CC BY
139
УДК 629.113
ПРИМЕНЕНИЕ ГИБРИДНОГО ПРИВОДА НА САМОХОДНЫХ
МАШИНАХ
В.П. Баранчик, профессор, д.т.н., В.А. Васильев, ст. преподаватель, М.Ф. Закиров, А.С. Субботина, аспиранты, Ижевский государственный технический университет
Аннотация. Сформулированы принципы построения схем привода машин с гибридной энергосиловой установкой. Предлагается кинематическая схема гибридного привода самоходной машины, исключающая образование замкнутых силовых контуров в кинематической цепи двигатель внутреннего сгорания - электродвигатель.
Ключевые слова: гибридный привод, замкнутый силовой контур, силовой поток, узловая точка, циркуляция мощности.
Введение
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), широко применяемые на транспорте и в строительстве из-за своей автономности, являются одним из основных источников загрязнения воздушной среды. Постоянно ужесточающиеся международные нормы на вредные выбросы автомобильного транспорта диктуют необходимость повышения КПД ДВС, применение альтернативных видов моторного топлива, замену ДВС электрическим двигателем.
Компромиссным вариантом является применение на самоходной машине комбинированной энергосиловой установки (КЭСУ), в которой малоцилиндровый ДВС и электродвигатель (ЭД) работают параллельно на общий вал. Причем в основном работает ЭД с питанием от аккумулятора, а ДВС используется для зарядки аккумулятора и для получения максимальных тягово-скоростных показателей при разгоне, движении на повышенных скоростях и в тяжелых дорожных условиях. При торможении ЭД работает в режиме генератора и подзаряжает аккумулятор без использования ДВС.
В настоящее время на автомобилях имеются самые различные кинематические схемы и соотношения мощностей ДВС и ЭД, что объясняется разными подходами к проекти-
рованию. Например, на автомобиле Toyota Prius это соотношение примерно 1:1, а на автомобиле Honda Insight - 1:0,12. Баланс тяговой и тормозной мощности зависит от назначения, режимов эксплуатации машины и возможности быстрой рекуперации энергии торможения и сохранения её в накопителе.
Проблема состоит в том, что из-за различия скоростных характеристик ДВС и ЭД при их параллельной работе на общий вал и жесткой кинематической связи ДВС и ЭД, в приводе возникают замкнутые силовые контуры (ЗСК), циркуляция энергии и значительные потери энергии на трение [1]. Проблема потерь энергии в КЭСУ усугубляется наличием в крутящем моменте малоцилиндрового ДВС гармонических составляющих, амплитуды которых соизмеримы или превышают среднее значение крутящего момента [2].
Для исключения образования ЗСК в кинематической цепи ДВС-ЭД необходимо ввести между ними компенсирующее кинематическое звено. Таким звеном может быть механический накопитель энергии или его элемент. Однако и в этом случае изменение крутящего момента ДВС по углу поворота вала сохраняется и может быть причиной крутильных колебаний и диссипации энергии в приводе [3]. Необходимым условием отсутствия циркуляции мощности в цепи ДВС - ЭД является синхронизация угловых
скоростей в узловой точке потоков мощности -на выходе суммирующего редуктора (СР). Достаточным условием является минимизация реакции механической системы на возмущение гармониками крутящего момента ДВС. Общим приоритетом при построении управления синхронной работой ДВС, ЭД и трансмиссии является предпочтение использования момента ЭД. ДВС должен использоваться только для энергетической подпитки ЭД и аккумулятора. Такая стратегия соответствует главной цели применения КЭСУ -снижению вредных выбросов в атмосферу.
Цель и постановка задачи
Образование замкнутого силового потока в СР объясняется тем, что мощность на выходе СР, которая в каждый момент времени должна соответствовать мощности сопротивления движению машины, на самом деле при заданной скорости выходного вала СР не равна суммарной мощности ДВС и ЭД. Это является следствием двух причин: 1) ошибок синхронного управления крутящими моментами ДВС и ЭД, значительных при жесткой кинематической связи между валами двигателей; 2) изменением крутящего момента ДВС по углу поворота вала при постоянной средней угловой скорости последнего.
Решение задачи
Можно сформулировать следующие принципы построения схем привода машин с КЭСУ:
1. Преимущественное использование электрической тяги при движении машины.
2. Отсутствие жёсткой кинематической связи между валами ДВС и ЭД.
