HRP20171071A2 - Hibridni pogon s diferencijalnim elektromotor - generatorom - Google Patents

Abstract

Serijsko paralelni hibridni pogon sa diferencijalnim elektromotorgeneratorom omogućava prijenos momenta pogonskog stroja na transmisiju bez složenog sustava diferencijalnog mehaničkog prijenosa, spojki i kočnica, pri čemu pogonski stroj može trajno raditi u optimalnom području momenta i snage, neovisno o broju okretaja transmisije. Ključni element ovoga pogona je diferencijalni elektromotorgenerator (10). Kod diferencijalnog elektromotorgeneratora su rotor (11) i stator (12) slobodno okretni u kućištu pa prenosi moment sa motora s unutarnjim izgaranjem (1) na transmisiju bez obzira na razliku broja. Ako je potreban veći moment od onoga koji proizvodi stroj s unutarnjim izgaranjem, tada pogonski elektromotorgenerator (20) radi u motorskom području i dodaje razliku momenta do traženog. Ako je za transmisiju potreban manji moment, tada pogonski elektromotorgenerator radi u generatorskom režimu i umanjuje moment koji ide prema transmisiji. Za transmisiju je raspoloživ moment od nule do sume momenata pogonskog elektromotrgeneratora i stroja s unutarnjim izgaranjem. Višak ili manjak energije posprema se u ili nadoknađuje iz akumulatora.Serial-parallel hybrid drive with differential electric motor-generator enables transfer of drive engine torque to transmission without a complex system of differential mechanical transfer, couplings and brakes, wherein drive engine can permanently operate in optimum torque and power area, independent of the number of transmission revolutions. The key element to this drive is a differential electric motor-generator (10). With differential electric motor-generator, rotor (11) and stator (12) can freely rotate in the housing, so it transfers torque from an internal combustion motor (1) to transmission regardless of the difference in number. If higher torque is needed than the one produced by an internal combustion engine, then the drive electric motor-generator (20) operates in motor mode and adds the difference of the torque up to the desired one. If transmission requires lower torque, then the drive electric motor-generator operates in generator mode and reduces the torque towards transmission. The torque from zero to the torque sum of the drive electric motor-generator and the internal combustion engine is available for transmission. Excess or deficit of energy is stored in or compensated from a battery.

Description

[0001] Područje na koje se izum odnosi

[0002] Ovaj izum odnosi se na pogon hibridnog električnog vozila prema međunarodnoj klasifikaciji (MKP) klasificiran je kao: B60L 11/00 Električni pogon sa snagom proizvedenom unutar vozila (B60L 8/00, B60L 13/00 ima prednost; raspored ili ugradnja primarnog pogona koji se sastoji od elektromotora i motora s unutarnjim izgaranjem za međusobni ili zajednički pogon B60K 6/20) [2006.01].

[0003] Tehnički problem

[0004] Hibridni pogon vozila je opće poznat u struci. Uobičajeno se sastoji od jednog motora s unutarnjim izgaranjem i dva elektromotorgeneratora, složenog sustava reduktora i spojki koji određuju tok snage, te sloga akumulatora koji po potrebi akumuliraju višak energije ili je predaju u slučaju potreba pogona.

[0005] Ovdje se za pojednostavljenje pogonskog sklopa koristi diferencijalni elektromotorgenerator koji omogućava kontinuirani prijenos momenta sa motora s unutarnjim izgaranjem na rotor elektromotorgeneratora koji isporučuje snagu na pogonske kotače preko pogonskih zupčanika i osovina.

[0006] Složeni mehanički diferencijalni prijenos koji povezuje pogone kao i spojke i kočnice koje ih po potrebi blokiraju kod ovog rješenja nisu potrebne.

[0007] U slučaju kad se koristi isključivo elektromotorgenerator, diferencijalni elektromotorgenerator nije uključen, te su time automatski izvan pogona i diferencijalni elektromotorgenerator i motor s unutarnjim izgaranjem.

[0008] Ako postoji potreba da radi motor s unutarnjim izgaranjem uključuje se diferencijalni elektromotorgenerator, čime je ostvaren prijenos momenta sa motora s unutarnjim izgaranjem na izlaznu osovinu. Zavisno o trenutnim potrebama vozila za pogonom, moment motora s unutarnjim izgaranjem se prenosi direktno na pogonske osovine uz minimalne gubitke ili se pune akumulatori.

