JP2009522167A - ハイブリッド車両およびその組み立て方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ヒートエンジンと、入力部および出力部を含む変速機と、電気装置とを含むパラレルハイブリッド車両を提供する。
【解決手段】ヒートエンジンによって生成されたトルクの実質的に全てが変速機を通して電気装置に付与されるように、変速機の入力部はエンジンに連結され、変速機の出力部は電気装置に連結される。また、差動装置があり、動作の第１のモードの間、電気装置がエンジンによって生成されたトルクの実質的に全てを変速機を通して受けるモータとして機能するように、動作の第２のモードの間、電気装置が車両によって生成されたトルクの実質的に全てを差動装置を通して受ける発電機として機能するように、電気装置は差動装置に連結される。
【選択図】図３

Description

本発明は、広く車両に関し、より具体的には、ハイブリッド車両およびハイブリッド車両を得るために既知の車両を改良する方法に関する。
図１は、重量トラックあるいはバスに使用することができるような、従来の車両用の知られたパワートレインを示す。図２は、エンジンと変速機との間に連結される既知の電気駆動システムを含む、パラレルハイブリッド車両を示す。本機構の電気駆動システムは、しばしば、一体型スターターオルタネータ（ＩＳＧ）あるいはマイルドハイブリッドと称され、車両の加速開始および登坂開始の間、電気的トルクを付与するエンジンクランキングの機能を備え、Ｓｔａｒｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ， ａｎｄ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ（ＳＬＩ）用バッテリをチャージするオルタネータとして使用することもできる。
欧州特許出願公開第１５７７１３９Ａ号 米国特許出願公開第２００６／０００６５０号 米国特許出願公開第２００３／０８５５７７号
知られているように、ハイブリッド車両は、燃料効率を主とする多くの利点を提供する。しかしながら、ハイブリッド車両は、燃料効率を達成するため、エンジンと共に機能する上記記載の電気駆動システムのような追加的構成要素も含む。既知のハイブリッド車両の複雑度が高いため、車両はもともと、電気駆動システムがエンジンシステムと一体的に形成されるように製造されている。具体的には、製造中、ハイブリッド車両を製造するため、少なくとも１つの既知のハイブリッド車両の電気駆動システムは、エンジンと変速機との間に連結される。
したがって、従来の車両を、エンジンと変速機との間に連結された電気駆動システムを含めるように改良するには、莫大なコストを要し、空間は限定される場合がある。結果、従来の車両はハイブリッド車両の燃料効率を達成することができず、よって、車両の動作に係るコストダウンからも利益を受けることができない。
１つの態様で、車両が提供される。車両は、ヒートエンジンと、入力部および出力部を含む変速機と、電気装置とを含む。ヒートエンジンによって生成されたトルクの実質的に全てが変速機を通して電気装置に付与されるように、変速機の入力部はエンジンに連結され、変速機の出力部は電気装置に連結される。また、差動装置があり、動作の第１のモードの間、電気装置がエンジンによって生成されたトルクの実質的に全てを変速機を通して受けるモータとして機能するように、電気装置は差動装置に連結され、動作の第２のモードの間、電気装置が車両によって生成されたトルクの実質的に全てを差動装置を通して受ける発電機として機能するように、変速機の出力トルクは電気モータによって生成されたトルクと合わさって差動装置に付与される。
別の態様で、車両の改良方法が提供される。車両は、ヒートエンジンと、エンジンに連結された変速機と、差動装置と、変速機と差動装置との間に連結された少なくとも１つのドライブシャフトとを含む。該方法は、電気モータがエンジンによって生成されたトルクの実質的に全てを受けるように、および、差動装置がエンジンおよび電気モータによって生成されたトルクの実質的に全てを受けるように、少なくとも１つのドライブシャフトを切り離す工程と、エンジンと差動装置との間に電気モータを連結する工程とを含む。
