. În timpul funcţionării acestor sisteme, fiecare conversie de energie are o eficienţă mai mică de 100% şi, prin urmare, pierderile de energie apar pe tot parcursul procesului. De aceea, sunt necesare tehnologii, sisteme şi metode care vor micşora dimensiunea componentelor şi vor reduce pierderile de energie prin utilizarea între componente a conexiunilor electrice directe.

Este cunoscut un dispozitiv de transmisie a energiei pentru vehicul hibrid, care conţine un motor cu ardere internă, un motor electric, şi un dispozitiv de transmitere a puterii dotat cu un arbore de ieşire al motorului cu ardere internă, activat de puterea motrice a motorului cu ardere internă; un prim arbore de intrare principal, care este amplasat paralel cu arborele de ieşire al motorului cu ardere internă şi unit cu acesta printr-un dispozitiv principal de blocare; un prim arbore de intrare secundar, care este amplasat coaxial cu primul arbore de intrare principal şi unit cu acesta printr-un prim dispozitiv de blocare; un al doilea arbore de intrare secundar, care este amplasat coaxial cu primul arbore de intrare principal şi unit cu acesta printr-un al doilea dispozitiv de blocare; un arbore de ieşire, care este amplasat paralel cu primul arbore de intrare principal şi unit cu primul arbore de intrare secundar, totodată fiind unit şi al doilea arbore secundar de intrare, printr-o pereche de roţi dinţate, care transmit puterea motrice către unitatea antrenată; dispozitivul de transmitere a puterii mai conţine un mecanism de frânare, care este amplasat astfel încât să poată roti primul, al doilea şi al treilea element rotativ diferenţial unul faţă de celălalt. Primul element rotativ este conectat la primul arbore de intrare principal şi la motorul electric. Al doilea element rotativ este conectat la primul arbore secundar de intrare. Al treilea element rotativ este conectat la un mecanism de blocare; cel de-al doilea element rotativ primeşte puterea motrice transmisă de la primul element rotativ şi puterea motrice transmisă de la cel de-al treilea element rotativ şi le transmite către arborele de ieşire [1].

Dezavantajele acestei soluţii tehnice constau în aceea că în transmiterea energiei de la motorul cu ardere internă la motorul electric, mecanismul de transmitere a puterii este utilizat pentru a modifica raportul de transmitere, mecanismul de frânare şi ambreiajul, fapt ce măreşte costul dispozitivului de transmitere a puterii, creşte numărul de piese aflate în mişcare, şi, în consecinţă, reduce fiabilitatea şi conduce la pierderi de energie în cuplaje şi în mecanismul de frânare.

Este cunoscut un sistem de control al motorului electric, un vehicul hibrid de serie, un dispozitiv de control al motorului electric şi o metodă de control al motorului electric, care include un generator, un motor de curent alternativ, un convertor de putere pentru acţionarea motorului de curent alternativ, care utilizează o tensiune de ieşire continuă a generatorului şi un controler de motor electric pentru supravegherea convertorului de putere; şi un motor pentru acţionarea generatorului menţionat, în care respectiva tensiune de ieşire este dependentă de viteza motorului menţionat, iar controlorul motorului menţionat estimează fluxul magnetic ce include o componentă determinată de axa fluxului magnetic, care utilizează o valoare de tensiune de ieşire prevăzută, ce prezice o modificare a tensiunii de ieşire menţionate, determină comanda de curent bazată pe cuplul dintre comandă şi fluxul magnetic estimat menţionat şi controlează convertorul de putere menţionat la comanda de curent menţionată [2].

Dezavantajele acestei soluţii constau în aceea că este utilizat generatorul de curent continuu, care este mai scump şi are o fiabilitate joasă, în plus, la deplasarea vehiculului, este necesară convertirea întregului flux de energie electrică utilizând redresoare şi invertoare. De asemenea, modul de utilizare a transferului direct de energie de la primul dispozitiv electric (generator) la al doilea dispozitiv electric (motor de tracţiune), care este controlat prin schimbarea numărului de rotaţii ale motorului cu ardere internă, nu permite lucrul motorului cu rotaţii constante ci cu puteri maxime, ceea ce reduce eficienţa motorului şi creşte pierderile de energie, iar modul de conversie a energiei generatorului, utilizând un invertor, puterea căruia corespunde cu puterea generatorului creşte costul dispozitivului pentru conversia energiei generatorului.

