WO2010133723A1 - 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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WO2010133723A1
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electric
vehicle
generator
transmission
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Angel Villalonga Morales
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Angel Villalonga Morales
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16H3/44—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion
    • F16H3/72—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously
    • F16H3/727—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously with at least two dynamo electric machines for creating an electric power path inside the gearing, e.g. using generator and motor for a variable power torque path
    • F16H3/728—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion using gears having orbital motion with a secondary drive, e.g. regulating motor, in order to vary speed continuously with at least two dynamo electric machines for creating an electric power path inside the gearing, e.g. using generator and motor for a variable power torque path with means to change ratio in the mechanical gearing
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    • Y02T10/62—Hybrid vehicles

Definitions

  • the present invention is framed within the technical sector of the automobile, and more specifically in that of electric hybrid vehicles.
  • Electric vehicles In recent years, the realizations of electric vehicles have proliferated. These vehicles can be equipped with DC or AC motors, the latter being preferred by manufacturers for the superior characteristics they present. These vehicles incorporate energy storage systems that can be formed by groups of batteries and / or ultra capacitors. Electric vehicles benefit from the quality that many electric motors have to be able to operate as generators and thus regenerate the kinetic energy in the decelerations, converting it into electrical energy to recharge the energy storage systems.
  • hybrid electric vehicles which by means of the combination of one or more electric motors and other different systems tries to alleviate the deficiencies of electric vehicles. It should be noted, as the one that has achieved greater industrial success, the technology that combines the electric motor and the internal combustion engine in a hybrid vehicle. Lately, the tendency is to produce hybrid rechargeable cars, which combine the internal combustion engine, the electric motor, and an electrical energy storage system that can be recharged from any outlet of the electrical network.
  • hybrid vehicles can be classified into three main categories: Parallel hybrid:
  • the vehicle is equipped with an internal combustion engine, which by means of a transmission system communicates the engine torque to the vehicle's wheels.
  • An electric motor coupled to the transmission at some point, collaborates with the internal combustion engine when there is a requirement of great power, and also allows to recover the kinetic energy in decelerations, transforming it into electrical energy.
  • It allows a reduction in fuel consumption, although it has the disadvantages of conventional vehicles since the internal combustion engine has to work in a wide range of revolutions and be equipped with a complex transmission system.
  • it is a conventional car that has been equipped at some stage in the transmission of an electric motor-generator, which allows to reduce the necessary power of the internal combustion engine, recover the energy in decelerations, and thus reduce the consumption.
  • Parallel / series hybrid In this type of vehicle as in the parallel hybrid, the internal combustion engine transmits the torque to the vehicle's wheels. These vehicles are equipped with a complex electronic transmission and management system that allows the electric motor to be in charge of providing the engine torque to move the vehicle. These vehicles have the advantage of consuming less fuel than hybrids in parallel, but with the disadvantages of having an internal combustion engine that has to work in a wide range of revolutions, and a complex transmission and electronic management. Today, there is a car in production that incorporates an internal combustion engine, two electric motor-generators, and a transmission consisting of an epicyclic train and automatic electronic transmission of a continuous drive.
  • Serial hybrid It is the simplest transmission scheme.
  • the internal combustion engine provides the mechanical energy to an electric generator.
  • This generator is connected to a continuous current interconnection line through which it can power one or more electric motors responsible for providing the necessary torque to provide traction to the wheels of the vehicle.
  • the electrical energy storage systems of the vehicle normally constituted by I batteries and ultra capacitors, are also connected.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the batteries are responsible for providing the electric power when the generator does not work
  • the ultra capacitors are responsible for supplying the energy when there are specific high-power needs that the batteries cannot supply.
  • the required power is relatively higher than that required under normal conditions.
  • the periods of peak power are relatively short, less than thirty seconds. An energy storage system that can supply these peaks is required, which can relieve the battery from dynamic fatigue.
  • Ultra-capacitors have a lower energy density than batteries, but have a higher power density, and a greater number of life cycles than batteries.
  • the ultra capacitors are also in charge of receiving the electrical energy from the regeneration in the decelerations and that the battery cannot absorb.
  • the task of the energy management system is to measure the state of charge of batteries and ultra-capacitors and the energy required in the direct current line, and control the energy flow in order to maintain a constant voltage in the line.
  • the electric generator comes into operation and provides, through the continuous current line, the electrical energy to power the electric motor and recharge the energy storage systems.
  • a computer is responsible for performing the energy balance according to the requirements of the electric motor and the state of charge of the batteries to determine the transfer from the generator to the motor and energy storage systems according to the control algorithms that have previously introduced in the controllers of the converters that connect the interconnection line with the motor, with the batteries, and with the ultra capacitors.
