Obserwowany rozwój samochodów hybrydowych wynika z  ostrej walki konkurencyjnej producentów samochodów, której celem jest zwiększenie efektywności konstrukcji samochodowych oraz  zmniejszenie  poziomu  zanieczyszczeń   atmosfery. Od dawna wiadomo, że podstawową wada silników spalinowych jest ich mała sprawność przy niskich obrotach tzn. przy małym obciążeniu, a najwyższa przy wysokich .obrotach, tzn.: przy pełnym lub prawie pełnym obciążeniu. W praktyce oznacza to, że gdy użytkujemy samochód w delikatny sposób, czyli przyspieszamy w miarę łagodnie i nie jeździmy szybko, silnik jest niewiele obciążony i pracuje w sposób mało efektywny. Oczywiście, zużycie paliwa jest niższe niż przy dynamicznej i szybkiej jeździe, ale wynika to z niskiego zapotrzebowania na energię z silnika, a  nie z jego wysokiej sprawności. Nie można jednak w samochodzie zastosować silnika, który będzie nadawał się tylko do oszczędnej jazdy, czyli taki który przy spokojnej jeździe będzie wymagał używania 100% pedału przyspieszenia. Nasz samochód musi przecież posiadać rezerwy mocy, choćby po to by czasem kogoś wyprzedzić lub jechać szybko autostradą. Problemem jest więc stworzenie oszczędnego  samochodu wyposażonego w silnik spalinowy.

W odpowiedzi na ten problem wysunięto tezę zbudowania samochodu hybrydowego. Pojazd taki łączy w sobie dwa źródła napędu, które wzajemnie się wspomagają. Najłatwiej jest to omówić na przykładzie najczęściej stosowanym, jakim jest połączenie silnika spalinowego z silnikiem elektrycznym. W rzeczywistość silnik elektryczny samochodu hybrydowego jest maszyną elektryczna, która zazwyczaj pełni rolę silnika oraz generatora energii elektrycznej. Zalet wynikających z połączenia silnikiem spalinowym jest wiele. Do napędu samochodu możemy zastosować mniejszy, bardziej sprawny silnik spalinowy, ponieważ przy dużych obciążeniach (np. przyspieszaniu) będzie on wspomagany przez silnik elektryczny. Natomiast przy małych obciążeniach, np. wolna jazda ze stałą prędkością, silnik elektryczny może pracować jako generator, dodatkowo obciążając silnik spalinowy. Wyższe obciążenie sprawia, że silnik spalinowy jest bardziej sprawny, natomiast zgromadzona nadwyżka energii trafia do akumulatorów i może zostać wykorzystana później.

Cała tajemnica efektywnego działania napędu hybrydowego polega na najbardziej optymalnym ustawieniu współpracy pomiędzy silnikami elektrycznym i spalinowym. Zastosowana w samochodzie maszyna elektryczna posiada jeszcze jedną wielką zaletę. W przeciwieństwie do silnika spalinowego, hamując silnikiem/generatorem elektrycznym możemy spowalniać samochód równocześnie gromadząc energię do akumulatorów. W przypadku samochodu wyłącznie z napędem spalinowym, cała ta energia została by rozproszona w otoczeniu poprzez gorące hamulce. Dodatkowo, małą zaletą napędu hybrydowego, jest też mniejsze zużycie klasycznych hamulców. Zastosowanie w samochodzie silnika-generatora elektrycznego wymaga zastosowania odpowiednio dużych i wydajnych akumulatorów. Obecnie, za najlepsze akumulatory uważa się akumulatory litowe, a konkretnie litowo-polimerowe. Akumulatory tego typu cechuje duża pojemność oraz gęstość magazynowania energii, czyli ich masa i objętość jest nieduża. Ponadto akumulatory tego typu dobrze znoszą częste częściowe ładowania i rozładowywania oraz mogą być produkowane w różnych kształtach dobrze wpasowując się w konstrukcję samochodu.

