КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

сцеплением С2. Когда С1 замкнут, а С2 выключено, автомобиль приводится в движение только тяговым электромотором. При этом, если сцепление С3 включено, ДВС и мотор-генератор могут работать как двигатель-генераторная установка, реализуя тем самым последовательную схему. Если же С1, С2 и С3 включены, то все три силовых агрегата имеют механическую связь с колёсами, реализуя параллельную схему передачи энергии.

Рис. 3.35. КЭУ Chevrolet Volt с последовательно-параллельной схемой передачи энергии.

В МАМИ разработки в области КЭУ с последовательнопараллельной схемой передачи энергии ведутся с2009 г. За прошедшее время были получены два патента на последовательнпараллельную схему, в том числе и на полноприводную её реализацию. Был создан универсальный стенд для испытаний КЭУ, имеющих последовательно-параллельную схему с приводом на задние ко-

61

лёса автомобиля (рис. 3.36). Стенд позволяет имитировать работу КЭУ автомобилей полной массой до 10 т.

Рис. 3.36. Схема универсального стенда для испытаний КЭУ с последо- вательно-параллельной схемой передачи энергии.

Универсальный стенд содержит тяговую ветвь(КЭУ) и нагружающую ветвь (индукционный тормоз и два стальных маховика). Тяговая ветвь включает ДВС, две обратимые электромашины и соединительные муфты, расположенные между обратимыми электромашинами. Нагружающая ветвь обеспечивает имитацию сопротивления движению автомобиля, т.е. создаёт силу сопротивления воздуха, силу сопротивления качению, силу сопротивления подъёму и силу инерции. Сопротивление качению, сопротивление воздуха и сопротивление при движении на подъём имитируется нагружающим генератором Magtrol 2WB15 (рис. 3.37), а инерционные нагрузки, зависящие от параметров испытуемого транспортного средства, имитируются инерцией маховиков, которая варьируется за счёт изменения частоты вращения одного из них.

Рис. 3.37. Нагружающее устройство.

62

Суммарный момент инерции маховиков соответствует моменту инерции автомобиля полной массой порядка 2800 кг. Таким образом, они способны имитировать инерцию массы легкового автомобиля УАЗ.

Однако, иметь возможность испытывать на универсальном стенде только один автомобиль нецелесообразно. Поэтому между маховиками установлен редуктор с фиксированными передаточными числами для имитации масс нескольких автомобилей. Из конструктивных соображений в качестве такого редуктора использована -ко робка передач автомобиля ГАЗ-3302, которая получает крутящий момент от первого маховика с помощью ремённой передачи.

Общий вид стенда и место операторов управления представлены на рис. 3.38, 3.39.

Рис. 3.38. Общий вид универсального стенда для испытаний КЭУ. Блоки управления электромашинами и накопители.

63

Рис. 3.39. Пультовая.

В настоящее время создаётся автомобиль с КЭУ с последова- тельно-параллельной схемой передачи энергии на базе УАЗ-Карго. Реализуется вариант КЭУ для полного привода: задний привод от ДВС и ОЭМ (с возможностью его отсоединения от колёс при реализации последовательной схемы передачи энергии в КЭУ) и электрический привод передней оси (рис. 3.40). Такое решение позволяет не только получить базовые преимущества КЭУ (снижение расхода топлива и уменьшение вредных выбросов в атмосферу), но и обеспечить раздельное регулирование тяги на задней и передней осях, чем обеспечивается улучшение устойчивости, управляемости и проходимости автомобиля.

64

Рис. 3.40.

Более подробное описание конструкции этого автомобиля и его технические характеристики представлены в [4].

4. Механические трансмиссии в КЭУ

При невысокой скорости движения автомобиля его силовой агрегат должен иметь возможность развивать значительную силу тяги для преодоления крутых подъемов и труднопроходимых участков пути. В среднем диапазоне скоростей(для легкового автомобиля 60...100 км/ч) сила тяги должна быть такой, чтобы обеспечивать приемлемую эластичность (динамику перехода с одного скоростного режима на другой; например, разгон с 80 до 100 км/ч), которая является одним из факторов активной безопасности. Движение на высоких скоростях, как правило, является установившимся или близким к установившемуся, что требует силы тяги, достаточной только для преодоления сил сопротивления движению, действующих при постоянной скорости. Таким образом, от силового агрегата требуется тяговая характеристика с максимумом на малой скорости и убывающая по мере увеличения скорости. Такой вид характеристики свойственен электрическому двигателю (рис. 4.1 а).