  • the transfer of electrical energy to the motor can be done from the generator and from the energy storage systems.
  • the electric motor operates in a generator or fourth quadrant mode, the electric power generated will pass from the motor, to the inverter and to the converter with the supply capacity of the direct current line or bar.
  • the ultra-capacitors will be responsible for absorbing said
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) comment and then supply it to the batteries so that they can accept without suffering overheating or deterioration.
  • the electrical system in which several alternating current motors are fed by a common direct current line has been used in several industries, including that of paper winding or steel. In these facilities there are electric motors running that from time to time must be stopped. The braking energy is used and reverted to the line by means of the inverter and a converter with line supply capacity. The converter is responsible for maintaining a constant voltage in the line, without ripples or ridges, and suitable for the operation of motor inverters. In this scheme the motors connected to the common interconnection line can alternatively go to work as current generators and provide the power to the line to be used by the rest of the motors. There is no mechanical interconnection between the different generator engines. In the series electric hybrid vehicle, an electric energy transfer scheme is used: generator-direct current line-electric motor, similar to that installed in modern trains and ships.
  • the internal combustion engine is normally smaller in a series hybrid because it only has to supply the necessary average power. While the engine of a conventional vehicle has to operate most of the time inefficiently to be able to satisfy the variation of the power demands, with multiple stops and starts, in the series hybrid the engine operation is carried out within the range of maximum efficiency revolutions. Due to these characteristics, this type of kinematic platform is ideal for use in buses and in the urban environment.
  • the internal combustion engine, or auxiliary power can be operated independently of the dynamic requirements of the vehicle.
  • the energy storage system operates as an energy tank between the engine and electric and the internal combustion engine.
  • the energy storage capacity of the system is a fundamental parameter for the operation of the vehicle and consequently will affect the operation of the internal combustion engine and therefore that of the electric generator.
  • DOUBLE CLUTCH The technology that makes use of a double clutch associated with a robotic gearbox is known.
  • the double clutch is used as a means to make speed changes much faster than with conventional clutches.
  • a double clutch and a gearbox are used that have two coaxial primary shafts that each have a secondary axle, and a single final output of the transmission. towards the differential.
  • a clutch closes and the torque will be transmitted through one of the clutches, to the primary shaft and the corresponding secondary shaft.
  • the next speed is automatically pre-selected, so that when the driver activates the cam or gear selection lever, what will be done will be the opening of the clutch that was closed and will close the corresponding clutch of the primary and secondary axle of the new selected speed.
  • the clutches are operated by electromechanical or electro-hydraulic actuators operated by the cams or lever located in the driving position.
  • the management electronics are responsible for controlling the closing and opening action of the clutches taking into account the relative input and output speeds.
  • double clutches of dry discs and wet discs with pressurized oil are available. Dry clutches are the most efficient, because they do not have to have an oil pressure pump.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Packages that include the entire dry double clutch assembly are available on the market: clutch, actuators, and electronic control unit.
  • the series electric hybrid vehicles represent a solution for the reduction of fuel consumption and the reduction of pollutant gas emissions.
  • an internal combustion engine with the necessary power criteria can be installed in an electric hybrid vehicle in series.
  • the internal combustion engine of a series hybrid vehicle can be operated in the speed zone that offers better performance.
  • the electric motor is responsible for providing the necessary torque to produce the movement of the vehicle. The electric motor must provide the power and torque needed to
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) operate in the entire range of use of the vehicle, from idle to maximum speed.
  • the energy necessary for the operation of the electric motor can be supplied by the electric generator and / or the electric energy storage system. If the vehicle has adequate electrical energy storage capacity, then it can operate for a certain time without the need to start the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is responsible for supplying the mechanical energy so that the electric generator transforms into electrical energy and thus be able to supply the electrical energy necessary for the operation of the electric motor and the recharging of energy storage systems.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) elements of the kinematic chain. There are some designs of large vehicles, all-terrain type, which have not yet been taken to the manufacturing phase.
  • An oversized electric motor with respect to the workload is very inefficient, even in the case of having a good controller.
  • the torque generated by the motor is greater than the need for load and is lost in internal resistors. Much of the input energy is lost without performing any effective work.
  • electric motors extract a large amount of electrical energy in successive starts. As the amount of energy lost at start-up is proportional to the torque that the engine is capable of producing, the energy losses will be much greater in the oversized motor.
  • the ideal will be to install an electric motor suitable for the workload, but this is not possible if we want the vehicles to have good performance in acceleration and top speed.
  • the present invention relates to a mechanism whereby the electric generator of a hybrid electric vehicle in series can be operated as a motor and transmit the torque to the transmission in order to move the wheels of the vehicle.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the mechanism comprises an electric motor-generator, a double clutch, a transmission box or system, and an internal combustion engine.
