JP2007502234A - 電気機械連続可変トランスミッション - Google Patents

Abstract

本発明は、遊星ギアシステムを使用して車両または固定機器に電気力と機械力との組み合わせを提供する電気機械連続可変トランスミッション（ＥＭＣＶＴ）を含む。ＥＭＣＶＴは、エネルギー貯蔵部からのパワーをメインパワー入力（典型的にはエンジン）と組み合わせて、メインパワー入力だけから得られるトルク出力より大きいトルク出力を与えることを可能とする、クラッチおよびブレーキシステムを含む。

Description

本発明は、機械および電気パワーシステムを組み合わせた、車両推進システムまたは固定機器駆動として有用な駆動システムに関する。

電気駆動システムは一般的に大型車両または固定機器に使用されてきた。しかしながら、出入力速度比が増加するにつれて、電気モーターおよび発電機はもはや、その最適な動作速度で動作しない。このため、駆動の動作範囲上半分における駆動の全体効率が低減する。この問題は、複数のギアセッティングを設けてモーターおよび発動機をその最適な速度またはそれに近い速度で動作させ続けることにより克服し得るが、結果的に得られるトランスミッションの複雑さは電気駆動を使用する利点を損なう。

電気駆動システムの代替は、機械的に駆動されるシステムである。しかしながら、従来の機械駆動システムは不連続のギア比に限定され、電気駆動に見られるような無限速度比は不可能である。すべての出力速度におけるエンジンとトランスミッションとの間の相当量のパワー管理がトランスミッション有効性に必要である。不連続な速度比ゆえに、純粋な機械駆動はエンジンの有能電力の効率的な使用を確実にするには不十分であり、一方、純粋な電気駆動は本質的に、操作速度が高ければ高いほど効率はより低くなる。

燃料コストの増加およびより厳しい排気必要条件に伴って、従来の電気および機械駆動システムに代わる、大型および小型の車両ならびに固定機器用のより効率的な駆動システムが必要である。

本発明の目的は、電気および機械パワーシステムを組み合わせることにより、大型および小型車両ならびに固定機器に対してより効率的な駆動システムを提供することである。本発明のさらなる目的は、組み合わされた駆動システムの使用を最適化するためのトランスミッションシステムを提供することである。

本発明は遊星ギアシステムを使用して、車両または固定機器に電力および機械力の組み合わせを提供する電気機械連続可変トランスミッション（ＥＭＣＶＴ）を含む。ＥＭＣＶＴは、メインパワー入力（典型的にはエンジン）と結合させるようにエネルギー貯蔵部からのエネルギーを提携させて、メインパワー入力だけから得ることのできるトルク出力よりも大きいトルク出力を提供する、クラッチおよびブレーキシステムを含む。

ＥＭＣＶＴは、車両または固定装置の動作パラメータを拡大するための範囲分割器システムも含み得る。

ＥＭＣＶＴは、メイン出力シャフトの２つの端の間のパワー分布を制御するための回生操舵システムをさらに含み得る。

ＥＭＣＶＴは、トランスミッション出力がその最大速度のうち予め選択された割合で動作している場合は、電気ブランチをロックアウトして、すべてのパワーを機械ブランチを介するように動作する、電気ブランチ入力に連結されたロックアップブレーキをさらに含む。

ＥＭＣＶＴは前進および後進方向の両方に出力を提供できるが、オプションとしてメインパワー入力かメイン出力シャフトのいずれかにおいて連結される後進ギアシステムを含み得る。後進ギアシステムにより、ＥＭＣＶＴは前進方向と同じように電気的および機械的な構成要素を動作させつつ、後進方向に出力を提供することが可能である。

本発明そのものは、機構および動作の方法の両方ならびにそのさらなる目的および利点に関して、添付された図面と共に読むと、以下の詳細な説明からすぐに明らかになるであろう。

図１に示す電気機械連続可変トランスミッション（ＥＭＣＶＴ）は入力４０からのパワーを、発電機２２および電気モーター２４を使用する電気駆動ブランチ２０とシャフトおよび／またはギアを使用する並列機械駆動ブランチ２１との間で分割して、各ブランチからのパワーを単一のメイン出力に再結合させるように設計される。

図２にさらに詳細に示すように、サンギア１２、遊星ギア（単数、複数）１４、キャリア１６およびリングギア１８からなる単純な遊星ギアセット１０を使用して、内燃機関または他の主パワー源（図示せず）から引き出された入力４０からのパワーを、電気駆動ブランチ２０と機械駆動ブランチ２１との間で分割する。

