Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie.

Comprende un generador-motor eléctrico (1), un embrague doble(2), una caja de transmisión (3), y un motor de combustión interna (4).

Mediante la caja de transmisión y el embrague doble se implementan dos cadenas cinemáticas o vías de transmisión de diferente dirección y sentido.

Modo motor: el embrague (8) se puede cerrar para transmitir el par motor del motor eléctrico (1), al árbol primario (10), árbol secundario (17), diferencial (19), y a las ruedas del vehículo.

Modo generador: se cierra el embrague (7) que permite transmitir el par motor del motor de combustión interna (4), al árbol (13), árbol (9), y a través del embrague al generador eléctrico. Permite reducir las dimensiones de los motores y generadores de los vehículos híbridos eléctricos.

En la caja de transmisión (3) se pueden utilizar: engranajes, correas dentadas, árboles de transmisión, o cadenas.

Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie.

Sector de la técnica

La presente invención se enmarca dentro del sector técnico del automóvil, y más concretamente en el de los vehículos híbridos eléctricos.

Estado de la técnica

En los últimos años han proliferado las realizaciones de vehículos eléctricos. Estos vehículos pueden estar equipados con motores de corriente continua o alterna, siendo estos últimos los preferidos por los fabricantes por las características superiores que presentan. Estos vehículos incorporan sistemas de almacenamiento de energía que pueden estar formados por grupos de baterías y/o ultracapacitores. Los vehículos eléctricos se benefician de la cualidad que tienen muchos motores eléctricos de poder operar como generadores y así regenerar la energía cinética en las desaceleraciones, convirtiéndola en energía eléctrica para recargar los sistemas de almacenamiento de energía.

Los sistemas actuales de almacenamiento de energía eléctrica no poseen las características necesarias para proporcionar a los vehículos eléctricos unas prestaciones equiparables a las de los vehículos convencionales dotados de motores de combustión interna.

Es conocida la tecnología de los vehículos híbridos eléctricos, que mediante la combinación de uno o más motores eléctricos y otros sistemas diferentes intenta paliar las deficiencias de los vehículos eléctricos. Hay que destacar, por ser la que ha alcanzado un mayor éxito industrial, la tecnología que combina en un vehículo híbrido el motor eléctrico y él motor de combustión interna. Últimamente, la tendencia es a producir automóviles híbridos recargables, los cuales combinan el motor de combustión interna, el motor eléctrico, y un sistema de almacenamiento de energía eléctrica que puede ser recargado desde cualquier toma de corriente de la red eléctrica.

Atendiendo al sistema de transmisión empleado los vehículos híbridos se pueden clasificar en tres categorías principales:

Híbrido paralelo: El vehículo está dotado de un motor de combustión interna, que mediante un sistema de transmisión comunica el par motor a las ruedas del vehículo. Un motor eléctrico acopiado a la transmisión en algún punto, colabora con el motor de combustión interna cuando hay un requerimiento de una gran potencia, y además permite recuperar la energía cinética en las desaceleraciones, transformándola en energía eléctrica. Permite una reducción del consumo de combustible, si bien presenta los inconvenientes de los vehículos convencionales ya que el motor de combustión interna ha de trabajar en una amplia gama de revoluciones y estar dotado de un complejo sistema de transmisión. Básicamente se trata de un automóvil convencional al que se le ha dotado en alguna etapa de la transmisión de un motor-generador eléctrico, lo cual permite reducir la potencia necesaria del motor de combustión interna, recuperar la energía en las desaceleraciones, y así reducir el consumo.

Híbrido paralelo/serie: En este tipo de vehículo al igual que en el híbrido paralelo, el motor de combustión interna transmite el par a las ruedas del vehículo. Estos vehículos están dotados de un complejo sistema de transmisión y gestión electrónica que permite que el motor eléctrico sea en algunos momentos el encargado de proporcionar el par motor para mover el vehículo. Estos vehículos tienen la ventaja de consumir menos combustible que los híbridos en paralelo, pero con los inconvenientes de tener un motor de combustión interna que ha de trabajar en un amplio margen de revoluciones, y una compleja transmisión y gestión electrónica. Hoy en día, hay en producción un automóvil que incorpora un motor de combustión interna, dos motores-generadores eléctricos, y una transmisión compuesta por un tren epicicloidal y cambio automático electrónico de variador continuo.

