Dawno temu znajomy Prezes kupił sobie hybrydę za duże pieniądze, żeby zaoszczędzić na paliwie, ale okazało się że zużycie paliwa jest normalne a samochód jest dość wołowaty. Rozczarowany Prezes sprzedał hybrydę i powrócił do samochodu z klasycznym napędem spalinowym. Minęło kilka lat hybrydy staniały i coraz częściej są widoczne na polskich drogach. Było nie było, musi coś być na rzeczy, że samochody hybrydowe szczególnie produkcji japońskiej coraz bardziej zdobywają zaufanie polskich kierowców. Przeprowadzona analiza patentowa z tego zakresu prowadzi do wniosków, że technika samochodów hybrydowych jest coraz bardzo intensywnie rozwijana, nawet w Polsce, szczególnie na Politechnice Warszawskie, co może sugerować ekspansje tego typu samochodów w najbliższym czasie. Śmiem twierdzić, że produkcja klasycznych samochodów zmierza do końca, szczególnie z silnikami diesla, co może prowadzić do wniosku, że jest znowu szansa na rozwój własnych konstrukcji samochodów hybrydowych, jeżeli tylko znajda się środki na inwestycje w tej branży. Pionierem i wiodącym producentem samochodów hybrydowych jest Toyota, która od wielu lat rozwija i udoskonala konstrukcje hybryd pod wspólna nazwą Hybrid Synergy Drive – HSD.
Ideą hybrydowych napędów spalinowo-elektrycznych jest wykorzystanie zalet napędu elektrycznego, takich jak oszczędność i elastyczność, przy wyeliminowaniu jego największej wady, czyli małego zasięgu, przez wykorzystanie silnika spalinowego jako źródła energii. Technologia HSD https://pl.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive zapewnia napęd w pełni hybrydowy, umożliwiając również jazdę z napędem czysto elektrycznym, przy wyłączonym silniku spalinowym. W systemie Toyota 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. Podobnie jak w mechanicznych bezstopniowych skrzyniach biegów, przekładnia HSD dopasowuje wypadkowe przełożenie między silnikiem a kołami tak, by utrzymać optymalną prędkość obrotową silnika, a jednocześnie zapewnić odpowiedni moment brotowy przekazywany na koła podczas ruszania czy przyspieszania. Dlatego właśnie Toyota klasyfikuje samochody z napędem HSD jako wyposażone w elektroniczną, bezstopniową skrzynię biegów e-CVT (electronic continuously variable transmission).
Pierwszy patent Toshiby opisuje zalety samochodu hybrydowego wynikające z zastosowania dwóch rodzajów silników do napędu samochodu, które znacząco upraszczają jego konstrukcje tzn, silnika spalinowego i silnika elektrycznego połączonych wspólnym wałem napędowym. Zastosowany silnik synchroniczny oprócz funkcji napędowych może działać jako rozrusznik silnika spalinowego oraz generator ładujący baterie podczas pracy silnika spalinowego.
US6590360 Control device for permanent magnet motor serving as both engine starter and generator in motor vehicle, Toshiba, Hirata et al., Data patentu 08.07.2003. Wynalazek dotyczy urządzenia sterującego silnikiem z magnesami stałymi służącym zarówno jako rozrusznik silnika, jak i generator napięcia do ładowania baterii w pojazdach silnikowych. Opisano urządzenie sterujące silnikiem z magnesem trwałym, który pełni rolę zarówno rozrusznika silnika, jak i generatora w pojeździe silnikowym. Urządzenie sterujące zawiera obwód napędowy przekształcający prąd stały na prąd przemienny w celu dostarczania prądu zmiennego do silnika z magnesami trwałymi, przy czym obwód napędowy pracuje w układzie falownika trójfazowego wyposażonego w trzy ramiona połączonych szeregowo par tranzystorów przełączających wyposażonych w diody flyback, przy czym obwód napędowy ma terminal wejściowy podłączony do kondensatora i zaciski wyjściowe podłączone do trójfazowego silnika z magnesami trwałymi, a obwód falownika składa się z wielu połączonych szeregowo elementów przełączających, wyposażonych w połączone równolegle diody flyback. Układu choppera (przerywacza prądu stałego) połączony jest równolegle do kondensatora, a jego punkt środkowy połączony jest z baterią poprzez dławik. Całością steruje system mikroprocesorowy poprzez układy driverów sterujących tranzystorowymi elementami przełączającymi.
W wyżej opisanym układzie, silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi wirnika jest połączony z wałem wyjściowym silnika, aby służył jako rozrusznik silnika. Silnik synchroniczny służy również jako generator do ładowania akumulatora po uruchomieniu silnika. W ten sposób pojedynczy silnik jest używany jako rozrusznik i generator. W konsekwencji, przestrzeń montażowa pojazdu silnikowego może być zmniejszona w porównaniu z konwencjonalną konstrukcją, w której zarówno rozrusznik, jak i generator są dostarczane osobno. Ponadto, ponieważ nie jest wymagane sprzęgło między wałem wyjściowym silnika a silnikiem synchronicznym, przestrzeń montażowa może być dodatkowo zmniejszona. Konstrukcja według wynalazku eliminuje przekaźnik rozruchowy pomiędzy akumulatorem a rozrusznikiem. Ponieważ silnik jest napędzany przez obwód napędowy sterowany przez elementy sterujące, gdy działa on jako rozrusznik, układ sterujący powoduje, że obwód choppera (przerywacza) nie działa, lub powoduje, że działa jako inwerter step-up (układ podwyższający napięcie), w obwodzie zasilania silnika z magnesami trwałym. Kiedy silnik z magnesem trwałym działa jako generator, układ sterując powodują, że obwód napędowy silnika nie działa, natomiast obwód choppera działa jako inwerter step-down, co zapewnia ładowanie baterii, w przypadku gdy napięcie generowane przez silnik jako generator, jest wyższa niż napięcie akumulatora. W przypadku, gdy napięcie generowane przez silnik jako generator jest niższe niż napięcie akumulatora, układ chopper pracuje w konfiguracji inwertera step-up z indukcyjnościami uzwojeń stojana silnika w charakterze dławików gromadzących energii, co zapewnia prawidłowe ładowanie baterii.