3. Уменьшение числа одновременно управляемых параметров системы управления за счет использования внутренней автоматичности скоростной характеристики ЭД.
Одна из возможных схем представлена на рис. 1.
Между ДВС и ЭД введено компенсирующее звено - генератор (Г). Регулируя тормозом и электрическим сопротивлением цепи ротора частоту вращения и крутящий момент на валу Г, можно обеспечить требуемую добавку крутящего момента ДВС на водиле при любом значении частоты вращения последнего.
М -М
М, = —5ч—^
где Ма, МТ, МЭ - моменты на валу ДВС, на ведомом валу СР и ЭД соответственно; ^ -передаточное отношение от звена а (ДВС), до звена к (водило) при застопоренном звене Ь (генератор).
Рис.1. Схема КЭСУ, обеспечивающая отсутствие замкнутых силовых потоков в СР
При полностью заряженном аккумуляторе момент на валу генератора мал, поэтому момент ДВС, увеличенный соответственно передаточному отношению, суммируется с моментом ЭД и направляется в трансмиссию в точном соответствии с её скоростью. При частично заряженном аккумуляторе момент на валу ДВС определяется соотношением
Ы.
Мт -Мэ м
ак
Ьк
где Мв - момент на валу генератора; Ь - передаточное отношение от звена Ь (генератор) до звена к (водило) при заторможенном звене а (ДВС).
На привод Г расходуется часть мощности ДВС, которую можно регулировать тормозом и электрическим сопротивлением цепи Г.
Если необходимая добавка момента ДВС, приведенная к водилу, равна М при частоте вращения последнего п, то генератору надо задать такой режим, при котором требуемый момент Ма может быть получен при наиболее экономичной частоте вращения па вала ДВС
М , ^ й
М„ =-+Л/ -7
аЬ
Ьк
ак
где < 0 - передаточное отношение от звена а к звену Ь при остановленном водиле
Я-
Да, Zв - числа зубьев колес а и в соответственно; Ма, па - момент и частота вращения вала ДВС.
+ -
. й
1аЪ
После задания указанного режима Г, нужный момент и обороты ДВС получаются автоматически, согласно передаточному отношению планетарного редуктора.
При этом на выход подается требуемая добавка крутящего момента в точном соответствии со скоростью вращения валов ЭД и СР, а на Г - мощность в соответствии с формулой для Мв . Эта мощность в виде электрической энергии направляется на восполнение потери энергии аккумулятора, а при её избытке - непосредственно к ЭД.
Предложенная схема позволяет реализовать все эксплуатационные режимы работы привода:
- движение на электрической тяге;
- автоматический запуск ДВС и энергетическую подпитку ЭД при недостаточном его моменте на любой скорости движения машины;
- автоматическую зарядку аккумулятора;
- рекуперативное и экстренное торможение;
- аварийный запуск ДВС «с хода» и движение с использованием только ДВС;
- движение «накатом».
Выводы
Параллельная работа ДВС и ЭД на общий вал связана с возникновением замкнутых силовых контуров, возникающих из-за различия механических характеристик двигателей и ошибок синхронного управления по скорости и моменту. Для исключения образования замкнутых силовых контуров в кинематической цепи ДВС-ЭД необходимо ввести между двигателями компенсирующее кинематическое звено, например, дифференциальную передачу с электрическим генератором, имеющим регулируемое возбуждение. Для преимущественного использования электротяги при движении машины ЭД должен быть установлен на выходе, а ДВС - использоваться только для энергетической подпитки привода при недостающем моменте ЭД.
Литература
1. Баранчик В.П., Васильев В.А. Потери
мощности в гибридном приводе автомобиля // «Проблемы механики и материаловедения»: Материалы III науч.-практ. конф. Ижевск, 14 - 15 июня 2006 г.: тез. докл. - Ижевск: Изд-во ИПМ УрО РАН, 2006.- С. 135.
2. Баранчик В.П., Васильев В.А. Выбор схе-
мы комбинированной энергосиловой установки машины с планетарным суммирующим редуктором // Тез. докл. научно-техн. конфер. «Интерстроймех-2005». - Тюмень, 2005, Ч.1, С. 131. 3 Васильев В.А. Повышение экологической безопасности строительных и дорожных машин // Механизация строительства. -2006. - № 10. - С. 15.
Рецензент: А.В. Бажинов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
й
1аЬ ~
а
П
а
а
«в = П1Ък
Статья поступила в редакцию 20 апреля 2007 г.