６つの遊星エレメントの組み合わせが可能であるが、好適な実施形態はＳＲＣ構成、すなわち電気ブランチ２０に接続されたサンギア１２ギア、機械ブランチ２１に接続されたリングギア１８および入力４０に接続されたキャリア１６である（図１参照）。

電気駆動ブランチは、主発電機２２、主モーター２４で構成され、エネルギー貯蔵システム１００に接続される。エネルギー貯蔵システムはバッテリバンク１３０と、オプションのキャパシタバンク１４０と、インバータバンク１１０および１２０とコントローラ１５０とで構成される。パワーフローは通常、発電機２２およびモーター２４との間でコントローラ１５０によって導かれる。インバータ１１０および１２０は、発電機２２、モーター２４、バッテリバンク１３０およびキャパシタバンク１４０の種々のパワー特性（電流、電流タイプ、電圧、周波数）に適合する。バッテリバンク１３０は、入力４０からパワーを吸収する、または制動からエネルギーを吸収するという２つの方法の一方で充電され得る。

コンバイナギアセット２８は、メイン出力シャフト２６に電気ブランチ２０を連結する。コンバイナギアセット２８は１対のスパーギアとして示されるが、遊星ギアセット（図３および図４に示されるような）は、より高度なパワー制御システムにも使用され得る。この地点において電気ブランチ２０からのパワーが、機械ブランチ２１からのパワーと組み合わされる。

機械駆動ブランチ２１は、遊星ギアセット１０のエレメントの１つをメイン出力シャフト２６に直接接続する簡単なシャフトとして示されるが、トランスミッションの物理的レイアウト必要条件に対応するためのシャフトおよびギアのより大規模なアセンブリであり得る。

図１に示すいくつかのブレーキおよびクラッチは、機械的ブランチ２１および電気ブランチ２０間のパワー分布の種々の局面を制御するのに使用され得る。ロックアップブレーキ８０は、遊星ギアセット１０の電気出力エレメント（ＳＲＣ構成におけるサンギア１２）をアース端子に対して選択的に接続／切断して、遊星ギアセット１０のそのエレメント
がいかなるパワーも伝達することを防止する。

発電機入力クラッチ１６０は、遊星ギアセット１０の電気出力エレメントを、主発電機２２に対して選択的に接続／切断する。入力クラッチ１６０を係合して、遊星ギアセット１０の電気出力エレメント（ＳＲＣ構成におけるサンギア１２）を接続させることにより、主発電機２２は、遊星ギアセット１０からのパワーを吸収することも可能である。

発電機出力クランチ１７０は、コンバイナギアセット２８に／から主発電機２２を選択的に接続／切断する。これにより、発電機２２は主モーター２４により与えられたパワーをコンバイナギアセット２８に補充することが可能である。

機械駆動クラッチ９０は、遊星ギアセット１０の機械出力（ＳＲＣ構成におけるリングギア１８）を機械ブランチに／から選択的に接続／切断する。

分割速度クラッチ１８０は、遊星ギアセット１０の２つのエレメントを選択的に共にロック／ロック解除して、そのエレメント間のいかなる差動速度も阻止する。一定の動作モード中は、遊星ギアセット１０の３つのエレメント（サン１２、リング１８、キャリア１６）をすべて、共にロックすることが望ましい。図１においては、分割速度クラッチ１８０はキャリア１６とサンギア１２の間に位置付けられる。クラッチ１８０は代替的に、サンギア１２とリングギア１８の間またはリングギア１８とキャリア１６の間に位置付けられ得る。

分割速度クラッチ１８０に電圧を印加することにより、キャリア１６とサンギア１２を共にロックする。遊星ギアセット１０の性質上、リングギア１８は他の２つのエレメントと同じ速度で回転される。反作用トルクはいまや、３つのエレメントのうちの２つで要求されるだけで、遊星ギアセット１０はいまや３つの入力／出力間の堅固な連結部として作用する。このように遊星ギアセット１０をロックする能力が、「バースト」モードならびに下述のエンジン始動モードに要求される。

エネルギー貯蔵システム
エネルギー貯蔵システム１００を電気ブランチ２０に組み込むことは、２つの点でトランスミッションの性能および効率を高めることができる。すなわち、従来の機械的な方法による制動時に通常、損失したエネルギーが後の使用のために回復され得るということと、ピークエンジンパワーが加えられるのと同時にシステム１００に貯蔵されたエネルギーがトランスミッション出力２６に加えられ、エンジンだけで可能な限り高いパワー出力を生じ得るということである。

