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MECANISMO QUE PERMITE OPERAR COMO MOTOR EL GENERADOR ELCTRICO DE UN VEHCULO HBRIDO EN SERIE, O VEHCULO ELCTRICO DE ALCANCE EXTENDIDO

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ngel Villalonga Morales

2DESCRIPCIN DEL MECANISMO

La presente invencin se refiere a un mecanismo por el que el generador elctrico de un vehculo hbrido elctrico en serie , o vehculo elctrico de alcance extendido, puede ser operado cmo motor y transmitir el par motor a la transmisin para poder mover las ruedas del vehculo. El mecanismo comprende un generador-motor elctrico, un embrague doble, una caja o sistema de transmisin, y un motor de combustin interna. El motor elctrico est unido al embrague doble. El eje del motor elctrico est acoplado al eje de entrada del embrag ue doble y ambos son solidarios. El embrague doble posee dos embragues independientes el uno del otro. Cada embrague posee su propio eje. Los ejes de los embragues son coaxiales. Cuando se requiere transmitir un par muy elevado a travs del embrague doble, se puede instalar un embrague hmedo, o de discos en bao de aceite a presin actuados mediante actuadores electrohidrulico s. Este sistema incorpora un circuito hidrulico con bombas elctricas. Se describe el mecanismo diseado para la instalacin de un embrague doble de discos en seco actuados mediante actuadores electromecnicos. Este sistema es el ms sencillo y eficiente. El embrague doble, consta de: el paquete con los dos embragues, actuadores electromecnicos, unidad de gestin e lectrnica, levas o palancas de control La unidad de gestin electrnica del embrague doble recibe informacin de la lectura que realizan los sensores Hall de los impulsos recibidos de las ruedas generatrices instaladas en los rboles primarios y secundar ios de la caja de transmisin. Tambin puede recibir la informacin de las revoluciones del motor elctrico, del motor de combustin interna, velocidad de rotacin en diferencial, posicin del pedal del acelerador, posicin del pedal de freno, mando de freno de mano, posicin del mando de seleccin de freno regenerador, par motor del motor de combustin interna, par motor del motor elctrico. Mediante estos datos puede determinar el resbalamiento de los embragues y gestionar correctamente su apertura o cie rre.

3 En el lado opuesto, o de salida del embrague se ha instalado una caja o sistema de transmisin. La caja de transmisin posee dos rboles coaxiales. Cada uno de los rboles coaxiales est acoplado mediante un estriado a uno de los dos ejes de embrague del embrague doble. A cada rbol le corresponde un embrague. Los rboles son uno macizo y el otro hueco, estando el macizo ubicado en el interior hueco del otro. Los rboles tienen rodamientos intercalados y pueden girar libremente el uno con respecto del otro. Estos dos rboles sern: uno primario y otro secundario, respectivamente, y con relacin a la operacin que realizan en las respectivas cadenas cinemticas a las que pertenecen. Los engranajes de la caja de transmisin son solidarios en el giro, a los ejes en los que van montados. El rbol primario, coaxial interior, macizo, tiene un engranaje que engrana con el engranaje de un rbol secundario que a su vez posee otro engranaje que engrana con la corona del diferencial. En el modo motor se puede cerrar el embrague correspondiente y posibilita la transmisin del par del motor elctrico a travs del embrague doble, al rbol primario, al rbol secundario, al diferencial, y al las ruedas del vehculo. De este modo la energa elctrica procedente de los sistemas de almacenamiento de energa puede ser transformada en energa mecnica en el motor elctrico y ser utilizada para la traccin del vehculo. En estas circunstancias el vehculo funcionar como un vehculo elctrico. Un motor de combustin interna est instalado unido o prximo a la caja de transmisin, y en el lado opuesto al del embrague doble. En el modo generador, el motor de combustin interna transmite el par motor al rbol primario de la caja de transmisin y al que est acoplado a travs del estriado. Este rbol primario posee un engranaje que engrana con el engranaje del rbol secundario coaxial exterior hueco, y al que le transmite el par. El embrague correspondiente a este rbol se cierra y puede transmitir el par a travs del eje de entr ada del embrague doble, al eje del generador elctrico. El rbol secundario coaxial exterior hueco, tiene un engranaje que est