FIG.1 – jest schematem ideowo-funkcjonalnym elektrycznego urządzenia sterującego pracą silnika rozrusznik/generator według pierwszego przykładu wykonania wynalazku;
FIG. 2 – ilustruje schemat blokowy samochodu, do którego stosuje się urządzenie sterujące według wynalazku ;
FIG. 3 – jest schematem obwodu ilustrujacym część układu elektrycznego urządzenia sterującego według drugiego przykładu wykonania zgodnie z wynalazkiem;
FIG.4A i 4B – są wykresami przebiegów kluczujących tranzystorów falownika;
FIG. 5A i 5B są wykresami przebiegów sterujących w przeciw fazie dla tranzystorów falownika w stosunku do FIG. 4A i 4b;
FIG. 6 – przedstawia trzeci przykład wykonania zgodnie z wynalazkiem.
Przykład wykonania wynalazku ilustruje schemat układu sterowania elementami hybrydowego zespołu napędowego, który składa się z baterii 10, układu choppera 24, falownika trójfazowego 12, silnika synchronicznego 9 oraz układu mikroprocesorowego 33 z driverami 35,34. Schemat blokowy samochodu hybrydowego 1 przedstawia rysunek Fig.2, na którym widoczne są dwa silniki, jeden spalinowy 2 oraz drugi elektryczny silnik synchroniczny 9. Siła napędowa silnik 2 jest przenoszona przez przekładnię 3 i mechanizm różnicowy 4 oraz osie 6, tylnych kół 5, które są osiami napędowymi, podczas gdy osie 8 przednich kół 7 są osiami jezdnymi. Silnik synchroniczny 9 zawiera stojan wyposażony w trójfazowe cewki stojana 9U, 9V i 9W oraz wirnik wyposażony w magnesy stałe. Silnik 9 posiada ponadto wał wirnika (niepokazany) połączony bezpośrednio z wałkiem wyjściowym silnika 2. Na wyposażeniu samochodu 1 znajduje się również bateria elektryczna 10 o napięciu 36V. Urządzenie sterujące 11 według FIG.1 zawiera układ falownika 12 służący jako układ napędowy. Układ falownika 12 zawiera sześć tranzystorów NPN 13U, 13V, 13W, 14U, 14V i 14W służących jako elementy przełączające, połączone w konfigurację trójfazowego mostka. Diody flywheel 15U, 15V, 15W, 16U, 16V i 16W są połączone odpowiednio z kolektorami i emiterami tranzystorów 13U, 13V, 13W, 14U, 14V i 14W. Zatem układ falownika 12 ma trzy ramiona 17U, 17V i 17W oraz zaciski wejściowe 18 i 19 połączone odpowiednio z szynami DC, 20 i 21. Układ 12 falownika ma ponadto zaciski wyjściowe 22U, 22V i 22W połączone z odpowiednimi zaciskami cewek stojana 9U, 9V i 9W silnika 9. Szyna zbiorcza magistrali DC 21 jest podłączony do ujemnego zacisku baterii 10. Kondensator buforujący 23 jest podłączony pomiędzy szynami magistrali prądu stałego 20 i 21. Urządzenie sterujące 11 zawiera ponadto układ choppera 24, który ma dwa tranzystory NPN 25 i 26 pełniące rolę elementów przełączających i dwie diody 27 i 28 połączone odpowiednio z kolektorami i emiterami tranzystorów. Kolektor tranzystora 25 jest podłączony do szyny prądowej DC 20, a jego źródło jest połączone z kolektorem tranzystora 26. Emiter tranzystora 26 jest podłączony do szyny prądowej prądu stałego 21. Środkowy punkt układu choppera 24 jest połączony za pośrednictwem dławika 29 z dodatnim zaciskiem baterii 10.
Urządzenie kontrolne 11 zawiera ponadto detektor napięcia baterii 30 połączony równolegle z baterią 10 oraz detektor napięcia obwodu głównego 31, który jest połączony równolegle z kondensatorem 23 w celu wykrycia napięcia na jego zaciskach. Czujnik 32 położenia wału silnika 9, wykonany jest w technice scalonego układu IC Hall. Urządzenie kontrolne 11 zawiera ponadto mikrokomputer 33, który ma porty wejściowe (nie pokazane), do których połączone są zaciski wyjściowe detektora napięcia baterii 30, detektor napięcia 31 obwodu głównego i detektor położenia 32 wału silnika. Wyjścia driverów 34 układu napędowego połączone są odpowiednio z bazami tranzystorów, odpowiednio 13U, 13V, 13W, 14U, 14V i 14W. Natomiast wyjścia driverów 35 połączone są odpowiednio z bazami tranzystorów 25,26 układu choppera 24.
Prąd z baterii 10 przepływa przez dławik 29 i tranzystor 26, gdy tranzystor 26 obwodu choppera 24 jest włączony. Gdy tranzystor 26 jest wyłączony, energia elektryczna zmagazynowana w dławiku 29 jest rozładowywana przez diodę 27 tak, że podwyższone napięcie jest przykładane do kondensatora 23. W tym przypadku szybkość zwiększania napięcia zależy od współczynnika wypełnienia sygnału PWM. Mikrokomputer 33 określa wartość wypełnienia sygnału PWM zgodnie z wartością napięcia na zaciskach baterii 10. W wyniku tego kondensator 23 jest ładowany elektrycznie, tak że jego napięcie jest odpowiednie dla napięcia wejściowego układu falownika 12. Tak więc, układ choppera 24 i dławik 29 pracują w układzie inwertera step-up, podwyższającego napięcie baterii 10.