メイン出力２６における低パワー要求の期間中は、入力４０でエンジンから引き出されるパワーの一部は、発電機２２を使用してそれを電力に変換しながら、コントローラ１５０によってバッテリバンク１３０に導かれる。エンジン出力パワーは、余分なパワー要求に対応するようにわずかに増加されなければならないことになる。充電のための具体的な必要条件は、種々の動作モードについて述べる際に論じる。

制動動作時では、通常、従来のブレーキによって吸収されるエネルギーは、トランスミッションを介してエンジン（エンジン制動）に導かれ戻され得る。モーター２４は発電機として機能し、発電機２２はモーターとして機能する。通常は発電機２２に流れて戻るパワーは、コントローラ１５０によりバッテリバンク１３０に迂回させられ得る。重い、または長い制動状態下では、バッテリ充電量または全容量を超え得る。これらの条件下では、過剰パワーはエンジンに戻されるか、またはバッテリバンク１３０よりもはるかに高い充電量を有するキャパシタバンク１４０に導かれる。制動要求が停止すると、キャパシタ
バンク１４０に貯蔵されたエネルギーを使用して、バッテリバンク１３０を充電し得る。種々の制動手法は以下でより詳細に述べる。

高要求時には、バッテリバンク１３０からのパワーを使用して、入力４０においてエンジンから引き出されたパワーに補充を行い得る。その結果、エネルギーは、平均的な動作条件を満たしつつ、比較的高い性能ピークもなお得られ得る、より経済的なサイズに低減され得る。この「ブースト」モードについては、以下の前進動作モードで述べる。

レイアウト
ＥＭＣＶＴ中心部は、これに限定されないが、３つの基本レイアウトで示される。

図１は、２つの出力を有する並列シャフト配置を示す。遊星ギアセット１０は、メイン出力シャフト２６の回りに同軸上に配置され、主発電機２２および主モーター２４はメイン出力シャフト２６に平行なシャフトに配置される。入力４０は別個の平行シャフトを使用する。入力４０は代替的にはメイン出力シャフト２６に直交するシャフトを使用して、ベベルギアセット（図示せず）を介して遊星ギアセット１０への入力を駆動し得る。平行シャフト配置は、これに限定されないが、トランスミッションの幅が問題であるが、主要構成要素が垂直または前から後ろに積み重ねられ得る用途に適している。一例は、トラック間で限定された幅を有する軌道車用の駆動であろう。

図３は、２つの出力と平行シャフト入力を有する同軸シャフト配置を示す。ここでは、別に位置付けられるエネルギー貯蔵システム１００を除いて、電気ブランチ２０および機械ブランチ２１の構成要素はメイン出力シャフト２６の回りに同軸上に配置されている。コンバイナギアセット２８は遊星ギアセットである。入力４０はメイン出力シャフト２６に平行なシャフトを使用する。入力は代替的にメイン出力シャフト２６に直交するシャフトを使用して、ベベルギアセットを介して遊星ギアセット１０への入力を駆動し得る。同軸の二重の出力配置は、これに限定されないが、幅の制約がほとんど、またはまったくない、比較的コンパクトなトランスミッションを必要とする用途に適している。一例は、トラバースエンジンを利用した前輪駆動車両であろう。

図４は、１つの出力および同軸入力シャフトを有する同軸シャフト配置を示す。パワー入力４０はメイン出力シャフト２６の一方の端に設置され、出力には一方の端のみを残す以外は、構成要素は図３に示すように配置される。この配置は、長くて幅の狭い駆動室に適した長くて幅の狭い直列型パワートレーンを作る。この一例は、従来のフロントエンジン、後輪駆動車両であろう。

動作
図１および図８を参照して、動作のいくつかのモードが可能であるが、５つの前進パワーモード、３つの後進パワーモードおよび４つの制動モードが有用であると思われる。典型的なデューティサイクル時においては、トランスミッションは有効モード間で数回切換えられ、効率性および出力パワーを最適化し得る。

トランスミッションの動作モードは、各モードに対するエンジン、クラッチおよびブレーキ設定と共に図８の表に記載される。これらのモードは、前進、後進、制動およびエンジン始動の４つのカテゴリに分けることできる。

前進動作：
動作の５つのモードが出力の前進回転、すなわち前進車両運動に有効である。すべてのモードがＥＭＣＶＴの任意の所定用途に対して有効である必要はない。

前進完全電気モード：
前進完全電気モードでは、発電機出力クラッチ１７０が係合される。主発電機２２および主モーター２４は両者ともモーターとして機能し、キャパシタおよびバッテリバンク１４０、１３０に貯蔵されたエネルギーを引き出す。いかなるエンジンパワーも入力４０から引き出されず、主要パワー源（エンジン）はアイドリングすることが可能であり得るか、または完全に遮断し得る。このモードは、初期起動およびおよび高速への高加速時などの短期間の高トルク出力に使用されるのが最善である。電気モードはまた、キャパシタバンク１４０およびバッテリバンク１３０をドレインする。