   Milowym krokiem w rozwoju samochodów hybrydowych jest rozwiązanie opisane w patencie US5343970A  HYBRID ELECTRIC VEHICLE, Alex J. Severinsky, opublikowane 6 sierpnia 1994 roku. Zgodnie z opisem przedstawiona konstrukcja pojazdu hybrydowego zawiera silnik spalinowy oraz silnik elektryczny, przy czym oba silniki przystosowane są do przekazywania swojego momentu obrotowego do napędu pojazdu za pomocą sterowanego modułu przekazywania momentu obrotowego. Z reguły przy małych prędkościach w warunkach miejskich, np. w korku pojazd jest napędzany przez silnik elektryczny , wykorzystując energie elektryczną zgromadzoną w akumulatorach. Podczas jazdy na autostradzie pojazd napędzany jest przez silnik spalinowy, który jest zaprojektowany taki sposób aby pracował z maksymalną wydajnością. W takim przypadku silnik spalinowy może zapewniać maksymalna efektywność w zużyciu paliwa podczas jazdy autostradą ze stałą prędkością. Z kolei silnik elektryczny przystosowany jest również do pracy w charakterze generatora napięcia ładującego akumulator w zależności od potrzeb oraz dodatkowo podczas hamowania pojazdu.

Szukając analogii w technice można zauważyć znaczące podobieństwo hybrydy do konstrukcji lokomotyw spalinowo-elektrycznych, w których silnik diesla napędza generator elektryczny zasilający silniki trakcyjne podłączone bezpośrednio do kół lokomotywy. Zaletą takiego rozwiązania jest brak przekładni mechanicznej pomiędzy silnikiem a napędzanymi kołami. W takiej sytuacji, lustrzane przeniesienie konstrukcji napędu z lokomotyw spalinowo-elektrycznych do hybrydy pociągnęło by za sobą duże straty transferowanej mocy silnika, rzędu 25%, które wynikają z przetwarzania energii silnika poprzez generator elektryczny, ładowarkę akumulatorów, falownik i silniki trakcyjne. W związku z tym opracowano oryginalne konstrukcje samochodów hybrydowych, których zadaniem była  korekta  większość znanych wad silnika spalinowego, a  które może zilustrować wykres mocy wyjściowej w porównaniu z prędkością obrotową (RPM) dla typowego silnika spalinowego, ilustrującym względne zużycie paliwa silnika, wyznaczone dla konwencjonalnych samochodów w galonach / koniogodzina, według US534970.

 

Według wykresu krzywa 10 odpowiada mocy wyjściowej silnika spalinowego w funkcji prędkości obrotowej na minutę w przykładowym samochodzie (sedan o wadze 3300 funtów) z automatyczną skrzynią biegów .Jak można zauważyć, maksymalna moc silnika wynosi około 165 koni mechanicznych przy około 5000 obr./min Z kolei .krzywa 12 stanowią średnie zapotrzebowanie mocy takiego pojazdu. Punkty C, S i H na krzywej 12 pokazują średnie zużycie paliwa w mieście, w terenie podmiejskim oraz podczas jazdy autostradą, odpowiednio. Punkt C na krzywej 12 pokazuje, że średnia moc wymagana w typowej jeździe miejskiej jest mniejsza niż 5 KM. Punkt S pokazuje, że średni pobór mocy w podmiejskiej jazdy wynosi 10 KM, a punkt H pokazuje, że moc potrzebna do stałej prędkości jazdy autostradą wynosi tylko około 30 KM. Z wykresy wynika więc, że moc pojazd jest w praktyce tłumiona przez cały czas, z wyjątkiem przypadków podczas przyspieszania lub pokonywania wzniesień. Linia przerywana zazna krzywe określające względne zużycie paliwa silnika. podczas jego eksploatacji Jak można zauważyć, rozsądna wydajności paliwa, to znaczy, co najmniej około 105 procent zużycia paliwa (100% stanowi zużycie idealne) jest osiągana tylko wtedy, gdy silnik pracuje  z momentem obrotowym  między około 2000 a 4000 obrotów na minutę, oraz mocą w zakresie między około 75 i 150 KM. Wnioski wynikające z analizy w/w wykresów sygnalizują, że typowy silnik spalinowy pracuje z odpowiednią wydajnością tylko podczas pracy w zakresie od około 50% do około 90% jego maksymalnej mocy wyjściowej. Typowy samochód wymaga tylko takiej znacznej mocy w warunkach ekstremalnego przyspieszania lub jazdy pod górę wzgórza. Zatem tylko w stosunkowo krótkich odstępach czasu silnik pracuje efektywnie. Przykładowo, podczas typowej jazdy autostradą, punkt H na krzywej 12,wyznacza wartość względnego zużycia paliwa rzędu 190%,  odniesioną do wartości wymaganej podczas najbardziej efektywnej pracy silnika. Sytuacja jest jeszcze gorsza w warunkach jazdy podmiejskiej , gdzie względne zużycie paliwa wynosi prawie 300% wartości najbardziej efektywny, a w jeździe miejskiej, gdzie względne zużycie paliwa wynosi prawie 350% w stosunku do wymaganej w warunkach najbardziej wydajnej pracy silnika.

