CN101489822A - 电牵引 - Google Patents

Abstract

一种驱动轮系包括内燃机(“ICE”)，内燃机耦合到具有动力输出端口的传动装置。转移设备通过该端口将电动机耦合到传动装置。在某一配置中，启动电动机以便在ICE关闭时在至少某些时间间隔期间选择性地对驱动轮系提供动力。

Description

电牵引

相关申请

这是一个非临时申请，要求Warner Olan Harris在2006年2月21日提交的题为“Hybrid electric traction power system for moving class 7&8 tractors bymeans of a drive motor attached to the power takeoff(PTO)of the tractor’stransmission PTO connection point”的美国临时申请号60/774,732的优先权，该临时申请引用在此作为参考。

这也是一个部分继续申请，要求Warner Olan Harris在2006年3月14日提交的题为“Fuel cell-driven auxiliary system，and method therefor”的美国非临时专利申请号11/374,709的优先权，该申请引用在此作为参考。

本申请也要求2006年11月10日提交的题为“Electric Traction”的美国发明申请11/558,786的优先权，该申请引用在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种包括内燃机(“ICE”)的驱动轮系(train)，它耦合到具有开口的传动装置(transmission)；尤其涉及一种电动机以及通过该开口将电动机耦合到该传动装置的转移(transfer)设备，从而使该电动机在ICE关闭时能够在至少某些时间间隔期间选择性地对驱动轮系提供动力。

背景技术

在某些情况下，卡车在长时间间隔内由ICE的空闲状态提供动力，并且偶发地移动。例如，这可能出现在港口和其它集结待命区域等待的时候。此外，这可能出现在装上负载和卸下负载的时候，同样是在进入集结待命区域和出来的时候。ICE的这种使用情况从某些方面讲是不期望出现的。相对于移动这些负载的距离而言，在这些情况下燃料的使用量以及发出的热、噪声和废气都是很大的。此外，特别是针对那些重型牵引-拖挂式卡车所处理的负载而言，经济上可行的备选方案尚未被开发出来。

当然，已知在相对小的混合电车辆(“HEV”)中使用电动机来辅助ICE，甚至简单地取代ICE进行牵引即移动该车辆。然而，对于电动机的使用而言，有大量的障碍，特别是对于上述卡车的应用。例如，集结待命区域的卡车的负载往往比常规HEV所遇到的负载要大得多。

尽管它没有解决所有这些问题，但是美国专利5,558,588(“Schmidt”)示出了如何在HEV的情况下解决关于旋转负载转移的困难。如Schmidt所示出的那样，用于HEV的混合传动装置包括在混合传动装置外壳之内的电牵引电动机和行星齿轮组，用于将电动机的旋转转移到传动装置输出轴，该输出轴也可以由ICE驱动。甚至仅关于这一个困难，Schmidt所揭示的内容对于上文所描述的问题和相似的问题而言作用也很有限。即，为了应用Schmidt的安排以便通过电动机对常规ICE车辆提供动力，用混合传动装置来替代该车辆的常规传动装置。因为目前使用的卡车有许多种，所以这种方法没有提供一种将电动机用于该服务的实际的过渡方法。

在另一个用于解决偶发的且相对缓慢的移动的现有技术安排中，美国专利6,269,713(“Ohke”)揭示了：向小客车添加常规的动力输出(“PTO”)设备，以便从车辆的ICE中取出动力用于“缓动”。Ohke还揭示了：添加液压泵、液压电动机和次级传动装置，它们耦合到车辆的常规传动装置输出轴，以便返回来自PTO的动力从而以缓动模式移动该车辆。尽管这种安排不需要替换掉车辆的原始传动装置，但是它具有其它缺点，比如，ICE需全时工作以便向PTO提供用于缓动的动力。此外，通过液压泵、液压电动机和次级传动装置而损失的动力是相当大的。

参照现有技术图1A，详细显示了常规PTO安排，比如可以应用于Ohke的专利。传动装置122具有外壳127，用于限定一个端口124，可移除的接入板121覆盖该端口124。内燃机机轴110通过离合器120连接到传动装置输入轴125。换句话说，ICE通过机轴110耦合到包括离合器120的驱动轮系，而离合器120耦合到传动装置122的输入125。

传动装置122具有耦合到输入轴125的转移齿轮130。如图1B现有技术所示，常规动力输出装置(“PTO”)140是一种转移设备，它具有外壳142，用于限定一个与端口124匹配的开口。外壳142适于螺栓连接到传动装置外壳127以便使外壳142与端口124对齐，使得PTO 140的齿轮141啮合着传动装置122的齿轮130，如常规那样。这种安排通常能够通过PTO轴143而输出来自ICE机轴110的动力。

美国专利2,923,171(“Jedrzykowski”)还揭示了：使用PTO进行慢速操作。在Jedrzykowski所揭示的内容中，该应用针对的是牵引机且慢速操作被称为“爬行”。根据Jedrzykowski，牵引机的离合器是空闲的以便于爬行模式的操作，并且使用PTO将来自外部安装的电动机的动力置于其传动装置轴中。该电动机由发电机供电，发电机转而由牵引机的ICE来驱动。如Ohke所揭示的内容那样，Jedrzykowski所揭示的内容仅仅解决了关于本问题的有限的一组困难，并且也具有这样一个缺点，即ICE的运行最终为爬行提供动力从而使得ICE必须全时运行。

由此，应该理解，需要有一种方式能减小在空闲时或在短距离移动或相对慢速移动时与ICE的使用相关的燃料使用量和所发出的热、噪声和废气。这种需求对于用重型牵引-拖挂式卡车来拖运大负载特别迫切，尤其是在交通繁忙的情形中或在集结待命区域移动可能是偶发的或相对缓慢的时候。

发明内容

本发明解决了前面的需求。根据本发明的一种形式，一种系统包括具有内燃机(“ICE”)的驱动轮系，它耦合到具有动力输出端口的传动装置。一种转移设备通过该端口将电动机耦合到该传动装置。在该系统的某一配置中启动电动机，以便当ICE关闭时在至少某些时间间隔期间选择性地向该驱动轮系提供动力。