Sygnały uruchomienia silnika powoduje, że mikrokomputer 33 generuje sygnały sterujące, przełączające sekwencyjnie tranzystory od 13U do 13 W i od 14U do 14 W, w obwodach falownika 12, tranzystory są kolejno włączane i wyłączane, co zapewnia w konsekwencji, impulsowe zasilanie prądem zmiennym, trójfazowe uzwojenia stojana 9U,9V,9W silnika 9. Praca mikrokomputera 33 sterowana jest w pętli sprzężenia zwrotnego na podstawie sygnału położenia dostarczanego z detektora położenia 32, natomiast konstrukcja uzwojenia stojana silnika 9 posiada trójfazowe uzwojenie przesunięte względem siebie o 120 stopni. Ponieważ silnik 9 połączony jest wspólnym wałem z silnikiem spalinowym 2, następuje jego rozruch, co zapewnia pracę silnika w charakterze rozrusznika silnika 2. W przypadku gdy silnik 9 pracuje jako generator, po uruchomieniu silnika 2, mikrokomputer 33 zatrzymuje dostarczanie sygnałów sterujących do tranzystorów 13U do 13W i 14U do 14W układu falownika 12, tak, że wszystkie tranzystory są w stanie nieaktywnym, dzięki czemu falownik 12 jest wyłączony . Po uruchomieniu silnika 2 wirnik silnika 9 jest obracany ponieważ znajduje się na wspólnej osi obrotowej tak, że indukowane jest napięcie w każdej z cewek stojana od 9U do 9W. Napięcie indukowane w każdej cewce stojana jest przekształcane na napięcie stałe przez każdą z diod od 15 U do 15 W i 16U do 16 W, układu 12 falownika pełniącego funkcję prostownika trójfazowego. Silnik 9 służy w tym przypadku jako generator źródła napięcia ładowania baterii 10.
Prędkość obrotowa wału wyjściowego silnika 2 zmienia się w zależności od stopnia położenia pedału przyśpieszacza samochodu 1. Odpowiednio, napięcie indukowane w każdej z cewek stojana 9U do 9W również zmienia się w zależności od prędkości obrotowej wału wyjściowego silnika 2, które odpowiada zmianom napięcia DC w układzie ładowania baterii 10. Mikrokomputer 33 steruje obwodem choppera 24 tak, że bateria 10 jest ładowany przy odpowiednim napięciu. Po pierwsze, napięcie na zaciskach kondensatora 23 lub napięcie obwodu głównego jest wykrywane przez detektor napięcia 31 obwodu głównego. Gdy napięcie wykryte przez detektor napięcia 31 obwodu głównego jest wyższe niż napięcie znamionowe baterii 10, tzn. napięcie generowane przez silnik 9 jest za wysokie, mikrokomputer 33 steruje sygnałem PWM kluczowanie tranzystora 25 choppera 24.
W tym przypadku, gdy tranzystor 25 choppera 24 jest włączony, napięcie z zacisków kondensatora 23 jest doprowadzane poprzez dławik 29 do baterii 10. W konsekwencji napięcie na zaciskach kondensatora 23 jest obniżane, a następnie doprowadzane do baterii 10. W takim przypadku częstotliwość obniżania napięcia zależy od współcz. wypełnienia sygnału PWM. Stopień redukcji napięcia staje się większy, gdy zmniejsza się wypełnienie sygnału PWM. W rezultacie bateriia 10 jest ładowany odpowiednim napięciem. Tak więc, chopper 24 pracuje w konfiguracji układu inwertera step-down. Z drugiej strony, gdy napięcie na zaciskach kondensatora 23 wykryte przez detektor napięcia 31 obwodu głównego jest niższe niż napięcie znamionowe baterii 10, tzn. gdy napięcie generowane przez silnik 9 jest niskie, mikrokomputer 33 powoduje, że układ choppera 24 nie działa, ale tranzystor 25 jest utrzymywany w stanie włączonym. Natomiast, mikrokomputer 33 dostarcza sygnały PWM poprzez drivery 34 do baz tranzystorów 14U do 14W. W rezultacie tranzystory 14U do 14W są włączane i wyłączane zgodnie z współcz. wypełnienia sygnału PWM. W tym przypadku, gdy w obwodzie falownika 12, prąd jest wyprowadzany z cewki stojana 9U, tranzystor 14U jest włączany i wyłączany. Podobnie tranzystor 14V jest włączany i wyłączany, gdy obwód falownika 12 prąd wypływa z cewki stojana 9V silnika 9. Gdy tranzystor 14U jest włączony, napięcie indukowane w cewce stojana 9U, 9V lub 9W powoduje przepływ prądu krążącego przez cewkę stojana 9U, tranzystor 14 i diodę flywheel 16V lub 16W oraz cewkę stojana 9V lub 9W. W tym przypadku energia elektryczna jest magazynowana przez cewki stojana 9U, 9V lub 9W.
Gdy tranzystor 14U jest wyłączony, energia elektryczna zmagazynowana w cewkach stojana 9U oraz 9V lub 9W jest rozładowywana przez diodę flywheel 15U, tak, że podwyższone napięcie jest przykładane do kondensatora 23. Opisane obwody pracują w układzie inwertera step-up sterowanym sygnałem PWM z regulowanym współcz. wypełnienia. W wyniku tego kondensator 23 jest ładowany napięciem regulowanym, odpowiadającym wymaganiom układu ładowania baterii. Zasada pracy tranzystorów 14V i 14W jest taka sama, jak w przypadku włączania i wyłączania tranzystora 14U opisanego powyżej. W tym trybie pracy opisane obwody pracuje w układzie inwertera step-up z cewkami stojana 9U do 9W jako dławikami. Ponieważ wał silnika 9 jest bezpośrednio połączony z wałkiem wyjściowym silnika 2, to w takiej konfiguracji silnik 9 może pracować jako rozrusznik silnika 2 oraz generator do ładowania baterii 10, co zapewnia, że przestrzeń montażowa samochodu 1 może być zmniejszona w porównaniu z konwencjonalną konstrukcją, w której zarówno rozrusznik, jak i generator są dostarczane osobno. Opatentowana konstrukcja samochodu 1 eliminuje również zastosowanie przekaźnika rozruchowego między akumulatorem 10, a silnikiem 9, który pełnił by funkcje rozrusznika. Gdy napięcie generowane przez napędzany silnik 9 działający jako generator jest wyższy niż napięcie znamionowe baterii 10, to obwody falownika 12 stają się nieczynne, a układ choppera 24 działa w konfiguracji konwertera step-down, z uzwojeniem stojana 9W jako indukcyjnością magazynująca energie elektryczna, co zapewnia, że bateria 10 jest prawidłowo ładowana. Ostatecznie konstrukcja opisanego układu, charakteryzuje się tym, że silnik 9 mający tak duży moment obrotowy można być uruchomiony jako rozrusznik, oraz może działać jako generator do ładowania baterii 10. Ponadto, nawet gdy napięcie baterii 10 spada, napięcie można zwiększyć tak, żeby było można uruchomić silnik 9 jako rozrusznik silnika spalinowego . Opis patentowy zawiera również kolejne przykłady wykonania wynalazku, które wyróżnia modyfikacja układu choppera, Fig.3-6.