前進完全電気＋エンジンモード（「バースト」モード）：
「バースト」モードにおいて、エンジンは動作しており、機械駆動クラッチ９０、発電機出力クラッチ１７０および分割速度クラッチ１８０はすべて係合される。主発電機２２および主モーター２４は両者ともモーターとして機能し、キャパシタおよびバッテリバンク１４０、１３０に貯蔵されたエネルギーを引き出す。エンジンパワーが入力４０から引き出され、遊星ギアセット１０（すべてのエレメントは分割速度クラッチ１８０によりロックされている）および機械駆動クラッチ９０を介して出力シャフト２６に直接送られる。このモードは、メイン入力４０だけから得られる出力を超える、短期間（バースト）の最大トルク出力を提供するのに使用される。バーストモードはまた、キャパシタバンク１４０およびバッテリバンク１３０をドレインする。

前進節約モード：
節約モードでは、いずれのクラッチも係合されない。主モーター２４のみを使用して、メイン出力シャフト２６にパワーを供給する。エネルギーはキャパシタおよびバッテリバンク１４０、１３０から引き出され、モーター２４にパワーを供給する。いかなるエンジンパワーも入力４０から引き出されず、主パワー源（エンジン）は、アイドリングまたは最大燃料節約のために完全に遮断することが可能である。このモードの動作期間は、バッテリおよびキャパシタバンク１３０、１４０の容量によって決定される。このモードは、燃料節約を最大にする、および／または最小騒音レベルで動作するために使用される。

前進並列モード：
並列モードでは、電気駆動クラッチ９０および発電機入力クラッチ１６０が係合され、エンジンは動作している。主パワー源によって提供されるパワーはＥＭＣＶＴの入力４０から引き出され、機械ブランチ２１と電気ブランチ２０との間で分割される。遊星ギアセット１０は固定比に従って入力トルクを分けるので、パワーは各ブランチに接続された特定エレメントの速度に従って分割される。最初は、機械ブランチ２１は出力シャフト２６に直接接続されているので回転しない。主発電機２２は、その速度上限近くに回転される。主発電機２２は、コントローラにより主モーター２４に導かれる電力を生成する。その後、主モーター２４は出力シャフト２６を回転させる。モーター２４および発電機２２の電流／周波数特性を調整することにより、電気ブランチ２０の効果的なギア比を変化させる。ＥＭＣＶＴ速度帯の下半分では、パワーは主に電気的に移送される。

出力速度が増すにつれて、機械ブランチ２１の速度も増す。入力速度は一定に維持されているので、主発電機２２の速度は低減しなければならない。そうするには、電流／周波数特性を調整して主モーター２４によってコンバイナギアセット２８に供給されるパワーを低減することにより、電気ブランチ２０の効果的なギア比を変更する。その最終結果としては、入力パワーのより多くが機械的に送られ、電気的にはより少ないパワーが送られる。

最後に、ＥＭＣＶＴの速度範囲の上端近くでは、主発電機２２はほとんど回転せず、入力４０からのパワーはほとんどもっぱら機械ブランチ２１を介して出力２６に送られる状
態で、電気ブランチ２０においては非常に低いパワーレベルを生成する。理想的には、主発電機２２は完全に回転を停止して、維持トルクだけが対応する遊星ギアセット１０エレメントに対して生成される。以下の「完全機械」モードでは、ＥＭＣＶＴ動作のこの固有の段階がどのように達成されるかについて述べる。

ＲＰＭ範囲の中間段階では、少量の電力（およそ１０％）が主モーター２４から迂回され、バッテリバンク１３０を充電するのに使用可能である。上述のように、貯蔵エネルギーは後に動作の他のモードにおいて有効である。

並列モードは、大部分のＥＭＣＶＴ用途の動作の主要モードであり、可変出力速度、すなわち従来の駆動に対する中程度のパワー要求期間用に設計されている。並列モードにより、より小さい、より効率的な主パワー源（エンジン）の使用がクルーズパワーに適合し、また従来の（非並列）ハイブリッド内燃機関／電気駆動に比べるとバッテリ／キャパシタバンクのサイズを低減することが可能である。

