SE505214C2 - Hybriddrivsystem - Google Patents

Description

505 214 2 Ett ytterligare syfte är att åstadkomma ett hybriddrivsystem som möjliggör drivning medelst en eldriven energiomvandlare som matas med en kraftkälla och en förbränningsmotor varvid tidsmedelvärdet av effektuttaget från kraftkällan är noll eller nära noll under en bestämd tidsperiod. Ännu ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en regler- anordning som på ett fördelaktigt sätt möjliggör optimal drift av hybriddrivsystemet.

Dessa syften uppnås medelst ett hybriddrivsystem enligt patentkrav 1 och medelst en regleranordning enligt patentkrav 70 Ett hybriddrivsystem med de i krav 1 redovisade särdragen uppnår en mycket god verkningsgrad hos förbränningsmotorn eftersom den variabla växellådan i kombination med den elekt- riska energiomvandlaren medger ökad frihet att låta förbrän- ningsmotorn arbeta vid optimalt varvtal och moment.

Uppfinningen kommer nedan att närmare beskrivas i några utföringsexempel med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig l visar ett seriehybridsystem enligt känd teknik.

Fig 2 visar ett parallellhybridsystem enligt känd teknik.

Fig 3A - 3C visar i diagramform hur den avgivna effekten hos komponenterna i ett hybriddrivsystem samverkar.

Fig 4 är en schematisk ritning av ett hybriddrivsystem enligt uppfinningen.

Fig 5A - 5D visar en förbränningsmotors karakteristik i form av verkningsgrads- och emissionsdiagram.

Fig 6 visar ett blockschema över en regleranordning till ett hybriddrivsystem enligt uppfinningen. ß -ISÛS 214 Fig 7 visar en delvis snittad sidovy av en energiomvandlare enligt uppfinningen.

Hybriddrivsystem för fordon kan huvudsakligen delas upp i två grupper; seriehybridsystem och parallellhybridsystem.

Seriehybridsystem bygger, med hänvisning till figur 1, på en förbränningsmotor 1, en växelströmsgenerator 2 en likriktare 3, en omriktare 4, en växelströmsmotor 5 som i de flesta förekommande fallen är en kortsluten asynkronmotor, en växel 6 samt ett batteri 7. Förbränningsmotorns 1 varvtal och moment kan i detta system i princip bestämmas helt fritt.

Parallellhybridsystem bygger, med hänvisning till figur 2, på en förbränningsmotor 11, en elmotor 12, en omriktare 13, ett batteri 14 och en växel 15. Förbränningsmotorns ll och el- motorns 12 varvtal är i detta system lika. Via omriktaren 13 kan batteriets 14 effekt tillföras en drivaxel 16 och således avge ett momenttillskott till systemet.

I fig. 3A visas i diagramform en förbränningsmotor som avger en konstant effekt vid ett konstant varvtal. Eftersom effekt- uttaget hos ett fordon varierar kommer omvandlaren att arbeta som en elmotor då effekt skall avges till fordonets driv- eller hjulaxel. När fordonet på grund av sin rörelseenergi avger mer energi än vad som önskas eller då fordonet skall bromsas, avges effekt till batteriet som då laddas upp, vilket medför att omvandlaren arbetar som en generator. Detta visas i fig. 3B, varvid områden ovanför tidsaxeln represen- terar motordrift och områden nedanför tidsaxeln representerar generatordrift hos omvandlaren.

Vid hybriddrift inställes förbränningsmotorn så att den avger en effekt som motsvarar medeleffektbehovet för den aktuella driftarten. Eventuellt ökat eller minskat effektbehov kompen- seras då med hjälp av omvandlaren såsom visas i fig 3C.