在另一个方面，该系统包括用于向电动机提供电能的源设备。该源设备可以包括燃料电池。该源设备可以包括电池。该源设备可以包括电池以及被配置成向该电池充电的燃料电池。

在另一个方面，该系统被配置成当ICE开动时能够用ICE对该电池充电。

根据本发明的一个形式，在用于一种具有耦合到驱动轮系的内燃机(“ICE”)的车辆的电牵引系统中，该驱动轮系包括耦合到传动装置的输入的离合器，并且该系统包括电动机和转移设备以便将电动机的旋转转移到传动装置输入从而使车辆移动。该系统还包括一种源设备，该源设备电耦合到该电动机以便当ICE关闭时在至少某些时间间隔期间提供电能从而使车辆移动。该系统还包括被配置成能够选择性地进行上述移动的控制器。

在另一个方面，该传动装置具有用于限定一种端口的外壳，该端口用于接入传动装置输入，并且该转移设备具有固定到传动装置外壳的外壳，使得该转移设备啮合着该传动装置输入以便转移电动机的旋转。

在另一个方面，该系统包括电动机控制器，其中源设备通过电动机控制器电耦合到电动机。

在另一个方面，源设备包括电耦合到电动机控制器以便向电动机提供电能的电池，其中燃料电池是通过电池电耦合到电动机的，使得燃料电池可对该电池再充电。

在另一个方面，上述控制器电耦合到电动机控制器并且可以与电动机控制器一起操作以便响应于命令信号而向电动机供电。

在另一个方面，该命令信号是可变的命令信号，并且电动机的供电包括可变的供电，使得响应于可变的命令信号来调节车辆的速度。

在另一个方面，上述控制器包括油门和可变阻抗设备。电动机的供电可以包括可变的供电。由此，该命令信号可以包括来自可变阻抗设备的可变阻抗信号，其中该阻抗根据该油门而变化。

在另一个方面，上述控制器电耦合到电动机控制器并且可以与电动机控制器一起工作以便根据关闭信号对电动机断电，其中该关闭信号指示ICE的操作或ICE的操作的预兆。该关闭信号可以包括用于启动ICE的信号。该关闭信号可以包括离合器位置信号。该关闭信号可以包括ICE旋转信号。该关闭信号可以包括ICE点火信号。

在另一个方面，上述控制器包括致动器，该致动器被配置成根据信号自动地使离合器移动到一个位置，在该位置处ICE不再与传动装置输入啮合着。使离合器自动地移动的信号可以指示操作模式的初始化，其中电动机为车辆的移动提供动力。

在另一个方面，该系统被配置成能够用ICE对电池进行充电。这种能够用ICE对电池进行充电的配置可以包括：传动装置通过离合器啮合到ICE，以便通过离合器将ICE的动力机械地转移给电动机，使得该电动机可用作发电机。

在另一个方面，车辆包括由ICE驱动的空气压缩机，用于向该车辆的刹车子系统的槽提供空气。相应地，该系统包括辅助的空气压缩机，用于当ICE关闭时在至少某些时刻向上述槽提供空气。该系统还包括：辅助的空气电动机，用于驱动辅助的空气压缩机；以及空气压力开关，它耦合到上述槽以便根据低气压来开动辅助的空气电动机。

在另一个方面，车辆包括由ICE驱动的液压流体泵，用于向该车辆的操纵子系统提供流体。相应地，该系统包括辅助的液压流体泵，用于当ICE关闭时在至少某些时刻向动力操纵子系统提供流体。该系统还包括：辅助的液压流体电动机，用于驱动辅助的液压流体泵；以及至少一个限制开关，它耦合到操纵子系统以便根据操纵子系统的至少一个组件的位置来开动辅助的液压流体电动机。上述操纵子系统的至少一个组件可以包括操纵臂。

在读到下面的详细描述并参照附图时，本发明的其它变化、目的、优点和形式都将变得明显。例如，在本发明的一个形式中，本文所描述的特征就像在新颖过程步骤中那样被执行，这可能包括用于控制本文所描述的系统的过程。在本发明的另一个形式中，计算机系统包括处理器以及连接到该处理器的存储设备。该存储设备具有存储于其上的程序，用于控制该处理器。该程序使该处理器工作以执行该程序从而全部地或部分地执行一种方法，它可以包括用于控制本文所描述的系统的进程。在本发明的另一个形式中，计算机程序产品被存储在实际的计算机可读介质上。计算机程序产品具有由计算机系统执行的指令。当被计算机执行时，这些指令使该计算机实现用于控制本文所描述的系统的进程。

附图说明

结合附图，根据下文关于本发明较佳实施方式的详细描述，将会更好地理解上述和其它目的、方面和优点。在附图中，相同的标号指代相似的组件和特征。

图1A示出了现有技术驱动轮系的多个方面；

图1B示出了具有PTO的现有技术驱动轮系的多个方面；

图2示出了根据本发明一实施方式用于车辆的电牵引系统的某些组件以及某些安装和啮合方面；

图3A和3B是示出了根据本发明一实施方式用于车辆的电牵引系统的其它方面的框图；

图4是根据本发明一实施方式图3A的电牵引系统的某些控制方面的电学示意图；

图5示出了根据本发明一实施方式用于图3的车辆的致动器以及主引擎离合器的联动装置的某些方面；

图6示出了根据本发明一实施方式可以实现本发明的控制过程的至少一些方面的计算机系统。

具体实施方式

在下文关于较佳实施方式的详细描述中，可以参照附图，附图示出了可以实施本发明的实施方式。应该理解，在不背离本发明的范围的情况下，可以使用其它实施方式并且可以做出变化。附图和详细描述并不旨在将本发明限定于所揭示的特定形式。相反，本发明旨在覆盖落在权利要求书所限定的本发明的精神和范围之内的所有修改、等价方案和替代方案。本文的标题并不旨在以任何方式限制该主题。

概述

根据本发明的实施方式，电牵引系统包括电动机(本文也称为电牵引电动机)，当车辆缓慢移动时(常常空闲着)或者当考虑到噪声或污染时该电动机用于驱动车辆的常规或原来配备的牵引传动装置。否则，可以按正常方式启动和使用主牵引引擎、ICE。当车辆在正常高速公路或街面上运行时，电牵引电动机可以按第二模式作为发电机而工作，它是通过OEM传动装置由主牵引引擎来提供动力的，以便对电牵引系统的电池再充电。该系统包括氢燃料电池，该电池也产生电能并由此减小了操作该系统的电牵引电动机所必需的电池的尺寸。