[0009] Stanje tehnike

[0010] Postoje brojne varijacije hibridnog pogona vozila sa više ili manje složenim pogonskim sklopom.

[0011] Kod serijskog hibrida pogonske kotača uvijek pogoni elektromotor, bez ikakve mehaničke veze s motorom s unutarnjim izgaranjem. Kako bi se povećao domet serijskog hibrida, motor s unutarnjim izgaranjem se uključuje po potrebi i preko generatora proizvodi električnu energiju kojom puni baterije. Na taj način motoru s unutarnjim izgaranjem je omogućen rad u optimalnom radnom području s najmanjom potrošnjom goriva. Međutim snaga motora s unutarnjim izgaranjem i priključenog generatora ne može se iskoristiti za pogon vozila kako bi se poboljšale performanse.

[0012] Kod paralelnog hibrida postoji mogućnost pogona vozila motorom s unutarnjim izgaranjem i elektromotora istovremeno. Također postoji mogućnost pogona samo motorom s unutarnijm izgaranjem ili čistog električnog pogona. Najčešće su kod takvih hibrida motori i prijenos povezani diferencijalnim mehaničkim prijenosom i automatskim spojkama i kočnicama.

[0013] Kod serijsko-paralelnih hibrida raspodjela snage na pogonske kotača dijeli se između električnog motora i motora s unutarnjim izgaranjem pomoću posebnog diferencijala. Omjer razdiobe snage može biti od 0-100% u korist ili elektromotora ili motora s unutarnjim izgaranjem. Motor s unutarnjim izgaranjem se također može koristiti i za punjenje baterija.

[0014] Izlaganje suštine izuma

[0015] Tehničko rješenje omogućava pogodnosti serijsko paralelnog hibridnog pogona bez korištenja složenog sustava diferencijalnog mehaničkog prijenosa, spojki i kočnica koji po potrebi blokiraju ili odspajaju segmente pogona. Ključni element ovoga pogona je diferencijalni elektromotorgenerator. Diferencijalni elektromotorgenerator ima osobinu da su i rotor i stator slobodno okretni u kućištu. I rotor i stator imaju priključak na vanjski mehanizam. Diferencijalni elektromotorgenerator može biti istosmjerni i izmjenični, sinkroni i asinkroni, praktički svaki električni stroj koji može raditi kao motor i kao generator, bez obzira na izvor elektromagnetskog polja, može se upotrijebiti za ovaj pogon.

[0016] Zbog pojednostavljenja ovdje će biti opisan rad sinkronog izmjeničnog (AC) elektromotorgeneratora npr. sa permanentnim magnetima ili sa sinkronim preklapanjem (SRM, RSM) kod kojih je broj okretaja rotora u odnosu na stator direktno proporcionalan frekvenciji napona napajanja. Osim toga uzima se da je pogonski stroj motor s unutarnjim izgaranjem.

[0017] U ovome primjeru rotor diferencijalnog elektromotorgeneratora (poz. 11 na sl. 1 i 2 montiran je direktno na rotor elektromotorgeneratora (poz. 21 sl. 1 i 2) kao na slici 1 ili preko spojke (poz. 3 sl. 1).

[0018] Također zbog pojednostavljenja opisa principa rada stator diferencijalnog elektromotorgeneratora (poz. 12 na sl. 1 i 2) montiran je direktno na izlazno vratilo motora s unutarnjim izgaranjem (poz. 1 sl. 1 i 2) kao na slici 1 ili preko spojke (poz. 2 sl. 1).

[0019] U slučaju potrebe mogu postojati i jednostavni redukcijski prijenosi zbog eventualnog razmješta komponenata ili korištenja drugog pogona umjesto motora s unutarnjim izgaranjem, npr. turbina koja ima puno veći broj okretaja.

[0020] Diferencijalni elektromotorgenerator mora imati mogućnost prijenosa maksimalnog momenta motora s unutarnjim izgaranjem, i mora izdržati maksimalni broj okretaja motora s unutarnjim izgaranjem i elektromotorgeneratora.

[0021] Stator diferencijalnog elektromotorgeneratora se napaja preko kliznih prstenova (poz. 14 na sl. 1 i 2) i kliznih četkica (poz. 15 na sl. 1 i 2). Moguće je i napajanje pomoću rotacionog transformatora koji se ugrađuje umjesto kliznih prstenova (poz. 14 na sl. 1 i 2) i kliznih četkica (poz. 15 na sl. 1 i 2).