Cea mai apropiată soluţie tehnică este vehiculul hibrid şi metoda de control a acestuia, care conţine un motor-generator sincron cu înfăşurare de excitare pe rotor, care este dotat cu un traductor de poziţie şi unit cu un motor cu ardere internă, totodată motor-generatorul comunică cu un acumulator de înaltă tensiune, dotat cu un senzor de curent şi cu un senzor de tensiune. Motor-reductorul comunică cu un motor-generator sincron de tracţiune cu magneţi permanenţi pe rotor, care este dotat cu senzori de curent şi cu un traductor de poziţie, şi este unit printr-o transmisie principală cu roţile vehiculului hibrid; un invertor de curent al acumulatorului, care este conectat la motor-generatorul sincron de tracţiune, iar la motor-generatorul sincron este conectat un invertor de curent al acumulatorului pentru alimentarea înfăşurării de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron; un redresor de control al curentului alternativ al unei surse de alimentare exterioare pentru încărcarea acumulatorului, intrarea căruia este conectată la o sursă de alimentare exterioară a vehiculului hibrid, iar ieşirea lui - la acumulatorul de înaltă tensiune, sursa fiind dotată cu un senzor de tensiune; un dispozitiv auxiliar pentru determinarea nivelului de încărcare al acumulatorului. Transmisia mai conţine un bloc de comandă al transmisiei electrice a vehiculului hibrid, un bloc de comandă al motorului cu ardere internă, şi un bloc de comandă al vehiculului hibrid [3].

Dezavantajele soluţiei tehnice cunoscute constau în aceea că dispozitivul dat, cu ajutorul redresoarelor şi invertoarelor converteşte întregul flux de energie electrică pentru deplasarea vehiculului, suportând pierderi mari în timpul conversiei de energie, precum şi preţuri de cost mari a convertoarelor de energie.

În dispozitivele tehnice descrise mai sus, se utilizează o schemă de transfer a energiei acceptată în general pentru vehiculele hibride, în care energia mecanică a motorului cu ardere internă este transmisă alternatorului şi transformată în energie electrică, apoi energia prin redresoarele statore, este convertită în curent continuu, care sunt utilizate pentru alimentarea cheilor electronice ale invertoarelor, şi care, la rândul lor, se deschid şi se închid conform semnalelor unităţii de control a transmisiei electrice a vehiculului hibrid, astfel încât acestea să formeze impulsuri de curent de durată diferită, care se adaugă la curbele sinusoidale rezultate şi sunt utilizate pentru a acţiona un motor de tracţiune, al cărui potenţial este transmis la roţile vehiculului.

Transferul energiei de la motorul cu ardere internă la roţile vehiculului, care are loc în transmisia electrică prin conversia energiei mecanice în energie electrică şi invers, este însoţit de pierderi de energie, în principal în timpul transformării parametrilor energiei electrice. Redresoarele statice la tensiuni de sute de volţi au o eficienţă ridicată - 0,98 ... 0,99, dar eficienţa invertoarelor depinde de sarcină, care de obicei nu depăşeşte 90% (Don Knowles, Understand Efficiency Ratings Before Chosing An AC-DC Supply, USA, 2013.02.26, https://www.electronicdesign.com/power-management/article/21795830/understand-efficiency-ratings-before-choosing-an-acdc-supply).

În plus, în sursele tehnice descrise mai sus, la transmisiile electrice, sunt utilizate elemente mecanice suplimentare pentru a controla transferul energiei, cum ar fi frânele, ambreiajele şi angrenajele planetare, care sunt surse suplimentare de pierderi de energie şi reduc fiabilitatea transmisiei.

Problema pe care o rezolvă invenţia constă în reducerea pierderilor de energie, în transmisia electrică pentru vehiculul hibrid, la transferul energiei de la motorul cu ardere internă către roţile de tracţiune a vehiculului hibrid, precum şi reducerea costului de implementare a transmisiei electrice pentru vehiculul hibrid.