本发明的较佳应用是以低于大约20MPH的速度前进的重型卡车。然而，在各种实施方式中，本发明可以应用于更高的速度和不同的车辆。例如，在一种应用中，甚至速度在20MPH以上也由电牵引电动机至少部分地驱动着卡车，因为此时可能接近噪声或排放很成问题社区，比如在港口附近交通繁忙和人口稠密的社区，这种地方烟尘和噪声特别成问题。根据本发明一实施方式，可能存在其它原因，使得速度在20MPH以上也由电牵引电动机至少部分地驱动着卡车或其它车辆。

现在参照图2，根据本发明，电牵引电动机150被显示成安装在卡车的框架轨道156上。图2的安排在结构方面不同于常规的HEV安排，其中混合传动装置装入了电动机和行星齿轮组，行星齿轮组将电动机轴耦合到传动装置输出轴以便将来自电牵引电动机的旋转转移到传动装置输出轴，该输出轴也由ICE驱动着(图2中未示出)。图2中的电牵引电动机150处于传动装置外壳127的外部，并且太重且太大以至于外壳127无法可靠地支撑它，因为传动装置外壳127无法可靠地耐受这么大的悬臂重量。在所示的本发明实施方式中，通过弹簧夹158将托架154安装到卡车的框架轨道156上。接下来，电动机150被螺栓连接到托架154，且留有足够的间隙，从而允许常规驱动轮系(包括传动装置122)相对于框架轨道156和其它组件自由地移动。

电动机150受控制系统160控制并且由电池170来供电，电池170是一种源设备。电池170由氢燃料电池180供电，氢燃料电池180是另一种源设备。提供电动机150是为了通过PTO 140的齿轮141向传动装置输出轴129提供动力，齿轮141啮合着传动装置122的输入轴上的齿轮130。即，齿轮141用于将来自电牵引电动机150的旋转转移到驱动轴129。PTO 140将齿轮141装入外壳142中，外壳142独立于传动装置外壳127且可移除地螺栓连接到传动装置外壳127，使得通过传动装置外壳127的端口124来调整齿轮141以便啮合着齿轮130。

根据所示的实施方式，电牵引电动机150最好用于代替卡车的ICE对卡车提供动力，即ICE关闭。由此，为了让电牵引电动机150驱动传动装置输入轴125而不打开ICE(它连接到机轴110)，在至少一些工作模式中期望机轴110不再与输入轴125啮合着。相应地，提供了关闭设备(图2中未示出)，它包括控制逻辑(图2中未示出)，用于根据机轴110啮合着传动装置输入轴125而对电牵引电动机150断电，下文将进一步描述。也包括机械或电机械设备(图2中未示出)，以便使离合器120保持在一个位置，在该位置处轴110不再与轴125啮合着，由此满足了上述逻辑。

框图

现在参照图3A，根据本发明一实施方式，示出了用于车辆300的电牵引系统的框图。车辆300具有驱动轮系，该驱动轮系包括耦合到机轴110的牵引ICE 302、离合器120、传动装置输入轴125、传动装置122、传动装置输出轴129以及差动装置316的常规安排。差动装置316将机轴110的旋转平移到车轴318，接下来再到轮子320。车辆300也具有常规的12VDC电池310，用于提供点火、灯等的常规电系统308。

车辆300包括电牵引电动机(ETM)150，它通过PTO 140来驱动传动装置122，如上文所描述的那样。EMT 150用轴143来驱动PTO 140。EMT 150由控制系统160的电动机控制器(图3A中未示出)的AC输出来直接供电，控制系统160由144 VDC电池170供电，氢燃料电池180对电池170再充电。压缩氢罐314向氢燃料电池180提供氢。除了为电池170充电以向电动机150供电以外，燃料电池180也对常规的牵引机系统12 VDC电池310充电。

在所示的本发明实施方式中，电动机150是交流电类型的，使得它可以反过来使用从而当引擎302正在运行且离合器120使机轴110啮合着传动装置输入轴125时产生电能。当按发电模式工作时，ETM 150可以通过控制系统160对电池170充电。

电动机150的马力定额随实施方式不同而变化，这取决于需要服务的负载以及所需的速度和加速度。完全装满的重型牵引-拖挂式卡车可能重达80,000磅。(常规的约1800磅的电动车辆需要约50HP的电动机以便仅用电能来实现并维持80MPH。)在本发明的一个实施方式中，电动机150是直流电类型的，大约重达180磅，并且定额为40连续HP以及高达2分钟的80HP。在另一个实施方式中，电动机150是交流电电动机，其定额和重量至少有点相似。当然，HP定额和相应的速率取决于车辆和负载。

电池170的KWH容量可能随实施方式的不同而变化，可能就像燃料电池180的KW容量以及罐314的存储容量那样。在一个实施方式中，电池170具有14.4KWH容量，燃料电池180具有15KW容量，罐314具有在300psi下1KG的氢存储容量。

现在与图3A一起参照图3B，车辆300也包括子系统304，它包括空调、离合器、刹车以及操纵子系统。子系统304的冷却即空调的制冷剂被ICE 302所驱动的压缩机342压缩，如常规那样。由ICE 302所驱动的空气压缩机346进行压缩且被存储在槽347中的空气驱动着子系统304中的刹车子系统，如用于重型卡车的常规情形那样。子系统304中的操纵子系统由液压致动器(未示出)来控制，主ICE 302所驱动的液压泵354强迫从槽355中提供液压，如常规情形那样。

