РАЗРАБОТКИ

Высокомоментный гибридный привод для легковых автомобилей

Предлагаемый гибридный привод является полным гибридом комбинированного (последовательно-параллельного) типа. Предназначен для использования в качестве бесступенчатой трансмиссии для транспортных средств. Привод имеет минимальные размеры, вес и стоимость (при равных возможностях) по сравнению с мировыми аналогами.

Конструкция предлагаемого высокомоментного гибридного привода в настоящий момент патентуется.

Состав основных узлов и элементов предлагаемого привода: двигатель внутреннего сгорания, электрическая машина (одна, работающая и как генератор и как электромотор или две отдельных – генератор и тяговый электромотор), частотный преобразователь, накопители электроэнергии и блок управления. Есть дополнительные узлы, обеспечивающие работу генератора в требуемых режимах. Привод может быть использован в составе гибридной трансмиссии как имеющей КПП, так и без КПП (в зависимости от типа транспортного средства).

Основные инновационные особенности предлагаемого высокомоментного гибридного привода:

1.             Особая конструкция генератора.

2.             Оригинальная взаимная компоновка основных элементов и дополнительных узлов привода. Это позволяет, в отличие от лучших импортных аналогов, на любой скорости движения получить не только предельно высокий момент, но и значительно увеличить скорость движения транспортного средства без увеличения частоты вращения вала ДВС.

3.             Оригинальная конструктивная схема привода, позволяющая максимально компактно расположить его  элементы.

Особенности гибридных приводов для легковых автомобилей.

Широкий диапазон скоростей движения и крутящих моментов трансмиссии у скоростных, но относительно маломощных транспортных средств (например, легковые автомобили класса «В») определяет необходимость наличия КПП либо высокомоментного тягового электропривода (для создания на старте большого крутящего момента), стоимость которых более-менее сопоставима.

Известные оптимальные схемы гибридных приводов для легковых автомобилей класса «В».

Для таких автомобилей оптимальна схема смешанного последовательно-параллельного гибридного привода, примененная компанией TOYOTA с небольшими вариациями практически во всех своих гибридных автомобилях (ее система смешанной тяги THS). Такое мнение высказывает, в частности, Л. А. Скрипко, к.т.н. / ГТУ «МАДИ» (Журнал Автомобильных Инженеров №5 (70) 2011, УДК 629.33.03-83; 629.34.03-83 «Гибридный привод для Калины»). В THS 72% крутящего момента ДВС передается на ведущие колеса, а 28% - на генератор, а для увеличения крутящего момента используется тяговый электропривод. Патент TOYOTA на это решение скоро прекратит свое действие и его смогут использовать все желающие для разработки собственных гибридных приводов.

Также открытым для использования решением является схема с биротативным генератором, передающим на ведущие колеса полный крутящий момент ДВС. Такое решение описано в патенте Фольксваген DE 3338548 от 24.10.1983 и в патенте TOYOTA на HSD. Для увеличения крутящего момента можно также использовать тяговый электропривод и (или) двухступенчатую КПП (Журнал Автомобильных Инженеров №6 (71) 2011, УДК 629.33.03-83; 629.34.03-83   «Схема для гибрида», Л. А. Скрипко). Варианты схем с биротативным генератором и КПП описаны, например, в патентах US 20110034282 и CN 201240251. В китайском патенте одна биротативная электромашина используется в разных режимах движения и как генератор и как электродвигатель.  Достоинством использования биротативной электромашины является отсутствие сцепления и меньшие потери в электромашине на больших скоростях движения. Недостаток заключается в том, что биротативный генератор имеет значительные габариты и вес, поскольку передает полный крутящий момент ДВС.

Чтобы передать на ведущие колеса полный крутящий момент ДВС и при этом снизить габариты и массу биротативного генератора, можно использовать схему по патенту РФ 2384423. Для увеличения крутящего момента также можно применить как тяговый электропривод, так и КПП.

Оригинальный гибридный привод ООО «АВИС».

