JP2010530824A - ハイブリッド式電気推進システム - Google Patents

Abstract

本発明は、ビークル用のハイブリッド式電気推進システムを提供する。このシステムは、内燃エンジン（１２）と、この内燃エンジン（１２）に動作的に連結されているフライホイール（１４）であって、このフライホイール（１４）はビークルの車輪の回転軸に平行な水平回転軸と、前記ビークルが前進しているときに、このビークルの車輪の回転方向（Ｒ_T ）に対して反対方向（Ｒ_FES ）に回転し、このビークルが旋回する際のこのビークルのロールオーバー作用を抑制しうるようにする主円盤とを有する当該フライホイール（１４）と、このフライホイール（１４）に動作的に連結されている発電機（１８）と、この発電機（１８）に動作的に連結されている電気モータ（２２）と、前記内燃エンジン（１２）、前記フライホイール（１４）、前記発電機（１８）及び前記電気モータ（２２）の動作を制御する制御装置とを具えている。

Description

本発明は、ビークル用のハイブリッド式電気推進システムに関するものである。

フライホイールエネルギー蓄積システムは、回転子（ローター）を超高速に加速させることにより、このシステム内にエネルギーをイナーシャエネルギーとして維持する作用をする。技術的な問題が解決されない為に、開発者は、ビークルにフライホイールを取り入れることを断念してきた。特に、ビークルにおけるジャイロ作用及びロールオーバー（転覆）作用に関連するフライホイールの問題が適切に対処されていない。

本発明によれば、ビークルの少なくとも１つの牽引車輪を駆動するためのハイブリッド式電気推進システムであって、
内燃エンジンと、
この内燃エンジンに動作的に連結され、力学的な運動エネルギーを保存するフライホイールであって、このフライホイールは、ビークルの車輪の回転軸に平行な水平回転軸を有するとともに、ビークルが前進しているときに、このビークルの車輪の回転に対して反対方向に回転して、ビークルが旋回するときにこのビークルのロールオーバー作用を抑制しうるようにする主円盤を有する当該フライホイールと、
このフライホイールに動作的に連結されている発電機と、
この発電機に動作的に連結されている電気モータと、
前記内燃エンジン、前記フライホイール、前記発電機及び前記電気モータの動作を制御する制御装置と
を具えるハイブリッド式電気推進システムを提供する。

本発明の別の観点では、ビークルの少なくとも１つの牽引車輪を駆動するためのハイブリッド式電気推進システムであって、
内燃エンジンと、
この内燃エンジンに動作的に連結されて、力学的な運動エネルギーを保存する少なくとも１つのフライホイールと、
このフライホイールに動作的に連結されている発電機と、
この発電機の磁界を制御する第１の界磁コイルを有する第１のオルタネータと、
この第１のオルタネータに動作的に連結されている電気モータと、
この電気モータの磁界を制御する第２の界磁コイルを有する第２のオルタネータと、
前記第１のオルタネータの前記第１の界磁コイル内の第１の電流と、前記第２のオルタネータの前記第２の界磁コイル内の第２の電流とをカスケード制御する制御装置と
を具えるハイブリッド式電気推進システムを提供する。

本発明及び本発明の多数の利点は、添付の図面を参照する好適例の以下の非限定的説明から良好に理解されるであろう。

図１は、本発明の一好適例に係るハイブリッド式電気推進システムを示すブロック線図である。 図２は、本発明の一好適例に係るハイブリッド式電気推進システムのフライホイールを有するビークルを垂直断面で示す側面図である。 図３は、本発明の一好適例に係るハイブリッド式電気推進システムをより一層詳細に示すブロック線図である。

図１を参照するに、この図１には、本発明の一好適例に係る、ビークル用のハイブリッド式電気推進システム１０のブロック線図が示されている。このシステムは、力学的な運動エネルギーを保存するフライホイール１４に、好ましくは磁気又は機械式クラッチ１６を介して、動作的に連結されている内燃エンジン１２を有している。フライホイール１４には、好ましくは磁気又は機械式クラッチ２０を介して、発電機１８も連結されている。クラッチ２０を、電気クラッチにすることもでき、発電機１８を、フライホイール１４に直接連結することもできる。任意ではあるが、フライホイール１４を発電機１８内に一体化させることもできる。発電機１８は必要に応じて、内燃エンジン１２又はフライホイール１４から動力を受け取る。発電機１８は、車輪２４に機械的に連結されている少なくとも１つの電気モータ２２に給電することにより、エネルギーをビークルに伝達して、このビークルを駆動させる。