前進完全機械モード：
機械モードは並列モードの延長である。上述のように、並列モードでは、ＥＭＣＶＴの速度範囲の上端で主発電機２２はほとんど回転せず、理想的には停止するはずである。現在のモーター／発電機技術の制約により、発電機２２をゼロ速度に維持することは実行不可能である。完全機械モードでＥＭＣＶＴを動かすためには、ロックアップブレーキ８０を導入して、電気出力エレメント（ＳＲＣ構成におけるサンギア１２）をアース端子、典型的にはトランスミッションの外側ケーシングに対してロックすることにより、遊星ギアセット１０に対する必要なトルク反作用を提供する。その結果、発電機２２はロックアウトされ、機械ブランチ２１がすべてのパワーを出力シャフト２６へ供給する責任を担う。それ以外は、動作は並列モードと同じである。機械モードは、ＥＭＣＶＴが一定期間、最大速度近くまたは最大速度で動作しているときに使用するように設計される。

後進動作：
３つのモードの動作は出力の後進回転に対して有効である。前進バーストモードおよび機械モードに相当するものは、後進動作では有効でない。前進モードの全範囲が後進動作に必要であれば、オプションのギア後進がトランスミッションの入力４０に取り付けられ得る。本セクションの次の「オプション構成要素」を参照されたし。

後進完全電気モード：
発電機出力クラッチ１７０は上記で前進電気モードについて説明したように係合される。相違点は、発電機２２およびモーター２４が逆方向に動かされ、後進出力を行使する。電気モードは、高トルクが必要な短時間の後進動作に使用される。

後進節約モード：
節約モードでは、上記で前進節約モードについて説明したように、すべてのクラッチが解除される。主モーター２４は逆に動かされ、後進出力を行使する。節約モードは、低パワー要求の短期間の後進動作に使用可能である。

後進並列モード：
並列モードでは、上記で前進並列モードについて説明したように、機械駆動クラッチ９０および発電機入力クラッチ１６０が係合される。主パワー源（図示せず）によって与えられるパワーは、ＥＭＣＶＴの入力４０から引き出され、機械ブランチ２１と電気ブランチ２０との間で分割される。並列モード中に後進出力速度を行使するには、主モーター２４を使用してメイン出力シャフト２６を逆転する。機械ブランチ２１（従って、メイン出力シャフト２６）に接続された遊星ギアセット１０のエレメントはその通常（前進モード
）の方向とは反対に回転される。入力４０および電気ブランチ２０（主発電機２２）に接続された遊星ギアセット１０のエレメントは、前進モードと同じ方向に回転する。遊星ギアセット１０の各エレメントに加えられたトルクは前進モードと同じ方向なので、機械ブランチ２１における結果として生じる負のパワーフローは、電気ブランチ２０におけるパワーフローを増加させることにより補われなければならない。並列モードにおける逆方向の同じ出力速度のためには、電気ブランチ２０は前方向よりも多量のパワーを渡さなければならない。電機ブランチ２０の構成要素は、容量を増加するか、後進を制限して中程度の速度にまで落とすかのいずれかを行わなければならない。このモード中は、バッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０の充電が行われ得る。

並列モードは後進方向のための主動作モードであり、種々の低から中程度の出力速度に対する中程度のパワー要求が行われる長期間の後進動作に使用され得るか、またはバッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０にエネルギーがほとんど、またはまったく貯蔵されていない場合に使用され得る。

制動動作：
従来のトランスミッションを上回るＥＭＣＶＴの重要な利点は、回生制動−後で使用するための制動エネルギーの回復および貯蔵−の使用という点である。従来の制動（減速）システムは、車両またはマシーンから運動エネルギーを取り除き、熱としてそれを消散させることにより速度を低減する。これらの従来のシステムは、機械、油圧または電磁制動システムからなり得る。ＥＭＣＶＴは、運動エネルギーを取り除き、それをバッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０に電気／化学エネルギーとして貯蔵する。さらなる制動力がトランスミッションにより与えられることができるので、設計全体に組み込まれた従来の制動システムのサイズは大幅に低減され得る。機械制動システムが構成のいずれにも示されていないが、所望に応じて付加し得ることに注意する。

必要とされる制動力およびバッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０の充電の状態によって、４つの制動モードが有効である。

制動−最大回生：
最大回生制動では、発電機入力クラッチ１６０および発電機出力クラッチ１７０は係合される。入力４０（エンジン）はいかなるパワーも加えたり、吸収したりせず、事実上遮断され得る。主モーター２４および主発電機２２は両者とも、バッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０を充電する発電機として機能する。バッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０が完全に充電されるまで、多量の運動エネルギーがトランスミッション出力２６から吸収される。このモードでの制動能力はバンク１３０、１４０により吸収されることができるエネルギーの量によって制限される。この点において、従来の制動システムか完全エンジン制動（下記で述べる）のいずれかを使用しなければならない。