Transmisia electrică pentru vehiculul hibrid, conform invenţiei, înlătură dezavantajele menţionate mai sus prin aceea că conţine un motor-generator sincron cu înfăşurare de excitare pe rotor, care este dotat cu un traductor de poziţie şi unit cu un motor cu ardere internă, totodată motor-generatorul comunică cu un acumulator de înaltă tensiune, dotat cu un senzor de curent şi cu un senzor de tensiune. Motor-reductorul comunică cu un motor-generator sincron de tracţiune cu magneţi permanenţi pe rotor, care este dotat cu senzori de curent şi cu un traductor de poziţie, şi este unit printr-o transmisie principală cu roţile vehiculului hibrid; un invertor de curent al acumulatorului, care este conectat la motor-generatorul sincron de tracţiune, iar la motor-generatorul sincron este conectat un invertor de curent al acumulatorului pentru alimentarea înfăşurării de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron; un redresor de control al curentului alternativ al unei surse de alimentare exterioare pentru încărcarea acumulatorului, intrarea căruia este conectată la o sursă de alimentare exterioară a vehiculului hibrid, iar ieşirea lui - la acumulatorul de înaltă tensiune, sursa fiind dotată cu un senzor de tensiune; un dispozitiv auxiliar pentru determinarea nivelului de încărcare al acumulatorului. Transmisia mai conţine un bloc de comandă al transmisiei electrice a vehiculului hibrid, un bloc de comandă al motorului cu ardere internă, şi un bloc de comandă al vehiculului hibrid. Inventorul de curent al acumulatorului este conectat suplimentar la motor-generatorul sincron. Arborele de ieşire al motorului cu ardere internă este unit mecanic cu arborele de intrare al unei transmisii mecanice demultiplicatoare, arborele de ieşire al căreia este unit mecanic cu arborele rotorului motor-generatorului sincron, bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului fiind conectate electric la intrarea unui comutator electronic pentru declanşarea motor-generatorului sincron, totodată bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului sincron de tracţiune sunt conectate electric la intrarea unui comutator electronic pentru declanşarea motor-generatorului sincron de tracţiune, terminalele comutatoarelor electronice fiind conectate electric între ele şi fiind conectate electric la invertorul de curent şi la un redresor de control al curentului alternativ pentru încărcarea acumulatorului de la motor-generatorul sincron sau de la motor-generatorul sincron de tracţiune.

Rezultatul tehnic al invenţiei constă în micşorarea a consumului de energie a invertorului de curent de frecvenţă joasă al acumulatorului, care este utilizat pentru a controla fluxul de energie în timpul transferului acestui flux de energie către motor-generatorul sincron de tracţiune de la motorul cu ardere internă al vehiculului hibrid.

Particularităţile invenţiei permit reducerea pierderilor de energie în transmisia electrică pentru vehiculul hibrid şi reducerea costului de implementare a acesteia, datorită faptului că invertorul de curent este utilizat pentru a controla cuplul roţilor vehiculului hibrid, care este conectat la înfăşurarea de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron şi, în consecinţă, o cantitate mică de energie este convertită în energie electrică.

Invenţia se explică prin desenul din figură, care reprezintă vederea generală a transmisiei electrice pentru vehiculul hibrid, şi cuprinde: 1- motor-generator sincron cu înfăşurare de excitare pe rotor; 2 - traductor de poziţie al rotorului motor-generatorului sincron; 3 - motor cu ardere internă; 4 - acumulator de înaltă tensiune; 5 - senzor de curent al acumulatorului de înaltă tensiune; 6 - senzor de tensiune al acumulatorului de înaltă tensiune; 7 - motor-generator sincron de tracţiune cu magneţi permanenţi pe rotor; 8 - senzori de curent al motor-generatorului sincron de tracţiune; 9 - traductor de poziţie al motor-generatorului sincron de tracţiune; 10 - transmisie principală; 11 - invertor de curent al acumulatorului; 12 - redresor de control al curentului alternativ al sursei de alimentare exterioare pentru încărcarea acumulatorului; 13 - sursă de alimentare exterioară a vehiculului hibrid; 14 - senzor de tensiune al sursei de alimentare exterioare; 15 - dispozitiv auxiliar pentru determinarea nivelului de încărcare al acumulatorului de înaltă tensiune; 16 - bloc de comandă al transmisiei electrice a vehiculului hibrid; 17 - bloc de comandă al motorului cu ardere internă; 18 - bloc de comandă al vehiculului hibrid; 19 - transmisie mecanică demultiplicatoare; 20 - invertor de curent al bateriei de înaltă tensiune pentru alimentarea înfăşurării de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron; 21 - comutator electronic pentru declanşarea motor-generatorului sincron; 22 - comutator electronic pentru declanşarea motor-generatorului sincron de tracţiune; 23 - control al curentului alternativ pentru încărcarea acumulatorului.