[0022] Moment elektromotorgeneratora (20) treba biti ekvivalentan momentu koji na pogonsku osovinu prenosi diferencijalni elektromotorgenerator (10) sa motora s unutarnjim izgaranjem (1) ili veći kako bi po potrebi usporio vozilo i kad radi motor s unutarnjim izgaranjem.

[0023] Motor s unutarnjim izgaranjem može raditi sa konstantnim brojem okretaja neovisno o izlaznom broju okretaja odnosno brzini vozila, kako bi radio u radnom području sa najboljim iskorištenjem goriva (optimalni g/kWh). U slučaju potrebe, motor s unutarnjim izgaranjem može raditi i u području maksimalne snage kako bi osigurao dovoljno pogonske energije.

[0024] Rad u malo i sporo promjenjivom broju okretaja otvara mogućnost razvoja turbina za pogon vozila, kojoj je glavni nedostatak spor odziv na promjenu pogonskih uvjeta. U ovakvoj aplikaciji to nije nikakav nedostatak jer diferencijalni elektromotorgenerator održava konstantan moment i broj okretaja na motoru s unutarnjim izgaranjem bez obzira na ukupne potrebe pogona. Tada se može pojaviti potreba ujednačavanja broja okretaja turbine redukcijom broja okretaja između turbine i diferencijalnog elektromotorgeneratora ili između diferencijalnog elektromotorgeneratora i elektromotorgeneratora na tehnološki prihvatljivu mjeru.

[0025] Kad na diferencijalni elektromotorgenerator nije dovedeno napajanje, u funkciji je samo elektromotorgenerator i imamo klasično električno vozilo koje napajanje crpi iz akumulatora i u njih vraća energiju usporavanja.

[0026] U slučaju potrebe nadopunjavanja akumulatora ili dodatnog momenta na pogonska vratila uključuje se diferencijalni elektromotorgenerator koji uključuje motor s unutarnjim izgaranjem. Frekvencija napajanja diferencijalnog elektromotorgeneratora odgovara relativnoj razlici brzina statora i rotora. Ako je rotor zaustavljen (vozilo je zakočeno) relativna brzina statora u odnosu na rotor jednaka je brzini statora kojeg u ovom primjeru pogoni motor s unutarnjim izgaranjem. Frekvencija napajanja statora diferencijalnog elektromotorgeneratora proporcionalna je broju okretaja motora s unutarnjim izgaranjem. Diferencijalni elektromotorgenerator radi u generatorskom području i svu snagu motora s unutrašnim izgaranjem predaje u akumulatore. Kad se vozilo pokrene i brzina počne povećavati, tako se relativna brzina počne smanjivati, pa se pogonska frekvencija i napon diferencijalnog elektromotorgeneratora smanjuju. Kad se izjednači broj okretaja rotora i statora diferencijalnog elektromotorgeneratora frekvencija na statoru je jednaka nuli. Kako se brzina vozila dalje povećava, tako relativno elektromagnetsko okretno polje mijenja smjer okretanja i rastu frekvencija i napon.

[0027] U području rada gdje je brzina motora s unutarnjim izgaranjem veća od ekvivalentne elektromotorgeneratora, diferencijalni elektromotorgenerator radi u generatorskom režimu i prenosi optimalni moment za minimalnu potrošnju motora s unutarnjim izgaranjem. Elektromotorgenerator regulira razliku potrebnu za pogon vozila i po potrebi radi kao motor ili kao generator. Kad je brzina rotora elektromotorgeneratora veća od ekvivalentne motora s unutarnjim izgaranjem, diferencijalni elektromotorgenerator radi kao elektromotor, koji osigurava kontinuirano opterećenje i broj okretaja motora s unutarnjim izgaranjem, uz konstantni moment koji odgovara radnom režimu motora s unutarnjim izgaranjem dok elektromotorgenerator i dalje regulira potrebni broj okretaja izlaznog vratila radom u motorskom ili generatorskom režimu po potrebi.