  • the electric motor is attached to the double clutch.
  • the shaft of the electric motor is coupled to the input shaft of the double clutch and both are integral.
  • the double clutch has two independent clutches of each other. Each clutch has its own axle. The axes of the clutches are coaxial.
  • the double clutch consists of: the package with the two clutches, electromechanical actuators, electronic management unit, cams or control levers.
  • the mechanism has been designed for the installation of a double clutch of dry discs operated by electromechanical actuators.
  • This system is the most efficient.
  • a wet clutch, or discs in a pressurized oil bath can be installed when it is required to transmit a very high torque through the double clutch, but it has the disadvantage that an electric oil pump and the corresponding hydraulic circuit must be coupled.
  • the electronic management unit of the double clutch receives information from the reading made by the Hall sensors of the impulses received from the generating wheels installed in the primary and secondary shafts of the transmission case. You can also receive information on the revolutions of the electric motor, the internal combustion engine, differential speed, accelerator pedal position, brake pedal position, handbrake control, regenerator brake selection control position, torque internal combustion engine engine, electric motor torque. Through this data you can determine the clipping of the clutches and correctly manage their opening or closing. On the opposite side, or the clutch outlet, a transmission box or system has been installed.
  • the transmission box has two coaxial shafts. Each of the coaxial shafts is coupled by a spline to one of the two clutch shafts of the double clutch.
  • a clutch corresponds to each shaft.
  • the trees are one solid and the other hollow, the massif being located in the hollow interior of the other. The trees have interleaved bearings and can rotate freely with respect to each other. These two trees will be: one primary and one secondary, respectively, and with
  • the gears of the transmission box are integral in the rotation to the axes in which they are mounted.
  • the primary, coaxial inner, solid shaft has a gear that meshes with the gear of a secondary shaft which in turn has another gear that meshes with the crown of the differential.
  • the corresponding clutch can be closed and it allows the transmission of the electric motor torque through the double clutch, to the primary shaft, to the secondary shaft, to the differential, and to the wheels of the vehicle.
  • the electric energy from the energy storage systems can be transformed into mechanical energy in the electric motor and used for the vehicle's traction.
  • the vehicle will function as an electric vehicle.
  • An internal combustion engine may be installed attached or close to the transmission case, and on the opposite side of the double clutch.
  • the internal combustion engine transmits the engine torque to the primary shaft of the transmission case to which it is coupled through the spline.
  • This primary shaft has a gear that meshes with the secondary, coaxial, hollow shaft gear and transmits the torque.
  • the clutch corresponding to this secondary shaft is closed and can transmit the torque through the double clutch input shaft, to the electric generator shaft.
  • the secondary shaft hollow coaxial, has a gear that is geared to the gear of a primary shaft.
  • This primary shaft is coupled by internal grooving to the grooving of the shaft of an internal combustion engine installed next to the transmission case.
  • the vehicle will function as a hybrid vehicle in series, the electricity generated being used to power an engine, or motors installed, and will also serve to recharge the electrical energy storage systems.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Through this mechanism two kinematic chains or differentiated transmission paths are implemented, which allow the electric generator coupled to an internal combustion engine belonging to a hybrid vehicle in series, to be decoupled from the internal combustion engine and coupled to the vehicle's transmission for to be operated as an engine.
  • cams or gearshift lever By means of cams or gearshift lever, the driver can select the generator action, neutral point, or the electric motor action.
  • the operation can also be programmed to be fully automatic; so that the vehicle can operate in electric or hybrid mode; depending on the state of charge of the batteries, the conditions of the vehicle's march and the requirements made by the driver with the accelerator and brake pedals.
  • the operation is similar to that of the main electric motor, and receives the orders from its corresponding motor controller.
  • the motor controller receives information on: position of the start-stop switch, forward-reverse switch, accelerator pedal position, brake pedal, parking brake, regenerative brake control. You can also receive orders from active and passive systems related to the stability and traction of the vehicle, such as those installed in today's vehicles.
  • the motor-generator When the motor-generator operates in generator mode, it is controlled by the generator's own management system, which is governed in accordance with the algorithms developed and that have been assembled in the control scheme that regulates the generator's energy flow, Ia DC line, the energy storage system, and the main electric motor.
  • the operating speed of the double clutch is of the order of milliseconds. This very high operating speed allows the operation to be changed from generator mode to motor mode in a matter of milliseconds. With greater speed than the one required to make a change of speed in a conventional vehicle.
  • the control circuit is switched so that the controller receives the position information of the accelerator, brake, and direction pedals.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) The march This provision ensures power delivery smoothly and quickly. It allows to design a hybrid electric vehicle in series in which the main electric motor is not oversized, if an electric motor is installed according to medium power criteria, and not with peak peak power criteria.