除了上述用于空调、刹车和操纵子系统304的常规安排以外，所示的本发明实施方式还包括辅助的驱动器306，控制系统160控制辅助的驱动器306并且在ICE 302不运行时由电池170向它们供电以使空调、离合器、刹车和操纵子系统工作。在这种电工作模式中，在控制系统160的控制下，辅助的电动机344直接驱动空调压缩机342，就如上述美国专利申请11/374,709所描述的那样。此外，辅助的驱动器306包括辅助的空气压缩机348，它通过止回阀352(用于防止回流)耦合到空气槽347并且被辅助的电动机350驱动着以便在控制系统160的控制下在电工作模式中提供压缩空气。驱动器306也包括辅助的液压流体泵356，它通过止回阀360(用于防止回流)耦合到液压流体槽355并且被辅助的电动机358驱动着，使得车辆300在电工作模式中时在控制系统160的控制下泵356提供用于刹车的运动的流体。

控制系统

现在与图3A和3B一起参照图4，根据本发明一实施方式，示出了控制系统160的多个方面，它用于启动车辆的电牵引电动机150。系统160包括电动机控制器406，用于提供电压以控制电动机150的速度。在本发明的一个实施方式中，电动机控制器406是Cutler PMC1238。在本发明的另一个实施方式中，电动机控制器406是Cutler PMC1231C。更具体地讲，电动机控制器406根据命令信号输出一电压以控制电牵引电动机150的速度。在所示的控制系统160中，传感器FTR机械地、电子地、或光学地耦合到车辆的脚踏油门(未示出)，使得FTR的电阻或阻抗根据驾驶员的脚踏油门的位置而变化，由此提供了可变的命令信号，电动机406的输出电压据此而变化，由此改变到电动机150的电压，使得根据该可变的命令信号来平稳地调节车辆的速度。改变电压可以包括改变频率、电压电平、电压脉冲宽度中的任何一种或任何组合。(脚踏油门是一种常规的用于控制ICE的旋转速度和车辆的速度的公知手段，比如由系统160控制的车辆的脚踏油门。)

如上所述，当车辆通过电牵引电动机150而工作时，辅助的电动机350驱动着辅助的空气压缩机348以对用于操作车辆刹车系统的空气加压，并且辅助的电动机358驱动着辅助的泵356以对用于操作车辆300的动力操纵系统的液压流体加压。如下文所述，系统160也包括用于提供逻辑互锁功能的控制器，它们接收来自传感器330的信号，以便确保车辆300的安全操作，其中包括电牵引电动机150、辅助的驱动器306和HVAC、离合器、刹车和操纵组件。

VDE钥匙开关

下面描述与开关402有关的常规车辆操作，开关402是电系统308的一部分。通过导线连接到车辆300的常规12VDC电系统，系统160具有常规的车辆柴油机引擎钥匙开关402，它具有许多不同的位置，图4明确示出了其中三个位置即位置“运行”、“关闭”和“辅助”。驾驶员通常将钥匙插入开关402中，此处，开关402最初定向成“关闭”位置。为了启动该车辆，驾驶员接下来使钥匙向右转动到“启动”位置(图4中未示出)以便对启动电动机加电，该启动电动机用曲柄发动车辆柴油机引擎302。然后，一旦引擎302通过内部燃烧维持其操作，驾驶员就释放开关402中的钥匙，该钥匙回弹到图4所示的“运行”位置，该位置通常介于“关闭”位置和“启动”位置之间，并且在该位置中上述开关若不受打扰就会保持不变，即该位置不具有回弹特征。为了使车辆柴油机引擎302停止，驾驶员可以使开关402中的钥匙转回到“关闭”位置，在该位置中开关402若不受打扰将会保持不变。开关402也具有“附属”位置，如图4所示，它通常在“关闭”位置的左边，用于打开像收音机这样的附属物。通常，如果驾驶员使钥匙转到“附属”位置，则开关402在不受打扰时将会保持在该位置。

逻辑地互锁到电牵引电动机控制器的VDE钥匙开关

现在返回到本发明的实施方式的描述部分，根据系统160，继电器AC和V的线圈分别通过导线连接到开关402的“附属”和“运行”位置，使得当开关402处于“附属”位置时继电器AC的线圈被加电，当开关402处于“运行”位置时继电器V的线圈通过12 VDC被加电，12 VDC通常是由12 VDC电池310来供电。

系统160也包括辅助的电池170，它为电牵引系统(包括电牵引电动机/发电机150)提供第一辅助电压，图4示出了所提供的电压144 VDC。(尽管被称为“144 VDC”，但是应该理解，电池170所提供的电压可以变化，控制系统160可以在所提供的电压范围中恰当地工作。在本发明的一个实施方式中，控制器406将在所提供的电压低至84 VDC时恰当地工作。)电牵引系统钥匙开关404具有“运行”位置，它通过导线连接到12 VDC电源并且与上述继电器V的正常关闭的接触点V1以及继电器线圈KR串联，使得当开关404处于“运行”位置时，构成开关404的“运行”接触点。由此，如果对继电器V断电使得构成接触点V1，则通过12 VDC电源对继电器线圈KR供电。由此，应该理解，继电器V提供一种互锁，使得如果车辆柴油机引擎开关402处于“运行”位置，则防止继电器线圈KR被加电。(断电也被称为“失电”。)但是在车辆柴油机引擎302开关402没有处于“运行”位置的情况下，对继电器V断电，使得如果电牵引系统开关404处于“运行”位置，则继电器线圈KR将被加电(也被称为“上电”)。

系统160也包括通过导线连接到144 VDC电源的继电器线圈MC，它与上述AC继电器的正常打开的接触点AC1串联。由此，继电器AC提供了另一个互锁。即，如果车辆柴油机引擎302开关402处于“附属”位置，则继电器线圈AC被上电，这构成了接触点AC1，由此上电了继电器MC。但是如果开关402没有处于“附属”位置，则继电器线圈AC被失电，这破坏了接触点AC1，由此失电了继电器MC。

继电器MC的正常打开的接触点MC1通过导线将144 VDC连接到控制器406的主端子+，如图所示。同样，继电器KR和KG的正常打开的接触点KR1和KG1的并联组合通过导线与接触点MC1串联以使144 VDC连接到控制器406的控制电源端子CP，并且继电器KR和KG的正常打开的接触点KR2和KG2的并联组合与可变电阻器FTR和控制器406的输入控制端子串联，如图所示。