[0028] Kratak popis crteža

[0029] Sl. 1 je presjek sklopa strojeva prema opisanom izumu

[0030] Sl. 2 je sličan presjek sklopa, kompaktna verzija u kojoj je rotor diferencijalnog elektromotorgeneratora direktno vezan na rotor elektromotorgeneratora, dok je stator diferencijalnog elektromotorgeneratora pričvršćen direktno na izlazno vratilo motora s unutarnjim izgaranjem

[0031] Detaljan opis najmanje jednog od načina ostvarivanja izuma

[0032] Upućujući na sl. 1, može se vidjeti da hibridni pogonski mehanizam obuhvaća motor s unutarnjim izgaranjem (1). Motor s unutarnjim izgaranjem (1) spojen je preko spojke (2) na rotacioni stator diferencijalnog elektromotorgeneratora (12). Diferencijalni elektromotorgenerator (10) sastoji se od rotora diferencijalnog elektromotorgeneratora (11), statora diferencijalnog elektromotorgeneratora (12), kliznih prstenova (14), četkica (15), ležajeva rotora (16) i ležajeva statora (17). Stator diferencijalnog elektromotorgeneratora napajanje dobiva preko kliznih prstenova (14) i četkica (15). Stator diferencijalnog elektromotorgeneratora (12) vrti se na ležajima statora diferencijalnog elektromotorgeneratora (17). Rotor diferencijalnog elektromotorgeneratora (11) uležišten je preko ležajeva rotora diferencijalnog elektromotorgeneratora (16) u stator diferencijalnog elektromotorgeneratora (12). Rotor diferencijalnog elektromotorgeneratora (11) spojen je preko spojke (3) na rotor pogonskog elektromotorgeneratora (21). Pogonski elektromotorgenerator (20) sastoji se od rotora elektromotorgeneratora (21), statora elektromotorgeneratora (22) te ležajeva rotora (23). Rotor elektromotorgeneratora (21) uležišten je u stator elektromotorgeneratora (22) pomoću ležajeva rotora elektromotorgeneratora (23). Rotor elektromotorgeneratora (21) spojen je i na transmisiju vozila.

[0033] Kad je isključeno napajanje diferencijalnog elektromotorgeneratora preko četkica diferencijalnog elektromotorgeneratora (15) tada se rotor diferencijalnog elektromotorgeneratora (11) slobodno vrti zajedno sa rotorom elektromotorgeneratora (21) i nema prijenosa momenta sa ili na stator diferencijalnog elektromotorgeneratora (12). Rotor elektromotorgeneratora (21) sam pogoni transmisiju u skladu s frekvencijom napona na statoru elektromotorgeneratora (22) čiji pogon osiguravaju akumulatori preko DC-AC invertera.

[0034] Ukoliko je potrebno nadopuniti akumulatore ili je potrebna dodatna snaga na transmisiju uključuje se motor s unutarnjim izgaranjem (1). Moment sa motora s unutarnjim izgaranjem (1) prenosi se preko spojke (2) na stator diferencijalnog elektromotorgeneratora (12). Frekvencija i napon napajanja statora diferencijalnog elektromotorgeneratora (12) koji se dovode preko četkica diferencijalnog elektromotorgeneratora (15) i kliznih prstenova diferencijalnog elektromotorgeneratora (14), prilagođeni su razlici broja okretaja statora diferencijalnog elektromotorgeneratora (12) i rotora diferencijalnog elektromotorgeneratora (11). Pri tome se broj okretaja statora diferencijalnog elektromotorgeneratora (12) mijenja u malom opsegu u skladu s radnim područjem motora s unutarnjim izgaranjem (1) od područja najefikasnijeg iskorištenja goriva (g/kWh) do područja najveće snage. Pri tome moment koji prenosi elektromagnetsko polje diferencijalnog elektromotorgeneratora između statora (12) i rotora (11) odgovara momentu koji proizvodi motor s unutarnjim izgaranjem (1). Prema tome diferencijalni elektromotorgenerator (10) mora biti dimenzioniran.

[0035] Kad je broj okretaja statora diferencijalnog elektromotorgeneratora (12) veći od broja okretaja rotora diferencijalnog elektromotorgeneratora (11), diferencijalni elektromotorgenerator (10) radi u generatorskom području, a kad je broj okretaja rotora diferencijalnog elektromotorgeneratora (11) veći od broja okretaja statora diferencijalnog elektromotorgeneratora (12) tada diferencijalni elektromotorgenerator (10) radi u motorskom području.

[0036] Na mjesto spojki mogu doći jednostavni zupčanički ili remenski prijenosi za potrebu drugačijeg razmještaja komponenti ili prilagodbe broja okretaja sa ciljem bolje iskoristivosti ugrađenih komponenti.

[0037] Upućujući na sl. 2 vidi se kompaktna varijanta verzije kao na sl. 1. Naime, kako bi se pojednostavnila izvedba, diferencijalni selektromotor/generator koristi ležajeve drugih komponenti za uležištenje. Tako se rotor diferencijalnog elektromotorgeneratora (11) kruto spaja na rotor elektromotorgeneratora (21), dok se stator diferencijalnog elektromotorgeneratora (12) kruto spaja na izlazno vratilo motora s unutarnjim izgaranjem (1).

