Przedmiotem patent US6209672B1 HYBRID VEHICLE , Alex J. Severinsky ( data publikacji 3.04.2001) jest zmodyfikowana konstrukcja samochodu hybrydowego, która oprócz silnika spalinowego zawiera dwa silniki napędowe AC połączone ze sobą wspólnym wałem lub za pomocą przekładni oraz sprzęgła. Silniki zasilane są z baterii akumulatorów, przy czym główny silnik AC realizuje funkcje napędowe kół jezdnych samodzielnie lub wspólnie z silnikiem spalinowym poprzez układ różnicowy, a pomocniczy silnik realizuje zasadniczo funkcje generatora zasilającego baterie akumulatorów. Bieżącą pracą hybrydy steruje system mikroprocesorowy, który zapewnia zestawienie różnych kombinacji połączeń mechanicznych omawianych silników w zależności od zdefiniowanych trybów pracy pojazdu hybrydowego powiązanych z określonymi wymaganiami odnośnie obciążenia, momentu obrotowego oraz stanu naładowania akumulatorów. Ważną role odgrywają również układy inwerterów AC/DC/AC , które realizują konwersje napięć AC generowanych przez silniki pracujące w charakterze generatorów w napięcie DC przeznaczone następnie do ładowania baterii akumulatorów oraz zapewniają przetwarzania napięcie DC z akumulatorów w napięcie AC zasilające elektryczne silniki napędowe pojazdu hybrydowego.
Szczegóły rozwiązań konstrukcyjnych zastosowanych w/w patencie przedstawione są w formie rysunku który zawiera:
Fig1. – przedstawia wykres mocy silnika KM w stosunku do prędkości obrotowej silnika (RPM) z ilustracją względnego zużycia paliwa w galonach / KM godzinę ;
Fig.2 – przestawia analogiczna wersje wykresu z FIG.1 odniesioną do teoretycznego samochodu hybrydowego;
Fig.3 – przedstawia schemat funkcjonalno- blokowy pierwszego przykładu wykonania samochodu hybrydowego według wynalazku;
Fig.4 – przedstawia schemat funkcjonalno- blokowy drugiego przykładu wykonania samochodu hybrydowego według wynalazku;
Fig.5 – przedstawia uproszczony schemat ideowo-funkcjonalny zespołu elektrycznego samochodu hybrydowego w składzie silniki 21,25 inwerter 86, akumulatory 85 oraz generator impulsowy sterujący 88;
Fig. 6 – przedstawia ilustracje realizacji trybów działania samochodu hybrydowego na wykresie trójwymiarowym w funkcji BSC ( battery state of charge), obciążenia ( RL as % MTO – Road Load as % of Max Engine Torque) oraz T czasu;
Fig.7(a-c) – przedstawia wykresy czasowe parametrów charakteryzujących działanie samochodu hybrydowego według wynalazku tzn.: obciążenie ( RL as%MTO), BSC oraz moment obrotowy silnika spalinowego;
Fig.8(a-d) – przedstawia wizualizacje zdefiniowanych trybów pracy od I do V, samochodu hybrydowego według wynalazku;
Fig.9 (a-c) – przedstawia grafy algorytmów opisujących sterowanie pracą samochodu hybrydowego w w/w trybach działania.
Funkcje sterujące pracą poszczególnych elementów pojazdu hybrydowego realizuje sterownik mikroprocesorowy 48, który analizuje wejściowe sygnały pomiarowe: przykładowo prędkość silnika spalinowego, prędkość silników elektrycznych, wartość ładunku elektrycznego oraz napięcia zespołu akumulatorów, bieżącej temperatury, a ponadto komendy; kierowcy takie jak przyspieszenie lub hamowanie, jazda ze stałą prędkością oraz zmiana kierunku. Algorytm sterowania sterownika 48 zapewnia poprawna współpracę poszczególnych silników napędowych w zależności od parametru obciążenia oraz zadanego trybu pracy pojazdu. Przykładowo sprzęgło mechaniczne 51 łączące silnik spalinowy 40 z silnikiem elektrycznym 25 może być rozłączone w warunkach jazdy z małą prędkością, przy napędzie elektrycznym oraz połączone w warunkach jazdy autostradowej, gdzie wykorzystuje się sumę momentów obrotowych silnika spalinowego 40 i elektrycznego 25. Według opisu zastrzeżona konstrukcja pojazdu może pracować w realnych warunkach drogowych które dla celów praktycznych zostały podzielone na wyróżnione tryby sposobu jazdy:
Tryb I/III – Tryb miejski /awaryjny pojazd jest eksploatowany jako samochód elektryczny przez silnik elektryczny 25 zasilany z baterii akumulatorów 22;
Tryb II -Tryb małych prędkości w zakresie obciążenia 30% < MTO ( maksimum torgue output- maksymalny moment obrotowy silnika spalinowego), sprzęgło 51 rozłączone. Pojazd jest napędzany przez silnik 25 zasilany z baterii akumulatorów. Silnik spalinowy 40 połączony jest mechanicznie z silnikiem elektrycznym 21, który pełni funkcje rozrusznika a następnie pracuje jako generator ładujący baterie akumulatorów 22 poprzez inwerter AC/DC/AC, 23. W tym przypadku silnik może pracować ze stałym momentem obrotowym odnoszącym się do prędkości obrotowej rzędu 1500obr/min.