図３は、例えば重量トラックのような、パラレルハイブリッド車両１０を示す。本明細書で使用される車両は、第１の場所から第２の場所へオペレータを移動するために利用可能な広範な種類の任意の装置を意味し、例えば、トラック、バス、自動車およびオフロード車両などを含み得る。車両１０は、ヒートエンジン１２と、エンジン１２に連結された変速機１４と、差動装置１６と、変速機１４および差動装置１６の間に連結された少なくとも１つのドライブシャフト１８とを含む。車両１０は、差動装置１６の両端に連結された少なくとも２つの車輪２０も含む。１つの実施形態で、車両１０は、差動装置が車両１０の後方端部の近くに配置され、したがって車輪２０の少なくとも１つを駆動するように、後輪駆動車両として構成される。車両１０は、適宜、前輪駆動車両として構成される。
例示的実施形態で、ヒートエンジン１２は、内燃ガソリンエンジン、内燃ディーゼルエンジン、外燃エンジンおよびガスタービンエンジンの少なくとも１つを使用して実装することができる。
図３に示されるように、車両１０は、変速機１４と差動装置１６との間に連結された電気モータ／発電機３２のような電気装置を少なくとも１つ含むハイブリッド駆動システム３０と、モータ／発電機３２に電気的に連結された電気モータ駆動エネルギー管理制御システム（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｓｙｓｔｅｍ）（ＥＭＤＥＭＣＳ）３４と、ＥＭＤＥＭＣＳ３４に連結されたエネルギー貯蔵システム３６と、ＥＭＤＥＭＣＳ３４およびエネルギー貯蔵システム３６の両方に連結された車両システム制御部（ＶＳＣ）３８とを含むハイブリッド駆動システム３０も含む。例示的実施形態で、エネルギー貯蔵システムは、限定はされないが、ナトリウム塩化ニッケル電池、ナトリウム硫黄電池、燃料電池、ニッケルメタルハイブリッド電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、ニッケルカドミウム電池、および／または共に直列または並列に接続された鉛蓄電池のような複数のバッテリを備える。
１つの実施形態で、電気モータ／発電機３２は変速機１４に直接連結され、車両１０は、モータ／発電機３２を差動装置１６に連結するための少なくとも１つのドライブシャフト１８を含む。別の実施形態で、電気モータ／発電機３２は差動装置１６に直接連結され、車両１０は、モータ／発電機３２を変速機１４に連結するための少なくとも１つのドライブシャフト１８を含む。例示的実施形態では、図３で示されているように、車両１０は、第１のドライブシャフト４０と、第２のドライブシャフト４２と、モータ／発電機３２を変速機１４と差動装置１６との間に連結することを可能にするための複数のユニバーサルジョイント４４とを含む。
具体的には、第１のドライブシャフト４０は、少なくとも２つのユニバーサルジョイント４４を使用して、変速機１４とモータ／発電機３２との間に連結され、第２のドライブシャフト４２は、少なくとも２つのユニバーサルジョイント４４を使用して、モータ／発電機３２と差動装置との間に連結される。したがって、車両が動作の第１のモードで動作しているとき、電気装置３２は、エンジン１２によって生成されたトルクの実質的に全てを変速機１４を通して受けるモータとして機能し、動作の第２のモードの間、電気装置３２が車両１０によって生成されたトルクの実質的に全てを差動装置１６を通して受ける発電機として機能するように、変速機の出力トルクは電気モータによって生成されたトルクと合わさって差動装置に付与される。本明細書で使用されるトルクの実質的に全てという表現は、典型的システムで発生する小さな機械的損失や電気的損失、例えば支承や摩擦などによって生じる内部損失などを示すことなしに、エンジンまたは変速機によって生成された公称トルクを意味する。