最大回生制動は、車両におけるパニック停止などの短期間の高制動負荷時または固定機器の緊急遮断時に使用される。

制動−軽い回生：
軽い回生制動では、クラッチはいずれも係合されない。主モーター２４だけが発電機として機能する以外は、エネルギーは上記の最大回生モードで説明したように処理される。上述のように、バッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０の容量により、吸収される制動エネルギーの量が制限される。

軽い回生モードは前進または後進における「節約モード」と交互に行われる短期間の低から中程度の制動時に使用される。一例は、「ストップアンドゴー」トラフィック（交通
渋滞）で運行する車両であろう。

制動−並列：
並列制動モードでは、機械駆動クラッチ９０がロックされ、エンジン入力４０と電気ブランチ２０との間でパワー分割が生じる。その結果、トランスミッション出力２６から吸収される運動エネルギーも分割可能である。エネルギーの一部は、上述のように変換され、バッテリ／キャパシタバンク１３０／１４０により貯蔵可能であり、残りはエンジンにより吸収／消散される（従来のエンジン制動と同じように）。

並列モードは、これに限定されないが、吸収／消散されるべき制動エネルギーがバッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０の貯蔵容量を超える状況に最も適している。この一例は、著しく急な坂道を下る重い車両を制御することであろう。

制御−完全エンジンモード：
完全エンジン制動モードでは、機械駆動クラッチ９０および発電機入力クラッチ１６０に加えてロックアップブレーキ８０が係合される。従来のエンジン制動と同様にエンジンだけで運動エネルギーがトランスミッション出力２６から吸収され、消散される。バッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０が満杯で、かつ最大制動が必要とされる場合に、このモードが適用される。

エンジン始動：
上記のように、トランスミッションのデューティサイクルは、異なるモードを通して何回もサイクルすることを要求し得る。最大燃料節約を実現するために、主パワー源（エンジン）は、それが必要とされないモード（回生制動に関する完全電気および節約モード）中は、遮断されるべきである。これは特に主パワー源がたまたま内燃機関である場合に当てはまる。当然、主パワー源はその後、始動または再開され、他の動作モードの１つになることが必要である。

従来のエンジンスターターモーターを使用することが可能であるが、これは２つの欠点を有する。すなわち、エンジンはその動作速度近くで開始できないことと、スターターモーターはエンジンの再開の高周波数に必要なデューティサイクルを有さないことである。主発電機２２をエンジンの始動モーターとして使用することにより、余分な構成要素を加えず、エンジンはその必要な動作速度近くにおいてクランクで始動させることができ、これは排出を低減し、燃料節約を高める。

始動−出力停止：
メイン出力シャフト２６を停止した状態で、発電機入力クラッチ１６０および分割速度クラッチ１８０が係合される。主発電機２２はモーターとして機能し、バッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０から貯蔵されたエネルギーを引き出す。他のすべてのブレーキおよびクラッチは解除されているので、主発電機２２は、そのエレメントが分割速度クラッチ１８０によって共に係合されている遊星ギアセット１０を介してエンジンを回転させることができる。エンジンが一旦動作すると、分割速度クラッチ１８０は解除され、前進／後進モードのいずれかになる。

始動−進行中出力
ＥＭＣＶＴは最初、エンジンがオフ状態であり、出力シャフト２６が動いている、表１に挙げられた前進／後進モードのうちの１つである状態から、発電機入力クラッチ１６０と分割速度クラッチ１８０が係合される。主発電機２２はエンジン用の始動モーターとして動作する。エンジンが一旦動作すると、トランスミッションは、エンジンがオン状態である図８に挙げられる前進／後進モードの１つに切換えられる。

代替的には、ＥＭＣＶＴは、前進または後進並列モードのいずれかで動作し、バッテリ／キャパシタバンク１３０、１４０に貯蔵されたエネルギーを使用して、出力シャフト２６へのパワーを維持すると共に、エンジンを始動するためのエネルギーを提供することが可能である。

オプション構成要素
ギア逆転器：
「後進動作」のセクションにおいて述べているように、通常は前進モードの全範囲が後進では有効というわけではない。これは、ほとんどの従来の車両および後進動作に対する性能要求が非常に低いかまったく要求されない産業用途に適している。しかしながら、用途によっては逆方向の動作（すべての制動モードを含む）にすべての前進モードを要求する場合もある。この問題に対する簡単な解決は、ＥＭＣＶＴの入力４０か出力２６のいずれかにギア逆転器を取り付けることである。

