III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Гибридный привод с последовательно-параллельной схемой имеет два электрических мотора/генератора.

Мотор/генератор 1 (MG1) связан с солнечной шестерней устройства распределения мощности (PSD). Он - меньший из двух и имеет максимальную мощность около 22,5% от мощности ДВС. Обычно он осуществляет запуск ДВС и регулирует обороты ДВС изменением производимого количества электроэнергии. Мотор/генератор 2 (MG2) связан с коронной шестерней планетарного механизма (устройства распределения мощности) и далее через редуктор на колеса. Поэтому он непосредственно приводит в движение автобус. Он - больший из двух моторов-генераторов и имеет максимальную мощность 41,25% от мощности ДВС. MG2 иногда называют "тяговый мотор", и его обычная роль - приводить автобус в движение как двигатель или возвращать энергию торможения как генератор. Оба мотора/генератора охлаждаются антифризом.

Гибридная последовательно-параллельная трансмиссия не увеличивает механический вращающий момент на низкой скорости транспортного средства, поскольку трансмиссия имеет только одно передаточное отношение.  Действительно, двигатель соединен с колесами, как будто автобус движется на высшей передаче.  Это было бы вредным недостатком, если бы не присутствие мощного электрического мотора в дополнение к бензиновому двигателю.  Автобус, с этим мотором, добавляющим свой значительный вращающий момент, ускоряется так, будто всегда включена низшая ступень в коробке передач.

Поскольку моторы/генераторы работают от переменного трехфазного тока, а батарея, как и все батареи, производит постоянный ток, необходимо некое устройство, чтобы преобразовать один вид тока в другой. Каждый MG имеет "инвертор", который выполняет эту функцию. Инвертор узнает положение ротора от датчика на валу MG и управляет током в обмотках мотора так, чтобы поддерживать вращение мотора на требуемой скорости и с необходимым вращающим моментом. Инвертор изменяет ток в обмотке, когда магнитный полюс ротора проходит мимо этой обмотки и переходит к следующей. Кроме того, инвертор подключает напряжение батареи на обмотки и затем выключает снова очень быстро (с высокой частотой), чтобы изменить среднее значение тока и, следовательно, крутящий момент. Используя "самоиндуктивность" моторных обмоток (свойство электрических катушек, которые сопротивляются изменению тока), инвертор может фактически пропустить больший ток через обмотку, чем поступает от батареи. Он работает только когда напряжение на обмотках меньше напряжения батареи, следовательно, энергия сохраняется. Однако, поскольку значение тока через обмотку определяет крутящий момент, этот ток позволяет достигнуть очень большого крутящего момента на малых оборотах. Именно поэтому автобус может начать движение с приемлемым ускорением без использования коробки передач, которая обычно увеличивает крутящий момент ДВС. При коротком замыкании или перегреве инвертор отключает высоковольтную часть машины. В одном блоке с инвертором расположен и конвертер, который предназначен для обратного преобразования переменного напряжения в постоянное.

Крутящий момент и энергия ДВС и моторов/генераторов объединены и распределяются планетарным набором шестерен "устройство распределения мощности" (PSD, Power Split Device). ДВС может крутить колеса непосредственно (механически) через PSD. В то же самое время переменное количество энергии может быть снято с ДВС и превращено в электричество. Оно может заряжать батарею или передаваться к одному из моторов/генераторов, чтобы помогать крутить колеса. Гибкость этого механического/электрического распре-деления энергии позволяет автобусу улучшать показатели топливной экономичности и управлять выбросами во время движения, что невозможно при жесткой механической связи между ДВС и колесами, как в параллельном гибриде, но без потерь электрической энергии, как в последовательном гибриде.

CVT (Continue Variable Transmission) - бесступенчато-регулируемую или "постоянно- переменную" трансмиссию, это и есть устройство распределения мощности PSD. Однако обычная бесступенчато-регулируемая передача работает точно так же, как нормальная коробка передач за исключением того, что передаточное отношение может меняться непрерывно (плавно), а не в небольшом диапазоне шагов (первая передача, вторая передача и т.д.). Центральный компонент передачи - эпициклический механизм  "Устройство распределения мощности " ("Power Split Device", PSD).  Этот тип механизма также известен как «планетарный», потому что он состоит из нескольких шестерен- "планет" (сателлитов), вращающихся вокруг центральной шестерни- "солнца". Сателлиты установлены на осях, связанных «водилом», которое вращается вокруг той же самой оси, что и солнце.  В отличие от  

реальных планет, сателлиты имеют одинаковый размер и одинаковое расстояние от общего центра вращения. Шестерни-сателлиты находятся в постоянном зацеплении с шестерней зубцами внутрь, которая называется  "корона".  Она также вращается вокруг той же самой оси как и все остальные.  Нажмите на диаграмму справа, чтобы увеличить рисунок.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)  связан с водилом сателлитов.  Когда он вращается, шестерни-сателлиты стремятся увлечь во вращение и солнечную шестерню (в середине) и коронную шестерню (вокруг внешней стороны) в том же самом направлении, что и водило.  Тщательным выбором размера (и, следовательно, числа зубьев) солнечной и коронной шестерен направляем 72 % (фактически 2.6/3.6) вращающего момента к коронной шестерне и 28 % (фактически 1/3.6) к солнечной шестерне. 