さらに、例示的実施形態は、変速機１４と差動装置１６との間に連結された電気装置３２を含む車両を示すが、車両１０が、例えば差動装置１６の代替となるような単ホイール車軸を含んでよいことは理解されるべきである。よって、例示的実施形態の電気装置３２は、駆動部、つまり、変速機１４に連結されたエンジン１２と、被駆動部、つまり、差動装置１６あるいは単軸との間に連結される。電気装置３２は、走行状態が選択されている間、電気装置３２の一部分を駆動系統から切り離すのに使用可能なクラッチ（図示せず）を適宜含む。例えば、車両１０が高速道路上を動作しているとき、オペレータは燃料効率を最大限にすることを可能にするために、電気装置３２を駆動系統から切り離すことを選ぶことができる。したがって、電気装置３２が図示のようにトルクを変速機１４から差動装置１６へ付与するようなおも構成されるように、電気装置３２はロータシャフトを含むことができる。
１つの実施形態で、変速機１４は、エンジン１２から受けた入力トルクがギヤ比倍されて電気装置３２へ付与されるように、複数のギヤを含む手動変速機である。したがって、手動変速機はクラッチ５０を含む。別の実施形態で、変速機１４は、１つまたは複数の固有のギヤ比を有する自動変速機であり、したがって、トルクコンバータ５２を含む。変速機１４は、適宜、自動的にシフトされる手動変速機であり、クラッチ５０を含む。例示的実施形態で、自動変速機は約０．５〜１と約５．０〜１の間を変動する連続可変ギヤ比を有する。
例示的実施形態で、システム３０は、限定はされないが、車両加速中、追加的ブーストトルクおよび動力を機械パワートレインに付与することと、また、車両減速中および下り勾配で速度を保つ際、制動トルクと動力を付与することとを含む、図２で示された従来のＩＳＧ構成としての機能の少なくともいくつかを実行する。
図４は、図３で示されたＥＭＤＥＭＣＳ３４およびエネルギー貯蔵システム３６の簡略概要図である。１つの実施形態で、ＥＭＤＥＭＣＳは、第１のエネルギー貯蔵ユニット６６の電圧がＤＣ−ＡＣインバータ６８の入力部に直接電気的に接続されるように、電力ケーブル６２および少なくとも１つの電力コンタクタ６４を含む比較的低コストのエネルギー貯蔵インタフェース（ＥＳＩ）回路６０を含む。
具体的には、第１のエネルギー貯蔵ユニット６６は、モータ３０への電力制御を可能にするため、電気モータ駆動インバータ６８のような可変周波数により制御されるインバータに電気的に接続された回路６０に、正のＤＣリンク７０および負のＤＣリンク７２とを介して接続される。
ＥＭＤＥＭＣＳは、プレチャージおよびインタフェース用回路８０と、プレチャージおよびインタフェース用回路８０に連結された第２の貯蔵ユニット８２とを含む。例示的実施形態で、第２の貯蔵ユニット８２はウルトラキャパシタである。本明細書で使用されるウルトラキャパシタは、１００ファラドより大きいセル容量を有するキャパシタを意味する。例示的実施形態では、記載されるウルトラキャパシタは、１０００ファラドより大きいセル容量を有する。ウルトラキャパシタ８２は、電圧が上昇するように少なくとも１つの直列配置で互いに接続された、あるいは、電流容量が増大するように少なくとも１つの並列配置で互いに接続された、複数のウルトラキャパシタセルを含む。
図５はプレチャージおよびインタフェース用回路８０の第１の実施形態の簡単な概略図である。図５で示されるように、回路８０はメインコンタクタ９４に並列に連結されたプレチャージレジスタ９０およびプレチャージコンタクタ９２を含む。動作中、メインコンタクタ９４は、インタフェース制御回路８０がメインコンタクタ９４の電圧差が決定済みの電圧値以下であると検知した際、使用可能にされ、または閉じられる。適宜メインコンタクタ９４は、プレチャージコンタクタ９２が規定の時間閉じられた後に閉じられる。上記プレチャージのいずれの実施形態でも、メインコンタクタ９４が閉じられた後に、インタフェース制御回路８０がプレチャージコンタクタ９２に開くよう指令する。
図６は、プレチャージおよびインタフェース用回路８０の実施形態２の簡単な概略図である。図６で示されるように、回路８０は、メインコンタクタ９４およびメインコンタクタ９４に並列に連結された定電流回路９６を含む。第１のエネルギー貯蔵部６６の電圧は、適宜、米国特許第５３７３１９５号に記載の概念を使用してインバータ６８のＤＣ入力部から切り離される。