発電機１８は、外部電源２６により給電される給電個所に接続しうるものであり、この場合発電機１８は電気モータとして動作する。給電個所のような複数の外部電源２６をビークルの走行路に沿って、ある特定の間隔で配置することができる。各外部電源２６は、電気モータとして動作する発電機１８を介して、フライホイール１４内に力学的な運動エネルギーを電気的に再充電しうる。外部電源２６と発電機１８との接続は、電源２６に自動的に接続する機械式アームにより実現しうる。あるいはまた、外部電源２６を、電気レール又は空中電気ケーブルのような連続している電気接続ラインとすることもできるが、この場合、ビークルの回路構成が制限されてしまう。

図２を参照するに、この図２には、図１に示されているハイブリッド式電気推進システム１０を有するビークル３０が図示されている。フライホイール１４は、ビークル３０の車輪の回転軸に平行な水平回転軸を有している。ビークル３０が前進方向Ｔに走行すると、フライホイール１４は、ビークル３０の車輪２４の順回転方向Ｒ_T に対して逆回転方向Ｒ_FES に回転しうる。フライホイール１４のこの回転方向Ｒ_FESは、ビークルが左旋回又は右旋回するときに生じるおそれのあるロールオーバー作用をこのフライホイール１４のこの回転方向が抑制するので、有利なことである。実際に、フライホイール１４が車輪２４の順回転方向Ｒ_Tと同じ方向に回転していたとしたら、特にビークルが左旋回又は右旋回するときに、このフライホイールの回転により、ビークルを反対方向に揺らすか又はロールオーバーさせるおそれがある。一方、フライホイール１４が垂直の回転軸を有していたとしたら、ビークル３０が坂道を上ったり、下ったりしたときに、このフライホイールはビークル３０を持ち上げたり、押し下げたりするモーメントを発生させる傾向にある。いずれにせよ、フライホイール１４は、車両３０の安定性を改善するために使用するものである。

フライホイール１４は、互いに逆回転する２つの円盤（図示せず）を有し、各円盤は、クラウンギヤに連結されている逆回転ピニオンギヤにより駆動されようにしうる。フライホイール１４内に１つの円盤ではなく互いに逆回転する２つの円盤を用いることにより、ビークルでは通常望ましくないジャイロ作用が抑制される。しかし、上述したフライホイール１４内に単一の回転円盤を設ける場合には、ビークルが左旋回又は右旋回するときに、ビークルのロールオーバー作用を抑制するために、ジャイロ作用が用いられ、有利である。

上述したジャイロ作用を制御するために、フライホイール１４は主円盤に加えて更に、ビークルの車輪の回転軸に平行な水平回転軸を有する補助円盤であって、主円盤に対して反対方向に回転しうる当該補助円盤を具えるようにしうる。ロールオーバーを抑制するという利点を維持するために、補助円盤は、主円盤より少ないエネルギーを保存するようにする。このことは、主円盤と補助円盤との相対的な質量割当量及び相対的な回転割当量を適切に選択することにより達成しうる。

図３を参照するに、この図３には、本発明の好適例に係るハイブリッド式電気推進システム１０のより詳細なブロック線図が示されている。本好適例では、内燃エンジン１２は約１３５ｋＷである１８０ＨＰで２５００ＲＰＭで回転するディーゼルモータとするのが好ましい。より大きなビークルに対しては、より大きなモータ出力を用いることが好ましく、より小さなビークルに対しては、より小さなモータ出力を用いることが好ましいこと勿論である。

クラッチ１６はリレーにより制御され、このリレーは、制御システム４０又は電気調節制御装置により制御され、この制御システム４０は、予め決定した制御コマンドシーケンスを規定する少なくとも１つの回転シリンダを有している。