Transmisia electrică pentru vehiculul hibrid, conform invenţiei conţine:

motor-generatorul sincron 1 cu înfăşurare de excitare pe rotor, dotat cu traductorul de poziţie 2 al rotorului motor-generatorului sincron 1;

motorul cu ardere internă 3 (prima sursă de energie a vehiculului hibrid);

acumulatorul de înaltă tensiune 4 (a doua sursă de alimentare a vehiculului hibrid), dotat cu senzorul de curent 5 şi cu senzorul de tensiune 6;

motor-generatorul sincron de tracţiune 7 cu magneţi permanenţi pe rotor, dotat cu senzori de curent 8, şi cu traductorul de poziţie 9 şi este unit printr-o transmisie principală 10 cu roţile vehiculului hibrid;

invertorul de curent 11 al acumulatorului 4, pentru alimentarea motor-generatorului sincron de tracţiune 7 şi motor-generatorului sincron 1 la pornirea motorului cu ardere internă 3;

redresorul de control 12 al curentului alternativ al unei surse de alimentare exterioare pentru încărcarea acumulatorului 4 de la sursa de alimentare exterioară 13, care este dotată cu senzorul de tensiune 14;

dispozitivul auxiliar 15 pentru determinarea nivelului de încărcare al acumulatorului 4;

blocul de comandă 16 al transmisiei electrice a vehiculului hibrid în care sunt procesate semnalele de la traductorii de poziţie 2 şi 9, senzorii de curent 5 şi de tensiune 6, senzorii de curent 8, semnalele care deschid şi închid cheile electronice pentru invertoarele de curent 11 şi 20 pentru comutatoarele electronice 21 şi 22 şi pentru redresorul de control 23 al curentului alternativ;

blocul de comandă 17 al motorului cu ardere internă 3;

blocul de comandă 18 al vehiculului hibrid, în care sunt procesate semnalele de la senzorul de curent 5 şi de tensiune 6; sursa de alimentare exterioară 13 generează semnale care controlează dispozitivul auxiliar 15, blocurile de comandă 16, 17 şi 18, care deschid şi închid cheile electronice ale redresorului de control 12.

Inventorul de curent 11 al acumulatorului 4 este conectat suplimentar la motor-generatorul sincron 1. Arborele de ieşire al motorului cu ardere internă 3 este unit mecanic cu arborele de intrare al transmisiei mecanice demultiplicatoare 19, arborele de ieşire al căreia este unit mecanic cu arborele rotorului motor-generatorului sincron 1, bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului 1 fiind conectate electric la intrarea comutatorului electronic 21 pentru declanşarea motor-generatorului sincron 1, totodată bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului sincron de tracţiune 7 sunt conectate electric la intrarea comutatorului electronic 22 pentru declanşarea motor-generatorului sincron de tracţiune 7, terminalele comutatoarelor electronice 21 şi 22 fiind conectate electric între ele şi fiind conectate electric la invertorul de curent 11 şi la redresorul de control 23 al curentului alternativ pentru încărcarea acumulatorului 4 de la motor-generatorul sincron 1 sau de la motor-generatorul sincron de tracţiune 7.

Pentru obţinerea rezultatului tehnic specificat se uneşte mecanic arborele de ieşire al motorului cu ardere internă 3 cu arborele de intrare al transmisiei mecanice demultiplicatoare 19; se uneşte mecanic arborele de ieşire al transmisiei mecanice demultiplicatoare 19 cu arborele rotorului motor-generatorului sincron 1; se conectează electric invertorul de curent 20 al acumulatorului de înaltă tensiune 4 cu înfăşurarea de excitare pe rotor al motor-generatorului sincron 1; se conectează electric bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului sincron 1 la intrarea comutatorului electronic 21; se conectează electric bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului sincron de tracţiune 7 la intrarea comutatorului electronic 22; se conectează electric terminalele comutatoarelor electronice 21 şi 22 între ele, şi se conectează electric la bornele invertorului de curent 11 şi la redresorul de control 23 al curentului alternativ.

Transmisia electrică pentru vehiculul hibrid funcţionează în felul următor.