動作中、車両の最初の始動後、ウルトラキャパシタ８２および例えばバッテリのような第１のエネルギー貯蔵ユニット６６は、メインコンタクタ９４を介して電気的に接続される。車両が加速している動作の第１のモードの間、電力は、電気モータ駆動インバータ６８に供給される。よって、電気装置は、実質的に並列に接続されたエネルギー貯蔵ユニット６６および８２の組み合わせによってモータ３０として機能する。ウルトラキャパシタの電圧がウルトラキャパシタの開路電圧および対応する有効直列抵抗（ＥＳＲ）によって決定されるのに対して、２つのエネルギー貯蔵ユニット６６および８２の間のパワースプリットは、電池の開路電圧および関連する内部抵抗によって決定される。車両加速の完了後、第１のエネルギー貯蔵ユニット６６はウルトラキャパシタ８２を部分的にチャージする。
さらに、車両が減速している、または、下り勾配で速度を保っている動作の第２のモードの間、モータ３０は発電機として機能するよう制御され、ここで、このとき発電機として機能している電力装置３２を駆動するため、車両の駆動輪２０から差動装置１６を通して動力が伝えられ、また、第１のエネルギー貯蔵ユニット６６およびウルトラキャパシタ８２の両方のチャージを可能にするため、インバータ６８を通して電力が流れる。
図７は、モータ／発電機を車両に連結する代替方法を示す。図７で示されるように、車両１０は、ギヤ減速ユニット１０２を使用してドライブシャフト１８に連結された比較的高速低トルクの走行モータ１００を含む。例示的実施形態で、ギヤ減速ユニット１０２は、複数のベアリング１０４を使用して回転可能にドライブシャフト１８に連結される。さらに、高速低トルク走行モータ１００およびギヤ減速ユニット１０２を、車台に対して実質的に定位置で固定することを可能にするため、高速低トルク走行モータ１００およびギヤ減速ユニット１０２は、複数のモータマウント１０６を使用して車台の一部分に連結される。ギヤアセンブリ１０２を使用して達成する機械的比率とほぼ同一の機械的比率を電気装置が達成することを可能にするため、比較的高トルクおよび比較的低回転速度での動作が可能になるように、高速低トルク走行モータ１００は、適宜、固定比のギヤアセンブリ、チェーンドライブまたはベルトドライブのうちの少なくとも１つを使用して、ドライブシャフト１８に連結される。さらに、車両１０は、インバータ６８が使用不能であるとき、モータ１００内部での損失を抑えることを可能にするため、電気モータ１００とギヤ減速ユニット１０２との間に連結されたクラッチ（図示せず）を含むことができる。
電気装置１００は、走行状態が選択されている間、電気装置３２の一部分を駆動系統から切り離すために使用することができるクラッチ１１０を適宜含む。例えば、車両１０が高速上で動作しているとき、オペレータあるいは関連する制御部は、燃料効率を最大限にすることを可能にするために、電気装置１００のクラッチを駆動系統から切ることを選択できる。
図４あるいは図７で示されたいずれの実施形態でも例示的走行モータ３０は、電気的励磁機、つまりインバータ６８が使用不能であるときの動作中にモータ３０が低い抗力を示すように、選択される。例えばモータ３０は誘導モータまたはスイッチトリラクタンスモータとすることができる。さらに、モータ３０は、図７で示された選択クラッチ１１０と共に永久磁石（ＰＭ）モータとすることもできる。
例示的実施形態で、ハイブリッドシステム３０は、車両の性能を高めるために既知の車両に組み込むことができる。例えば、ハイブリッドシステム３０を既知の車両に据え付けるために、変速機と差動装置との間に連結された少なくとも１つのドライブシャフトが切り離される。次に、電気装置は、上記記載の動作の第１のモードで電気モータがエンジンおよび変速機によって生成されたトルクの実質的に全てを受け、変速機の出力トルクが電気モータによって生成されたトルクと合わさって差動装置に付与され、動作の第２のモードでモータが車両によって生成されたトルクの実質的に全てを差動装置を通して受けるように、変速機と差動装置との間に連結される。