4 engranado con el engranaje de un rbol primario. Este rbol primario, est acoplado mediante estriado interno, al estriado del rbol de un motor de combustin interna instalado junto a la caja de transmisin. De este modo se puede transmitir la energa mecnica generada por el motor de combustin interna para que el generador la transforme en energa elctrica, para alimentar el motor o motores instalados, y recargar los sistemas de almacenamiento de energa elctrica. En estas circunstancias el vehculo funciona como vehculo hbrido en serie, o extendido. Mediante este mecanismo se implementan dos cadenas cinemticas o vas de transmisin diferenciadas, que posibilitan que el generador elctrico sea desacoplado del motor de combustin interna y acoplado a la transmisin del vehculo para poder ser operado cmo motor. Mediante unas levas o palanca de cambio, el conductor puede seleccionar la accin del generador, punto neutro, o la accin del motor elctrico. La operacin tambin puede ser programada para que sea completamente automtica; de manera que el vehculo pueda funcionar en modo elctrico o hbrido; dependiendo del estado de carga de las bateras, de las condiciones de la marcha del vehculo y de los requerimientos que realice el conductor con los pedales de acelerador y freno. Cuando el motor-generador elctrico acoplado al mecanismo funcio na en el modo motor elctrico, el funcionamiento es similar al del motor elctrico principal. . El controlador de motor recibe informacin de: posicin del interruptor marcha-paro, interruptor marcha adelante -marcha atrs, posicin del pedal de acelerador, pedal de freno, freno de estacionamiento, mando de freno regenerativo. Adems puede recibir rdenes provenientes de sistemas activos y pasivos relativos a la estabilidad y traccin del vehculo, como los que son instalados en los vehculos de hoy en da . Cuando el motor-generador funciona en el modo generador es controlado por el sistema propio de gestin del generador y que se rige de acuerdo con los algoritmos desarrollados y que se hayan ensamblados en el esquema de control que regula el flujo de ener ga del generador, la lnea de vehculo elctrico de alcance

5 interconexin de corriente continua, el sistema de almacenamiento de energa, y el motor elctrico principal. La velocidad de operacin del embrague doble es del orden de milisegundos. Esta altsima velocidad de funcionamient o permite realizar la operacin de cambio del modo generador al modo motor de forma muy rpida, con mayor velocidad que la requerida para realizar un cambio de velocidad en un vehculo convencional. Cuando se realiza el cambio del modo de generador al m odo de motor elctrico se conmuta el circuito de control de manera que el controlador reciba la informacin de posicin de los pedales de acelerador, freno, y sentido de la marcha. Esta provisin asegura una entrega de potencia de forma suave y rpida. Permite disear un vehculo hbrido elctrico en serie en el que el motor elctrico principal no est sobredimensionado, si no que sea instalado un motor elctrico de acuerdo con criterios de potencia media necesaria, y no con criterios de potencia de pico o puntual. El cambio de modo motor elctrico a modo generador elctrico no es imprescindible que sea realizado rpidamente. Puede realizarse con el motor de combustin interna en marcha o estando parado, y utilizar el motor generador como motor de arranqu e del motor de combustin interna. Una vez alcanzado el rgimen de funcionamiento, se procede con la operacin normal como generador elctrico. Una de las ventajas de la implantacin del mecanismo en un vehculo hbrido en serie es que se transmite el par motor producido por el motor generador elctrico a las ruedas de uno de los ejes del vehculo. El motor elctrico principal del vehculo hbrido en serie transmite el par motor a las ruedas del otro eje. De esta manera cuando se desee se podr tener traccin en todos los ejes, o traccin integral. Este sistema tiene la ventaja de que la transmisin puede ser ms ligera y sencilla de fabricacin. Pueden ser varios los motores elctricos instalados, como en el caso de que haya ms de dos ejes, o que sea n motores elctricos instalados directamente en las ruedas. Puede haber un modo de funcionamiento en el que se cierre el embrague que permite la transmisin desde el motor -generador a las ruedas,