Z kolei nastepny patent Toyoty jest bardzo zbliżony do realizowanej koncepcji rozwiązania technicznego obecnie produkowanych samochodów hybrydowych Toyoty.
US6476571 Multiple power source system and apparatus, motor driving apparatus, and hybrid vehicle with multiple power source system mounted thereon, Toyota, Sasaki, Data patentu 05.11.2002. Celem niniejszego wynalazku jest uproszczenie konstrukcji układu z wieloma źródłami zasilania do napędzania synchronicznego silnika trójfazowego, a także uproszczenie konstrukcji urządzenia, na przykład pojazdu hybrydowego, z zamontowany na nim systemem wielu źródeł zasilania.
FIG.1 – schematycznie ilustruje strukturę pojazdu hybrydowego z zamontowanym na nim systemem wielu źródeł zasilania w pierwszym przykładzie wykonania według niniejszego wynalazku;
FIG. 2 – jest schematem obwodu pokazującym obwód elektryczny układu zasilania wielu źródeł energii elektrycznej, pokazanego na FIG.1;
FIG.3 – jest schematem blokowym pokazującym program zwiększania napięcia wykonywany przez jednostkę sterującą w pierwszym przykładzie wykonania;
FIG.4 – to wykresy pokazujące przebiegi prądów elektrycznych w poszczególnych elementach w trakcie wykonywania programu zwiększania napięcia przedstawionego w FIG.3;
FIG.5 – jest schematem obwodu pokazującym zmodyfikowaną strukturę obwodu zastosowaną do silnika trójfazowego w z uzwojeniami stojana w konfiguracji trójkąta;
FIG.6 – jest schematem blokowym przedstawiającym procedurę kontrolną wykonywaną przez jednostkę sterującą w drugim przykładzie wykonania według niniejszego wynalazku;
FIGA.7 – jest wykresem czasowym przedstawiającym operacje sterowania odpowiednich tranzystorów w procesie sterowania jednobiegunowego;
FIGA.8 – jest schematem obwodu pokazującym zmodyfikowaną strukturę łączenia stosu ogniw paliwowych bez użycia styków przekaźników.
Strukturę pojazdu hybrydowego z zamontowanym na nim systemem dwóch źródeł zasilania w pierwszym przykładzie wykonania według niniejszego wynalazku ilustruje Fig.1. Pojazd hybrydowy zgodnie z FIG.1, ma silnik 150 napędzany benzyną z przekładnia konwersji mocy 110, która obejmuje pierwszy silnik MG1, drugi silnik MG2 i planetarną jednostkę przekładniową 120. Silnik 150, pierwszy silnik MG1 i drugi silnik MG2, są mechanicznie połączone za pośrednictwem przekładni planetarnej 120. Przekładnia planetarna 120 ma trzy obracające się wały odpowiednio połączone z przekładniami lub składnikami przekładni planetarnej 120. Przekładnia planetarna 120 zawiera, jako swoje główne składniki, koło słoneczne 121 obracające się w środku, planetarne koło zębate 123, które obraca się zarówno wokół koła słonecznego 121, jak i na jego osi, oraz koło koronowe 122, które obraca się wokół koła zębatego planetarnego 123. Planetarne koło zębate 123 jest podtrzymywane przez planetarny nośnik 124. Pierwszy i drugi silnik MG1 i MG2 wchodzące w skład systemu napędowego to silniki synchroniczne. Pierwszy silnik MG1 zawiera wirnik 132 z wieloma magnesami trwałymi przymocowanymi do jego zewnętrznej powierzchni obwodowej i stojanem 133 z nawiniętymi na nim cewkami trójfazowymi w celu utworzenia obrotowego pola magnetycznego. Podobnie, drugi silnik MG2 zawiera wirnik 142 z wieloma magnesami trwałymi przymocowanymi do jego zewnętrznej obwodowej powierzchni i stojanem 143 z nawiniętymi na nim cewkami trójfazowymi w celu utworzenia obrotowego pola magnetycznego. Stojany 133 i 143 są przymocowane do obudowy 119. Cewki trójfazowe nawinięte na stojanach 133 i 143 silników MG1 i MG2 są połączone odpowiednio z baterią 194 poprzez pierwszy obwód napędowy 191 i drugi obwód napędowy 192. Pierwszy obwód napędowy 191 i drugi obwód napędowy 192, które są falownikami tranzystorowymi, wyposażone w trzy parę tranzystorów w odniesieniu do każdej fazy jako elementy przełączające. Zarówno pierwszy obwód sterujący 191, jak i drugi obwód sterujący 192 są połączone z jednostką sterującą 190. Tranzystory falowników 191 i 192 są włączane, w odpowiedzi na sygnały sterujące wyprowadzane z jednostki sterującej 190, tak, że prąd elektryczny płynie pomiędzy baterią 194 a silnikami MG1 i MG2. Każdy z silników MG1 i MG2 może działać jako silnik napedowy pojazdu, zasilany energią elektryczną z baterii 194, co odpowiada napędowi elektrycznemu. Każdy z silników MG1 i MG2 działa także jako generator, gdy odpowiadający mu wirnik 132 lub 142 jest obracany przez zewnętrzny moment obrotowy. W tym przypadku, silnik MG1 lub MG2 wytwarza siłę elektromotoryczną pomiędzy końcami cewek trójfazowych i umożliwia ładowanie baterii 194, ten stan pracy jest określany jako działanie regeneracyjne baterii. Pojazd hybrydowy według tego przykładu wykonania porusza się w różnych warunkach, w oparciu o funkcje przekładni planetarnej 120. Jednostka sterująca 190 połączona jest z czujnikami prędkości 134,144 przekładni konwersji mocy 120. Pojazd hybrydowy według wynalazku jest wyposażony w baterie wysokiego napięcia 194, która zasila silniki MG1 i MG2 poprzez obwody driverów 191,192. Bateria wysokonapięciowa 194 wytwarza napięcie o wartości prawie 300 woltów. Ten układ źródła zasilania jest w dalszej części nazywany układem elektrycznym