本明細書で記載されるのは、車両変速機と差動装置との間に連結されたモータ／発電機のような電気装置を含むシステムを備えるハイブリッド車両である。該システムは、電気モータ駆動システムがＶＳＣによって使用不能にされるヒートエンジン車両動作モードと、ＶＳＣがヒートエンジンおよび電気駆動システムを使用可能にするハイブリッド車両動作モードと、ＶＳＣがヒートエンジンを使用不能にする、または、ヒートエンジンに低電力アイドルモードで操作されるように指令し、変速機にニュートラルギヤとなるよう指令し、電気駆動システムには車両に対して、エネルギー貯蔵ユニットからのエネルギーを使用し、性能を落とし限られた範囲で操作させる（リンプホームモード）ようにするゼロ排出車両（ＺＥＶ）電気車両動作モードとの少なくとも３つの動作モードで動作することができる。
その他の特徴は、電気推進式車両のより小さな車両プラットフォーム、つまり軽配達車両やスクールバスの電気駆動システムと、より大きな車両（運送バスあるいは大型荷物配達、飲料配達車両およびゴミトラック）のパラレルハイブリッド実装との共通部分である。
したがって、本明細書で記載されるシステムは、他の既知の従来の車両に比べ、燃料効率を高め、排出を抑えることによって、システム効率の向上を実現する。該システムは、既存の従来の機械駆動式トラック、バスまたは他の車両に組み込むこともできる。該システムは、主に電気駆動サブシステムの変速機での往復損失をなくすことで、既知のハイブリッド車両と比較して、電気駆動システムの往復効率を高め、高いレベルの回生ブレーキ制御を実現し、燃料経済性の向上および排出減少を実現する。また、電気駆動システム、エネルギー貯蔵システムおよび関連するエネルギー管理制御部の実装コストを減少させる。
種々の特定の実施形態に関して本発明を説明したが、本発明は特許請求の範囲の趣旨および範囲内で修正して実施できることを、当業者なら理解するであろう。
従来の車両で使用される従来技術のパワートレインを示す図である。 従来のハイブリッドで使用される従来技術のパワートレインを示す図である。 例示的ハイブリッド車両の概略図である。 図３で示された制御システムの簡略概略図である。 図３で示された制御システムの一部分の簡単な概略図である。 図３で示された制御システムの一部分の簡単な概略図である。 図３で示されたモータ／発電機を車両に連結する代替方法を示す。

Claims (23)

  1. ヒートエンジンと、
    入力部および出力部を含む変速機と、
    電気装置とを備える車両であって、前記ヒートエンジンによって生成されたトルクの実質的に全てが前記変速機を通して前記電気装置に付与されるように、前記変速機の入力部が前記エンジンに連結され、前記変速機の出力部が前記電気装置に連結されており、
    前記車両はさらに差動装置を備えており、動作の第１のモードの間、前記電気装置が前記エンジンによって生成されたトルクの実質的に全てを前記変速機を通して受けるモータとして機能し、動作の第２のモードの間、前記電気装置が前記差動装置によって生成されたトルクの実質的に全てを受ける発電機として機能するように、前記電気装置が前記差動装置に連結された、
    車両。
  2. 前記エンジンが、内燃ガソリンエンジン、内燃ディーゼルエンジン、外燃エンジンおよびガスタービンエンジンの少なくとも１つを備える、請求項１記載の車両。
  3. 前記変速機が自動変速手動変速機を備える、請求項１記載の車両。
  4. 前記変速機が、前記エンジンと自動変速機との間に連結されたトルクコンバータを含む自動変速機を備える、請求項１記載の車両。
  5. 前記変速機が、１つまたは複数の固有のギヤ比を有する自動変速機を備える、請求項４記載の車両。
  6. 前記変速機が、約０．５〜１と約５．０〜１との間を変動する連続可変ギヤ比を有する自動変速機を備える、請求項４記載の車両。
  7. 前記変速機が、前記エンジンと手動変速機との間に連結されたクラッチを含む前記手動変速機を備える、請求項１記載の車両。
  8. 前記変速機と前記電気装置との間に連結されたドライブシャフトをさらに備える、請求項１記載の車両。
  9. 前記電気装置が前記変速機に直接連結された、請求項１記載の車両。
  10. 前記電気装置と前記差動装置との間に連結されたドライブシャフトをさら備える、請求項１記載の車両。