Коронная шестерня, которая получает большую часть момента, связана через обычный редуктор с дифференциалом и, следовательно, с колесами.  Так ДВС приводит в движение автобус.

Солнечная шестерня, которая получает меньшую часть вращающего момента, связана с мотором/генератором (назовем его MG1).  В настоящий момент давайте забудем, что MG1 может работать как электромотор и представим, что он работает как генератор.  ДВС, вращая водило сателлитов, передает момент вращения солнечной шестерне и MG1.  Компьютер управляет отбором энергии с генератора  MG1 так, чтобы сопротивление вращения генератора уравновешивало вращающий момент, полученный солнцем от ДВС.  Следовательно,  ДВС расходует 72 % вращающего момента на движение автобуса и 28 % на вращение генератора MG1. Корона и солнце приводятся в движение ДВС с фиксированным распределением момента, свободно вращаются с различной скоростью.  Хотя есть постоянное математическое соотношение между их скорость вращения и скоростью вращения ДВС, одна из этих шестерен может увеличить скорость вращения, а другая- замедлится, не изменяя скорость вращения на входе от ДВС. 

Если корона не вращается, солнечная шестерня, вращаясь быстрее,  возьмёт на себя всё вращение сателлитов.

Теперь понятно, почему возможно использовать планетарный механизм в качестве  бесступенчато-регулируемой трансмиссии.  Для любой данной скорости движения автобуса  компьютер определяет скорость вращения коронной шестерни.  В зависимости от  требуемой мощности компьютер решает, какие обороты должен развивать ДВС.  Тогда он решает простое уравнение, чтобы выяснить, как быстро MG1 должен вращаться.  И, регулируя мощность, получаемую от MG1, увеличивает или уменьшает обороты ДВС, пока не будут достигнуты желательные условия.  Эти действия не затрагивают тот факт, что 72 % вращающего момента ДВС направляется к колесам.  Колеса могут даже не вращаться, но вращающий момент все еще к ним приложен.   Имея возможность начинать движение таким образом, мы покончили с потребностью в сцеплении или трансформаторе, фактически устраняя склонный к изнашиванию и объемный компонент трансмиссии.

Обсудим использование для произведенной электроэнергии с помощью MG1.  Второй мотор/генератор  MG2 связан с короной PSD (планетарного механизма) и добавляет свой вращающий момент к тому, который поступает на выход  PSD от ДВС (который вращает водило сателлитов).  Так мощность, которая, казалось, собиралась пропадать впустую, фактически минует механическое устройство PSD по электрическому пути и помогает вращать колеса.  В действительности, мощность ДВС  разделена (в PSD- Устройстве распределения мощности), часть ее направляется через механическую передачу на коронную шестерню, а часть по «электрическому пути - от солнечной шестерни к MG1, управляющей электронике и к MG2.  Коронная шестерня и MG2 вращают колеса совместно через редуктор и дифференциал.

Чтобы полностью понять трансмиссию, мы должны отметить, что разделение мощности между механическим и электрическим путем не является постоянным, как разделение вращающего момента в PSD.  Мощность - произведение вращающего момента и скорости вращения, таким образом мощность, передаваемая в любом направлении, зависит от относительных скоростей вращения MG1 и коронной шестерни.  Мы можем слышать, что 72% мощности ДВС передается непосредственно к колесам, а 28% превращаются в электричество.  Это не правильно.  Вращающий момент делится в этом отношении, но разделение мощности является переменным, в сущности, это и используется управляющим компьютером двигателя.

Список литературы

1. Gregory A. Schultz, Lung-Wen Tsai, Naritomo Higuchi, Ivan C. Tong, «Development of a Novel Parallel Hybrid Transmission», SAE paper № 2001-01-0875.

2. Xiaolan Ai, Scott Anderson, «An ElectroMechanical Infinitely Variable Transmission for Hybrid Electric Vehicles», SAE paper № 2005-01-0281.

3. Deve Hermance, Shinichi Abe, «Hibrid Vehicles Lessns Learned and Future Prospects», SAE 2006-21-0027.

4. Tim M. Grewe, Brendan M. Conlon, Alan G. Holmes, «Defining the General Motors 2-Mode Hybrid Transmission», SAE 2007-01-0273.

5. Автомобили особо малого класса (квадрициклы) с гибридной энергосиловой установкой. Умняшкин В.А., Ижевск. РХД 2004г.

6. Жарнал автомобильных инженеров, Г.О. Котиев, д.т.н., профессор / С.А. Харитонов, к.т.н., доцент. МГТУ им. Н.Э. Баумана / М.В. Нагайцев, к.т.н., доцент. ОАО «АВТОВАЗ»

7. Лазарева А.Н. Диссертация Разработка методики расчета базовых параметров и характеристик гибридной энергосиловой установки параллельной компоновочной схемы для легкового автомобиля

8. Разработка алгоритма управления электромеханическим приводом

гибридного легкового автомобиля, Копотев Д.А., Филькин Н.М., ГОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет", г. Ижевск, Россия

Код для цитирования: Скопировать