  • the change from electric motor mode to electric generator mode is not essential to be done quickly. It can be done with the internal combustion engine running or standing still, and use the generator engine as the starter of the internal combustion engine. Once the operating regime has been reached, the normal operation is carried out as an electric generator.
  • One of the advantages of implementing the mechanism in a series hybrid vehicle is that the torque produced by the electric generator motor is transmitted to the wheels of one of the axles of the vehicle.
  • the main electric motor of the series hybrid vehicle transmits the torque to the wheels of the other axle. In this way when you want you can have traction on all axes, or all-wheel drive.
  • This system has the advantage that the transmission can be lighter and easier to manufacture.
  • this motor-generator can also be used in regenerative mode and take advantage of the kinetic energy in the deceleration. When desired, this electric motor can be energized again.
  • an active traction control system can also be connected to increase stability, while maintaining a running economy.
  • the electrical interconnection between the different elements or modules of the vehicle is carried out according to the scheme used in series hybrid vehicles.
  • the generator feeds a direct current line through the corresponding inverter and converter. To the direct current line are connected: the set of
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) batteries using the two-way converters, and the ultra capacitor package through its corresponding two-way converter.
  • the main electric motor of the vehicle is connected to the line through the converter and the inverter.
  • the use of a combination of ultra capacitors and batteries in the energy storage system of this type of vehicle allows to obtain maximum energy efficiency, and take advantage of the advantages provided by the invention.
  • the ultra capacitors allow to take advantage of the energy recovered during the decelerations, and also absorb the excess energy that the generator can produce.
  • ultra capacitors are the ideal element to provide that high demand for peaks or peak power.
  • the batteries act as energy stores and provide or receive them under normal conditions of use.
  • the fact of connecting the batteries to the line by means of two-way converters, and the use of the mechanism object of the present invention, can allow the reduction of the dimensions of the electric energy storage system of the hybrid vehicle in series.
  • the electric energy storage system of the vehicle provided with the invented mechanism may be designed according to the average needs of electric power, and not according to the specific demands of power peaks. This considerably reduces the weight and volume of the electric energy storage system of a series hybrid vehicle.
  • the transfer of energy in the vehicle is carried out through the interconnection line of continuous comments.
  • the voltage in the line is controlled and maintained.
  • algorithms are created to control the energy storage system with the two-way DC converters.
  • Algorithms are also created that will control the transfer of energy through the line.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) batteries, power demand made by the driver, or even operating models such as the path to be taken. This will depend on the vehicle model in which the mechanism object of the present invention is installed.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) It must be able to develop the 100 kilowatts required for the operation of the electric generator.
  • the energy storage system can be sized according to the particular characteristics of the vehicle, and according to the installed power and the energy consumption of the vehicle.
  • the vehicle can be equipped with an energy storage system according to the consumption and the installed power. The vehicle designed in this way will operate normally with the 50 kilowatts engine and when required it will do so with two 50 kilowatts engines.
  • the vehicle thus designed can outperform the vehicle of A with a single motor of 100 kilowatts.
  • the vehicle cited in B can be lighter, and have better performance in acceleration, top speed, consumption, autonomy and range, than the vehicle cited in A. It can also have more useful space for occupants and luggage. It may be cheaper to manufacture, consume less and the operation thereof more economical.
  • Figure 1 is a representation with schematic side view of a possible embodiment of the invention.
  • the figure represents a mechanism suitable for being installed transversely.
  • the shaft (5) of the electric motor-generator is coupled by means of the spline to the input shaft (6) of the double clutch.
  • the double clutch is provided with two independent clutches (7) and (8).
  • the transmission box consists of two coaxial shafts (9), and (10).
  • the shaft (9) is hollow and is coupled to the clutch shaft (7).
  • the shaft (10) is solid and is coupled to the clutch shaft (8). Both trees can rotate independently of each other.
  • the shaft (14) of the internal combustion engine is coupled through its groove with the primary shaft (13) of the transmission case.
  • the gear (12) is geared to the gear (11
  • the gear (15) is engaged with the gear (16) of the secondary shaft (17).
  • This shaft (17) incorporates the gear (18) that meshes with the differential crown (19).
  • the motor torque can be communicated from the shaft (5) of the electric motor, through the shaft (6) of the double clutch, the clutch (8), the shaft (10) with its gear (15), the gear (16) of the shaft (17), and the gear (18) of the conical group of the differential (19).
  • the engine generator is (1), the transmission case is (2), and the internal combustion engine is (3).
  • (4) represents the inverter converter of the generator-motor.
  • (6) represents the battery module.
  • (7) represents the group or package of ultra capacitors.
  • (8) represents the converter-inverter of the main motor.
  • (9) represents the main electric motor of the vehicle.
  • (10) represents the differential of the rear axle of the vehicle.
