БЛОГ

Единая платформа для всех видов гибридных транспортных средств на базе высокомоментного гибридного привода

Предложение по развитию и внедрению линейки высокомоментных гибридных приводов для АТС с единой конструкцией (платформой), оптимальной  для сочетания со стандартными и оригинальными элементами трансмиссии.

Разработанная "АВИС" платформа позволяет создавать гибридные трансмиссии для всех сегментов автотранспорта (в т.ч. для тяжелой и сельхозтехники, транспорта МЧС и военного, легкового и пассажирского, джипов, кроссоверов, гоночных авто  т.д.)

Предлагаемый базовый гибридный привод является полным гибридом комбинированного (последовательно-параллельного) типа. Предназначен для использования в качестве бесступенчатой трансмиссии для транспортных средств. Привод имеет минимальные размеры, вес и стоимость (при равных возможностях) по сравнению с мировыми аналогами.
Конструкция предлагаемого высокомоментного гибридного привода патентуется ООО "АВИС".
Состав основных узлов и элементов предлагаемого привода: двигатель внутреннего сгорания, электрическая машина (одна, работающая и как генератор и как электромотор или две отдельных – генератор и тяговый электромотор), частотный преобразователь, накопители электроэнергии и блок управления. Есть дополнительные узлы, обеспечивающие работу генератора в требуемых режимах. Привод может быть использован в составе гибридной трансмиссии как имеющей КПП, так и без КПП (в зависимости от типа транспортного средства).
Основные инновационные особенности предлагаемого высокомоментного гибридного привода:
1. Особая конструкция генератора.
2. Оригинальная взаимная компоновка основных элементов и дополнительных узлов привода. Это позволяет, в отличие от лучших импортных аналогов, на любой скорости движения получить не только предельно высокий момент, но и значительно увеличить скорость движения транспортного средства без увеличения частоты вращения вала ДВС.
3. Оригинальная конструктивная схема привода, позволяющая максимально компактно расположить его  элементы.

Особенности гибридных приводов для разных типов автотранспортных средств.
Гибридный привод – привод, где ведущие колеса приводятся во вращение двумя или более различными типами двигателей, один из которых, как правило, ДВС. Второй – чаще всего электропривод, наиболее развитый и подходящий по условиям использования, по сравнению, например, с гидроприводом. По способам соединения основных компонентов гибридные привода делят на последовательные, параллельные и смешанные. Так называемый последовательный гибридный привод – это просто электротрансмиссия, по сути, даже не гибридный привод. Двойное преобразование всей выработанной ДВС энергии (из необходимой и достаточной для движения механической в электрическую и затем обратно) и обусловленные этим потери сводят на нет целесообразность использования такой схемы на загородных магистралях.
Трансмиссии малоскоростного транспорта с небольшим диапазоном скоростей движения и крутящего момента достаточно просты и дешевы. Трудности возникают при построении трансмиссий (в том числе и гибридных) для тех типов транспортных средств, которые ездят по дорогам общего пользования – вследствие слишком широкого для ДВС диапазона скоростей движения и крутящих моментов. У обычных транспортных средств для создания на старте большого крутящего момента используется КПП, у гибридных – высокомоментный тяговый электропривод (иногда дополнительно есть еще и КПП). Использование высокомоментного тягового электропривода экономически оправданно или в малоскоростных устройствах (карьерные самосвалы, электрокары и прочее) или в скоростных, но относительно маломощных транспортных средствах (например, легковые автомобили класса «В»). Большие крутящие моменты на старте и одновременно большие частоты вращения означают слишком большую габаритную мощность электромашины, привод становится слишком дорогим и выгоднее использовать КПП. Но в любом случае – чем больший диапазон частот вращения и моментов обеспечивает базовый модуль гибридного привода, непосредственно соединенный с ДВС и состоящий в основном из электромашины (генератора), тем проще и дешевле тяговый электропривод (меньше его крутящий момент) или КПП (требуется меньшее число передач).
Автомобили с гибридным приводом последовательного типа: ЛиАЗ-5292X (городской автобус), Ё-мобиль (серия легковых автомобилей). Серийные автомобили, использующие гибридный привод параллельного или смешанного типа с высокомоментным тяговым электроприводом: TOYOTA Prius, Chevrolet Volt (легковые автомобили). Автомобили, использующие гибридный привод параллельного типа с многоступенчатой КПП: КАМАЗ-НЕФАЗ 5299Н (городской автобус), Mercedes Atego, MAN TGL (тягачи). Наличие КПП имеет такое важное преимущество, как возможность уверенного движения в случае отказа электропривода или полного разряда батареи.