Med hänvisning till figur 4 visas en schematisk ritning av ett hybriddrivsystem enligt uppfinningen där hybriddriv- systemet utgör en drivkälla till ett hjulfordon. I hybrid- 505 214 4 drivsystemet sker kombinationen av energi från en förbrän- 111' ningsmotor 21 och en likströmskälla 22, såsom ett batteri, i en energiomvandlare 23 som är försedd med två koncentriska rotorer 24,25 med var sin lagrad axel. Den första rotorn 24, som kan vara den inre rotorn, är mekaniskt kopplad till förbränningsmotorns 21 utgående axel 26, och den utgående axeln 26 kan låsas fast eller bromsas av en mekaniskt eller elektriskt manövrerbar koppling 27 som ansluter förbrännings- motorn 21 till en av energiomvandlarens 23 rotorer 24,25. Den andra rotorn 25, som kan vara den yttre, kan anslutas till en hjulaxel 28 via en växel 29 med varierbar utväxling. Enligt uppfinningen är denna växel 29 en växellåda med varierbar ut- växling av typen CVT (continuously Variable transmission).

Växellådor av typen CVT är kända för en fackman varför deras uppbyggnad och funktion inte närmare beskrivs här.

Med en CVT ansluten till hybriddrivsystemet kan förbrännings- motorn 21 ställas in att arbeta på ett för verkningsgraden och emissionerna optimalt varvtal och moment. Detta optimala varvtal och moment bestäms av förbränningsmotorns 21 karakte- ristik vilken erhålles vid motorprov vid olika belastningar av förbränningsmotorn 21. Exempel på en förbränningsmotors karakteristik visas i figurerna 5A - SD i form av verknings- grads- och emissionsdiagram. Kurvorna i diagrammet enligt fig 5A representerar olika värden för verkningsgraden hos en förbränningsmotor vid olika varvtal och moment. Figurerna SB - SD visar kurvor för CO-, NOX- resp. HC-emissioner. Genom att kombinera hybriddrivsystemet med en CVT kan det mest fördelaktiga driftförhållandet eller arbetspunkten hos för- bränningsmotorn 21 för en aktuell driftart erhållas med utgångspunkt från förbränningsmotorns 21 kända karakteristik.

Olika driftarter kan förekomma vid exempelvis motorvägs- eller stadstrafikkörning. Genom att ansluta en regleranord- ning enligt föreliggande uppfinning till hybriddrivsystemet och CVT:n kan driftegenskaperna hos ett fordon med hybrid- drivsystemet som drivkälla optimeras med avseende på avgiven effekt, verkningsgrad och avgivna emissioner. f» _ 505 214" Förbränningsmotorn 21 avger således önskat moment för den aktuella driftarten och varvtalet regleras i energiomvand- laren 23 för att kompensera för en förändring av varvtalet hos axeln mellan energiomvandlaren 23 och CVT:n. Om belast- ningen på fordonets hjul ändras, regleras utväxlingen i CVT:n och varvtalet kompenseras i omvandlaren 23 så att förbrän- ningsmotorns 21 inställda varvtal och moment förblir konstan- ta.

Energiomvandlaren 23 förses med ström via en omriktare 30 som omformar likströmmen från batteriet 22 till växelström. Om- riktaren 30 är enligt utföringsexemplet ansluten till energi- omvandlarens 23 yttre rotor 25 medelst släpringar 31.

Elektriskt sett kan energiomvandlaren 23 vara konstruerad som en permanent magnetiserad synkronmaskin eller en separat magnetiserad synkronmaskin med eller utan borstar. Energiom- vandlarens 23 båda rotorer 24,25 kan rotera fritt, oberoende av varandra. Den yttre rotorns 25 rotationsriktning följer den inre rotorns 24 rotationsriktning i hybriddrift vilket innebär att en kombination av förbränningsmotor 21 och ener- giomvandlare 23 driver fordonet. I eldrift är den rotor 24 som är kopplad till förbränningsmotorn 21 fastlåst medelst den manövrerbara kopplingen 27 och den andra rotorn 25 kan rotera i valfri rotationsriktning. Momentet hos rotorerna 24,25 är lika till beloppet men med motsatt tecken. Den yttre rotorn 25 är försedd med lindningar som matas med ström via släpringarna 31 och den inre rotorn 24 är försedd med perma- nentmagneter.

Effektfördelningen mellan förbränningsmotorn 21 och batteriet 22 styrs av den relativa varvtalsskillnaden mellan den yttre och inre rotorn 24,25. Den relativa varvtalsskillnaden kan vara positiv eller negativ. Tecknet på den relativa varvtals- skillnaden är avgörande för vilken driftart systemet har.