wysokiego napięcia. Pojazd hybrydowy ma również układ źródła zasilania o niskim napięciu, to jest akumulator niskonapięciowy 184, który odpowiada drugiemu źródłu prądu stałego według niniejszego wynalazku. Akumulator 184 niskiego napięcia zasila napięciem stałym 12 V sterownik EFI-ECU ( Electronic Fuel Injection –Electronic Control Unit) 170 i jednostką sterującą 190. Bateria wysokonapięciowa 194 i akumulator niskonapięciowy 184 są połączone ze sobą za pośrednictwem jednostki konwertującej, falownika 180 w celu konwersji napięcia. Ponieważ akumulator niskonapięciowy 184 jest utrzymywany w stanie pełnego naładowania więc w przypadku spadku napięcia poniżej ustalonego progu włączany jest falownik 180, który przekształca energie z baterii wysokonapięciowej 194 do postaci napięcia stałego ładującego akumulator niskonapięciowy 184. Falownik 180 przekształca prąd stały w prąd przemienny, który po przejściu przez transformator izolujący i obniżeniu napięcia jest ponownie przekształcany w przetworniku z prądu przemiennego na napięcie prądu stałego ładujące akumulator 184. Akumulator 184 niskiego napięcia jest połączony z pierwszym obwodem napędowym 191 i pierwszym silnikiem MG1 za pośrednictwem przekaźników 21 i 22. Taki układ umożliwia ładowanie baterii wysokiego napięcia 194 za pomocą energii elektrycznej nagromadzonej w akumulatorze 184 niskiego napięcia, jak opisano poniżej. Bateria 194 jest ładowany energią elektryczną z akumulatora 184 niskiego napięcia, z następujących powodów. Kiedy silnik 150 startuje ze stanu stacjonarnego, jednostka sterująca 190 blokuje drugi silnik MG2 i obraca pierwszy silnik MG1 mocą elektryczną dostarczaną z baterii wysokiego napięcia 194. Silnik MG1 obraca planetarny wałek nośny 127, przekładni planetarnej 120 i korbuje wał korbowy 156. W przypadku, gdy bateria 194 jest rozładowana, następuje jej ładowanie energią akumulatora 184 przez konwerter step-up i silnik 150 może zostać uruchomiony. Umożliwia to kontrolę rozruchu z baterii wysokiego napięcia 194. Po uruchomieniu silnika 150 pierwszy silnik MG1 jest wykorzystywany jako generator do generowania mocy elektrycznej. Konwersja mocy elektrycznej z akumulatora niskonapięciowej 184 do baterii wysokonapięciowej 194 musi zatem uzupełnić ładunek w baterii 194 do poziomu który umożliwia uruchamianie silnika 150. Obwód elektryczny sterowania silnikiem MG1 przedstawia rysunek Fig.2, która pokazuje połączenie baterii wysokiego napięcia 194, pierwszego obwodu sterującego 191, pierwszego silnika MG1, przekaźników 21 i 22, akumulatora niskiego napięcia 184 i zespołu sterującego 190. Bateria 194 jest również połączony z drugim obwodem sterującym 192 dla drugiego silnika MG2, jak pokazano na FIG.1, ale to połączenie jest pominięte dla uproszczenia na rysunku Fig.2.
Sześć tranzystorów od T1 do T6 połączonych w pary w pierwszym obwodzie napędowym 191 stanowi falownik tranzystorowy. Trójfazowe cewki U, V i W pierwszego silnika MG 1 są odpowiednio połączone z węzłami odpowiednich par tranzystorów (T1,T2 T3,T4 T5,T6). Diody flyback D1 do D6 znajdują się między kolektorem a emiterem odpowiednich tranzystorów od T1 do T6. Linie energetyczne P1 i P2 są połączone odpowiednio z terminalem dodatnim i końcówką ujemną baterii wysokiego napięcia 194. Jednostka sterująca 190 wysyła sygnał sterujący Su, Sv i Sw oraz ich odwrócone sygnały, aby sterować tranzystorami T1 do T6 zawartymi w obwodzie napędowym 191. Jednostka sterująca 190 sukcesywnie reguluje czasy przełączania sparowanych tranzystorów od T1 do T6 z sygnałami sterującymi Su, Sv i Sw w trakcie działania pierwszego silnika MG1 (w trybie rozrusznika lub generatora). Obwód napędowy 191 wykonany jest układzie falownika który zasila cewki trójfazowe U, V i W pierwszego silnika MG1 prądem o kształcie fale quasi-sinusoidalnych w systemie sterowania PWM tak, aby kształty fal wzajemnie się przesuwały o 120 stopni. Prądy elektryczne przepływające przez cewki trójfazowe U, V i W silnika MG1 generują obrotowe pole magnetyczne, które wywołuje obrót wirnik 132 z magnesami trwałymi przymocowanymi obwodowo do jego zewnętrznych powierzchni. Linia minusa zasilania P2 baterii wysokiego napięcia 194 jest połączona z minusem Q2 baterii niskiego napięcia 184 poprzez styk przekaźnika 22. Plus zasilania Q1 akumulatora 184 niskiego napięcia jest połączona z punktem zerowym trójfazowych cewek U, V i W podłączonych przez uzwojenie stojana (w konfiguracji gwiazdy – Y) w pierwszym silniku MG1, poprzez styk przekaźnika 21. W chwili rozruchu, EFIECU 170 i jednostka sterująca 190 powodują dostarczanie energii elektrycznej z baterii wysokiego napięcia 194 do pierwszego silnika MG1 przez pierwszy obwód napędowy 191, tak aby uruchomić silnik 150 za pomocą pierwszego silnik MG1. Kiedy ta standardowa operacja zawodzi, z powodu nadmiernemu rozładowaniu baterii wysokiego napięcia 194, system zapewnia przeładowanie energii z akumulatora 184 do baterii 194 według procedur S200,S210 algorytmu przedstawionego na rysunku Fig.3. Obwód konwersji energii z baterii 184 pracuje w konfiguracji układu step-up , na który składają się tranzystor T2 uzwojenia stojana U oraz diod D1.