В 2013-2014 гг. появились первые серийные модели тяговых электромоторов с аксиальным магнитным потоком. Они значительно компактнее, легче и дешевле, чем другие типы электромашин с по-

65

стоянными магнитами. Это позволяет создавать на их базе автомобильный электропривод, который при силовых, мощностных и скоростных показателях, сопоставимых с ДВС, имеет массу и габариты, позволяющие встраивать его в традиционные механические трансмиссии с минимальными конструктивными изменениями. На рис. 4.1 а) показана тяговая электромашина Yasa (Англия) и ее характеристики максимального момента и мощности при разных номинальных напряжениях. При показателях, сравнимых с ДВС легкового автомобиля бизнес-класса или малотоннажного грузового автомобиля, данный электромотор имеет массу 24 кг, диаметр 300 мм и осевой размер 111 мм.

а) б)

Рис. 4.1. Тяговые электромашины с аксиальным магнитным потоком и их характеристики. а) – Yasa 400; б) – EnstrojEmrax 228.

Другим примером электромашины с аксиальным потоком является мотор фирмы Enstroj (Словения), внешний вид и характеристики которого показаны на рис. 4.1 б). Его характеристики момента и мощности весьма сходны с характеристиками ДВС (в том числе и отсутствием режима постоянной мощности), подходящего для автомобиля гольф-класса. При этом мотор имеет массу12.3 кг, диаметр 228 мм и осевой размер 86 мм.

66

Примерами использования электропривода в качестве основного (или единственного) тягового агрегата являются силовые приводы электромобилей и автомобилей с КЭУ последовательного типа, также некоторые автомобили с КЭУ с параллельной схемой передачи энергии, относящиеся к классу fullhybrid. В них, как правило, электромашина связана с ведущими колесами посредством согласующего редуктора. Если проектировать согласующий редуктор между электродвигателем и колесами автомобиля так, чтобы достигать заданную максимальную скорость, то для обеспечения требуемых от автомобиля тяговых свойств электропривод должен развивать весьма высокий момент. Токи, необходимые для создания этого момента, и напряжение, требуемое для обеспечения приемлемой максимальной мощности, потребуют использования тяговой батареи большой ёмкости (Ач)

с большим числом аккумуляторных элементов (ячеек). Масса и стоимость такой батареи будут неприемлемыми не только для КЭУ, но и, возможно, для электромобиля. Например, для легкового автомобиля полной массой порядка 1500 кг масса батареи составит не менее250 кг (примерно 65% грузоподъемности), а стоимость около 18 000 долл. (что сравнимо со стоимостью самого автомобиля). Если согласующий редуктор проектировать для обеспечения заданной силы тяги, электромашина должна иметь очень широкий скоростной диапазон. Например, для обеспечения легковому автомобилю с электроприводом тяговой характеристики, сравнимой с характеристикой базового автомобиля с ДВС, электрическая машина должна иметь диапазон изменения частоты вращения её вала0...20000 об/мин, что выходит за пределы характеристик существующих тяговых электроприводов и согласующих механических передач.

На практике используются некоторые компромиссные сочетания параметров электропривода и согласующих редукторов, что неизбежно ухудшает свойства автомобиля с КЭУ или электромобиля по сравнению с традиционными аналогами.

Вместе с тем, при создании КЭУ широко применяется подход соединения ДВС и электромашины с колесами автомобиля через общую механическую трансмиссию, включающую коробку передач. Это позволяет получить сбалансированные тягово-скоростные свойства комбинированной энергетической установки, удовлетворяющие приведенным выше требованиям. Тяговые и динамические свойства обеспечиваются пониженными передачами, а скоростные – прямой и повышающими. Появление компактных электромашин, сопоставимых по характеристикам с ДВС, дает возможность встраивать элек-

67

тропривод в коробку передач, что совместно с дополнительными конструктивными решениями позволяет создать электромеханический силовой агрегат, который способен в течение некоторого времени (ограниченного запасом заряда батареи) полноценно заменять базовый привод от ДВС без потери тягово-скоростных и динамических характеристик автомобиля. Это решение привлекательно также и с экономической точки зрения, поскольку любая автоматическая коробка передач (роботизированная, гидромеханическая, бесступенчатая) имеет значительно меньшую стоимость, чем избыточное количество аккумуляторных ячеек или дополнительный электропривод. Ниже приводятся описания наиболее характерных схемных и конструктивных решений при использовании коробки передач в комбинированном и электрическом приводах.