Tryb IV – Tryb autostradowy w zakresie obciążenia ( 30%-100%) MTO, sprzęgło 51 jest włączone. Silnik spalinowy 40 połączony mechanicznie z silnikami 21 i 25, przekazuje napęd na koła jezdne 34 przez układ różnicowy 32 .
Tryb V – Tryb pokonywania wzniesień MTO >100%, sprzęgło 51 włączone. Silnik spalinowy 40 wspomagany jest przez silniki 21 i 25 zasilane również z baterii akumulatorów 22;
Tryb hamowania – silniki 21 i 25 pracują pojedynczo lub razem jako generatory napięcia ładującego baterie akumulatorów 22 poprzez inwertery AC/DC/AC 23,27.
Według Wikipedii: https://pl.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive w aucie hybrydowym Toyoty, zwanym w skrócie HSD, głównym źródłem napędu pozostaje silnik spalinowy, jednak konwencjonalną skrzynię przekładniową zastąpiono w nim przekładnią planetarną, która w połączeniu z napędem elektrycznym pełni rolę bezstopniowej skrzyni biegów. Tłokowy silnik spalinowy osiąga największą sprawność w wąskim zakresie prędkości obrotowych, musi jednak zapewniać napęd kół w całym użytkowym zakresie prędkości samochodu. W konwencjonalnych samochodach za dostosowanie prędkości i momentu obrotowego silnika do zapotrzebowania wynikającego z sytuacji odpowiada wielostopniowa przekładnia zębata, zwana skrzynią biegów. Może to być klasyczna przekładnia manualna ze sprzęgłem ciernym lub przekładnia automatyczna ze sprzęgłem hydrokinetycznym – oba rodzaje realizują to samo zadanie. Kierowca reguluje prędkość i moment obrotowy wytwarzany przez silnik za pomocą pedału przyspieszenia, zaś mechaniczna przekładnia przekazuje niemal całą moc wytwarzaną przez silnik na koła, zmniejszając prędkość obrotową i zwiększając moment obrotowy zgodnie ze współczynnikiem wybranego przełożenia. Liczba dostępnych przełożeń (czyli „biegów”) jest ograniczona, zazwyczaj do 4, 5 lub 6. W związku z tym praktyczny zakres obrotów silnika na każdym z przełożeń obejmuje również wartości niższe i wyższe od obrotów optymalnych, co powoduje spadek średniej sprawności silnika – inaczej mówiąc, zużycie tej samej ilości paliwa daje mniej energii mechanicznej i umożliwia przejechanie mniejszej odległości. Konieczność pracy w szerokim zakresie prędkości obrotowych wiąże się nie tylko z gorszą sprawnością silnika – powoduje również zwiększenie jego złożoności, wielkości i masy, a także zmniejsza niezawodność i trwałość. Dlatego silniki napędzające generatory elektryczne, z definicji pracujące w bardzo wąskim zakresie prędkości obrotowych, są dużo prostsze, mniejsze, lżejsze, trwalsze, bardziej niezawodne i mają większą sprawność, niż silniki samochodowe czy inne, działające w szerokim zakresie prędkości obrotowych.
Korzystając z ogólnodostępnych opracowań Toyoty, przykładowo : Case study: Toyota Hybrid Synergy Drive można przedstawić uproszczony schemat funkcjonalno-blokowy hybrydowego napędu samochodów HSD.
W systemie napędu hybrydowego HSD zasadniczym źródłem energii pozostaje tłokowy silnik spalinowy, zaś skrzynię biegów, alternator i rozrusznik zastępują:
- MG1 – silnik-generator prądu przemiennego z wirnikiem z magnesami trwałymi PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), pełniący rolę rozrusznika przy uruchamianiu silnika spalinowego, zaś generatora podczas przyspieszania;
- MG2 – silnik-generator prądu przemiennego z wirnikiem z magnesami trwałymi PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), pełniący rolę głównego silnika elektrycznego o dużym momencie obrotowym
- Elektroniczny układ zasilania, obejmujący trzy inwertery (przetwornice zamieniające prąd stały na przemienny, DC-AC) i dwa konwertery prądu stałego (DC-DC)
- Mikroprocesorowy układ sterujący
- HVB (high voltage battery) – wysokonapięciowy zestaw akumulatorów, zasilających napęd elektryczny podczas przyspieszania i magazynujący energię odzyskiwaną podczas hamowania
- Przekładnia planetarna, łącząca silnik spalinowy, oba silniki elektryczne i układ przeniesienia napędu na koła.