Atunci când se foloseşte energia motorului cu ardere internă 3 pentru deplasarea vehiculului, energia motorului cu ardere internă 3, pentru mişcarea vehiculului prin transmisia principală 10, viteza motorului cu ardere internă 3 este redusă şi motor-generatorul sincron 1 este activat. Se conectează comutatoarele electronice 21 şi 22 pentru transmiterea curentului de la statorul motor-generatorului sincron 1 către statorul motor-generatorului sincron de tracţiune 7, în conformitate cu modul de tracţiune determinat de blocul de comandă 18 al vehiculului hibrid şi pe baza semnalelor primite de la traductorul de poziţie 2 al rotorului motor-generatorului sincron 1, este calculată frecvenţa curentului în blocul de comandă 16 al transmisiei electrice a vehiculului hibrid, iar curentul de excitare calculat este furnizat de invertorul de curent 20 către înfăşurarea rotorului motor-generatorului sincron 1. Curentul generat de motor-generatorul sincron 1 fără pierderi de conversie este furnizat înfăşurărilor statorice ale motor-generatorului sincron de tracţiune 7 şi arborele principal al angrenajului este rotit de motor-generatorul sincron de tracţiune 7, care pune vehiculul hibrid în mişcare.

Atunci când se foloseşte energia acumulatorului de înaltă tensiune 4 şi a motorului cu ardere internă 3 pentru deplasarea vehiculului, motor-generatorul sincron 1 este rotit de motorul cu ardere internă 3 prin transmisia principală 10 şi în conformitate cu tracţiunea, modul determinat de blocul de comandă 18 al vehiculului hibrid este calculat şi controlat de blocul de comandă al transmisiei electrice 16, pe baza semnalelor traductorului de poziţie 9 al rotorului motor-generatorului sincron de tracţiune 7, se calculează frecvenţa curentului, care este alimentat de către invertorul de curent 20 la înfăşurarea de excitare a motor-generatorului sincron 1 pentru a genera curent pentru rotaţia motor-generatorului sincron de tracţiune 7, şi, de asemenea, se calculează frecvenţa curentului, care este furnizat de invertorul de curent 11 de la acumulatorul de înaltă tensiune 4 pentru rotaţia motor-generatorului sincron de tracţiune 7, se conectează comutatoarele electronice 21 şi 22 pentru transmisia fără pierderi a conversiei de curent a motor-generatorului sincron 1 şi a acumulatorului de înaltă tensiune 4 la înfăşurările statorice ale motor-generatorului sincron de tracţiune 7 şi se roteşte arborele principal de transmisie, care setează vehiculul hibrid în mişcare.

Transmisia electrică pentru vehiculul hibrid permite funcţionarea motorului cu ardere internă 3 al vehiculului hibrid într-un mod de viteză constant, ceea ce micşorează consumul de combustibil; se transferă cu ajutorul transmisiei principale 10 viteza redusă la motor-generatorul sincron 1; se utilizează invertorul de curent 20 pentru a controla curentul de excitare al motor-generatorului sincron 1 pentru a genera curentul de alimentare al motor-generatorului sincron de tracţiune 7, care va asigura schimbarea vitezei acestuia din urmă într-o gamă largă şi, în consecinţă, viteza vehiculului hibrid; nu se utilizează atunci când se converteşte energia electrică generată de motor-generatorul sincron 1 în locul invertorului de curent 20, fiind un invertor de curent de peste 10 ori mai puternic şi mai scump.

Transmisia electrică pentru vehiculul hibrid funcţionează în modul următor:

La conducerea modului de pornire al motorului cu ardere internă 3, blocul de comandă 16 al transmisiei electrice a vehiculului hibrid primeşte informaţii de la traductorul de poziţie 2 al rotorului motor-generatorului sincron 1 şi de la senzorul de curent 5 al acumulatorului de înaltă tensiune 4 şi generează semnale prin intermediul cărora controlează comutatorul electronic 21 pentru declanşarea motor-generatorului sincron 1, invertorul de curent 20 pentru alimentarea înfăşurării de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron 1, invertorul de curent 11 pentru alimentarea înfăşurării statorice a motor-generatorului sincron 1, rotind astfel, arborele motor-generatorului sincron 1 şi arborele motorului cu ardere internă 3, unit mecanic cu acesta, prin transmisia mecanică demultiplicatoare 19, cu ajutorul energiei acumulatorului de înaltă tensiune 4, până la pornirea motorului cu ardere internă 3.