  • the electric motor (1) can provide the torque to the wheels of the axle to which it is coupled by means of the mechanism (2).
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) energy storage system formed by the batteries (6), and the ultra capacitors (7), provide the electric power to the main electric motor (9) and / or the electric motor (1), by means of the direct current interconnection line (5), and the respective inverter converters (8) and (4). The operation is then equal to that of an electric vehicle.
  • the kinetic energy can be used and transformed into electric to recharge the energy storage systems by means of the motor-generators (1) and / or (9), the inverter-converters ( 4) and / or (8), the interconnection line (5), the ultra capacitors (6), and the batteries (7).
  • the internal combustion engine (3) provides the mechanical energy to the electric generator (1) by means of the transmission box (2).
  • the electrical energy passes through the inverter converter (4) to the direct current interconnection line (5).
  • the main electric motor and the energy storage system are fed through the direct current interconnection line. The operation then is that of a hybrid vehicle in series.
  • Figure 3 represents the scheme of a possible embodiment of the mechanism. Suitable for the longitudinal installation of the mechanism. (1) represents the electric motor.
  • (3) represents the hollow outer coaxial tree.
  • (4) represents the inner coaxial primary tree. It has a spline to be coupled to a drive shaft and to the differential of a wheel axle of the vehicle.
  • (5) represents a secondary shaft of the gear train of the transmission between the internal combustion engine (7), and the electric generator (1).
  • (6) represents a secondary shaft that can be coupled to the shaft (7) of the internal combustion engine.
  • FIG. (7) represents a section of the shaft or shaft of an internal combustion engine.
  • the drawing of Figure 4 represents the mechanism to be installed longitudinally in a vehicle, and in which the transmission between the internal combustion engine and the electric generator is carried out by a toothed belt.
  • (1) represents the electric motor-generator.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) (2) represents the double clutch.
  • (3) represents the hollow outer coaxial tree.
  • (4) represents the inner coaxial tree. It is primary tree. It has a spline to be coupled to a drive shaft and to the differential of a wheel axle of the vehicle.
  • (5) represents the set of pulleys and timing belt.
  • (6) represents the shaft that can be attached to the internal combustion engine.
  • Figure 5 shows the mechanism in which the transmission of the electric motor to the wheels of the vehicle, and the transmission of the internal combustion engine to the electric generator is performed by toothed belts.
  • (1) represents the electric motor.
  • (3) represents the hollow outer coaxial tree.
  • (4) represents the pulleys belonging to the solid inner coaxial primary shaft, and secondary shaft of the transmission of the electric motor to a wheel axle of the vehicle.
  • (5) represents the pulleys belonging to the secondary external coaxial shaft and the primary shaft that can be coupled to the internal combustion engine shaft, for transmission between the internal combustion engine and the electric generator.

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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 Ia 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 Ia 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 continúa 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 ultra capacitores. Los vehículos eléctricos se benefician de Ia cualidad que tienen muchos motores eléctricos de poder operar como generadores y así regenerar Ia 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 Ia tecnología de los vehículos híbridos eléctricos, que mediante Ia combinación de uno o más motores eléctricos y otros sistemas diferentes intenta paliar las deficiencias de los vehículos eléctricos. Hay que destacar, por ser Ia que ha alcanzado un mayor éxito industrial, Ia tecnología que combina en un vehículo híbrido el motor eléctrico y el motor de combustión interna. Últimamente, Ia 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 Ia 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 acoplado a Ia transmisión en algún punto, colabora con el motor de combustión interna cuando hay un requerimiento de una gran potencia, y además permite recuperar Ia 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 Ie ha dotado en alguna etapa de Ia transmisión de un motor-generador eléctrico, Io cual permite reducir Ia potencia necesaria del motor de combustión interna, recuperar Ia 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 Ia 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 continúo.
Híbrido en serie: Es el esquema de transmisión más sencillo. En este tipo de vehículo el motor de combustión interna proporciona Ia energía mecánica a un generador eléctrico. Este generador se conecta a una línea de interconexión de corriente continúa a través de Ia cual puede alimentar uno o más motores eléctricos encargados de proporcionar el par motor necesario para proporcionar Ia tracción a las ruedas del vehículo. A esta línea de corriente continúa, también están conectados los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica del vehículo, normalmente constituidos por I baterías y ultra capacitores.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) En un vehículo híbrido en serie, las baterías son las encargadas de proporcionar Ia energía eléctrica cuando no funciona el generador, y los ultra capacitores se encargan de suministrar Ia 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, Ia potencia requerida es relativamente más alta que Ia requerida en condiciones normales. Los periodos de picos de potencia son relativamente cortos, inferiores a treinta segundos. Un sistema de almacenamiento de energía que pueda suplir estos picos es requerido, el cual pueda relevar a Ia batería de Ia 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 Ia energía eléctrica procedente de Ia regeneración en las desaceleraciones y que Ia batería no puede absorber. La tarea del sistema de gestión de energía es medir el estado de carga de baterías y ultra-capacitores y Ia energía requerida en Ia línea de corriente continua, y controlar el flujo de energía a fin y efecto de mantener un voltaje constante en Ia línea.