Ett antal driftarter kan identifieras för hybriddrivsystemet enligt uppfinningen: 505 214 6 1) Yttre rotorns 25 varvtal, betecknat som n2 i figur 3, l-||'y är större än den inre rotorns 24 varvtal, betecknat som nl.

Förbränningsmotor 21 och batteri 22 samverkar då för att driva fordonet. Fordonets hjul roterar då med ett varvtal som betecknas med n3. Denna hybriddriftart är intressant vid bland annat en hastig acceleration av fordonet eller vid färd i uppförsbacke eftersom momentet hos fordonets hjul då måste ökas vilket innebär att en nedväxling i CVT:n måste utföras. Vid en nedväxling i CVT:n ökar n2 vilket innebär att en varvtalsomvandling i energiomvandlaren 23 måste tillgripas för att förbränningsmotorns 21 varvtal skall hållas konstant. 2) Yttre rotorns 25 varvtal n2 är lika med den inre rotorns 24 varvtal nl. Denna driftart är intressant vid landsvägskörning då fordonet enbart kan drivas med förbrän- ningsmotorn 21. Batteriet 22 matar endast en likström i lindningen till den yttre rotorn för att upprätthålla det moment som krävs. Batterieffekten används endast för att täcka förlusterna i energiomvandlaren 23. 3) Yttre rotorns 25 varvtal n2 är mindre än den inre ro- torns 24 varvtal nl. Denna driftart används i första hand för att uppladda batteriet 22. 4) Förbränningsmotorn 21 ej i drift och inre rotorn 24 är stillastående medan den yttre rotorn 25 roterar. I denna driftart drivs fordonet endast av energiomvandlaren 23 och är därmed intressant för drift i bland annat stadstrafik där höga krav ställs på låga emissioner.

) Om något fel skulle uppstå i omriktaren 30 eller batte- riet 22, kan fordonet drivas av enbart förbränningsmotorn 21. Detta möjliggörs enligt uppfinningen genom att trefaslindningen i den yttre rotorn kortsluts medelst ett inkopplingsbart kortslutningsorgan 32 med variabel resitans som är inkopplat i serie med trefaslindningen för att öka det uttagbara momentet. I denna driftart roterar den yttre 7 sus 2¶§ rotorn 25 med en eftersläpning i förhållande till den inre rotorn 24. Eftersläpningsvärdet är beroende av momentut- taget på hjulaxeln 28. 6) Vidare kan start av förbränningsmotorn 21 med batteriet 22 ombesörjas genom att först låsa den yttre rotorn 25 med hjulaxeln 28 och genom CVT:n och sedan använda energiom- vandlaren 23 som en synkronmotor för att starta förbrän- ningsmotorn 21. 7) Start av förbränningsmotorn 21 under elektrisk drift av fordonet sker genom att släppa låsningen av den manövrer- bara kopplingen 27 så att den inre rotorn 24 börjar rotera och genom att styra omriktaren 30 så att önskat startmoment och varvtal överföres till förbränningsmotorn 21. För att erhålla önskat startmoment tillföres energi till energiom- vandlaren 23 från fordonets rörelseenergi och från batte- riet 22. 8) Hybriddrivsystemet kan användas som reservkraftverk genom att låsa yttre rotorn 25 med en mekanisk låsning eller genom att låsa fast fordonets drivaxel 28 med fordon- ets bromssystem. Då förbränningsmotorn 21 driver den inre rotorn arbetar energiomvandlaren 23 som generator. Via den yttre rotorns släpringar 31 kan batteriet 22 uppladdas eller ström uttagas externt. 9) Vidare är en mekanisk sammankoppling av rotorerna 24,25 möjlig. Detta innebär att n2 = nl. Framdrivningen av for- donet sker då enbart av förbränningsmotorn 21. Denna drift- art är intressant vid landsvägskörning för att minimera förlusterna i systemet eftersom ingen ström från batteriet 22 behövs för att upprätthålla konstant varvtal genom ener- giomvandlaren 23.