La conducerea modului de tracţiune al vehiculului hibrid din energia acumulatorului de înaltă tensiune 4, blocul de comandă 16 al transmisiei electrice utilizează informaţii de la senzorul de curent 5 al acumulatorului de înaltă tensiune 4 şi de la traductorul de poziţie 9 al rotorului motor-generatorului sincron de tracţiune 7, şi generează semnale prin intermediul cărora controlează comutatorul electronic 22; invertorul de curent 11 pentru alimentarea înfăşurării statorice a motor-generatorului sincron de tracţiune 7 cu curentul de frecvenţă necesară pentru a controla viteza arborelui motor-generatorului sincron de tracţiune 7 pentru a acţiona roţile prin intermediul transmisiei principale 10.

La conducerea modului de tracţiune al vehiculului hibrid de la motorul cu ardere internă 3, blocul de comandă 16 al transmisiei electrice utilizează informaţii de la traductorul de poziţie 2 al rotorului motor-generatorului sincron 1 şi de la senzorul de tensiune 6 al acumulatorului de înaltă tensiune 4 şi generează semnale prin intermediul cărora controlează comutatoarele electronice 21 şi 22, invertorul de curent 20 al acumulatorului 4 pentru alimentarea înfăşurării de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron 1, care generează un curent cu o frecvenţă necesară pentru a controla viteza de rotaţie a arborelui motor-generatorului sincron de tracţiune 7, care acţionează roţile prin intermediul transmisiei principale 10. În acest mod, pierderile de energie sunt cele mai mici în comparaţie cu soluţiile tehnice cunoscute.

La conducerea modului de tracţiune al vehiculului hibrid în modul de la acumulatorul de înaltă tensiune 4 şi de la motorul cu ardere internă 3, blocul de comandă 16 al transmisiei electrice utilizează informaţii de la traductorul de poziţie 2 al rotorului motor-generatorului sincron 1, de la traductorul de poziţie 9 al rotorului motor-generatorului sincron de tracţiune 7 şi de la senzorul de tensiune 6 al acumulatorului de înaltă tensiune 4, şi generează semnale prin intermediul cărora controlează comutatoarele electronice 21 şi 22, invertorul de curent 20 pentru alimentarea înfăşurării de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron 1 şi generarea acestuia din urmă; curentul cu frecvenţă necesară pentru a controla viteza arborelui motor-generatorului sincron de tracţiune 7, pentru a acţiona roţile prin intermediul transmisiei principale 10; invertorul de curent 11 pentru alimentarea înfăşurării statorice a motor-generatorului sincron de tracţiune 7 cu frecvenţă necesară pentru a controla viteza arborelui principal al transmisiei principale 10 pentru a acţiona roţile. În acest mod, pierderile de energie sunt cele mai mici în comparaţie cu soluţiile tehnice cunoscute.

La controlul modului de recuperare a energiei de frânare a vehiculului hibrid în modul de generator al motor-generatorului sincron de tracţiune 7, blocul de comandă 16 al transmisiei electrice utilizează informaţii de la senzorul de curent 5, de la senzorul de tensiune 6 al acumulatorului de înaltă tensiune 4, de la redresorul de control 23 al curentului alternativ pentru determinarea nivelului de încărcare al acumulatorului de înaltă tensiune 4 şi de la senzorii de curent 8 al motor-generatorului sincron de tracţiune 7 şi generează semnale prin intermediul cărora controlează comutatorul electronic 22 şi redresorul de control 23 al curentului alternativ pentru încărcarea acumulatorului de înaltă tensiune 4.

La controlul modului de încărcare a acumulatorului de înaltă tensiune 4 cu energia motorului cu ardere internă 3, blocul de comandă 16 al transmisiei electrice utilizează informaţii de la senzorul de curent 5 şi de la senzorul de tensiune 6 al acumulatorului de înaltă tensiune 4, de la dispozitivul auxiliar 15 pentru determinarea nivelului de încărcare al acumulatorului de înaltă tensiune 4 şi de la traductorul de poziţie 2 al rotorului motor-generatorului sincron 1 şi generează semnale prin intermediul cărora controlează comutatorul electronic 22, invertorul de curent 20 pentru alimentarea înfăşurării de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron 1 şi redresorul de control 23 al curentului alternativ pentru încărcarea acumulatorului de înaltă tensiune 4.

Informaţii care confirmă posibilitatea realizării invenţiei

Transmisia electrică pentru vehiculul hibrid oferă posibilitatea de a reduce costul invertorului de curent 20 şi reducerea pierderilor de energie la conversia energiei motorului cu ardere internă 3.