フライホイール１４は、センサ制御装置４５にも連結され、このセンサ制御装置４５は、低回転速度の限界値と高回転速度の限界値との間、例えば１６００ＲＰＭと２４００ＲＰＭとの間に、フライホイールの回転範囲を維持する。フライホイール１４は、セキュリティシステムを有していることが好ましく、このセキュリティシステムは、故障や事故が発生したときに、フライホイール１４の設置個所がずれるのを防止する。このセキュリティシステムは、いくつかの既知のビークルで見られるブレーキドラムのような、フライホイール１４内の少なくとも２つのブレーキバンドと、これらブレーキバンドを支持するようになっている一連のブレーキシューとを有するのが好ましい。これらブレーキシューは、ブレーキライニングを支持するために設けられている。これらブレーキライニングは、バス又はトラックのブレーキライニングを改良したものともしうる。

フライホイール１４の性能を更に改善するためには、空気抵抗を減少させるために、フライホイール１４を真空ハウジング中に収容することができる。このフライホイール１４は、磁気摩擦のないベアリングにより支持することができる。周辺のこの真空ハウジングは更に、高速で回転するフライホイールの突出片からの安全性を確保しうるものであり、これらの突出片が飛び出して人に損傷を及ぼすのを回避するものである。

これと同じ目的で他のセキュリティシステムを用いうる。

この例では、発電機１８は、約１１２ｋＷである１５０ＨＰの最大出力を有するのが好ましく、約１１２ｋＷである１５０ＨＰの最大出力を同様に有する電気モータ２２に連結させる。発電機及び電気モータの双方には、短い期間の間過負荷状態にしうる。特定のニーズに応じて、他の定格出力を用いうること勿論である。

制御システム４０は、様々な電気信号をオルタネータ４２、４４の界磁コイルに供給し、発電機１８の磁界を制御するとともに電気モータ２２の磁界を制御するためにこれらの信号を増幅するようにしたカスケード制御装置とするのが好まし。オルタネータ４２、４４は、発電機のシャフトにより機械的に動力が供給され、界磁コイルには、０〜１２Ｖ（ボルト）が供給される。その結果、界磁コイル内に流れる電流、例えば０〜４Ａ（アンペア）は、多段ステップ制御装置及び電気調整制御装置の双方、又はいずれか一方により制御される。これに応じて、オルタネータ４２、４４は、発電機１８のＲＰＭによって調整されるこれらオルタネータのＲＰＭにも依存して０〜１５０Ｖの出力を発生させる。このことにより、これらのオルタネータ４２、４４はそれぞれ、発電機１８及び電気モータ２２の磁界を制御するために用いられる。この特別な構成は、多段ステップ制御装置及び電気調整制御装置の双方、又はいずれか一方が、信号を増幅するオルタネータ４２、４４を介して発電機１８及び電気モータ２２の界磁コイルそれぞれをカスケード制御できるので、有利な構成である。

制御システム４０は、回転可能な少なくとも１つのシリンダ４６を有し、その上のトラックには予め決定した制御コマンドを刻んでおくようにするのが好ましい。制御システム４０の回路には、緊急停止ボタン５５によりリレー５２とマスタスイッチ５０とを連結することによりビークルの１２Ｖの電気システム４８により、電力を供給しうる。少なくとも１つのシリンダ４６の回転は、アクセルペダル及びブレーキペダルにより機械的に制御しうる。あるいはまた、アクセルペダル及びブレーキペダルは、信号を同じ目的を達成するために電気調整制御装置に送る。

マスタスイッチ５０とディーゼルモータ１２のスタータとに接続されている始動ボタン５４は、ディーゼルモータ１２を起動させるために用いられる。ディーゼルモータ１２は、リレー５６を介して制御システム４０によっても制御される。緊急停止ボタン５５は、ディーゼルモータ１２を停止させるとともに、リレー５２に供給される電力を止め、多段ステップ制御装置又は電気調整制御装置に対する信号を完全に止める。これと同時に、リレー５２は、時間遅延リレー５７を切断し、ある遅延後に、この時間遅延リレー５７が、磁気接触器５８をスイッチオフさせる。