- Przekładnia planetarna pełni rolę rozdzielacza mocy, który dzięki inteligentnemu sterowaniu pracą silnika spalinowego i obu elektrycznych silników-generatorów zapewnia odpowiedni przepływ mocy między poszczególnymi elementami układu
Ilustracje działania Toyota Hybrid Synergy Drive System przedstawia krótkie video: https://www.youtube.com/watch?v=4CFxQGWAaho
Jedyna różnicą która rozróżnia obie konstrukcje jest tylko zastosowanie przez Toyotę przekładni planetarnej w której sumują się momenty obrotowe silnika spalinowego, silników elektrycznych oraz układu przeniesienia napędu na koła obiegowe przekładni kół jezdnych HSD . Jeden z elektrycznych silników-generatorów (w dokumentacji Toyoty nazywany MG2, jest zamontowany na kole zewnętrznym przekładni, połączonym z wałem napędowym – jego zadanie to wspomaganie momentu obrotowego przekazywanego na koła jezdne . Drugi, mniejszy silnik-generator, w nomenklaturze Toyoty MG1, połączony jest z kołem centralnym przekładni, która w sytuacji, gdy obroty silnika spalinowego są wyższe, niż wynikałoby to z prędkości obrotowej kół, umożliwia odebranie nadmiaru prędkości przez MG1, pełniący wtedy rolę generatora. Prędkości i momenty obrotowe na poszczególnych elementach są monitorowane przez komputer sterujący układem za pomocą zestawu specjalnych czujników.
Generalnie przekładnie planetarne są podzespołem w którym co najmniej jedno koło, nazywane kołem obiegowym lub satelitą ma oś ruchomą względem korpusu przekładni. Koła takie w czasie pracy obiegają dookoła innych kół, zwanych kołami stałymi. Przekładnie planetarne umożliwiają przenoszenie dużych mocy i uzyskiwanie dużych przełożeń przy stosunkowo małych wymiarach. Posiadają one szczególne właściwości, polegające na tym, że pośredniczące działanie pomiędzy kołem centralnym a wieńcem może spełniać więcej niż jeden satelita, co umożliwia zastosowanie zasady wewnętrznego podziału obciążenia, a także, że występuje w tych przekładniach zazębienie wewnętrzne, które ma szereg korzystnych własności, jak mały poślizg i możliwość przenoszenia znacznych względnych obciążeń przy miękkich zębach wieńca i twardych satelitów i koła centralnego. Przekładnie te są również kilkakrotnie lżejsze od zwykłych przekładni o podobnych parametrach. Cechy te pozwalają na zastosowanie tego typu przekładni w zespołach turbinowych, pojazdach szynowych, napędach okrętowych, a także w automatycznych skrzyniach przekładniowych pojazdów samochodowych.
Ilustracja działania przekładni planetarnej zastosowanej w Toyocie HSD przedstawia krótkie video: https://youtu.be/ARd-Om2VyiE
Analiza przedstawionych materiałów prowadzi do wniosku o dużym podobieństwie rozwiązań technicznych hybrydowego napędu samochodów Hybrid Synergy Driver HSD opracowanych przez Toyotę do zastrzeżonej patentem US6209672 konstrukcji pojazdu hybrydowego, przez Alex J. Severinsky, właściciela firmy Paice.
Wnioski
Firma Paice Alex J. Severinsky w 2014 roku złożyła pozew sądowy o naruszenie swoich praw patentowych z zakresu konstrukcji aut hybrydowych przez giganta samochodowego jakim jest Ford. Sprawa ostatecznie zostanie rozstrzygnięta 2 listopada 2017 roku po analizie opinii prawnej złożonej przez amerykański Urząd Patentowy w sprawie w/w naruszeń patentowych. Ciekawostką może być fakt , że Toyota jako pierwszy producent aut hybrydowych przegrała w 2009 roku proces w Sądzie Federalnym USA o naruszenie w/w praw patentowych. Według wyroku sadowego Toyota powinna płacić 98 $ od każdego wyprodukowanego auta hybrydowego, ale Toyota poszła na ugodę i kupiła licencje na wszystkie dotychczasowe 23 patenty z zakresy techniki hybrydowej, której koszt objęty jest tajemnicą handlową. W następnych latach firma Paice zawarła kolejne umowy licencyjne z Hyundai i Kia, a ostatnio z Volkswagenem, Audi i Porsche. Podobnie jak w przypadku Toyoty warunki umów są poufne ale bez wątpienia zapewniają satysfakcje finansowe właściciela patentów, tym bardziej, że patent US5343970 stracił już ochronę w 2012 roku a patent US6209670 będzie ogólno dostępny na początku 2019 roku.