Новый тип силовых агрегатов для гибридных электрических автомобилей.
Сейчас одна из важнейших проблем, стоящих перед автомобилестроением, - создание силовых агрегатов, с минимальными выбросами вредных продуктов сгорания топлива. Исследования в этой области ведутся по разным направлениям - это и совершенствование существующих тепловых двигателей, и создание двигателей новых типов, и разработка гибридных силовых агрегатов (гибридов).
Перспективность автомобилей с гибридными силовыми агрегатами сейчас ни у кого не вызывает сомнений, поэтому практически все производители наземных транспортных средств активно занимаются созданием гибридов.
В настоящее время существуют два принципа построения гибридных силовых агрегатов — параллельный и последовательный.
Параллельный гибрид отличается тем, что колеса приводятся и бензиновым двигателем, и электромотором. При этом сохраняется необходимость в обычной трансмиссии, и двигателю приходится работать в неэкономичных разгонных режимах.
При последовательной схеме привода ДВС занимается лишь тем, что вращает генератор, работая в стационарном режиме, а колеса механически связаны только с электромотором.
Достоинства и недостатки обеих схем достаточно хорошо известны, поэтому будет интересно узнать о новом принципе построения гибридных силовых агрегатов — трансмиссионном. Трансмиссионный гибрид отличается тем, что механическая энергия ДВС поступает на колеса через электрическую машину. При этом ДВС механически связана с ротором электрической машины, а колеса со статором. Предлагаемая схема, рис.1, очень похожа на параллельную, однако не требует механической трансмиссии. Эту функцию выполняет электрическая машина.
В режиме начала движения и движения с малой скоростью транспортного средства, электрическая машина работает в режиме генератора. При этом часть механической энергии ДВС передается колесам при торможении статором ротора генератора, возникающим в результате взаимодействия их магнитных силовых полей. Другая часть механической энергии ДВС преобразуется электрической машиной в электрическую энергию и поступает в аккумулятор.

Рисунок 1.
Работает такой гибрид следующим образом:
В режиме движения со средней скоростью транспортного средства ДВС работает в экологическом режиме на фиксированных оборотах. Электрическая машина в зависимости от нагрузки работает в режиме генератора или пассивного электрического тормоза. Режим пассивного электрического тормоза достигается при замыкании обмоток статора.
В режиме разгона или движения с высокой скоростью транспортного средства ДВС работает в режиме полной мощности. Электрическая машина в зависимости от нагрузки работает в режиме пассивного или активного электрического тормоза. Режим активного электрического тормоза достигается при подаче на статор электрической энергии от аккумулятора.
 В режиме заднего хода электрическая машина работает в режиме двигателя, с противоположным направлением вращения. ДВС при этом не работает.
Данная схема силового агрегата, обладая достоинствами параллельной схемы, имеет более простую конструкцию, так как не требует механической трансмиссии. Недостатком данной схемы является меньшая максимальная мощность транспортного средсва, не превышающая мощности ДВС.  Для решения этой проблемы предлагается использовать в конструкции гибрида инерционный накопитель (маховик), механически связанный с ДВС. Это позволяет обеспечить такую же максимальную мощность, как и в параллельной схеме, и повысить эффективность использования ДВС.
Для городского транспортного средства, работающего в режиме движения с частыми и продолжительными остановками, необходимо обеспечить рекуперацию энергии при торможении. Для этого предлагается использовать другую схему. Эта схема, рис.2, очень похожа на последовательную - ДВС занимается лишь тем, что вращает генератор, работая в стационарном режиме. Однако генератор закреплен в корпусе агрегата с возможностью вращения статора и ротора, и колеса механически связаны не только с электромотором, но и статором генератора.

Рисунок 2.
Работает такой гибрид следующим образом:
В режиме движения начала и движения с малой скоростью транспортного средства ДВС не работает, а электромотор вращает колеса, используя энергию аккумулятора.
В режиме движения со средней скоростью транспортного средства ДВС работает в экологическом режиме на фиксированных оборотах. При этом электрическая энергия от генератора поступает на электромотор и аккумулятор. Часть механической энергии ДВС передается колесам, при торможении статором ротора ге-нератора, возникающим в результате взаимодействия их магнитных силовых полей.
В режиме разгона или движения с высокой скоростью транспортного средства ДВС работает в экологическом режиме на фиксированных оборотах. Генератор в зависимости от нагрузки работает в режиме генератора или электрический тормоза. При этом электрическая энергия аккумулятора поступает на электромотор. Часть механической энергии ДВС передается колесам, при торможении статором ротора генератора, возникающим в результате взаимодействия их магнитных силовых полей.
В режиме заднего хода электромотор работает в режиме двигателя, с противоположным направлением вращения.
В режиме плавного торможения электромотор работает в режиме генератора. При этом происходит рекуперации энергии при торможении транспортного средства. Выработанная электрическая энергия поступает на аккумулятор.
Данная схема силового агрегата, обладая всеми достоинствами последовательной схемы, имеет меньшие массу и габариты, так как в режиме максимальной нагрузки мощность гибрида равна суммарной мощности его генератора и электромотора. Недостатком данной схемы является низкая эффективность использования ДВС.  Для решения этой проблемы предлагается использовать в конструкции гибрида инерционный накопитель (маховик), механически связанный с ДВС.
Это позволяет повысить эффективность использования ДВС, и или уменьшить емкость, а значит и массу аккумулятора, или мощность, а также массу ДВС.

Рисунок 3.
В случае применения этой конструкции для транспортных средств с небольшим пробегом, от использования ДВС можно отказаться, но и вместо генератора придется использовать электромотор-генератор. В результате получается гибрид, рис.3, с нулевыми вредными выбросами. Автором были проведены исследования лабораторного макета устройства рис.4.

Рисунок 4.
В качестве электродвигателя был использован стандартный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами мощностью 200 ВТ. При частоте вращения маховика 1500 оборотов в минуту, и 0 – 100 оборотов в минуту на выходе, при импульсном замыкании обмоток двигателя через транзисторный ключ, максимальный крутящийся момент составил 2 Нм, причем с помощью электронного управления можно получить практически любую зависимость крутящего момента от числа оборотов. При торможении выходного вала устройства, с помощь этого же двигателя осуществляется разгон маховика. Возможность получения максимального крутящего момента при небольших оборотах на выходном валу позволяет механически соединить его с колесом без редуктора.
Предлагаемое техническое решение охватывает более 20 конструкций гибридных силовых агрегатов, создаваемых путем комбинации различных типов тепловых двигателей (ДВС, газотурбинный двигатель и т.д.), источников энергии (топливный элемент, стационарный источник и источник, подключаемый через подвижный контакт), накопителей электрической (аккумулятор и конденсатор) и механической энергии (маховик и т.д.), одной или несколькими электрическими машинами, одним или несколькими ведущими колесами.
По результатам работы были поданы российская № 2003129445 от 01.10.2003 и международная № PCT/RU 2004/000170 от 28.04.2004 заявки на изобретение.