În schema tradiţională de transmisie a puterii unui vehicul hibrid cu o putere a motorului de ardere internă de 75 cai-putere (55 kW), în timp ce se conduce un motor-generator sincron de tracţiune pentru a converti energia generată de motor-generatorul sincron, este utilizat un convertor de frecvenţă trifazat 950 cu parametrii de 75-55 kW, 380 V, şi în valoare de 5.350 dolari SUA.

Când se utilizează circuitul de comandă al motor-generatorului sincron de tracţiune 7, conform soluţiei tehnice propuse, înfăşurarea de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron 1 este echipată cu un convertor de frecvenţă trifazat mai puţin puternic, de modelul Altivar Easy 310, cu parametrii de 1,5 kW, 380 V, în valoare de 261 dolari SUA, care reglează frecvenţa şi magnitudinea sursei de curent alternativ în înfăşurarea de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron 1, iar curentul generat al acestuia din urmă alimentează motor-generatorul sincron de tracţiune 7. Astfel, se obţine o economie ce poate ajunge până la 5 mii de dolari SUA.

Deoarece, transmisia electrică propusă pentru vehicule hibride, pentru a controla excitaţia motor-generatorului sincron 1, se utilizează un invertor de curent 20 cu o frecvenţă joasă, care este de peste 10 ori mai puţin puternic decât convertoarele analoage utilizate pentru conversia energiei generate de motor-generatorul sincron 1, ceea ce reduce pierderile de conversie a energiei până la 10%.

Ca rezultat, ţinând cont de eficienţa invertorului, este posibilă reducerea pierderilor de putere în timpul transferului de energie de la motorul cu ardere internă 3 la roţile de tracţiune ale vehiculului, care reprezintă până la 10% din puterea motorului, iar implementarea costurilor sale va reduce costul vehiculului cu 3-5 mii de dolari SUA.

Transmisia electrică pentru vehiculul hibrid revendicat prin schimbarea frecvenţei f1 a curentului în înfăşurarea de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron 1, cu un număr constant de perechi de poli p, este posibil să schimbe viteza unghiulară a câmpului magnetic statoric ꞷ0, conform expresiei:

ꞷ0=2π f1/p (1)

Viteza unghiulară de rotaţie a câmpului magnetic statoric ꞷ0 este exprimată prin numărul de rotaţii ale rotorului n, conform expresiei:

n=f/p (2)

La numărul maxim de rotaţii a rotorului n a motor-generatorului sincron 1 cu trei perechi de poli egali de 10.000 min-1 (167 sec-1), după coborârea angrenajului principal al transmisiei (it = 5:1), este posibil să se asigure rotaţia setului de roţi de 33,4 rot/sec, iar pentru un vehicul cu mărimile roţilor de 15 inch (195/60 R15) se atinge o viteză de 64,5 m/sec sau 232 km/h. În acest caz, frecvenţa maximă a curentului fmax a sursei de alimentare a motor-generatorului sincron de tracţiune 7 va fi:

fmax = n×p = 167×3 = 500 (Hz) (3)

Convertorul de frecvenţă trifazat 950 75-55 kW, prezentat mai sus, va converti curentul continuu al acumulatorului de înaltă tensiune la frecvenţa specificată.

La utilizarea motorului cu ardere internă 3 pentru tracţiune, de exemplu, cu o putere nominală de 75 cai-putere (55 kW) la o viteză de 3000 min-1, prin transmisia mecanică demultiplicatoare 19 (cu un raport de transmisie ip=10:1) poate fi redusă de 10 ori viteza de rotaţie a rotorului motor-generatorului sincron 1 la o viteză de 300 min-1, care este echivalentă cu 5 sec-1, când invertorul de curent 20 furnizează în înfăşurarea rotorului cu trei perechi de poli ale motor-generatorului sincron 1 un curent de excitare cu o frecvenţă de 100 Hz, în înfăşurările statorului a acestui motor-generator sincron 1 se formează un curent cu o frecvenţă de 500 Hz, pentru a alimenta motor-generatorul sincron de tracţiune 7, care va asigura o viteză a vehiculului de 232 km/h.