Cuando es necesario, el generador eléctrico entra en funcionamiento y proporciona, a través de Ia línea de corriente continúa, Ia 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 a los requerimientos del motor eléctrico y el estado de carga de las baterías para determinar Ia 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 Ia línea de interconexión con el motor, con las baterías, y con los ultra capacitores. Cuando hay una demanda muy alta de energía, Ia 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, Ia energía eléctrica generada pasará del motor, al inversor y al convertidor con capacidad de suministro de Ia línea o barra de corriente continua. Los ultra-capacitores serán los encargados de absorber dicha
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) comente para después suministrarla a las baterías de manera que estas Ia 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 Ia del bobinado de papel o Ia 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 Ia línea mediante el inversor y un convertidor con capacidad de suministro de línea. El convertidor es el encargado de mantener un voltaje constante en Ia línea, sin ondulaciones o crestas, y adecuado para el funcionamiento de los inversores de los motores. En este esquema los motores conectados a Ia línea común de interconexión pueden pasar alternativamente a trabajar como generadores de corriente y proporcionar Ia energía eléctrica a Ia 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 Ia ausencia de conexión mecánica entre el motor de combustión interna y el motor de propulsión los diferentes componentes pueden ser alojados de Ia 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 Ia potencia media necesaria. Mientras que el motor de un vehículo convencional tiene que operar Ia mayoría del tiempo de forma ineficaz para poder satisfacer Ia variación de las demandas de potencia, con múltiples paradas y arranques, en el híbrido en serie el funcionamiento del motor se realiza dentro de Ia 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 Ia 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.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 Ia operación del vehículo y consecuentemente afectará a Ia operación del motor de combustión interna y por ende a Ia del generador eléctrico.
EMBRAGUE DOBLE Es conocida Ia 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 ellos un árbol secundario, y una única salida final de Ia 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 Ia caja de velocidades es pre-selectada automáticamente Ia siguiente velocidad, de manera que cuando el conductor accione Ia leva o palanca de selección de velocidades, Io que se realizará será Ia apertura del embrague que estaba cerrado y se cerrará el embrague correspondiente del árbol primario y secundario de Ia 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 Ia 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.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 Ia 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 Ia 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 Ia conducción de vehículos de turismo. Hoy en día están disponibles en el mercado vehículos convencionales provistos de motores cuya potencia es muchas veces 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 Ia reducción del consumo de combustible y Ia 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 Ia 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 Ia potencia y el par motor necesarios para
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) operar en toda Ia gama de utilización del vehículo, desde el ralentí hasta Ia 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 Ia energía mecánica para que el generador eléctrico Ia transforme en energía eléctrica y así poder suministrar Ia energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del motor eléctrico y Ia 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, y estos son 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 en 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 Ia 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 sea demasiado voluminoso y. pesado. Si bien en principio Ia plataforma de vehículo híbrido en serie es Ia 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) elementos de Ia cadena cinemática. Hay algunos diseños de vehículos grandes, tipo todo terreno, que todavía no se han llevado a Ia fase de fabricación.
La técnica utilizada hasta Ia fecha en el diseño de vehículos híbridos eléctricos en serie no es adecuada para Ia fabricación de vehículos de turismo utilitarios, debido a Ia falta de espacio útil y al excesivo peso.
Un motor eléctrico sobredimensionado con respecto de Ia 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 Ia necesidad de carga y se pierde en resistencias internas. Gran parte de Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia utilización de un cambio de velocidades para ser instalados en un vehículo. Un motor eléctrico sobredimensionado respecto de Ia 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 baja velocidades, como las que se suelen alcanzar en el tráfico urbano.
A igualdad de cociente de rendimiento, el motor eléctrico sobredimensionado con respecto a Ia carga media de trabajo sufrirá mayores pérdidas de energía.
Una solución sería instalar un motor adecuado a Ia carga de trabajo, y un motor auxiliar que se pudiera conectar a Ia 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 cómo motor y transmitir el par motor a Ia transmisión para poder mover las ruedas del vehículo.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 Ia 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 Ie deberá acoplar una bomba eléctrica de aceite y el correspondiente circuito hidráulico. La unidad de gestión electrónica del embrague doble recibe información de Ia lectura que realizan los sensores Hall de los impulsos recibidos de las ruedas generatrices instaladas en los árboles primarios y secundarios de Ia caja de transmisión. También puede recibir 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 embrague del embrague doble. A cada árbol Ie 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) relación a Ia operación que realizan en las respectivas cadenas cinemáticas a las que pertenecen.