Известные оптимальные схемы гибридных приводов для легковых автомобилей класса «В».
Для легковых автомобилей класса «В» сегодня наиболее оптимальна схема смешанного последовательно-параллельного гибридного привода, примененная компанией TOYOTA с небольшими вариациями практически во всех своих гибридных автомобилях (ее система смешанной тяги THS). Такое мнение высказывает, в частности, Л. А. Скрипко, к.т.н. / ГТУ «МАДИ» (Журнал Автомобильных Инженеров №5 (70) 2011, УДК 629.33.03-83; 629.34.03-83 «Гибридный привод для Калины»). В THS 72% крутящего момента ДВС передается на ведущие колеса, а 28% - на генератор, а для увеличения крутящего момента используется высокомоментный тяговый электропривод. Патент TOYOTA на это решение скоро прекратит свое действие и его смогут использовать все желающие для разработки собственных гибридных приводов.
Также открытым для использования решением является схема с биротативным генератором, передающим на ведущие колеса полный крутящий момент ДВС. Такое решение описано в патенте Фольксваген DE 3338548 от 24.10.1983 и в патенте TOYOTA на HSD. Для увеличения крутящего момента можно также использовать тяговый электропривод и (или) двухступенчатую КПП (Журнал Автомобильных Инженеров №6 (71) 2011, УДК 629.33.03-83; 629.34.03-83   «Схема для гибрида», Л. А. Скрипко). Варианты схем с биротативным генератором и КПП описаны, например, в патентах US 20110034282 и CN 201240251. В китайском патенте одна биротативная электромашина используется в разных режимах движения и как генератор и как электродвигатель.  Достоинством использования биротативной электромашины является отсутствие сцепления и меньшие потери в электромашине на больших скоростях движения. Недостаток заключается в том, что биротативный генератор имеет значительные габариты и вес, поскольку передает полный крутящий момент ДВС.
Чтобы передать на ведущие колеса полный крутящий момент ДВС и при этом снизить габариты и массу биротативного генератора, можно использовать схему по патенту РФ 2384423. Для увеличения крутящего момента также можно применить как тяговый электропривод, так и КПП.

Известные оптимальные схемы гибридных приводов для автобусов и грузовиков.
Диапазон рабочих частот ДВС у таких транспортных средств зачастую значительно уже, чем у легковых автомобилей из-за того, что основным типом ДВС у них является дизель, имеющий небольшой диапазон рабочих частот вращения для обеспечения предельно малого расхода топлива на грузоперевозках. Это определяет необходимость наличия многоступенчатой (до 10 и более ступеней) КПП. Использование вместо нее высокомоментного тягового электропривода (для создания на старте большого крутящего момента) экономически не оправданно. Большие крутящие моменты на старте и одновременно большие частоты вращения означают слишком большую габаритную мощность электромашины, привод становится много дороже, чем КПП. Высокая мощность электропривода также означает большие потери энергии в нем  и вследствие этого повышенный расход топлива. Поэтому оптимальным представляется построение привода по параллельной схеме, подобной, например, MAN TGL (также и на Mitsubishi Canter, Mercedes Atego, IVECO EuroCargo и пр.).  Отечественный аналог: автобус КАМАЗ-НЕФАЗ 5299Н с зарубежным приводом фирмы Voith.