ディーゼルモータ１２はフライホイール１４に動力を供給し、このフライホイールはその最大速度に達するまで力学的な運動エネルギーを保存する。すると、ディーゼルモータ（エンジン）１２は自動的に停止し、ビークル３０は電気モードで走行する。電気モードの間、ビークルの運転手がアクセルペダルを踏み込む際の要求に応じて、フライホイール１４は、保存された力学的な運動エネルギーを発電機１８に戻す。ホイール１４の力学的な運動エネルギーが、低い閾値まで減少すると、システムはディーゼルモードに戻り、ディーゼルモータ１２は、フライホイール１４を再充電する間、フライホイール１４のシャフトを介して発電機１８に動力を供給する。このように、ディーゼルモータ１２が起動すると、このディーゼルモータ１２は、常に能動的に且つ効果的に動作し、決してアイドリングしない。ディーゼルモータ１２は、その最適動作領域内で動作して、エネルギー消費量を減らすとともに最大のエネルギー効率を達成するように制御される。従って、ディーゼルモータ１２は、温室効果ガス及び大気汚染物質の発生量を最小限に抑える。ビークルが完全に電力で走行すれば、最大のエネルギー効率が得られ、温室効果ガス及び大気汚染物質を全く発生させず、最も低いエネルギー消費ですむこと勿論である。例えば、フライホイール１４が、最大速度、例えば２４００ＲＰＭに達すると、ディーゼルモータ１２は停止する。フライホイール１４の速度が、回転速度の下限値である約１６００ＲＰＭに減少すると、ディーゼルモータ１２は、制御器センサ４２によって再起動される。

運転手が、減速ペダルとも称するブレーキペダルを踏み込むと、ディーゼルモータ１２は自動的に停止し、動いているビークル３０の運動エネルギーが、電気モータ２２により電気エネルギーに変換され、従って、この電気モータ２２が、発電機として機能するようになる。従って、電気モータ２２が、発電機１８に電力を供給し、従って、この発電機１８は、電気モータとして機能する。発電機１８は、フライホイール１４を駆動するとともに再附勢する為に、電気エネルギーを運動エネルギーに戻すように変換する。

同様に、ビークル３０が坂道を下ると、位置エネルギーも、電気モータ２２及び発電機１８を介した回生により回収され、力学的な運動エネルギーとしてフライホイール１４に保存される。

ビークル３０は、付加的なエネルギー保存システム、例えば、圧縮ガス、圧縮空気若しくは圧縮水蒸気システムや、バネシステムや、油圧システムや、熱回収システムや、圧力システムや、キャパシタシステムや、電気システムや、バッテリシステムを有することもできる。例えば、フライホイールが２４００ＲＰＭで回転してフライホイールに保存されたエネルギーが上限値に達すると、減速中に回収されたエネルギーの余剰分を、付加的なエネルギー保存システムに保存することができる。

オプションとしてではあるが、ディーゼルモータ１２には、クアシタービンを設けうるようにするのが有利である。

試験的に適用したところ、本発明に係るハイブリッド式電気推進システムを用いているビークルは、通常の都市部での運転で、１ｋｍにつき約１ｋｗ時を消費する。かかるビークルが１日に約２００ｋｍ走行すると、必要な総エネルギー量は２００ｋｗ時となる。約１３５ｋｗである１８０ＨＰのディーゼルモータを使用するものとすると、かかるモータは、ビークルを２０時間運転する中で約２時間、最適な動作範囲で動作する必要がある。

一般的に、ディーゼルモータ１２によるか又は互いに約３００メートル離れて位置している外部電源２６に連結されている給電個所によって、給電個所間において２０秒未満でフライホイール１４を再附勢しうる。外部電源２６に接続されている給電個所は、一般的に、ローカル電気ネットワークに接続されている。

本発明のハイブリッド式電気推進システムは、例えば、排気システム、空調システム、ラジエータ、モータ、発電機、オルタネータ等により、ビークル中で生成された全ての熱エネルギーを回収するための熱回収システムを有するのが好ましい。実際のビークルでは、通常、車内を暖めるために用いられなければ、全ての熱は失われる。