För att att optimera driftsegenskaperna och för att minska avgivna emissioner från hybriddrivsystemet föreslås genom uppfinningen en regleranordning. Fig 6 visar ett utförings- exempel av en regleranordning till ett hybriddrivsystem BAD omcamAL å _ _ 9 p sos 214 ningsgrad och avgivna emissioner. Enligt en variant av uppfinningen medger kontrollpanelen 47 inställning av någon av de nio driftarter som beskrivits ovan.

Olika sätt att accelerera resp. retardera hybriddrivsyste- met enligt föreliggande uppfinning skall nu förklaras med hänvisning till fig. 4 och 6. Vid en acceleration av fordo- net då hybriddrivsystemet är inställt på hybriddrift acce- lereras den rotor 25 som är kopplad till CVT:n av fordonets rörelseenergi när utväxlingen i CVT:n momentant ökas genom växelregleringsenheten 41. Om nz är större än nl styrs om- riktaren 30 av styrenheten 40 för moment- och varvtals- reglering så att den rotor 24 som är kopplad till förbrän- ningsmotorn 21 ej påverkar förbränningsmotorns 21 moment och varvtal, när den rotor 25 som är kopplad till CVT:n accelereras, samt så att batteriet 22 avger effekt till energiomvandlaren 23 när den rotor 25 som är kopplad till CVT:n accelererar. Om nz är mindre än nl styrs omriktaren så att laddningen av batteriet 22 minskas när n2 ökar.

Detta leder till att hjulaxelns 28 moment och varvtal ökar och att förbränningsmotorns moment och varvtal förblir kon- stanta. Utväxlingen kan ökas i små steg eller i ett stort steg så att önskat varvtal och/eller moment erhålls på hjulen. Momentet över energiomvandlaren 23 är konstant.

Det är vidare möjligt att styra förbränningsmotorns 21 moment inom ett intervall, dvs att förbränningsmotorns 21 moment ökas något så att den yttre rotorn 25 accelereras.

Om n2 är större än nl styrs omriktaren 30 av styrenheten 40 för moment och varvtalsreglering så att batteriet 22 avger ström till energiomvandlaren 23 när den yttre rotorn som är kopplad till CVT:n accelererar. Om nz är mindre än nl så tar batteriet 22 mot effekt från energiomvand- laren 23. Detta innebär att batteriet 22 laddas upp. Genom att medelst reglerorganet styra omriktaren 30 kan denna uppladdning minskas när varvtalet nz ökar. Sedan ökas ut- växlingen i CVT:n samtidigt som förbränningsmotorns 21 moment minskas till sitt ursprungliga värde. Detta förlopp 505 214 1° upprepas tills önskat varvtal/moment erhålls och så att verkningsgraden och emissionerna från drivsystemet blir l-'FI optimala.

Ytterligare en möjlighet för att åstadkomma acceleration av hybriddrivsystemet erhålls genom att med CVT:n i friläge accelerera den yttre rotorn 25 som är kopplad till CVT:n med hela förbränningsmotoreffekten, eller alternativt med en frihjulskoppling anordnad mellan energiomvandlaren 23 och växeln 29. När den yttre rotorn 25 accelereras till önskat varvtal inkopplas CVT:n för att accelerera fordonet.

Om n2 är större än nl styrs omriktaren 30 av styrenheten 40 för moment och varvtalsreglering så att batteriet 22 avger ström till energiomvandlaren 23 när den rotor 25 som är kopplad till CVT:n accelererar. Om n2 är mindre än nl styrs omriktaren 30 så att laddningen av batteriet 22 minskas när n2 ökar. Skulle den rotor 25 som är kopplad till CVT:n ha ett högre varvtal än önskat ur elektrisk synpunkt kan dess rörelseenergi avges för en acceleration av fordonet genom att minska utväxlingen och samtidigt styra omriktaren 30 så att momentet hålls konstant och så att förbränningsmotorn 21 ej bromsas.

Vid regenerativ bromsning och då hybriddrivsystemet är inställt på eldrift kan fordonet bromsas genom att styra omriktaren 30 så att effekt avges till batteriet 22 eller att i CVT:n öka utväxlingen så att varvtalet n2 hos den rotor 25 som är kopplad till CVT:n ökar på grund av fordo- nets rörelseenergi. Genom att rotorn 25 fungerar som ett svänghjul minskar således fordonets hastighet. Rotorns 25 rörelseenergi kan senare återmatas till hjulen för att accelerera fordonet.