Los engranajes de Ia caja de transmisión son solidarios en el giro a los ejes en los que van montados. El árbol primario, coaxial interior, macizo, tiene un engranaje que engrana con el engranaje de un árbol secundario que a su vez posee otro engranaje que engrana con Ia corona del diferencial.
En el modo motor se puede cerrar el embrague correspondiente y posibilita Ia 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 Ia energía eléctrica procedente de los sistemas de almacenamiento de energía puede ser transformada en energía mecánica en el motor eléctrico y ser utilizada para Ia 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 Ia caja de transmisión, y 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 Ia 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, coaxial, hueco y Ie transmite el par. El embrague correspondiente a este árbol secundario se cierra y puede transmitir el par a través del eje de entrada del embrague doble, al eje del generador eléctrico.
El árbol secundario, coaxial 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 combustión interna instalado junto a Ia caja de transmisión.
De este modo se puede transmitir Ia energía mecánica generada por el motor de combustión interna para que el generador Ia transforme en energía eléctrica. En estas circunstancias el vehículo funcionará cómo vehículo híbrido en serie, siendo Ia energía eléctrica generada utilizada para alimentar un motor, o motores instalados, y también servirá para recargar los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 Ia transmisión del vehículo para poder ser operado cómo motor.
Mediante unas levas o palanca de cambio, el conductor puede seleccionar Ia acción del generador, punto neutro, o Ia 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 Ia 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 similar al 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 Ia 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, 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, Ia línea de interconexión de corriente continua, el sistema de almacenamiento de energía, y el motor el eléctrico principal.
La velocidad de operación del embrague doble es del orden de milisegundos. Esta altísima velocidad de funcionamiento permite realizar Ia operación de cambio de modo de generador a modo motor en cuestión de milisegundos. Con mayor velocidad que Ia 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 Ia información de posición de los pedales de acelerador, freno, y sentido de
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Ia 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, 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 Ia operación normal como generador eléctrico.
Una de las ventajas de Ia 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 Ia ventaja de que Ia 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 Ia 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 Ia energía cinética en Ia 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 Ia estabilidad, a Ia 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 Ia línea de corriente continua están conectados: el conjunto de
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) baterías mediante los convertidores de doble sentido, y el paquete de ultra capacitores mediante su correspondiente convertidor de doble sentido. El motor eléctrico principal del vehículo se encuentra conectado a Ia línea mediante el convertidor y el inversor. La utilización de una combinación de ultra capacitores 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 Ia invención. Los ultra capacitores, permiten aprovechar Ia 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 ultra capacitores son el elemento ideal para proporcionar esa elevada demanda de picos o crestas de potencia. Las baterías, por el contrarío, actúan como almacenes de energía y Ia aportan o reciben en las condiciones normales de utilización. El hecho de conectar las baterías a Ia línea mediante convertidores de doble sentido, y Ia utilización del mecanismo objeto de Ia presente invención, puede permitir Ia reducción de las dimensiones del sistema de almacenamiento de energía eléctrica del vehículo híbrido en serie. El sistema de almacenamiento de energía eléctrica del vehículo provisto del mecanismo inventado podrá ser diseñado atendiendo a las 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 Ia línea de interconexión de comente continúa. Se controla y mantiene el voltaje en Ia 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 Ia transferencia de energía a través de Ia línea. Hay diferentes métodos de control de Ia 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) las baterías, demanda de potencia realizada por el conductor, o incluso modelos de funcionamiento como el trayecto que se va a realizar. Esto dependerá del modelo de vehículo en el que se instale el mecanismo objeto de Ia 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 Ia reducción de las dimensiones del motor eléctrico instalado en un vehículo híbrido eléctrico en serie. Menor tamaño y peso. Menor potencia necesaria.
Permite Ia reducción de las dimensiones del generador eléctrico instalado en un vehículo híbrido eléctrico en serie. Menor tamaño y peso. Menor potencia necesaria.