Dacă, în timpul rotaţiei rotorului motor-generatorului sincron 1 cu un număr de rotaţii n de 300 min-1, care este n=5 sec-1, se furnizează un curent de la invertorul de curent 20 la înfăşurările de excitare pe rotor cu o frecvenţă de fmin=2 Hz, atunci se va genera un curent în frecvenţa înfăşurărilor statorice de 30 Hz. Când este alimentat cu un curent de această frecvenţă a statorului motor-generatorului sincron 1, rotorul se va roti cu un număr de rotaţii n conform expresiei:

nrpm= fmin/p = 30/3 = 10 rot/sec = 600 min-1 (4)

şi după coborârea transmisiei principale it=5:1, roata vehiculului (195/60 R15) se va roti cu o viteză de 2 sec-1 (13,9 km/h), ceea ce este suficient pentru modul de conducere al vehiculului, cu atât mai mult, încât se poate furniza puterea necesară de la acumulatorul de înaltă tensiune 4 şi/sau de la motorul cu ardere internă 3.

Spre exemplu, convertorul de frecvenţă joasă de la compania Schneider Electric, de tip Altivar Easy 310, cu o putere de 1,5 kW, 380 V, 3 faze, are un domeniu de reglare de la 0,5 la 400 Hz (https://www.asberg.ru/shop/preobrazovateli_chastoty/), gama de reglare al invertorului de curent 20 va oferi modurile necesare de control al transmisiei.

Având în vedere cele de mai sus, transmisia electrică pentru vehiculul hibrid este fezabil din punct de vedere tehnic, utilizând dispozitive disponibile în comerţ şi poate fi utilizată în industria auto.

1. CN 102348568 A 2012.02.08

2. US 2008179122 A1 2008.07.31

3. US 2009015201 A1 2009.01.15

Claims (1)

1. Transmisie electrică pentru vehiculul hibrid, care conţine un motor-generator sincron (1) cu înfăşurare de excitare pe rotor, care este dotat cu un traductor de poziţie (2) şi unit cu un motor cu ardere internă (3), totodată motor-generatorul (1) comunică cu un acumulator de înaltă tensiune (4), dotat cu un senzor de curent (5) şi cu un senzor de tensiune (6); motor-reductorul (1) comunică cu un motor-generator sincron de tracţiune (7) cu magneţi permanenţi pe rotor, care este dotat cu senzori de curent (8) şi cu un traductor de poziţie (9), şi este unit printr-o transmisie principală (10) cu roţile vehiculului hibrid; un invertor de curent (11) al acumulatorului (4), care este conectat la motor-generatorul sincron de tracţiune (7), iar la motor-generatorul sincron (1) este conectat un invertor de curent (20) al acumulatorului (4) pentru alimentarea înfăşurării de excitare pe rotorul motor-generatorului sincron (1); un redresor de control (12) al curentului alternativ al unei surse de alimentare exterioare pentru încărcarea acumulatorului (4), intrarea căruia este conectată la o sursă de alimentare exterioară (13) a vehiculului hibrid, iar ieşirea lui - la acumulatorul de înaltă tensiune (4), sursa (13) fiind dotată cu un senzor de tensiune (14); un dispozitiv auxiliar (15) pentru determinarea nivelului de încărcare al acumulatorului (4); transmisia mai conţine un bloc de comandă (16) al transmisiei electrice a vehiculului hibrid, un bloc de comandă (17) al motorului cu ardere internă (3), şi un bloc de comandă (18) al vehiculului hibrid, caracterizată prin aceea că inventorul de curent (11) al acumulatorului (4) este conectat suplimentar la motor-generatorul sincron (1); arborele de ieşire al motorului cu ardere internă (3) este unit mecanic cu arborele de intrare al unei transmisii mecanice demultiplicatoare (19), arborele de ieşire al căreia este unit mecanic cu arborele rotorului motor-generatorului sincron (1), bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului (1) fiind conectate electric la intrarea unui comutator electronic (21) pentru declanşarea motor-generatorului sincron (1), totodată bornele înfăşurării statorice ale motor-generatorului sincron de tracţiune (7) sunt conectate electric la intrarea unui comutator electronic (22) pentru declanşarea motor-generatorului sincron de tracţiune (7), terminalele comutatoarelor electronice (21) şi (22) fiind conectate electric între ele şi fiind conectate electric la invertorul de curent (11) şi la un redresor de control (23) al curentului alternativ pentru încărcarea acumulatorului (4) de la motor-generatorul sincron (1) sau de la motor-generatorul sincron de tracţiune (7).