由此，继电器AC、V、KR、KG和MC协作以提供下文进一步描述的控制逻辑，使得为了电动机控制器406的运行，车辆柴油机引擎开关402必须不在“运行”位置，而是必须在“附属”位置，同时电牵引开关404必须在“运行”位置。即，为了对控制器406的主端子+和-供电，必须合上接触点MC1，其中控制器406当然是必需的以便通过脚踏油门由FTR来控制电牵引电动机150的速度。为了构成接触点MC1，线圈MC当然必须上电，为了做到这一点，车辆柴油机引擎302开关402必须在“附属”位置，它上电线圈AC，从而合上接触点AC1并且上电线圈MC。

此外，另外的关闭设备420被设置成与接触点AC1和线圈MC串联。这些设备420可以防止上电MC，由此防止电动机150运行，或者可以中断用于上电和保持MC的路径，由此一旦电动机150正在运行就关闭它。关闭设备420可以根据另外的传感器330来操作，这些传感器330产生用于指示ICE的操作或ICE的操作前兆的关闭信号，比如用于启动ICE的信号、离合器位置信号、ICE旋转信号、ICE点火信号。然而，针对不同操作模式(比如使电动机150用作由ICE302通过离合器120而驱动的发电机)，一些或所有关闭设备420可以由超控设备425来超控，使得超控关闭设备420将不会断开电动机150。

对控制器406的主端子+和-供电的做法为控制器406提供了主要的电能，但是控制器406也需要控制到端子CP的电能。在合上接触点MC1的情况下，144 VDC电源通过1000欧姆、20瓦的电阻器R耦合到端子CP，并且这对耦合到端子CP的控制器406的内部控制进行预充电。这种预充电有助于控制器406针对可变电阻器FTR的动作提供迅速的响应，但是并不提供足够的电流以完全操作控制器406。

为了控制器406完全操作，必须合上接触点KR1或KG1以及KR2或KG2以便向控制器406提供全部的电能，这当然要求继电器线圈KR或继电器线圈KG上电。为了做到这一点，车辆柴油机引擎开关402必须不在“运行”位置，由此确保了继电器V仍然被失电并且合上了接触点V1和V2。同样，电牵引开关404必须在“运行”位置，它通过所合上的接触点V1来上电继电器线圈KR；或者在“产生”位置，它通过所合上的接触点V2来上电继电器线圈KG。

设置开关404的“发电”位置是为了能够用ICE 302对电池170进行充电。即，在电牵引系统“发电”操作配置中，能够由ICE 302对电池170进行充电，这包括传动装置122通过离合器120啮合着ICE 302以便通过离合器120将来自ICE 302的动力机械地转移到电动机/发电机150，使得电动机/发电机150可用作发电机。

与离合器的操作有关的控制

除了上述控制以外，系统160还具有当处于电牵引系统操作模式中时用于啮合着主车辆柴油机引擎302的离合器120以及不再啮合着该离合器120的多种控制。

关于与离合器120的操作有关的控制，系统160包括机械地链接到离合器120的离合器致动器412，如下文结合图5所进一步解释的那样。致动器412具有离合器踏板压抑线圈D和离合器踏板释放线圈R。对压抑线圈D供电可使致动器412延伸，由此驱动着耦合到车辆的常规离合器踏板的链接装置，使其朝着被压抑的踏板的位置，在该位置机轴110不再与传动装置输入轴125啮合着。相反，对释放线圈R加电可使致动器412缩回去，由此驱动着离合器踏板，使其朝着被释放的踏板的位置，在该位置离合器120使机轴110啮合着传动装置输入轴125。与致动器412相关联的是限制开关416 CD和CR。当致动器412到达完全延伸的位置时，限制开关CD打开；而当致动器412到达完全缩回的位置时，限制开关CR打开。

在压抑线圈D和释放线圈R都断电的情况下，致动器412保持在其最后的位置，它往往使压抑的离合器120保持着致动器412上一次驱动被压抑的离合器踏板的程度。然而，如果离合器踏板还没有完全被压抑的话，则致动器412或者用于将致动器412链接到离合器120的机械链接装置都无法防止离合器踏板被进一步人工压抑。

现在参照图5，还示出了致动器412到离合器120的链接。应该理解，该示出通常表示链接，但是其本质是示意性的。即，在图5中，一些机械细节可能被省略或象征性地被画出，以便更清晰地描绘所示安排如何操作的特定特征和方面。

除了描绘了本发明的致动器412及其相关的链接以外，图5还描绘了用于常规离合器踏板510和常规离合器120的常规链接。为了不再啮合着离合器120，驱动器通常压抑驾驶室中的常规离合器踏板510，由此引起脱离运动530。离合器踏板510在离合器臂514上，该臂514可旋转地固定到枢轴点512，使得脱离运动530通过离合器臂514向链接520传递脱离运动532。链接520具有一远端，它与到离合器臂514的链接啮合520相反并且可旋转地连接到链接522。此外，链接520可旋转地固定到枢轴点513。由此，链接520向链接522传递脱离运动532，从而引起了链接522中的脱离运行534。链接522具有一远端，它与其到链接520的耦合相反并且可旋转地连接到离合器臂524，该臂524可旋转地耦合到离合器120并且啮合着离合器120的突出轴承(未示出)。由此，链接520向离合器臂524传递脱离运动，从而引起离合器臂524的脱离运动536，这使得离合器120的突出轴承不再啮合着离合器120，由此使机轴110不再啮合着传动装置输入轴125。

根据所示的本发明实施方式，致动器412及其相关的链接装置被添加到上述常规链接装置中。在枢轴点516处，致动器412被可旋转地固定到车辆底盘的一端。在致动器412的另一端，致动器412的可延伸/可收缩轴542(图5示出了其完全收缩的位置)通过帽540被固定到链接520和522的连接部分538，使得链接520和522具有充分的移动自由以允许脚踏板510的常规操作，就如上文所描述的那样，但是通过驱动着轴542使其朝着完全延伸的位置，致动器412的轴542仍然能够向链接522传递脱离运动。