Om hybriddrivsystemet är inställt på hybriddrift kan fordo- net bromsas genom att minska utväxlingen i CVT:n och samti- digt styra omriktaren 30 så att när rotorn 25 retarderar, påverkas inte förbränningsmotorns 21 moment och varvtal, 11 g sus 214 samt om n2 är större än nl styra omriktaren 30 så att batteriet 22 avger energi till omvandlaren 23 när den rotor som är kopplad till CVT:n retarderar. Om n2 är mindre än nl styrs omriktaren 30 så att laddningen av batteriet 22 ökar när nz minskar.

I fig 7 visas ett utföringsexempel av en energiomvandlare 23 enligt föreliggande uppfinning. Den yttre rotorn 25 lik- nar i stort sett en stator hos en konventionell motor men är utformad för att kunna rotera. Den yttre rotorn 25 är försedd med en eller flera lindningar 33 som matas med ström via släpringar 31. Den inre rotorn 24 är konstruerad med permanentmagneter. Den kan vara utformad så att fält- försvagning kan åstadkommas vilket kan ge ökad maxhastighet vid ren eldrift. Energiomvandlaren 23 kan även förses_med kylararrangemang för att leda bort den värme som alstras i den yttre rotorn 33.

Det skall påpekas att hybriddrivsystemet kan utgöra en stationär drivkälla eller en drivkälla i ett fordon, ex- empelvis ett hjulfordon eller en båt, samt att förbrän- ningsmotorn i hybriddrivsystemet exempelvis kan utgöras av en kolvmotor eller en gasturbin.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 sos 214 i 12 111'- Patentkrav Hybriddrivsystem innefattande en förbränningsmotor (21) med en utgående axel (26), till vilken axel (26), via en koppling (27), en energiomvandlare (23) är ansluten som har en första och en andra rotor (24,25), vilka rotorer (24,25) kan rotera med olika varvtal relativt varandra, varvid åtminstone en av rotorerna (24,25) är försedd med en eller flera lindningar (33) som tillföres ström via en omriktare (30) som matas med likström från en likströmskälla, såsom ett elektriskt batteri (22), kànnetecknat av, att en växel (29) med varierbar ut- växling är ansluten till en av energiomvandlarens roto- rer (24,25) och att växeln (29) och omriktaren (30) samverkar medelst en regleranordning. Hybriddrivsystem enligt krav l, kånnetecknat av, att den första rotorn (24) är försedd med permanentmagneter och den andra rotorn (25) är försedd med lindningar (33). Hybriddrivsystem enligt krav l eller 2, kânnetecknat av, att den första rotorn (24) är anordnad koncentriskt inuti den andra rotorn (25) och att den första rotorn (24) är ansluten till förbränningsmotorns (21) utgående axel (26) via kopplingen (27) och att den andra rotorn (25) är ansluten till växeln (29). Hybriddrivsystem enligt något av kraven l - 3, känne- tecknat av, att kopplingen (27) är en manövrerbar kopp- ling som kan fastlàsas och pà så vis förhindras att rOtêIâ. 10 15 20 25 30 35 l0. 13 505 214 Hybriddrivsystem enligt krav l eller 2, kânnetecknat av, att lindningen (33) är en trefaslindning som matas med .trefasström. Hybriddrivsystem enligt krav 5, kànnetecknat av, att trefaslindningen är försedd med ett inkopplingsbart (32) kunna kortsluta trefaslindningen. kortslutningsorgan med variabel resistans för att Hybriddrivsystem enligt något av kraven 1 - 6, känne- tecknat av, (29) eller hjulaxel (28) hos ett fordon. att växeln är ansluten till en driv- Hybriddrivsystem enligt något av kraven 1 - 7, känne- (29) (continuously variable transmission). tecknat av, att växeln är en växellåda av typen CVT Hjulfordon innefattande en förbränningsmotor (21) med en (26), till vilken axel (26), (27), en energiomvandlare (23) är ansluten som har (24,25), kan rotera med olika varvtal relativt varandra, (24,25) som tillföres ström via utgående axel via en kopp- ling en första och en andra rotor vilka rotorer (24,25) varvid