図９に示すようにトランスミッションの入力４０に逆転器１９０を設置することで、簡単に入力４０の下流の構成要素すべての方向を逆にする。すべての速度およびトルク方向が逆にされるので、いかなるブランチでも負のパワーフローがない。トランスミッションは前進モードのいずれかを使用するが、後進出力回転で動作することになる。

代替（図示せず）としては、出力２６に逆転器１９０を設置することである。その結果、トランスミッション構成要素は最終出力方向に関係なく一方向にだけ回転する。出力逆転器の主な欠点は、トランスミッション入力４０に取り付けられる逆転器と比べると、逆転器構成要素にかかるより高いトルク必要条件である。その結果生じるサイズと重量の増加によって、入力逆転器を選択する方が良いことになる。トランスミッションはトランスミッション入力において得ることができるトルクを増加させるように機能するので、出力２６に取り付けられる逆転器は入力４０に取り付けられる逆転器よりもはるかに強力でなければならない。その結果、重量と複雑性が増し、出力逆転機はその大部分の用途に適さないことになるであろう。

範囲分割器：
現在の発電機／モーター技術の制約のために、範囲分割器またはダブラーがメイン出力シャフト２６において組み込まれ、トランスミッションの動作用エンベロープを増加させ得る。図５は、遊星ギアセット３０と、低速クラッチ３２および高速クラッチ３４とに基づいた２速度範囲分割器を有する並列シャフトＥＭＣＶＴを示す。２速度範囲分割器はほとんどの用途に適するが、３（またはそれ以上）速度範囲分割器もまた必要であれば組み込むことが可能である。

回生操舵システム：
ＥＭＣＶＴを使用して２つの出力を有する軌道車両を駆動する場合、正確な操舵は、図６に示す回生操舵システムで達成され得る。一方の出力が他の出力よりゆっくり回転する必要がある場合は、従来のブレーキーツーステア（ｂｒａｋｅ−ｔｏ ｓｔｅｅｒ）システムのように熱として徐々にパワーを減少させていくのではなく、パワーはゆっくり側から速い側に移送される。

操舵発電機５４は直接トランスミッションの入力４０によって、または入力４０によって遊動輪を介してかのいずれかで駆動される。パワー分割が出力間で等しい場合は、ゼロシャフト５８が操舵モーター５６により回転されるのを防止し、操舵遊星６０の出力は同じ速度で回転する。より多くのパワーが他方より一方の出力を速く回転させることが必要な場合は、操舵モーター５６は、ゼロシャフト５８を一方または他方方向に回転させて、
操舵遊星６０の出力の相対速度を変化させる。代替的には、バッテリ／キャパシタバンク１３０／１４０、主発電機２２、主モーター２４またはこれらのエレメントからの組み合わせから操舵モーター５６にパワーを供給して、操舵発電機５４を省略し得る。

ＥＭＣＶＴの別の大きな利点は、図１および図３に示すように構成されたシステムが、共通の出力シャフト２６を介してトランスミッションの両端での駆動出力を可能することである。これは特に、トラックおよび／または差動装置などの２つの駆動に対して二重出力シャフトを必要とする車両または固定機器に有用である。さらに、出力の一方または両方が係合または解除されて、複数の出力駆動用に構成された場合の移送ケースの必要性をなくすことができる。

ＥＭＣＶＴの速度は、任意の従来の方法で制御可能であるが、前進または後進並列モードのいずれかで動作する際に、出力速度とともにパワー分割を最もうまく最適化するには電子制御システムが好適である。さらに、電子制御システムはまた、オプションの範囲分割器および回生操舵システムならびに上述の種々のクラッチおよびブレーキのための制御手段も含むことができる。

従って、本発明は例示的な実施形態を参照して説明されたが、かかる説明は限定的な意味に解釈されることを意図しない。例示的な実施形態の種々の変更ならびに本発明の他の実施形態は、かかる説明を参照すれば当業者には明らかであろう。故に、添付された請求項は、本発明の範囲内に収まるような、いかなる変更または実施形態をもその範囲に含むことが考えられる。