Schemat blokowy samochodu hybrydowego według wynalazku (Fig.3) zawiera, zarówno silnik spalinowy 40 jak i silnik elektryczny 20, które przekazują moment obrotowy, poprzez  układ  przenoszenia i regulacji  momentu obrotowego 28, na koła napędowe 34.  Przepływem momentu obrotowego pomiędzy silnikiem 40, silnikiem 20  a  kołami 34 steruje mikroprocesor 48 zgodnie z określonym przez użytkownika  trybem pracy pojazdu.

1. Jazda z małą prędkości w warunkach miejskich lub manewr cofania – samodzielny napęd silnikiem elektrycznym;
2. Płynna jazda ze stałą prędkością po autostradzie lub drodze ekspresowej samodzielny napęd silnikiem spalinowym;
3. Jazda w warunkach górzystych oraz podczas manewru wyprzedzania z efektem wzrostu prędkości pojazdu. – równoległy napęd silnikiem spalinowym i elektrycznym;
4. Jazda w warunkach doładowywania baterii podczas płynnej jazdy oraz manewrów hamowania – praca silnika jako generatora AC, który stanowi źródło zasilania dwukierunkowego inwertera AC/DC/AC, ładującego akumulator.
5.  Uruchamianie silnika spalinowego przez silnik elektryczny AC zasilanego z akumulatora pojazdu.

Zasadniczą istotą wynalazku jest zastosowanie w pojeździe hybrydowym sterowanego modułu przenoszenia momentu obrotowego silników spalinowego i elektrycznego na wał napędowy kół jezdnych w trzech trybach :

– sumy momentu obrotowego wału silnika spalinowego oraz wału silnika elektrycznego.

– wsteczne przekazywanie momentu obrotowego z wału napędowego kół jezdnych na wał silnika elektrycznego przejmującego funkcje generatora napięcia AC podczas hamowania.

– bezpośrednie przekazywanie momentu obrotowego pomiędzy wałami silnika spalinowego i elektrycznego podczas pracy silnika AC jako generatora napięcia zasilającego dwukierunkowy inwerter AC/DC/DC.

Mechaniczny zespół przenoszenia momentu obrotowego 28 może działać również w trybie różnicowym o ograniczonym poślizgu, w którym prędkość wału napędowego kół jezdnych  jest proporcjonalna do różnicy w prędkości obrotowej wałów napędowych silników spalinowego i elektrycznego, przy czym sterowanie jego pracą zrealizowane jest przez kontroler mikroprocesorowy 48. Akumulator pojazdu hybrydowego charakteryzuje się  maksymalnym napięcie w przybliżeniu w zakresie 500-1500 V oraz  natężeniem dopuszczalnego prądu obciążenia rzędu 75A.  Asynchroniczny silnik AC zasilany jest napięciem  zmiennym  o regulowanej częstotliwości w zakresie między 120Hz a 1000Hz, a korzystnie od około 150Hz do około 600Hz.

Jednostka przeniesienia momentu obrotowego 28 przekazuje moment obrotowy na koła za pomocą konwencjonalnego mechanizmu różnicowego 32. Silnik elektryczny 20 jest  zasilany jest z akumulatora 22 poprzez dwukierunkowy inwerter  mocy AC/DC/AC ,44, który ładuje akumulatory gdy silnik 20 pracuje jako prądnica AC  napędzana przez silnik 40  podczas ładowania regeneracyjnego oraz podczas trybu  hamowania pojazdu.

Kontroler mikroprocesorowy 48 kontroluje szybkość dostarczania paliwa do silnika 40, poprzez układ EFI ( Electronic Fuel Injection), 56 oraz steruje otwarciem przepustnicy 61 powietrza zasysanego z atmosfery do spalania paliwa, kontroluje również działanie dwukierunkowego sprzęgła 50, a ponadto steruje działaniem urządzenia przenoszącego moment obrotowy 28 oraz dwukierunkowym przepływem energii między akumulatorem 22 i silnikiem 20. Mikroprocesor 48 odbiera sygnały sterujące od operatora pojazdu, jak przyspieszenie, cofanie, hamowanie oraz analizuje dane z czujników monitorujących różne elementy systemu, np.: prędkość obrotowa silników, napięcie i stan naładowania akumulatora, mierzona temperatura otoczenia.