åtminstone en av rotorerna (33) som matas med likström från en (22), med varierbar ut- är försedd med en eller flera lindningar (30) såsom ett elektriskt batteri (29) växling är ansluten till en av energiomvandlarens roto- (24,25) (29) (30) samverkar medelst en regleranordning. en omriktare likströmskälla, kànnetecknat av, att en växel rer och att växeln och omriktaren Regleranordning till ett hybriddrivsystem som utgör en drivkälla till exempelvis ett fordon, innefattande en (40) förbränningsmotor (21) resp. en energiomvandlare (23) styrenhet för moment- och varvtalsreglering av en 10 15 25 30 35 505 214 14 ll ,(23) som är anslutna till varandra via en manövrerbar (27), har en första och andra rotor (24,25), (24,25) varvid åtminstone en av rotorerna (33) som matas med likström från (22), för moment- och varvtalsregle- koppling kànnetecknad av, att energiomvandlaren vilka kan rotera med olika varvtal relativt (24,25) är som tillföres rotorer varandra, försedd med en eller flera lindningar (30) såsom ett elektriskt batteri (40) ring avger och emottager signaler till och från för- (21) (30) signaler till en växelregleringsenhet (41) (29) med varierbar utväx- ling som är ansluten till en av energiomvandlarens (24,25), för att avkänna den första ström via en omriktare en likströmskälla, varvid styrenheten bränningsmotorn resp. omriktaren samt avger som i sin tur avger signaler till en växel varjämte varvtalsgivare är anordnade (24) (25) vilka varvtalsgivare avger signaler till en (42) (40) talsreglering, och att en pedalkaraktäristik (43) rotorer resp. andra rotorns varvtal, varvtalsestimeringsenhet som i sin tur avger signaler till styrenheten för moment- och varv- som detekterar läget hos en gas- resp. bromspedal (44 resp. 45) varvtalsreglering. avger signaler till styrenheten (40) för moment- och .Regleranordning enligt krav 10, kånnetecknad av en kör- (46) lämplig körstrategi, strategienhet som emottager signaler avseende vilken körstrategi är avsedd att (47), avger signaler till inmatas av en operatör genom en kontrollpanel varefter körstrategienheten (46) (40) till den manövrerbara kopplingen (46) som övervakar spänningsnivàn hos likström- (49) styrenheten för moment- och varvtalsreglering och (27), varjämte kör- strategienheten emottager signaler från en över- (48) skällan, samt emottager signaler från en sensor tillstànd. vakare som avkänner förbränningsmotorns (21) 10 15 20 25 30 15 O 505 214 l2.Regleranordning enligt krav 10 eller ll, kännetecknad 13 _magneter och den andra rotorn (25) av, att den första rotorn (24) är försedd med permanent- är försedd med lind- ningar (33). .Regleranordning enligt något av kraven 10 - 12, att den första rotorn (24) är anordnad (25), och att den kânnetecknad av, koncentriskt inuti den andra rotorn första rotorn (24) är ansluten till förbränningsmotorns (21) utgående axel (26) via kopplingen (27), och att den andra rotorn (25) är ansluten till växeln (29). l4.Regleranordning enligt något av kraven 10 - 13, 16.Regleranordning enligt krav 15, kânnetecknad av, 18. kännetecknad av, att den manövrerbara kopplingen (27) kan fastlåsas och på så vis förhindras att rotera. l5.Regleranordning enligt något av kraven 10 - 12, (33) trefaslindning som matas med trefasström. kånnetecknad av, att lindningen är en att trefaslindningen är försedd med ett inkopplingsbart (32) kunna kortsluta trefaslindningen. kortslutningsorgan med variabel resistans för att l7.Regleranordning enligt något av kraven 10 - 16, (29) är ansluten till en driv- eller hjulaxel (28) hos ett fordon. kânnetecknad av, att växeln Regleranordning enligt något av kraven 10 - 17, kânnetecknad av, att växeln (29) är en växellåda av typen CVT (continuously Variable transmission).