[0038] Principa rada su potpuno isti. Razlika je utoliko što ovdje diferencijalni elektromotorgenerator (10) nije izveden kao poseban stroj sa svim komponentama.

[0039] Način primjene izuma

[0040] Upotreba ovog izuma za pogon hibridnih vozila omogućit će ekonomičnu proizvodnju jednostavnog hibridnog vozila koje će se po troškovima proizvodnje jako približiti klasičnim vozilima uz potpunu autonomiju i smanjenu potrošnju energije, uz otvaranje mogućnosti upotrebe drugih pogonskih tehnologija umjesto motora s unutarnjim izgaranjem.

[0041] Popis upotrebljenih pozivnih oznaka

[0042] 1. motor s unutarnjim izgaranjem

[0043] 2. spojka 1

[0044] 3. spojka 2

[0045] 10. diferencijalni elektromotorgenerator

[0046] 11 rotor diferencijalnog elektromotorgeneratora

[0047] 12 stator diferencijalnog elektromotorgeneratora

[0048] 14 klizni prstenovi

[0049] 15 četkice

[0050] 16 ležajevi rotora diferencijalnog elektromotorgeneratora

[0051] 17 ležajevi statora diferencijalnog elektromotorgeneratora

[0052] 20. motorgenerator

[0053] 21. rotor elektromotorgeneratora

[0054] 22. stator elektromotorgeneratora

[0055] 23. ležajevi elektromotorgeneratora

Claims (5)

1. Hibridni pogon s diferencijalnim elektromotorgeneratorom, naznačen time, da se sastoji od elektromotorgeneratora (20), diferencijalnog elektromotorgeneratora (10) i motora s unutrašnji izgaranjem (1), pri čemu je na rotor navedenog elektromotorgeneratora (21) kruto ili preko elemenata za mehanički prijenos momenta priključen rotor (11) ili stator (12) diferencijalnog elektromotorgeneratora diferencijalnog elektromotorgeneratora (10) dok je na izlazno vratilo motora s unutarnjim izgaranjem (1) priključen rotacioni stator (12) ili rotor (11) diferencijalnog elektromotorgeneratora kruto ili preko elemenata za mehanički prijenos momenta

2. Hibridni pogon s diferencijalnim elektromotorgeneratorom prema zahtjevu 1, naznačen time, da navedeni motor s unutarnjim izgaranjem (1) pogoni rotor (11) ili rotacioni stator (12) diferencijalnog elektromotorgeneratora kruto ili preko spojke (2) ili preko zupčaničkog ili remenskog prijenosa momenta, te elektromagnetsko rotaciono polje između statora (12) i rotora (11) navedenog diferencijalnog elektromotorgeneratora (10) prenosi moment od navedenog motora s unutarnjim izgaranjem (1) na transmisiju vozila preko rotora elektromotorgeneratora (21) na koji je kruto ili preko spojke (3) ili preko zupčaničkog ili remenskog prijenosa momenta priključen rotor (11) ili stator (12) diferencijalnog elektromotorgeneratora.

3. Hibridni pogon s diferencijalnim elektromotorgeneratorom prema zahtjevu 2, naznačen time, da su elektromotorgenerator (20) i diferencijalni elektromotorgenerator (10) električni strojevi koji mogu biti istosmjerni ili izmjenični, asinkroni ili sinkroni, sa rotorom s namotajem, kavezom, permanentnim magnetima ili istaknutim polovima uz uvjet da mora moći raditi u motorskom i generatorskom području.

4. Hibridni pogon s diferencijalnim elektromotorgeneratorom prema zahtjevu 3, naznačen time, da je napajanje diferencijalnog elektromotorgeneratora (10) izvedeno preko kliznih prstenova (14) i četkica (15) ili preko rotacionog transformatora kojima se dovodi električna energija na rotacioni pogon.

5. Hibridni pogon s diferencijalnim elektromotorgeneratorom prema zahtjevu 3, naznačen time, da pogonski stroj (1) čiji se moment prenosi preko diferencijalnog elektromotorgeneratora (10) može biti motor s unutarnjim izgaranjem turbina, parna turbina, parni stroj ili bilo koji stroj čiji rad se može pretvotiti u rotaciono gibanje.