需重申，图5所示的安排允许链接520和522自由地作常规运动，以便离合器120进行常规的离合器踏板510操作，而无需延伸或缩回致动器412的轴542，它已被添加到离合器120和离合器踏板510之间的常规链接。即，帽540足够宽松地俘获耦合538以允许这种常规的自由运动，但是也足够紧从而使得在离合器踏板510的常规运动范围中以及在耦合538的相应的运动范围中轴542仍然与耦合538啮合着。此外，这种维持的啮合使致动器412能够为脱离离合器120和重新啮合到离合器120提供备选手段。对于脱离，致动器412通过延伸轴542驱动着脱离运动534中的链接522。常规离合器120包括回弹机构(图5中没有直接示出)，使得离合器120仅通过轴542的收缩就重新啮合。即，离合器120的回弹机构将离合器臂524移动到重新啮合的位置，使得即使轴542收缩了，帽540和耦合538的啮合也得以维持。

安装在致动器412上的限制开关416CR和416CD检测轴542的位置，如下文进一步解释的那样。

再次参照图4以及图3A和3B，系统160包括继电器线圈C，它通过导线连接到12 VDC电池电源310并且与继电器KR的正常打开的接触点KR3串联。由此，当继电器线圈KR上电且形成接触点KR3时，继电器线圈C上电。如上所述，不在“运行”位置的车辆柴油机引擎开关402失电继电器V，从而合上正常关闭的接触点V1，若电牵引系统开关404处于“运行”位置则上电继电器线圈KR。由此，通过继电器KR和V的动作，当车辆柴油机引擎开关402不在“运行”位置且电牵引系统开关404处于“运行”位置时继电器C上电，即接触点KR3的合上提供了一个用于指示“电牵引”工作模式(即电动机150对车辆300提供牵引动力的模式)的初始化的信号。

继电器C具有正常打开的接触点C1，它们与致动器412的压抑线圈D以及致动器限制开关416 CD串联。由此，当继电器C上电时合上接触点C1，并且这向压抑线圈D供电并且使致动器412朝着完全延伸的位置驱动，只要离合器致动器412没有完全延伸从而使得限制开关416被关闭。一旦致动器412到达完全延伸的位置，限制开关416 CD和致动器412的压抑线圈D就响应地失电。

一旦致动器412远离完全收缩位置而移动，致动器限制开关416 CR就关闭，使得致动器412的释放线圈R可以被加电以便在需要时再次收缩。然而，当继电器C上电时，正常关闭的接触点C2断开，使得412的释放线圈R将不会被加电。这样，继电器C防止致动器412收缩，除非：i)车辆柴油机引擎开关402处于“运行”位置，它上电继电器V，失电继电器KR，转而失电继电器C；或者ii)电牵引系统开关404处于“关闭”位置，它失电继电器KR，转而失电继电器C。但是，当车辆柴油机引擎开关402被转到“运行”位置时或者当电牵引系统开关404被转到“关闭”位置时，继电器C将失电，这合上了接触点C2，使得致动器412的释放线圈R将会通过接触点C2被响应地加电。这驱动着致动器412使其朝着收缩位置，直到检测到致动器412已完全收缩时限制开关416 CR断开。

与刹车和操纵系统的操作有关的控制

除了上述种种控制以外，系统160还具有当处于电牵引系统工作模式中时用于确保系统304的刹车和操纵组件的可操作性的多种控制。

如上所述，车辆300的常规刹车系统包括空气槽347和压缩机346，内燃机302驱动压缩机346以便提供用于操作刹车的加压空气。控制系统160提供一种机构，借此即使引擎302关闭也能提供用于刹车的空气压力。具体来讲，控制系统160提供了一种机构，借此，如果用于车辆常规刹车系统的空气压力低于某一预定的限值，且接下来如果驾驶员踩下车辆的常规脚踏油门，则补充的空气压缩机350打开，从而为车辆常规刹车系统提供补充的压缩空气。

如上所述，车辆300的常规操纵系统包括液压泵354，内燃机302驱动着液压泵354以提供用于操作车辆300的动力操纵的液压流体。控制系统160也提供了一种机构，借此，即使引擎302关闭也能够泵浦液压流体从而进行操纵。具体来讲，控制系统160提供了一种机构，借此，如果车辆的方向盘向左或向右转向超出了预定的限值，且接下来如果驾驶员踩下车辆的常规脚踏油门，则补充的液压泵电动机358打开，以便驱动泵356从而提供用于操作车辆常规操纵系统的补充的液压流体压力。

下文详细解释了与刹车系统的操作有关的种种控制。当检测到驾驶员已踩下车辆常规脚踏油门时，脚踏油门限制开关FTLS 420可关闭其接触点。FTLS420与继电器T串联在12 VDC电源中，使得当FTLS 420合上接触点时，继电器T上电。继电器T上电启动了对常规车辆刹车系统的压缩空气的需求以及对常规车辆操纵系统的液压流体的需求。

根据所示的本发明的控制系统160的实施方式，空气压力开关418耦合到气源槽347。当检测到槽347中的空气压力已低于预定的限值(比如100psi)时，就合上开关418。继电器T的正常打开接触点T1与空气压力开关418串联在12 VDC电源中。此外，继电器A的线圈与T1和开关418串联。

继电器A用于启动对常规车辆刹车系统的补充压缩空气的需求。即，继电器A具有与辅助空气压缩机电动机350串联在24 VDC电源中的正常打开的接触点A1。当合上T1和开关418时，继电器A上电，从而合上接触点A1并且对刹车系统辅助空气压缩机电动机350供电。总之，当驾驶员踩下车辆的常规脚踏油门时，如果空气压力低于100psi，则辅助的空气压缩机电动机350开动，以便为车辆的常规刹车系统的操作提供更多的空气。

下面详细解释了与操纵系统的操作有关的种种控制160。继电器T的正常打开接触点T1也与并联的操纵臂限制开关414SRL和414 SRR一起串联在12VDC电源中。此外，继电器S的线圈与T1以及并联的开关414 SRL和414 SRR串联，它们被安装在车辆的常规操纵臂上，使得当方向盘向左转向超过某一预定的限值时就合上开关414SRL，当方向盘向右转向超过某一预定的限值时就合上开关414 SRR。