Oznacza to, że obwód zwiększający napięcie wymagany dla tej operacji jest skonstruowany przez wykorzystanie cewki fazy U pierwszego silnika MG1 i tranzystora T2 oraz diody D1 falownika 191. Powtórne operacje on-off tranzystora T2 w pierwszym obwodzie sterującym 191 w odpowiedzi na sygnał sterujący wyprowadzany z jednostki sterującej 190 zapewnia stopniowe ładowanie baterii wysokonapięciowej 194 ze źródła napięcia jakim jest akumulatora 184 niskiego napięcia. Sterowanie tranzystorem T2 we wcześniej ustalonym stosunku czasowym trwa do momentu upłynięcia ustalonego czasu TT, który jest określony w kroku S220, po którym następuje zakończenie kluczowania tranzystora T2. Wstępnie ustawiony okres czasu TT odpowiada ilości dostarczonego ładunku w baterii wysokiego napięcia 194 równym 10 [KJ]. Regulacja ustawionego okresu czasu TT odpowiednio określa ilość ładunku w baterii wysokiego napięcia 194. Program następnie odcina pobudzenie do przekaźników 21 i 22, procedura S230, aby przywrócić izolację obwodu elektrycznego wysokiego napięcia od obwodu elektrycznego niskiego napięcia. Następnie procedura kontrolna wychodzi z tego algorytmu zwiększania napięcia baterii 194 i powraca do standardowego trybu sterowania, ponieważ bateria wysokonapięciowa 194 ma teraz wymaganą moc elektryczną, aby uruchomić silnik 150, przez jednostkę sterującą 190. W opisie pierwszego przykładu wykonania cewka fazy U pierwszego silnika MG1 jest wykorzystywana jako indukcyjność, w której energia magnetyczna jest akumulowana w celu zwiększania przetwarzanego napięcia w układzie konwertera. Podobnie cewka fazy V i cewka fazy W mogą być użyte jako indukcyjność . W przypadku cewki fazy V tranzystor T4 jest włączany i wyłączany, a bateria wysokiego napięcia 194 ładowana jest przez diodę D3. W przypadku cewki z fazą W tranzystor T6 jest włączany i wyłączany, a bateria wysokiego napięcia 194 ładowany jest przez diodę D5. Prąd elektryczny przepływający przez każdą fazę nie ma żadnego udziału w obrotowym polu magnetycznym w pierwszym silniku MG1. Doprowadzanie prądu do każdej cewki fazowej odpowiednio nie powoduje obrotu pierwszego silnika MG1. Podobnie dowolna z cewek trójfazowych drugiego silnika MG2 może również być stosowana jako indukcyjność. System opatentowanego zasilania napędu hybrydowego przewiduje również zmodyfikowana strukturę Fig.5 zastosowaną do silnika trójfazowego z uzwojeniami stojana w konfiguracji trójkąta. Opisana powyżej struktura obwodu zasilania może alternatywnie być wykorzystana do ładowania akumulatora 184 niskiego napięcia energią elektryczną baterii 194 wysokiego napięcia. W tym przypadku zgodnie z Fig.2 tranzystor T1 pracuje w układzie choppera (przerywacza) ponieważ jest połączony szeregowo z dodatnim biegunem baterii 194, cewką fazy U pierwszego silnika MG1 i akumulatorem 184. Obciążalność tranzystora T1 jest regulowana, gdy styki przekaźników 21 i 22 są zamknięte. Regulacja czasu włączania i wyłączania choppera kontroluje prąd ładowania akumulatora 184. W tej strukturze obwodu, gdy tranzystor Tl jest włączony, napięcie wyjściowe z baterii 194 jest doprowadzane do akumulatora 184 za pośrednictwem cewki U magazynującej energie magnetyczna zgromadzona podczas przewodzenia tranzystora T1. Gdy tranzystor T 1 jest wyłączany w ustalonym czasie w celu wytworzenia prądu ładowania w określonym z góry zakresie, prąd elektryczny przepływa przez ścieżkę cyrkulacyjną, zaczynając od cewki fazy U i przechodząc przez akumulator 184 i diodę D2 do drugiego końca cewki fazy U. Powtarzające się operacje włączania i wyłączania tranzystora T1 obniżają napięcie wyjściowe z baterii wysokiego napięcia 194 i powodują ładowanie akumulatora 184 niskiego napięcia Jednostka sterująca 190 steruje włączaniem i wyłączaniem tranzystorów T1 i umożliwia łatwe ładowanie akumulatora niskonapięciowego 184 mocą elektryczną z baterii wysokiego napięcia 194. Brak analiza drugiego przykładu wykonania wynika z faktu, że opis patentowy nie zawiera dokładnie zilustrowanej struktury obwodu elektrycznego w tym przypadku.
Wracając na Polskie podwórko należy z uznanie odnotować cała rodzinę patentów z zakresu hybrydowych układów napędowych autorstwa Antoniego Szumowskiego, Profesora Politechniki Warszawskiej. Pierwszy patent PL209462B1 Hybrydowy dwuźródłowy układ napędowy, Data patentu 30.09.2011, znajduje zastosowanie do napędów pojazdów, a zwłaszcza autobusów miejskich. Istota układu według wynalazku polega na tym, że silnik cieplny jest połączony z obwodem niskiego napięcia zawierającym baterie niskiego napięcia i starter-generator oraz z kołem słonecznym przekładni planetarnej poprzez sprzęgło i hamulec, zaś silnik elektryczny jest sterowany obwodem wysokiego napięcia, złożonym z układu sterującego i baterii akumulatorów trakcyjnych, a ten silnik elektryczny jest połączony poprzez hamulec z kołem pośredniczącym przekładni planetarnej, której jarzmo poprzez główną przekładnię mechaniczną jest połączone z przekładnią główną pojazdu, zaś główna przekładnia mechaniczna zawiera co najmniej jeden stopień przełożenia zmiennego. Wynalazek został ukazany w przykładzie wykonania na rysunku w układzie blokowym.