Híbrido en serie: Es el esquema de transmisión más sencillo. En este tipo de vehículo el motor de combustión interna proporciona la energía mecánica a un generador eléctrico. Este generador se conecta a una línea de interconexión de corriente continua a través de la cual puede alimentar uno o más motores eléctricos encargados de proporcionar el par motor necesario para proporcionar la tracción a las ruedas del vehículo. A esta línea de corriente continua, también están conectados los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica del vehículo, normalmente constituidos por baterías y ultracapacitores.

En un vehículo híbrido en serie, las baterías son las encargadas de proporcionar la energía eléctrica cuando no funciona el generador, y los ultra-capacitores se encargan de suministrar la energía cuando hay necesidades puntuales de alta potencia que las baterías no pueden suministrar. En los casos de necesidad de carga elevada, tales como en aceleración o conduciendo en una carretera con pendiente la potencia requerida es relativamente más alta que la requerida en condiciones normales, y los periodos de picos de potencia son relativamente cortos, inferiores a treinta segundos. Por lo tanto un sistema de almacenamiento de energía de pico es requerido, el cual pueda relevar a la batería de la fatiga dinámica. Los ultra-capacitores presentan una densidad de energía inferior que las baterías, pero presentan una más grande densidad de potencia, y un mayor número de ciclos de vida que las baterías. Los ultra-capacitores son también los encargados de recibir la energía eléctrica procedente de la regeneración en las desaceleraciones y que la batería no puede absorber.

La tarea del sistema de gestión de energía es medir el estado de almacenamiento de baterías y ultra-capacitores y la energía requerida en la línea de corriente continua, y controlar el flujo de energía a fin y efecto de mantener un voltaje constante en la línea.

Cuando es necesario, el generador eléctrico entra en funcionamiento y proporciona, a través de la línea de corriente continua, la energía eléctrica para alimentar el motor eléctrico y recargar los sistemas de almacenamiento de energía. Un computador se encarga de realizar el balance de energía de acuerdo con los requerimientos del motor eléctrico y el estado de carga de las baterías para determinar la transferencia desde el generador al motor y sistemas de almacenamiento de energía de acuerdo a los algoritmos de control que hayan sido previamente introducidos en los controladores de los convertidores que conectan la línea de interconexión con el motor, con las baterías, y con los ultra-capacitores. Cuando hay una demanda muy alta de energía, la transferencia de energía eléctrica al motor puede realizarse desde el generador y desde los sistemas de almacenamiento de energía. Por el contrario, cuando el motor eléctrico funcione en modo generador o cuarto cuadrante, la energía eléctrica generada pasará del motor, al inversor y al convertidor con capacidad de suministro de la línea o barra de corriente continua. Los ultra-capacitores serán los encargados de absorber dicha corriente para después suministrarla a las baterías de manera que estas la puedan aceptar sin sufrir recalentamientos o deterioro.

El sistema eléctrico en el que varios motores de corriente alterna son alimentados por una línea común de corriente continua ha sido utilizado en varias industrias, entre ellas la del bobinado de papel o la del acero. En estas instalaciones hay motores eléctricos funcionando que de vez en cuando han de ser frenados. La energía de frenado es aprovechada y revertida a la línea mediante el inversor y un convertidor con capacidad de suministro de línea. El convertidor es el encargado de mantener un voltaje constante en la línea, sin ondulaciones o crestas, y adecuado para el funcionamiento de los inversores de los motores. En este esquema los motores conectados a la línea común de interconexión pueden pasar alternativamente a trabajar como generadores de corriente y proporcionar la energía eléctrica a la línea para ser utilizada por el resto de los motores. No hay interconexión mecánica entre los distintos motores-generadores.

En el vehículo híbrido eléctrico en serie se utiliza un esquema de transferencia de energía eléctrica: generador- línea de corriente continua- motor eléctrico, similar al instalado en los trenes y barcos modernos.

Debido a la ausencia de conexión mecánica entre el motor de combustión interna y el motor de propulsión los diferentes componentes pueden ser alojados de la manera más conveniente...

1. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie. Comprende un generador-motor eléctrico, un embrague doble, una caja de transmisión y un motor de combustión interna.