 

   

Рис. 1 Типовая схема параллельного гибридного привода для грузовиков и автобусов

 

 

Все сказанное выше также в полной мере относится и к сфере сельхозтехники, где требуется обеспечить минимальный расход топлива при выполнении работ и в то-же время возможность достаточно быстро перемещаться по дорогам общего пользования.
У джипов, кроссоверов и мощных спортивных автомобилей используются ДВС с более широким диапазоном частот вращения, но при этом и максимальная их скорость тоже намного больше, что снова приводит к необходимости иметь КПП (Lexus RX 450h, Lexus LS 600h).
Оригинальный гибридный привод ООО «АВИС»
ООО «АВИС» разработало гибридный привод с оригинальной схемой, который, при несколько большей сложности чем привод по патенту РФ 2384423, обеспечивает 8 режимов работы без использования тягового электропривода или КПП.
Сравнительные расчеты в среде визуального программирования MatLab (SimuLink) показали, что применение предлагаемого привода даже без использования тягового электропривода или КПП (рис. 2) обеспечивает автомобилю полной массой 1555 кг с ДВС мощностью 72 кВт/5600 об/мин (легковой автомобиль класса «В» - например, ВАЗ 1118 «Калина») динамические показатели лучшие, чем у TOYOTA Prius или Lexus CT 200h. Время разгона с места до 60/100/130 км/ч составило 4,4/9,3/15,5с у автомобиля с предлагаемым приводом против 5,1/10,4/15,5с у TOYOTA Prius или Lexus CT 200h.

Рис. 2. Предлагаемая схема без КПП и тягового электропривода для легкового автомобиля класса «В»

Для кроссоверов и легковых автомобилей премиум-сегмента требования к динамическим показателям выше и им нужен будет тяговый электропривод или КПП.
Для сравнения в секторе кроссоверов был выбран Lexus RX 450h полной массой 2700 кг, имеющий ДВС мощностью 185 кВт/6000 об/мин, генератор мощностью 109 кВт, тяговый электропривод на передней оси мощностью 123 кВт/5400 об/мин с крутящим моментом 335 Нм и тяговый электропривод мощностью 50 кВт/5120 с крутящим моментом 130 Нм на задней оси. Мощность гибридной системы - 282 кВт. Сравнительный расчет проводился для автомобиля такой-же массы, с таким-же ДВС и тяговым электроприводом на задней оси (рис. 3). Передняя ось не имеет тягового электропривода и приводится в движение только с помощью ДВС через предлагаемый привод с генератором мощностью 130 кВт. Мощность гибридной системы - 180 кВт. Время разгона с места до 100 км/ч составило 6,4с у автомобиля с предлагаемым приводом против 7,9с у Lexus RX 450h.

 Рис. 3. Предлагаемая схема с тяговым электроприводом для кроссовера (4WD)

Для сравнения в секторе автомобилей премиум-сегмента был выбран полноприводный Lexus LS 600h полной массой 2730 кг, имеющий ДВС мощностью 290 кВт/6400 об/мин, генератор мощностью 180 кВт и тяговый электропривод мощностью 165 кВт/8000 об/мин с крутящим моментом 300 Нм и двухступенчатой КПП. Мощность гибридной системы - 345 кВт. Сравнительный расчет проводился для автомобиля такой-же массы, с таким-же ДВС и с двухступенчатой КПП (рис. 4). Тягового электропривода нет, автомобиль приводится в движение только с помощью ДВС через предлагаемый привод с генератором мощностью 200 кВт и двухступенчатую КПП. Мощность гибридной системы - 200 кВт. Время разгона с места до 100 км/ч составило 3,9с у автомобиля с предлагаемым приводом против 7,1с у Lexus LS 600h.

 

Рис. 4. Предлагаемая схема с КПП для автомобиля премиум-сегмента или кроссовера (4WD)

Для сравнения в секторе городских автобусов был выбран ЛиАЗ-5292Х полной массой 18 тонн, имеющий ДВС мощностью 136 л.с., генератор мощностью 90 кВт и тяговый электропривод мощностью 250 кВт. Мощность гибридной системы - 340 кВт. Сравнительный расчет проводился для автобуса такой-же массы, с таким-же ДВС. Схема предлагаемого привода для автобуса аналогична приведенной выше на рис. 1, разница – в блоке 3 (электромотор/генератор), вместо которого использован предлагаемый привод. Тягового электропривода нет, автобус приводится в движение только с помощью ДВС через предлагаемый привод с генератором мощностью 150 л. с. и пятиступенчатую КПП. Мощность гибридной системы - 150 кВт.
Исходные данные для расчета:
3-х минутный цикл: разгон с места до 60 км/ч, движение с этой скоростью, остановка с полностью рекуперативным торможением. Удельная теплота сгорания топлива 34,5 МДж/л, КПД дизеля принят равным 40%.