6 pero sin que se energice elctricamente el motor; de manera que el rotor del motor pueda girar libre de cargas, movido por el giro de las ruedas con el movimiento del vehculo. En este modo cuando se frene el vehculo se podr aprovechar tambin este motor-generador en modo regenerador y aprovechar la energa cintica en la desaceleracin. Cuando se desee se podr energizar de nuevo este motor elctrico. En este modo se podr conectar tambin un sistema activo de control de traccin para aumentar la estabilidad, a la vez que se mantiene una economa de marcha. La interconexin elctrica entre los diferentes elementos o mdulos del vehculo se realiza segn el esquema usado en los vehculos hbridos en serie. El generador alimenta una lnea de corriente continua a travs del inversor y convertidor correspondiente. A la lnea de corriente continua estn conectados: el conjunto de bateras mediante los convertidores de doble sentido, y el paquete de ultra -capacitadores mediante su correspondiente convertidor de doble sentido. El motor elctrico principal del vehculo se encuentra conectado a la lnea mediante el convertidor y el inversor. La utilizacin de una combinacin de ultra -capacitores y bateras en el sistema de almacenamiento de energa de este tipo de vehculo permite obtener un mximo rendimiento energtico, y aprovechar las ventajas que aporta la invencin. Los ultra -capacitores, permiten aprovechar la energa recuperada durante las desaceleraciones, y tambin absorber los excesos de energa que pueda producir el generador. Cuando existe una demanda de alta potencia y el vehculo es utilizado en modo elctrico con los dos motores, los ultra-capacitores son el elemento ideal para proporcionar esa elevada demanda de picos o crestas de potencia. Las bateras, por el contrario, actan como almacenes de energa y la aportan o reciben en las condiciones normales de utilizacin. El hecho de conectar las bateras a la lnea mediante convertidores de doble sentido, y la utilizacin del mecanismo objeto de la presente invencin, puede permitir la reduccin de las dimen siones del sistema de almacenamiento de energa de un vehculo hbrido en serie. El sistema de almacenamiento de energa elctrica del vehculo provisto del mecanismo inventado podr ser diseado atendiendo a las necesidades medias de energa elctrica, y no de acuerdo a las demandas puntuales de crestas de

7 potencia. Ello permite reducir considerablemente el peso y el volumen del sistema de almacenamiento de energa elctrica de un vehculo hbrido en serie. La transferencia de energa en el vehculo se rea liza a travs de la lnea de interconexin de corriente contina. Se controla y mantiene el voltaje en la lnea. Para ello se crean algoritmos para controlar al sistema de almacenamiento de energa con los convertidores de corriente continua de doble sentido. Se crean tambin algoritmos que controlarn la transferencia de energa a travs de la lnea. Hay diferentes mtodos de control de la transferencia de energa entre el generador y el motor elctrico; desde el ms simple en el que el motor de combustin interna del generador elctrico funciona solamente a las revoluciones de mxima eficiencia o mnimo consumo, hasta otros ms complejos en los que el control del generador elctrico se realiza teniendo en cuenta parmetros relativos al estado de carga de las bateras, demanda de potencia realizada por el conductor, o incluso modelos de funcionamiento programables atendiendo a parmetros tales como el trayecto que se va a realizar. Esto depender del modelo de vehculo en el que se instale el mecanismo objeto de la presente invencin. La utilizacin del mecanismo que permite operar como motor el generador elctrico de un vehculo hbrido en serie presenta las siguientes ventajas: Permite la reduccin de las dimensiones del motor elctrico instalado en un vehculo hbrido elctrico en serie. Menor tamao y peso. Menor potencia necesaria. Permite la reduccin de las dimensiones del generador elctrico instalado en un vehculo hbrido elctrico en serie. Menor tamao y peso. Menor potencia necesaria. Permite la reduccin de las dimensiones del motor de combustin interna instalado en un vehculo hbrido elctrico en serie. Menor tamao y peso. Menor potencia necesaria. Permite la reduccin de las dimensiones del sistema de almacenamiento de energa instalado en un vehculo hbrido elctrico en serie. Menor tamao y peso. Menor Capacidad necesaria.