继电器S用于启动对常规车辆操纵系统的补充液压流体压力的需求。即，继电器S具有正常打开的接触点S1，它们与操纵系统辅助液压泵电动机358串联在24 VDC电源中。当合上T1和开关414SRL或414SRR时，继电器S上电，从而合上接触点S1并且对操纵系统补充液压泵电动机358加电。总之，当驾驶员踩下车辆的常规脚踏油门时，如果车辆的方向盘向左或向右转向超过了某些限值，则辅助液压泵电动机358开动，以便为车辆的常规操纵系统的操作提供更大的液压流体压力。

关于种种控制的一般性评论

注意到，在图4中，有三种不同的电压系统，即12 VDC(它是常规ICE启动电压系统)、144 VDC和24 VDC。为了以相对较低的电流提供更大的动力传递，更高的电压系统是令人期望的。有利的是，像KR、KG、C等继电器除了提供它们所执行的逻辑功能以外，还提供电压隔离和电流中断能力。例如，在车辆驾驶室中，最好不要传递高于12 VDC的电压。

控制修改和变化

出于解释说明的目的，已经给出了关于本实施方式的描述，但是并不是穷尽性的或并不旨在将本发明限定于所揭示的形式。对于本领域的技术人员而言，许多修改和变化将会是明显的。例如，上文在继电器的情况下描述了种种控制，这些继电器具有相应的控制-相关过程，其本质是继电器逻辑。应该理解，上文所描述的相同的逻辑过程可以用不同的继电器组合来实现。例如，在恰当调节的情况下，有可能提供一种逻辑过程，它由加电以启动一动作的继电器来实现，或者由断电以启动该动作的继电器来实现。多种选择可以根据各种因素而变化，其中包括复杂性和期望的故障模式。

此外，上文作为继电器或继电器逻辑而显示的可以至少部分地以嵌入式控制器的形式来实现，或者以其它具有相应控制-相关进程(其本质是计算机程序)的计算机系统的形式来实现。这种计算机系统和控制-相关进程可以被并入上述电动机控制器中。此外，分立的传感器330被显示成用于启动各种专用的继电器。传感器330所提供的信号可以从原始设备数据总线上获得，由车辆制造商提供，以便输入到控制系统160的计算机。

现在参照图6，根据本发明的一实施方式，示出了计算机系统600，其中可以实现本发明的控制-相关过程。应该理解，术语“计算机系统”旨在包括具有处理器的任何设备，它执行存储器介质上的指令，而不管它是以嵌入式控制器、微控制器、个人计算机系统(定型的或其它)等术语进行描述的，还是以其它术语进行描述的。计算机系统600包括处理器615、易失性存储器627(比如RAM)和非易失性存储器629。存储器627和629存储程序指令(也被称为“软件程序”)，由处理器615来执行，以实现根据本发明的软件程序的各种实施方式。处理器615以及存储器627和629通过总线640互连。输入/输出适配器(未示出)也连接到总线640，以便能够在处理器615和其它设备或电路之间交换信息。系统600也适用于至少暂时地连接键盘633、定点设备630(比如鼠标)和显示设备637。

在所示的实施方式中，非易失性存储器629可以包括用于数据存储和操作系统以及各种软件应用的盘片。在其它实施方式中，非易失性存储器629并不必然是盘片。操作系统甚至可以被编程到专门的芯片硬件中。存储器629也包括ROM(没有直接显示出来)，并且可以包括其它设备(也没有直接显示出来，比如磁带)。

数据存储可以由计算机系统600的一个或多个进程来执行，并且可以包括在同一计算机系统600的存储器(比如存储器627或629)中进行存储，其上该进程正在运行或者在不同的计算机系统上。

另外，本发明的控制-相关过程中的至少一些能够以计算机可读介质的形式发布，处理器可以执行其上的指令以执行一种方法即进程，比如本文所描述的那种。这种计算机可读介质可以具有各种形式。不管实际用于实现上述发布的信号承载介质的类型如何，本发明都等效适用。实际计算机可读介质的示例包括可记录型介质，比如软盘、硬盘驱动器、RAM和CD-ROM，传送型介质的示例包括数字和模拟通信链路。

各种实施方式以各种方式实现上述一种或多种软件程序，其中包括基于过程的技术、基于组件的技术、和/或面向对象技术。特定的示例包括XML、C、C++对象、Java和商用类库。本领域普通技术人员将会理解，本文所描述的硬件可能根据实现方式而改变。所描述的示例并不意味着与本发明有关的体系结构限制。

对于本领域技术人员而言，许多更多的修改和变化将是明显的。例如，上文描述了根据可变的命令信号来改变到电动机的电压，这允许平稳地改变车辆的速度。在本发明的实施方式中，各种控制可以突然地加到电动机上以便使车辆迅速移动，即简单地以低频率对电动机加电或断电。电动机控制器可以根据开关命令来实现这种突然的操作。

将APU固定到车辆上

再次参照图3A，燃料电池180可以被包括在辅助电源单元(“APU”)中，该单元被固定在驾驶室后面的牵引机部分的框架上。驾驶室可以架在该框架上。APU包括燃料电池180的矩形外壳，它螺栓连接到直接位于外壳四角下方的各个气垫。APU还包括隔离装置，气垫螺栓连接到该隔离装置。此外，两个螺旋弹簧通过各个环首螺栓连接到该隔离装置，在各个角附近各个环首螺栓连接到外壳的一侧，使得在该隔离装置处螺旋弹簧的连接可以使螺旋弹簧保持从外壳底部向下并且向外延伸。除了隔离装置所保持的螺旋弹簧向外且从外壳底部向下延伸以外，该隔离装置在某种程度上也拉伸这些螺旋弹簧，但是都在其弹性极限以内。这样，这些弹簧保持张力，并且往往提供与其它相反的力，并且使外壳保持在上述中心并且被向下拉使其朝着上述气垫。

这些气垫通过气源线互连，气源线通过压力调节器而具有互连以便将气垫连接到车辆刹车子系统304中所包括的常规压缩空气系统。这样，在APU的隔离装置螺栓连接到该框架之后，气垫可以从压缩空气系统中充气，这增加了气垫的张力，由此更牢固地使外壳保持在上述中心且被向下拉使其朝着气垫。有利的是，该外壳由此被固定到车辆的框架上，而无需任何刚性构件或活塞型吸震器，这样可以直接地将撞击和急动的冲击从框架转移到外壳。尽管吸震器往往会在单个方向上吸收冲击，但是它们往往防止某些方向上的运动，使得它们在与上述安排相比往往更倾向于转移某些方向上的力。适用于上述的常规气垫都是可用的，比如可从McMAster-Carr处获得。