ООО «АВИС» разработало гибридный привод с оригинальной схемой, который, при несколько большей сложности чем привод по патенту РФ 2384423, обеспечивает 8 режимов работы без использования тягового электропривода или КПП.

Сравнительные расчеты в среде визуального программирования MatLab (SimuLink) показали, что применение предлагаемого привода даже без использования тягового электропривода или КПП (рис. 1) обеспечивает автомобилю полной массой 1555 кг с ДВС мощностью 72 кВт/5600 об/мин (легковой автомобиль класса «В» - например, ВАЗ 1118 «Калина») динамические показатели лучшие, чем у TOYOTA Prius или Lexus CT 200h. Время разгона с места до 60/100/130 км/ч составило 4,4/9,3/15,5с у автомобиля с предлагаемым приводом против 5,1/10,4/15,5с у TOYOTA Prius или Lexus CT 200h.

 

 

 

 

 

Предлагаемая схема без КПП и тягового электропривода для легкового автомобиля класса «В»

 

 

 

 

 

 

     

 

Для кроссоверов и легковых автомобилей премиум-сегмента требования к динамическим показателям выше и им нужен будет тяговый электропривод или КПП.

Для сравнения в секторе кроссоверов был выбран Lexus RX 450h полной массой 2700 кг, имеющий ДВС мощностью 185 кВт/6000 об/мин, генератор мощностью 109 кВт, тяговый электропривод на передней оси мощностью 123 кВт/5400 об/мин с крутящим моментом 335 Нм и тяговый электропривод мощностью 50 кВт/5120 с крутящим моментом 130 Нм на задней оси. Мощность гибридной системы - 282 кВт. Сравнительный расчет проводился для автомобиля такой-же массы, с таким-же ДВС и тяговым электроприводом на задней оси (рис. 2). Передняя ось не имеет тягового электропривода и приводится в движение только с помощью ДВС через предлагаемый привод с генератором мощностью 130 кВт. Мощность гибридной системы - 180 кВт. Время разгона с места до 100 км/ч составило 6,4с у автомобиля с предлагаемым приводом против 7,9с у Lexus RX 450h.

 

 

 

 

 

Предлагаемая схема с тяговым электроприводом для кроссовера (4WD)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для сравнения в секторе автомобилей премиум-сегмента был выбран полноприводный Lexus LS 600h полной массой 2730 кг, имеющий ДВС мощностью 290 кВт/6400 об/мин, генератор мощностью 180 кВт и тяговый электропривод мощностью 165 кВт/8000 об/мин с крутящим моментом 300 Нм и двухступенчатой КПП. Мощность гибридной системы - 345 кВт. Сравнительный расчет проводился для автомобиля такой-же массы, с таким-же ДВС и с двухступенчатой КПП (рис. 3). Тягового электропривода нет, автомобиль приводится в движение только с помощью ДВС через предлагаемый привод с генератором мощностью 200 кВт и двухступенчатую КПП. Мощность гибридной системы - 200 кВт. Время разгона с места до 100 км/ч составило 3,9с у автомобиля с предлагаемым приводом против 7,1с у Lexus LS 600h.

 

 

 

Предлагаемая схема с КПП для автомобиля премиум-сегмента или кроссовера (4WD)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Предлагаемый гибридный привод имеет высокие эксплуатационные характеристики и может быть использован во всех сегментах рынка легковых автомобилей, как самостоятельно, так и в любых сочетаниях с КПП и (или) с тяговым электроприводом. Это позволяет рассчитать параметры, определить  технические требования по каждому сегменту и создать типовой ряд приводов, стандартизировать их параметры, габаритные и присоединительные размеры. На базе типоразмерного ряда таких приводов разработчики автомобилей смогут создавать гибридные привода для модификаций любых серийных автомобилей, значительно сокращая сроки разработки и расходы на них. Дополнительное преимущество – общая патентная защита всей линейки приводов.

Внедрение предлагаемого гибридного привода позволит снизить себестоимость, массу и габариты привода, расход топлива, количество выбросов в атмосферу и, таким образом, повысить конкурентные преимущества создаваемых транспортных средств.