8 Permite la reduccin del consumo de energa de un vehculo hbrido elctrico en serie. Permite el incremento del espacio til en un vehculo hbrido elctrico en serie. La experiencia y los ciclos de conduccin estandarizados en Europa, Japn, y E.E.U.U., demuestran que, en circunstancias normales, un vehculo de turismo medio no necesita emplear ms de 40 kWs de potencia. Los vehculos de turismo existentes en la act ualidad, utilizan motores sobredimensionados intencionadamente para cumplir con las exigencias del mercado. En algunas ocasiones, cinco o ms veces la potencia citada . .DESCRIPCIN DE LAS FIGURAS

El dibujo de la figura 1 es una representacin con vista lateral esquemtica de una posible realizacin de la invencin. La figura representa un mecanismo apto para ser instalado en sentido transversal. En (1) se representa una seccin del motor -generador elctrico, (2) es el embrague doble, (3) es la caja de transmisin, y (4) es la representacin de una seccin del bloque motor de un motor de combustin interna. El eje (5) del motor-generador elctrico est acoplado mediante el estriado al eje (6) de entrada del embrague doble. El embrague doble est provisto de dos embragues independientes (7) y (8). La caja de transmisin consta de dos rboles coaxiales (9), y (10). El rbol (9) es hueco y est acoplado al eje del embrague (7). El rbol (10) es macizo y est acoplado al eje del embrague (8). Ambos rboles p ueden girar independientemente el uno del otro. Mediante la caja de transmisin y el embrague doble se implementan dos cadenas cinemticas distintas: CADENA CINEMTICA DEL GENERADOR ELCTRICO: El rbol (14) del motor de combustin interna se acopla a tra vs de su estriado con el rbol primario (13) de la caja de transmisin. El engranaje (12), est engranado al engranaje (11).

9 Cuando se cierra el embrague (7), se puede transmitir el par motor, desde el rbol (14) del motor de combustin interna, a travs del rbol (13), el rbol (9), el embrague (7), el eje (6) del embrague doble , al eje (5) del generador (1). CADENA CINEMTICA DEL MOTOR ELCTRICO: El engranaje (15) est engranado con el engranaje (16) del rbol secundario (17). Este rbol (17) tiene incorporado el engranaje (18) que engrana con la corona del diferencial (19). Cuando se cierra el embrague (8), se puede transmitir el par motor desde el eje (5) del motor elctrico, a travs del eje (6) del embrague doble, el embrague (8), el rbol (10) con su engranaje (15), el engranaje (16) del rbol (17), y el engranaje (18) del grupo cnico del diferencial (19). (20) Representa una de las ruedas generadoras de impulsos, instaladas en los rboles de la caja de transmisin, para excitar los sensores Hall. El dibujo de la figura 2 es una representacin esquematizada de un modelo de una posible instalacin del mecanismo en un vehculo hbrido en serie, o vehculo elctrico de alcance extendido . En este caso el mecanismo ha sido instalado en el eje delantero en posicin transversal. El generador motor es (1), la caja de transmisin es (2), y el motor de combustin interna es (3). (4) representa el convertidor inversor del generador motor. (5) representa la lnea de interconexin de corriente continua. (6) representa el mdulo de bateras. (7) representa el grupo o paquete de ultra -capacitores. (8) representa el convertidor -inversor del motor principal. (9) representa el motor elctrico principal del vehculo. (10) representa el diferencial del eje trasero del vehculo. Cuando se selecta el modo motor, el motor elctrico (1) puede proporcionar el par motor a las ruedas del eje al que est acoplado mediante el mecanismo (2). El sistema de almacenamiento de energa formado por las bateras (6), y los ultra -capacitores (7), proporcionan la energa elctrica al motor elctrico principal (9) y/ o el motor elctrico (1), mediante la lnea de

10 interconexin de corriente continua (5), y los respectivos convertidores inversores (8) y (4). El funcionamiento entonces es igua l al de un vehculo elctrico. Cuando se seleccione un modo de regeneracin en la desaceleracin del vehculo se podr aprovechar la energa cintica y transformarla en elctrica para recargar los sistemas de almacenamiento de energa mediante los motores-generadores (1) y/o (9), los inversores-convertidores (4) y/o (8), la lnea de interconexin (5), los ultra -capacitores (6), y las bateras (7). Cuando se selecta el modo generador elctrico, el motor de combustin interna (3) proporciona la energa mecni ca al generador elctrico (1) mediante la caja de transmisin (2). La energa elctrica pasa a travs del inversorconvertidor (4) a la lnea de interconexin de corriente continua (5). A travs de la lnea de interconexin de corriente continua se alimenta al motor elctrico principal y al sistema de almacenamiento de energa. El funcionamiento entonces es el de un vehculo hbrido en serie.

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