２つの出力と並列シャフト構成とＳＲＣ遊星ギアセットを有するＥＭＣＶＴのブロック図である。 ３遊星の遊星ギアセットの概略図である。 ２つの出力と同軸シャフト構成とＳＲＣ遊星ギアセットとを有するＥＭＣＶＴのブロック図である。 １つの出力と同軸シャフト構成とＳＣＲ遊星ギアセットとを有するＥＭＣＶＴのブロック図である。 ２速範囲ダブラーを有する図１のＥＭＣＶＴのブロック図である。 回生操舵システムを有する図１のＥＭＣＶＴのブロック図である。 ２速範囲ダブラーと回生操舵システムを有する図１のＥＭＣＶＴのブロック図である。 ＥＭＣＶＴの種々の動作モードのエンジン、ブレーキおよびクラッチ構成を記載する表である。 パワー入力に連結されたギア逆転器を有する図１のＥＭＣＶＴのブロック図である。

Claims (15)

1. 電気機械連続可変トランスミッションであって、
   （ａ）遊星ギアセットと、
   （ｂ）発電機と電気モーターとエネルギー貯蔵部とを有し、入力は前記遊星ギアセットの第１のエレメントに連結され、出力は前記トランスミッションのメイン出力シャフトに連結された電機ブランチと、
   （ｃ）入力は前記遊星ギアセットの第２のエレメントに連結され、出力は前記メイン出力シャフトに連結された機械ブランチと、
   （ｄ）前記遊星ギアセットの第３のエレメントに連結されたメインパワー入力と、
   （ｅ）前記発電機の出力に連結され、前記メイン出力シャフトに／から前記発電機の前記出力を選択的に接続／切断するように動作する発電機出力クラッチと、
   （ｆ）前記機械ブランチの前記出力に連結され、前記メイン出力シャフトに／から前記機械ブランチの前記出力を選択的に接続／切断するように動作する機械駆動クラッチと、
   を含む、電気機械連続可変トランスミッション。
2. 前記遊星ギアセットの任意の２つのエレメントを共にロックするように動作する遊星分割速度クラッチであって、前記発電機出力クラッチと機械駆動クラッチと遊星分割速度クラッチは、係合されると、前記エネルギー貯蔵部に貯蔵されたパワーを前記メインパワー入力からのパワーと結合させて、前記トランスミッションが前記メインパワー入力だけを使用して得ることのできるトルクレベルを上回るトルクレベルで動作できるブーストモードを可能とするように動作する、遊星分割速度クラッチをさらに含む、請求項１に記載のトランスミッション。
3. 前記エネルギー貯蔵部はバッテリのバンクからなる、請求項１に記載のトランスミッション。
4. 前記エネルギー貯蔵部はキャパシタのバンクとバッテリのバンクとからなる、請求項１に記載のトランスミッション。
5. 前記発電機からのパワー出力が、前記エネルギー貯蔵部を充電するのに使用されることが可能なように動作する、前記発電機に連結された発電機出力クラッチをさらに含む、請求項１に記載のトランスミッション。
6. 前記発電機入力クラッチもまた、前記発電機がパワーを与えて、前記メインパワー入力に連結されたエンジンを始動することを可能とするように係合できる、請求項１に記載のトランスミッション。
7. 前記電気ブランチに連結されたロックアップブレーキをさらに含み、前記ロックアップブレーキは前記メイン出力シャフトへのすべてのパワーを前記機械ブランチにより駆動させるように前記電気ブランチをロックするように動作する、請求項１に記載のトランスミッション。
8. 前記出力シャフトに連結されて、前記トランスミッションの２つ以上の別々の動作範囲を可能とする、範囲分割器をさらに含む、請求項１に記載のトランスミッション。
9. 前記出力シャフトに連結され、前記トランスミッションための２つ以上の別個の動作範囲を可能とする範囲分割器をさらに含む、請求項１に記載のトランスミッション。
10. 前記メイン出力シャフトを使用して前記メイン出力シャフトの２つの端に駆動力を与え
    る際に、出力端の間でパワーを分割するように動作する回生操舵システムをさらに含む、請求項１に記載のトランスミッション。
11. 前記電気ブランチは前記メイン出力シャフトに平行なシャフトの回りに配置される、請求項１に記載のトランスミッション。
12. 前記電気ブランチは前記メイン出力シャフト回りに同軸に配置される、請求項１に記載のトランスミッション。
13. 前記電気ブランチは、前記メイン出力シャフトの回りに同軸に配置され、前記メインパワー入力は前記メイン出力シャフトの一方の端にある、請求項１に記載のトランスミッション。
14. 前記トランスミッションの出力方向を逆にする、前記メインパワー入力に連結された後進ギアシステムをさらに含む、請求項１に記載のトランスミッション。
15. 前記トランスミッションの出力方向を逆にするように動作する前記メイン出力シャフトに連結された後進ギアシステムをさらに含む、請求項１に記載のトランスミッション。

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