Permite Ia 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 Ia 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 Ia 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 kilovatios de potencia. Los vehículos de turismo existentes en Ia actualidad, utilizan motores sobredimensionados intencionadamente para cumplir con las exigencias del mercado. En algunas ocasiones, cinco o más veces Ia potencia citada. Caso hipotético
A. Si deseamos fabricar un vehículo de turismo híbrido eléctrico en serie Ie deberemos instalar un motor eléctrico con una potencia mínima que Ie permita acelerar de acuerdo con las expectativas del mercado, aunque después no emplee esa elevada potencia, o Io haga en muy contadas ocasiones. Si en el supuesto turismo instalamos un motor, supongamos de 100 kilovatios, Ie podemos instalar un generador de aproximadamente 100 kilovatios, y el motor de combustión interna
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) deberá de poder desarrollar los 100 kilovatios que requiere Ia 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 Ia potencia instalada y el consumo de energía del vehículo. B. Si diseñamos el vehículo anterior, pero con un motor eléctrico de 50 kilovatios, y Io 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 kilovatios. Se puede dotar al vehículo con un sistema de almacenamiento de energía acorde con el consumo y Ia potencia instalada. El vehículo así diseñado operará normalmente con el motor de 50 kilovatios y cuando sea requerido Io hará con dos motores de 50 kilovatios. El vehículo así diseñado puede superar en prestaciones al vehículo de A de un solo motor de 100 kilovatios.
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 A. Además puede disponer de un mayor espacio útil para ocupantes y equipaje. Puede ser más económico de fabricación, consumir menos y Ia operación del mismo más económica.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS El dibujo de Ia figura 1 es una representación con vista lateral esquemática de una posible realización de Ia 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 Ia caja de transmisión, y (4) es Ia 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.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 Ia 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 Ia 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 Ia caja de transmisión, para excitar los sensores Hall. El dibujo de Ia 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), Ia caja de transmisión es (2), y el motor de combustión interna es (3). (4) representa el convertidor inversor del generador-motor.
(5) representa Ia línea de interconexión de corriente continua.
(6) representa el módulo de baterías.
(7) representa el grupo o paquete de ultra capacitores.
(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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) sistema de almacenamiento de energía formado por las baterías (6), y los ultra capacitores (7), proporcionan Ia energía eléctrica al motor eléctrico principal (9) y/ o el motor eléctrico (1), mediante Ia 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 Ia desaceleración del vehículo se podrá aprovechar Ia 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), Ia línea de interconexión (5), los ultra capacitores (6), y las baterías (7).
Cuando se selecta el modo generador eléctrico, el motor de combustión interna (3) proporciona Ia energía mecánica al generador eléctrico (1) mediante Ia caja de transmisión (2). La energía eléctrica pasa a través del inversor convertidor (4) a Ia línea de interconexión de corriente continua (5). A través de Ia 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 Ia figura 3 representa el esquema de una posible realización del mecanismo. Apto para Ia 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 coaxial 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 Ia 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 Ia figura 4 representa el mecanismo para ser instalado longitudinalmente en un vehículo, y en el que Ia transmisión entre el motor de combustión interna y el generador eléctrico se realiza mediante correa dentada. (1) representa el motor-generador eléctrico.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) (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 Ia figura 5 se representa el mecanismo en el que Ia transmisión del motor eléctrico a las ruedas del vehículo, y Ia 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 Ia 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 Ia trasmisión entre el motor de combustión interna y el generador eléctrico.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)

Claims

REIVINDICACIONES
1. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie. Comprende un motor eléctrico, un embrague doble, una caja de transmisión y un motor de combustión interna. Mediante Ia 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 Ie corresponde un embrague. Los árboles son independientes y pueden girar libremente el uno del otro.
El árbol primario, coaxial interior, tiene un engranaje que engrana con el engranaje de un árbol secundario que a su vez posee un engranaje que engrana con Ia corona de diferencial de un eje de ruedas del vehículo. Cuando se cierra el embrague correspondiente al árbol primario coaxial interior, se puede transmitir el par motor del motor eléctrico a las ruedas del vehículo.
El árbol secundario coaxial 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, coaxial exterior, el motor de combustión interna puede transmitir el par motor al generador-motor eléctrico para generar energía eléctrica.
Alternativamente, se puede diseñar Ia caja de transmisión para que los árboles coaxiales interior o exterior formen parten de Ia cadena cinemática del motor, o de Ia cadena cinemática del generador. Siendo ello una cuestión particular de cada diseño.
Conectando un embrague se puede seleccionar Ia operación del generador eléctrico. Conectando el otro embrague se puede seleccionar Ia operación del
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) motor eléctrico. Se puede selectar un modo neutro en el que los dos embragues estén desconectados.
Caracterizado porque Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia 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
Ia transmisión entre el eje del motor de combustión interna y el eje del generador eléctrico se realiza mediante una correa dentada. Las poleas de Ia 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 Ia transmisión entre el eje del motor de combustión interna y el eje del generador eléctrico se realiza medíante una cadena de transmisión. Las coronas de Ia 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 Ia transmisión del par motor desde el motor de combustión
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) interna al generador eléctrico, y desde el motor eléctrico a Ia 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 Ia 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 Ia transmisión del par motor desde el motor de combustión interna al generador eléctrico, y desde el motor eléctrico a Ia 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 Ia transmisión del vehículo.
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