4.1. КЭУ со вспомогательным электроприводом на валу ДВС и автоматической коробкой передач

Схема для продольного расположения силового агрегата показана на рис. 4.2. Электрическая машина 2 в ней не является самостоятельным силовым агрегатом, поскольку имеет небольшие мощность и момент. Поэтому сцепление 3 установлено за ней и движение на чистой электрической тяге нецелесообразно по конструктивным причинам – прокручивание вала ДВС, когда он выключен, нежелательно из-за наличия в нем существенного момента сопротивления, нестабильного при низких частотах вращения.

Рис. 4.2. Схема силового агрегата КЭУ со вспомогательным электроприводом и АКП. 1 – ДВС; 2 – электромашина; 3 – сцепление; 4 – АКП.

Электрическая машина выполняет следующие функции:

68

–стартер. Момент электромашины обычно достаточен, чтобы осуществлять быстрый пуск двигателя(для легкового автомобиля 0.3...0.4 сек) обеспечивая таким образом функцию системы “старт-стоп”.

–генератор. Электромашина осуществляет отбор мощности для питания электрооборудования автомобиля и создает нагрузку на ДВС для зарядки батареи, одновременно улучшая его топливную экономичность.

–дополнительный двигатель. За счет энергии батареи электромашина создает тяговый момент, помогающий ДВС. Это позволяет либо улучшить динамические характеристики автомобиля по сравнению с базовым, либо использовать ДВС меньшего объема для улучшения топливной экономичности автомобиля.

Применение в КЭУ электромашины малой мощности на сегодняшний день актуально в основном из экономических соображений

– для нее требуется относительно низкое напряжение питания (48...100 В), а следовательно, небольшая аккумуляторная батарея.

В качестве автоматической коробки передач может бытьис пользован практически любой серийный агрегат(роботизированная КП, планетарная КП, вариатор) с минимальными конструктивными изменениями.

Примером рассматриваемой схемы является КЭУ фирмыHonda с поперечным расположением силового агрегата(рис. 4.3). В ней применяется вариатор 4 с металлическим гибким элементом("ремнем") толкающего типа.

Рис. 4.3. Силовой агрегат HondaIMA. 1 – ДВС; 2 – электромашина; 3 – сцепление; 4 – вариатор.

69

4.2. КЭУ с полноразмерным тяговым электродвигателем, установленным на ведущем вале АКП

Данная схема отличается от предыдущей расположением сцепления между ДВС и электромашиной(рис. 4.4). Это позволяет переключаться между полноразмерным электрическим двигателем и ДВС в процессе движения.

Рис. 4.4. Схема силового агрегата КЭУ с полноразмерным электроприводом и АКП. 1 – ДВС; 2 – сцепление; 3 – электромашина; 4 – АКП.

Электрическая машина в данной схеме выполняет следующие функции:

–самостоятельный тяговый силовой агрегат. Обеспечивает движение в режиме электромобиля с возможностью рекуперации. Обеспечивается полноценная тяговая характеристика. Для начала движения на электротяге не требуется использование сцепления, поэтому электромашина установлена непосредственно на ведущем валу АКП.

–генератор. Создает нагрузку на ДВС при включенном сцеплении для зарядки батареи и улучшения топливной экономичности.

–помощь ДВС. При необходимости создания большой силы тяги электромашина создает момент, помогающий ДВС.

–при использовании роботизированной коробки передач электромашина может выполнять функцию синхронизации во время переключения передач.

Функция быстрого срабатывания системы"старт-стоп" не является в данной схеме необходимой– отключенный от трансмиссии ДВС может быть запущен обычным стартером, в то время как движение автомобиля происходит на электротяге.

В рассматриваемой схеме в качестве АКП целесообразноис пользовать автоматизированные механические КП или планетарные

70