Na przykład, gdy pojazd porusza się ze stała prędkością po autostradzie, silnik 40 samodzielnie zapewnia napęd kół 34. Udział silnika 20 jest zaprogramowany  jedynie dla wspomagania silnika 40 podczas jazdy pod górę oraz manewrów  przyspieszania,  a dodatkowo może być wykorzystany do uruchamiania silnika 40.

Podczas hamowania lub jazdy w dół wzgórza energia kinetyczna pojazdu  w postaci nadmiaru momentu obrotowego silnika 40 może być wykorzystana do napędzania silnika 20, który  przyjmuje funkcje generatora AC  zasilającego akumulatory 22, poprzez dwukierunkowy inwerter AC/DC/AC. Różne tryby  pracy systemu ilustrują rysunki (Fig 4-9)  na których linia przerywaną zaznaczony jest przepływ energii kinetycznej w postaci  momentu obrotowego silników 20 , 40.

Sterowany moduł przenoszenia momentu obrotowego 28 ( Fig.11) składa się z czterech stożkowych kół zębatych, zazębionych na stałe 94, 96, 98 i 100. Pierwsze stożkowe koło zębate 94 jest przymocowany do wału napędowego 86 z silnika spalinowego 40 za pomocą dwukierunkowego sprzęgła 50. Drugie stożkowe koło zębate 96 jest przymocowana do wału 26 silnika elektrycznego 20, Stożkowe koła zębate 94 i 96 obracają się swobodnie wokół swoich osi w obudowie 92.  Kiedy obudowa 92 obracają się wokół swojej osi, moment obrotowy jest przekazywany z obudowy 92 na koła napędowe 34 za pomocą wału napędowego 30, który połączony jest poprzez przekładnie zębatą 102/104. Stożkowe koła zębata 98, 100 mogą być blokowane względem korpusu 92, za pomocą sprzęgieł magnetycznych 106, lub mogą się swobodnie obracać względem obudowy 92. Działanie elementów blokujących modułu przenoszenia momentu obrotowego sterowane jest przez mikroprocesor 48.

Zespół przenoszenia momentu pracuje w trybie różnicowym gdy stożkowe koła zębate 98 i 100 mogą się obracać swobodnie w obudowie 92, co zapewnia przykładowo przekazywanie momentu obrotowego z wału 86 silnika 40 na wał 26 silnika 20 pracującego jako generator napięcia oraz do wału 30 w celu napędzania pojazdu. Jeżeli 94,96,98,100 maja taka sama liczbę zębów to obudowa 92 obraca się z prędkością równą różnicy prędkości wałów 94, 96

Dla porównania, w trybie równoległym, kiedy koła zębate planetarne 98 i 100 są blokowane w obudowie 92, obroty wałka napędowego silnika 40, poprzez sprzęgło 50 lub obroty wałka silnika 20 przenoszone są na zębatkę 104 obudowy 92. Moment obrotowy przenoszone przez obudowę 92, koła zębatego trzpieniowego 102 jest sumą momentów dostarczonych przez wały napędowe 26, 86 silnika 40 i 20, odpowiednio. Według opisu, silnik elektryczny 20 jest asynchronicznym silnikiem indukcyjny prądu przemiennego z regulacja częstotliwości impulsów napięcia w zakresie od 120 do 1000Hz.

Zaletą opatentowanej konstrukcji pojazdu hybrydowego, poza eliminacja w/w wad współczesnych samochodów jest zbilansowanie kosztów jego produkcji. Przykładowy koszt silnika według wynalazku stanowi jedynie 30-50% kosztów tradycyjnego silnika. Koszt układu sprzęgła oraz zespołu przenoszącego moment obrotowy wyceniany jest na 33% kosztów standardowej automatycznej skrzyni biegów, przy czym nie jest wymagany równocześnie żaden alternator albo rozrusznik. Koszt elektrycznego silnik asynchronicznego AC wraz z dwukierunkowym inwerter AC/DC/AC, oraz baterią akumulatorów o zwiększoną pojemność w przybliżeniu równy jest sumie kosztów składników konwencjonalnego samochodu spalinowego o parametrach trakcyjnych pokrywających się z parametrami w/w pojazdu hybrydowego.