Расход топлива при движении по заданному циклу составил 19,5 л у автобуса с предлагаемым приводом против 25 л у ЛиАЗ-5292Х. 

Максимальный преодолеваемый с полной нагрузкой на скорости 20 км/ч подъем составляет  16° (29%) у автобуса с предлагаемым приводом против 9,5° (17%) у ЛиАЗ-5292Х.

Принципиальные преимущества предлагаемого привода  с тяговым электроприводом перед существующими аналогами:
- возможность вращения ведущих колес только с помощью ДВС на минимальной скорости с крутящим моментом, кратно бОльшим крутящего момента ДВС;
- высокая номинальная частота вращения электродвигателя тягового электропривода (меньший момент и меньшие габариты, вес и стоимость тягового электродвигателя);
- при постоянной частоте вращения и крутящего момента двигателя внутреннего сгорания всегда можно увеличить суммарный крутящий момент привода за счет суммирования крутящего момента двигателя внутреннего сгорания и тягового электропривода с крутящим моментом электромотора/генератора.

Принципиальные преимущества предлагаемого привода  с КПП перед существующими аналогами:
 - двигатель внутреннего сгорания может работать с постоянной частотой вращения вне зависимости от скорости движения автомобиля (можно уменьшить число ступеней КПП);
 - нет необходимости  в сцеплении или гидротрансформаторе для КПП;
 - при постоянной частоте вращения вала ДВС и постоянном крутящем моменте привода можно увеличить частоту вращения привода (например, для увеличения скорости при обгоне) – до двух раз без какой-либо перегрузки электромотора/генератора;
 - отсутствуют потери в магнитопроводе электромотора/генератора (при наличии в его конструкции постоянных магнитов), когда электромотор/генератор выключен, но его ротор вращается с высокой частотой. Как следствие - дополнительное снижение потребления топлива и нагрева электромотора/генератора.

Привод имеет высокие эксплуатационные характеристики и может быть использован для всех видов автотранспорта, сельхозтехники и железнодорожного транспорта, как самостоятельно, так и в любых сочетаниях с КПП и (или) с тяговым электроприводом. Это позволяет рассчитать параметры, определить  технические требования по каждому типу транспорта, использующего ДВС, и создать типовой ряд приводов, стандартизировать их параметры, габаритные и присоединительные размеры. На базе типоразмерного ряда таких приводов разработчики самых разных транспортных средств смогут создавать гибридные трансмиссии для них, значительно сокращая сроки разработки и расходы. Дополнительное преимущество – общая патентная защита всей линейки приводов.

Внедрение платформы гибридных приводов «АВИС» позволит:
• обновить продуктовые линейки автопроизводителей;
• создать единую технологическую гибридную платформу;
• развить компонентную отрасль для автопрома;
• укрепить конкурентные позиции кластера электротехнического машиностроения;
• расширить внешнеэкономическую деятельность, повысить конкурентные преимущества путем выпуска продукции, конкурентоспособной на мировом рынке;
• обеспечить импортозамещение не выпускаемой машиностроительной продукции;
• повысить энергоэффективность на транспорте;
• снизить токсичные выбросы двигателей транспорных средств в атмоферу путем внедрения экологически ориентированной разработки;
• повысить рентабельность перевозок;
• повысить рентабельность производства транспортных средств за счёт снижения затрат на изготовление привода;
• выпускать более востребованные транспортные средства.

Подобным путем идут сегодня все автопроизводители в мире, объединяя в альянсы силы и средства для разработки типовых гибридных приводов, передачи технологий, их унификации, установки на автомобили всех участников разработки. Яркий пример - Global Hybrid Cooperation(BMW,Daimler,Chrysler,GM).