  11. 前記電気装置が前記差動装置に直接連結された、請求項１記載の車両。
  12. 前記差動装置に連結された少なくとも２つの車輪をさらに備える、請求項１記載の車両。
  13. 前記変速機と前記電気装置との間に連結された第１のドライブシャフトと、前記電気装置と前記差動装置との間に連結された第２のドライブシャフトをさらに備える、請求項１記載の車両。
  14. 前記電気装置に連結された制御システムをさらに備え、前記制御システムは、
    エネルギー貯蔵システムと、
    前記電気装置および前記エネルギー貯蔵システムに連結され、ヒートエンジン車両動作モード、ハイブリッド車両動作モードおよび電気車両動作モードの少なくとも１つで前記車両を操作するように構成された車両システム制御部（ＶＳＣ）システムとをさらに備える、請求項１記載の車両。
  15. 前記第１のモードで動作しているとき、前記電気装置が前記エネルギー貯蔵システムからエネルギーを受けるように構成された、請求項１記載の車両。
  16. 前記第２のモードで動作しているとき、前記電気装置が前記エネルギー貯蔵システムを少なくとも部分的にチャージするように構成された、請求項１記載の車両。
  17. 前記エネルギー貯蔵システムが、少なくとも１つのバッテリと少なくとも１つのウルトラキャパシタとを備える、請求項１４記載の車両。
  18. 動作の前記第１のモードのとき、前記ウルトラキャパシタから前記電気装置へエネルギーを伝達し、動作の前記第２のモードのとき、前記電気装置から前記ウルトラキャパシタへエネルギーを伝達するように構成され、前記少なくとも１つのバッテリと前記少なくとも１つのウルトラキャパシタとの間に連結されたプレチャージおよびインタフェース用回路をさらに備える、請求項１７記載の車両。
  19. ヒートエンジンと、前記エンジンに連結された変速機と、差動装置と、前記変速機と前記差動装置との間に連結された少なくとも１つのドライブシャフトとを含む車両の改良方法であって、
    前記少なくとも１つのドライブシャフトを切り離す工程と、
    動作の第１のモードの間、電気装置が前記エンジンによって生成されたトルクの実質的に全てを前記変速機を通して受けるモータとして機能するように、動作の第２のモードの間、前記電気装置が前記差動装置によって生成されたトルクの実質的に全てを受ける発電機として機能するように、前記電気装置を前記変速機と前記差動装置との間に連結する工程とを含む、車両の改良方法。
  20. 前記少なくとも１つのドライブシャフトを切り離す工程は、
    前記電気装置が変速機と前記差動装置との間に連結されるように、前記第１のドライブシャフトの長さよりも小さい長さを有する第２のドライブシャフトを新たに取り付ける工程をさらに含む、請求項１９記載の方法。
  21. 車両制御システムが前記電気装置およびエネルギー貯蔵システムに連結され、前記車両システム制御部システムが、ヒートエンジン車両動作モード、ハイブリッド車両動作モードおよび電気車両動作モードの少なくとも１つで前記車両を操作するように構成された、前記エネルギー貯蔵システムと前記車両システム制御部（ＶＳＣ）とを含む制御システムを前記電気装置に連結する工程をさらに含む、請求項１９記載の方法。
  22. 前記エネルギー貯蔵システムが、少なくとも１つのバッテリと少なくとも１つのウルトラキャパシタとを含み、動作の前記第１のモードで前記ウルトラキャパシタから前記電気装置へチャネルエネルギーが伝達され、動作の前記第２のモードで前記電気装置から前記ウルトラキャパシタへエネルギーが伝達されるように、プレチャージおよびインタフェース用回路を前記少なくとも１つのバッテリと前記少なくとも１つのウルトラキャパシタとの間に連結する工程をさらに含む、請求項２１記載の方法。
  23. 前記電気装置が比較的高速かつ比較的低トルクで動作可能であるように、固定比のギヤアセンブリ、チェーンドライブまたはベルトドライブのうちの少なくとも１つを利用し、前記電気装置を前記第２のドライブシャフトに連結する工程をさらに備える、請求項２２記載の方法。
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