一般性评论

根据上文，应该理解，本发明提供了大量有用的益处，包括如下：

通过常规PTO端口，将常规PTO添加到常规传动装置中以便以一种非常规方式用作转移设备，从而将外部源设备所提供的电牵引电动机的动力置于车辆驱动轮系，即使是当车辆的ICE熄火时；

在本文所揭示的车辆上安装的合适的辅助电源单元中的氢燃料电池是足够耐用的并且提供了足够的能量，使得它可以被设置成外部源设备以使非常大的负载(比如完全装载的牵引-拖挂式卡车)移动相当大的距离或操作相当长的时间；以及

电池可以提供瞬时动力需求的能量，并且可以在较低的或非电的工作需求的合适的时间间隔内对电池重新充电，这可由燃料电池或ICE通过电牵引电动机的反向操作来执行；以及

揭示了控制和辅助子系统(其中包括离合器启动、辅助空气和辅助液压流体子系统)，从而能够操作耦合到驱动轮系的电牵引电动机，同时不干扰常规的ICE或与之相反，并且协调车辆的现存子系统与电牵引电动机和发电机工作模式的安全操作。

需要重申，选择和描述各实施方式是为了最佳地解释本发明的原理、实际应用并且使本领域技术人员能够理解本发明。具有各种修改的各种其它实施方式可能适于所预计的特定应用，但可以落在本发明的范围中。

除非清晰和直接地陈述，否则权利要求书并不旨在意味着任何特定顺序的动作。所包括的标签，比如用于权利要求书中多个部分的a)，b)，c)等自身并不意味着任何特定的顺序，而仅仅是帮助引用这些部分。

Claims (26)

1.一种具有驱动轮系的系统，该驱动轮系包括内燃机(“ICE”)，该内燃机耦合到具有动力输出端口的传动装置，所述系统包括：

电动机；以及

转移设备，所述转移设备通过所述端口将电动机耦合到传动装置，所述系统被配置成当ICE被关闭时所述电动机能够在至少某些时间间隔内选择性地对所述驱动轮系提供动力。

2.如权利要求1所述的系统，包括：

用于向电动机提供电能的源设备。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述源设备包括燃料电池。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述源设备包括电池。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述源设备包括：

电池；以及

燃料电池，被配置成对所述电池充电。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统被配置成当ICE被开动时能够用ICE对所述电池充电。

7.一种用于车辆的电牵引系统，所述车辆具有耦合到驱动轮系的内燃机(“ICE”)，所述驱动轮系包括耦合到传动装置的输入的离合器，所述系统包括：

电动机；

转移设备，用于将电动机的旋转转移到传动装置输入以使所述车辆移动；

源设备，它电耦合到电动机以便当ICE被关闭时在至少某些时间间隔内提供用于使车辆移动的动力；以及

控制机构，被配置成能够选择性地使车辆移动。

8.如权利要求7所述的系统，包括：

电动机控制器，其中源设备通过电动机控制器而电耦合到电动机。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述源设备包括：

燃料电池。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述源设备包括：

电池，它电耦合到电动机控制器以提供用于电动机的电能，其中燃料电池通过所述电池而电耦合到电动机，使得燃料电池可对所述电池再充电。

11.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述源设备包括：

电池。

12.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制机构电耦合到电动机控制器且可以与电动机控制器一起操作，以便根据命令信号向电动机供电。

13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述命令信号是可变命令信号，并且向电动机供电包括可变的供电，使得根据可变命令信号来调节车辆的速度。

14.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述控制机构包括：

油门；以及

可变阻抗设备，其中向电动机供电包括可变的供电，并且所述命令信号包括来自可变阻抗设备的可变阻抗信号，所述阻抗根据油门而变化。

15.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制机构电耦合到电动机控制器且可以与电动机控制器一起操作，以便根据关闭信号对电动机断电，其中所述关闭信号指示ICE的操作或ICE的操作前兆。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述关闭信号包括用于启动ICE的信号。

17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述关闭信号包括离合器位置信号。

18.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述关闭信号包括ICE旋转信号。

19.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述关闭信号包括ICE点火信号。

20.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制机构包括：

致动器，它被配置成根据一信号自动地使离合器移动到用于使ICE脱离传动装置输入的位置。

21.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制机构包括：

致动器，它被配置成根据用于指示由电动机对车辆移动提供动力的工作模式的启动的信号，自动地使离合器移动到用于使ICE脱离传动装置输入的位置。

22.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统被配置成能够用ICE对所述电池充电。

23.如权利要求22所述的系统，其特征在于，能够用ICE对所述电池充电的配置包括：传动装置通过离合器啮合到ICE，以便通过离合器将来自ICE的动力机械地传送给电动机，使得所述电动机可用作发电机。

24.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述车辆包括空气压缩机，ICE驱动着空气压缩机以便将空气提供给车辆的刹车子系统的槽，并且其中电牵引系统包括：

辅助的空气压缩机，用于当ICE被关闭时在至少某些时刻向所述的槽提供空气；

辅助的空气电动机，用于驱动辅助的空气压缩机；以及

气压开关，它耦合到所述的槽以便根据低气压来开动辅助的空气电动机。

25.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述车辆包括液压流体泵，ICE驱动着液压流体泵以便将流体提供给车辆的操纵子系统，并且其中电牵引系统包括：

辅助的液压流体泵，用于当ICE被关闭时在至少某些时刻将流体提供给动力操纵子系统；

辅助的液压流体电动机，用于驱动辅助液压流体泵；以及

至少一个限制开关，耦合到操纵子系统以便根据操纵子系统的至少一个组件的位置而开动辅助的液压流体电动机。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，操纵子系统的至少一个组件包括操纵臂。

27.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传动装置具有外壳，所述外壳限定一种用于接入传动装置输入的端口，并且转移设备具有固定到传动装置外壳的外壳，使得转移设备啮合着传动装置输入以便转移电动机的旋转。

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