Hybrydowy dwuźródłowy układ napędowy według wynalazku posiada obwód niskiego napięcia ONN o napięciu 12 V, 24 V lub 36 V złożony ze startera/generatora S/G i baterii niskiego napięcia BNN. Ten układ ONN jest połączony z silnikiem cieplnym SC. Silnik ten jest połączony poprzez sprzęgło S1 i hamulec H1 z kołem słonecznym SŁ przekładni planetarnej PP. Z kołem pośredniczącym KP tej przekładni PP jest połączony poprzez hamulec H2 silnik elektryczny ME. Jest on sterowany obwodem wysokiego napięcia OWN złożonym z układu sterującego US i baterii akumulatorów trakcyjnych BT. Ma ona napięcie w przedziale 300 – 600 V. Jarzmo J przekładni planetarnej PP poprzez główną przekładnię mechaniczną P3 jest połączona z mostem napędowym PG pojazdu. Przekładnia ta zawiera co najmniej jedno zmienne przełożenie. Układ niskiego napięcia ONN umożliwia włączenie silnika cieplnego SC w dowolnym czasie, niezależnie od pracy napędowej układu dwuźródłowego. Pojazd, zwykle autobus miejski, przyspiesza do określonej prędkości przy napędzie od silnika elektrycznego ME oraz przy wyłączonym silniku cieplnym SC, przy odłączonym sprzęgle S1 i zahamowanym przez hamulec H1 wale koła słonecznego SŁ. (przekładnia planetarna PP uzyskuje jeden stopień swobody). Po osiągnięciu tej prędkości następuje włączenie sprzęgła S1 przy jednoczesnym zahamowaniu wału koła słonecznego SŁ hamulcem H1 oraz jednoczesnym rozruchem silnika cieplnego SC za pomocą starter/generatora S/G. Dalsze przyspieszanie pojazdu lub jazda ustalona odbywa się w sposób hybrydowy, przy jednoczesnym napędzie od dwóch silników: elektrycznego ME i cieplnego SC. Podczas hamowania pojazdu następuje jednoczesne wyłączenie silnika cieplnego SC poprzez rozłączenie sprzęgła S1 oraz zahamowanie wału koła słonecznego SŁ poprzez hamulec H1. Energia kinetyczna pojazdu zamieniana jest na energię elektromechaniczną akumulowaną w baterii akumulatorów wysokiego napięcia BT generowaną przez silnik elektryczny ME oraz wyzyskanie jednego stopnia swobody przekładni planetarnej PP po zahamowaniu jej koła słonecznego SŁ. Przekładnia ta zachowuje się wtedy jak zwykła przekładnia redukująca. Układ niskiego napięcia ONN zasilający starter-generator S/G umożliwia ponowne szybkie uruchomienie silnika cieplnego SC, gdy wymagana jest praca hybrydowa napędu.
Kolejny patent PL210003B1 Hybrydowy dwuźródłowy układ napędowy Antoni Szumowski at al. Data patentu 30.11.2011, przedstawia koncepcje dwuźródłowego układu napędowego. Istota wynalazku polega na tym, że wał silnika spalinowego jest połączony ze stojanem silnikaelektrycznego, zaś ten stojan jest połączony z kołem koronowym przekładni planetarnej, natomiast wirnik tego silnika elektrycznego jest połączony z kołem słonecznym przekładni planetarnej, której jarzmo jest połączone wałem z przekładnią główną układu napędowego za pośrednictwem przekładni bezstopniowej. Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku.
Silnik spalinowy SC jest połączony wałem ze stojanem ST silnika elektrycznego ME. Ten stojan ST jest zasilany z baterii akumulatorów B napięciem o regulowanej częstotliwości za pomocą układu sterującego US. Wał wirnika W silnika elektrycznego ME jest połączony z kołem słonecznym SŁ przekładni planetarnej PP. Wirujący stojan ST jest także połączony z kołem koronowym K tej przekładni planetarnej PP. Natomiast jarzmo J przekładni planetarnej PP jest połączone z odbiornikiem energii, np: mostem napędowym PG pojazdu za pośrednictwem przekładni bezstopniowej PB. Na wale łączącym silnik cieplny SC i stojan ST silnika elektrycznego ME znajdują się sprzęgło S i hamulec H1 oraz układ pierścieni ślizgowych PS, za pośrednictwem których przekazywana jest energia elektryczna do silnika elektrycznego ME. Na wale wirnika silnika elektrycznego ME umieszczony jest hamulec H2, którego włączenie powoduje unieruchomienie wirnika W względem stojana ST. Stojan ST silnika elektrycznego ME wirujący względem wirnika W powoduje zwiększenie zakresu prędkości obrotowej wału tego wirnika połączonego z kołem słonecznym SŁ przekładni planetarnej. Moment obrotowy silnika spalinowego SC napędza stojan ST silnika elektrycznego, który wiruje z prędkością obrotową zależną od tego momentu. Jednocześnie stojan ST jest zasilany z baterii akumulatorów B napięciem o regulowanej częstotliwości. Powstaje ruch obrotowy wirnika W wokół stojana ST przetwarzając dwa momenty wejściowe w wypadkową prędkość wirnika W. Zwiększając moce obu silników zmieniamy rozkład prędkości. Połączenie elementów silnika elektrycznego ME według rozwiązania powoduje sumowanie się mocy na wale jarzma J przekładni planetarnej PP. Przekładnia bezstopniowa PB umieszczona pomiędzy wałem jarzma J przekładni planetarnej PP a przekładnią główną PG umożliwia płynną zmianę momentu obrotowego podawanego na przekładnię główną PG. W rozwiązaniu według wynalazku przy hamowaniu odzyskowym silnik elektryczny przechodzi w stan pracy generatorowej, a wirnik tego silnika jest napędzany przez przekładnię planetarną energia kinetyczną odbiornika mocy. Za pomocą sprzęgła S łączy się silnik cieplny SC ze stojanem ST silnika elektrycznego ME. Kiedy następuje rozłączenie sprzęgłem S silnika spalinowego i elektrycznego, przy włączonym hamulcu H1 wtedy mamy pracę elektryczną napędu (pracuje tylko wirnik W silnika elektrycznego). Włączenie hamulca H2, przy wyłączonym hamulcu H1 i włączonym sprzęgle S powoduje pracę mechaniczną napędu – pracuje tylko silnik cieplny SC.