Mediante la caja de transmisión y el embrague doble se pueden implementar dos cadenas cinemáticas de distinta dirección.

El eje de un motor-generador eléctrico se acopla al eje de entrada de un embrague doble, y son solidarios en el giro. El embrague doble posee dos embragues independientes cuyos ejes son coaxiales.

El embrague doble está unido a una caja de transmisión por el lado opuesto al del generador-motor eléctrico, o lado de salida del embrague doble.

La caja de transmisión contiene dos árboles coaxiales. Cada uno de los árboles coaxiales está acoplado mediante su estriado a un eje de embrague del embrague doble. A cada árbol le corresponde un embrague. Los árboles son independientes y pueden girar libremente el uno del otro.

El árbol primario interior tiene un engranaje que engrana con el engranaje de un árbol secundario que a su vez posee un engranaje que engrana con la corona de diferencial de un eje de ruedas del vehículo. Cuando se cierra el embrague correspondiente al árbol primario interior, se puede transmitir el par motor del motor eléctrico a las ruedas del vehículo.

El árbol secundario exterior tiene un engranaje que está engranado al engranaje de un árbol primario. Este árbol primario puede estar acoplado mediante su estriado al árbol motor o eje de un motor de combustión interna. Cuando se cierra el embrague correspondiente al árbol secundario exterior, el motor de combustión interna puede transmitir el par motor al generador-motor eléctrico para generar energía eléctrica.

Alternativamente, se puede diseñar la caja de transmisión para que los árboles coaxiales interior o exterior formen parten de la cadena cinemática del generador o la cadena cinemática del generador. Siendo ello una cuestión particular de cada diseño.

Conectando un embrague se puede seleccionar la operación del generador eléctrico, conectando el otro embregue se puede seleccionar la operación del motor eléctrico, o se puede selectar un modo neutro en el que los dos embragues estén desconectados, caracterizado porque la caja de transmisión utiliza trenes de engranajes para implementar las dos cadenas cinemáticas. Una formada por el motor de combustión interna-caja de transmisión-embrague doble-generador eléctrico, y la otra formada por el motor eléctrico-embrague doble-caja de transmisión-diferencial.

2. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según la reivindicación 1, caracterizado por utilizar un embrague con discos a presión de aceite, bomba de presión eléctrica y circuito hidráulico correspondiente. Los embragues dobles a presión de aceite disponibles hoy en día pueden trabajar con un par motor más elevado que los embragues dobles de discos en seco.

3. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la transmisión del par motor del motor eléctrico al diferencial del vehículo se realiza a través del árbol primario coaxial interno. Este árbol primario posee un estriado que se puede acoplar a un árbol de transmisión que está acoplado al diferencial de uno de los ejes de ruedas del vehículo.

4. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido en serie, según las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque la transmisión entre el eje del motor de combustión interna y el eje del generador eléctrico se realiza mediante una correa dentada. Las poleas de la correa dentada están instaladas en el árbol coaxial exterior y en el árbol primario que se puede acoplar al eje del motor de combustión interna.

5. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según las reivindicaciones 1, 2, 3, y 4, caracterizado porque la transmisión entre el eje del motor de combustión interna y el eje del generador eléctrico se realiza mediante una cadena de transmisión. Las coronas de la cadena están instaladas en el árbol coaxial exterior y en el árbol primario que se puede acoplar al eje del motor de combustión interna.

6. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, y 5, caracterizado porque la transmisión del par motor desde el motor de combustión interna al generador eléctrico, y desde el motor eléctrico a la transmisión del vehículo se realiza mediante correas dentadas. Las poleas para las correas están instaladas en los árboles coaxiales y en los árboles que se acoplan respectivamente al eje del motor de combustión interna y al árbol secundario que se acopla al árbol de la transmisión al diferencial del vehículo.

7. Mecanismo que permite operar como motor el generador eléctrico de un vehículo híbrido eléctrico en serie, según las reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, y 6, caracterizado porque la transmisión del par motor desde el motor de combustión interna al generador eléctrico, y desde el motor eléctrico a la transmisión del vehículo se realiza mediante cadenas. Las coronas de las cadenas están instaladas en los árboles coaxiales y en los árboles que se acoplan respectivamente al eje de combustión interna, y al árbol secundario que se acopla al árbol de la transmisión del vehículo.