Wnioski.
Przedstawiona analiza patentowa prowadzi do wniosków o przewadze technologicznej japońskich rozwiązań z zakresu pojazdów hybrydowych w stosunku do rozwiązań europejskich, szczególnie niemieckich. Niemieckie firmy samochodowe przespały początek rewolucji hybrydowej i obecnie próbują nadgonić opóźnienie. Francuzi zainwestowali w samochody elektryczne, które maja w przyszłości podbić Europę ale na razie brakuje infrastruktury zasilającej samochody elektryczne, przynajmniej w Polsce. Jedynie Amerykanie rozwijają technologie hybrydowa, stąd inwestycje patentowe Forda, który nie zamierza składać broni w konfrontacji z Toyota na rynku amerykańskim. Odpowiednikiem samochodów hybrydowych Toyoty w USA jest Ford Fusion Hybrid, który zadebiutował na amerykańskim rynku w 2009 roku. Obecnie w sprzedaży jest druga generacja po faceliftingu. Auto zużywa 5,6 l/100 km według amerykańskiego standardu EPA. Pod względem stylu i wrażeń z jazdy nie różni się od konwencjonalnego Forda Fusion. Do wyścigu stanęła jeszcze Honda Accord Hybrid oraz Kia Niro Hybrid , która ostatnio szeroko się reklamuje na rynku polskim. Reasumując wszystko wskazuje na to, że jesteśmy skazani na auta hybrydowe. I czy się to komuś podoba czy nie, to do nich należy najbliższa przyszłość motoryzacji. Na zakończenie warto obejrzeć reklamę Toyoty na Youtube, która obrazowo ilustruje zalety pojazdu hybrydowego: Toyota hybrid system https://www.youtube.com/watch?v=jNuixuVhc5E
PS.
Toyota jako niekwestowany lider w produkcji hybryd proponuje obecnie swoje nowe osiągnięcie w dziedzinie motoryzacji – Prius Plug-in Hybrid drugiej generacji. Nowy model zrewolucjonizuje rynek samochodów osobowych dzięki średniemu spalaniu na poziomie 1,2 l/100 km i emisji CO2 wynoszącej jedyne 28 g/km. Obecne limity emisji CO2, które na europejskim rynku obowiązują od 2015r, wynoszą 130g CO2/km, co odpowiada średniemu spalaniu aut benzynowych na poziomie 5,6 l/100 km i diesli na poziomie 4,9 l/100 km. Prius Plug-in Hybrid jest napędzany przez napęd hybrydowy 4. generacji Toyoty Hybrid Synergy Drive. 4-cylindrowy silnik benzynowy 1.8 z wtryskiem paliwa pracujący w cyklu Atkinsona, który współpracuje z silnikiem elektrycznym zasilanym przez baterię litowo-jonową 8,8 kWh. Drugi silnik elektryczny pełni rolę generatora odzyskującego energię z hamowania , rozrusznika silnika benzynowego lub dodatkowego źródła napędu. Druga generacja może poruszać się wyłącznie na silniku elektrycznym w większym zakresie prędkości i na dłuższym dystansie. Silnik elektryczny dostarcza 91 KM mocy. Maksymalna prędkość w trybie EV wzrosła z 100 km/h do 135 KM/h, przy niemal takich samych osiągach w trybie elektrycznym jak hybrydowym. Akumulator trakcyjny litowo-jonowy o 95 ogniwach ma pojemność 8,8 kWh i zapewnia zasięg 50 km w trybie elektrycznym (wg producenta). Zasięg na pełnym baku i w pełni naładowanym akumulatorze wynosi 1030 km. Bateria jest chłodzona powietrzem. Została umieszczona pod tylną kanapą. Czas ładowania to 2,3 h. Dodatkowo zamontowane na dachu ogniwo słoneczne ładuje akumulator trakcyjny podczas postoju, kiedy samochód nie jest podłączony do gniazdka. Pozwala to zwiększyć zasięg auta w trybie EV maksymalnie o 5 km dziennie. W czasie jazdy panel fotowoltaiczny ładuje uzupełniającą baterię 12 V przeznaczoną do obsługi dodatkowych urządzeń. Prius Plug-in ma trzy tryby jazdy: całkowicie elektryczny (EV) i dwa hybrydowe – Eco i Power. Tryb EV można włączyć ręcznie i wtedy sterownik napędu hybrydowego (ECU) wykorzystuje jedynie silnik elektryczny MG2 (dopóki akumulator nie osiągnie określonego stanu rozładowania lub nie zostanie przekroczony zakres prędkości trybu EV). Tryb Eco umożliwia maksymalną oszczędność paliwa we wszystkich warunkach jazdy, inteligentnie ograniczając otwarcie przepustnicy do 11,6%; modyfikuje również działanie układu klimatyzacji. Zaletą trybu Eco jest również ułatwione prowadzenie samochodu w warunkach gorszej przyczepności, ponieważ ograniczenie mocy zmniejsza ślizganie się kół na lodzie czy śniegu. W trybie Power sterownik mocy zwiększa otwarcie przepustnicy w zakresie średnich obrotów. A ponadto zastosowano rewolucyjne rozwiązanie ładowania baterii z ogólno dostępnej sieci energetycznej oprócz możliwość pełnego naładowania na stacji szybkiego ładowania w standardzie Mannekes. Na wyposażeniu znajduje się przewód do ładowania samochodu ze standardowego gniazdka oraz przewód zakończony wtyczką Mennekes.