ビークルは、その屋根及び側面の双方、又はいずれか一方に、ハイブリッド式電気システムに電力を供給しうる太陽電池を具えることもできる。

本発明のハイブリッド式電気推進システムは、多くの利点を有している。本発明のシステムは、比較的廉価に製造、販売、作動及び維持することができる。本発明のシステムは、従来のビークルに比べて雑音が少ないので、ユーザにとって、より快適なものである。本発明のシステムはまた、高加速度を実現し、このシステムの燃焼エンジンは摩耗しにくいので、寿命が長い。減速は、前述した回生ブレーキ、運動エネルギーを熱として消失させる抵抗を用いる発電ブレーキ及び標準の空気ブレーキの３種類のブレーキにより、確実に行われる。抵抗を使用する発電ブレーキは、抵抗により消失される熱エネルギーを回収するための熱回収システムに連結しうる。

本発明の好適実施例を、図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、種々の修正や変更を施すことが可能であることを理解すべきである。

Claims (15)

1. ビークルの少なくとも１つの牽引車輪を駆動するハイブリッド式電気推進システムであって、このハイブリッド式電気推進システムは、
   内燃エンジン（１２）と、
   この内燃エンジンに動作的に連結され、力学的な運動エネルギーを保存するフライホイール（１４）であって、このフライホイール（１４）は前記ビークルの車輪の回転軸に平行な水平回転軸と、前記ビークルが前進しているときに、このビークルの車輪の回転方向（Ｒ_T ）に対して反対方向（Ｒ_FES ）に回転し、このビークルが旋回する際のこのビークルのロールオーバー作用を抑制しうるようにする主円盤とを有する当該フライホイールと、
   このフライホイール（１４）に動作的に連結されている発電機（１８）と、
   この発電機（１８）に動作的に連結されている電気モータ（２２）と、
   前記内燃エンジン（１２）、前記フライホイール（１４）、前記発電機（１８）及び前記電気モータ（２２）の動作を制御する制御装置（４０）と
   を具えるハイブリッド式電気推進システム。
2. 請求項１に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、前記発電機（１８）は、外部電源（２６）により電力が供給される給電個所に接続可能であるハイブリッド式電気推進システム。
3. 請求項１に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、このハイブリッド式電気推進システムは更に、
   前記発電機（１８）の磁界を制御する第１の界磁コイルを有する第１のオルタネータ（４２）と、
   前記電気モータ（２２）の磁界を制御する第２の界磁コイルを有する第２のオルタネータ（４４）と
   を具え、
   前記制御装置（４０）は、前記第１のオルタネータ（４２）の前記第１の界磁コイル内の第１の電流と、前記第２のオルタネータ（４４）の前記第２の界磁コイル内の第２の電流とをカスケード制御するようになっているハイブリッド式電気推進システム。
4. 請求項３に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、前記制御装置（４０）は、予め決定した制御コマンドシーケンスを規定する少なくとも１つの回転シリンダ（４６）を有する多段ステップ制御装置を有しているハイブリッド式電気推進システム。
5. 請求項１に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、前記制御装置は、電気調整制御装置を有しているハイブリッド式電気推進システム。
6. 請求項１に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、前記フライホイールは更に、前記ビークルの車輪の回転軸に平行な水平回転軸を有する補助円盤であって、前記主円盤に対して反対方向に回転して前記ビークルのジャイロ作用を抑制しうるようになっている当該補助円盤を具え、この補助円盤は、ロールオーバー作用を制御するために、前記主円盤より少ないエネルギーを保存するようになっているハイブリッド式電気推進システム。
7. 請求項１に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、このハイブリッド式電気推進システムは更に、前記フライホイール（１４）の内部の少なくとも２つのブレーキバンドと、これらのブレーキバンドを支持するようになっている一連のブレーキシューとを有するセキュリティシステムを具えるハイブリッド式電気推進システム。
8. 請求項１に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、このハイブリッド式電気推進システムは更に、圧縮ガス、空気若しくは水蒸気システムと、バネシステムと、油圧システムと、熱回収システムと、圧力システムと、キャパシタシステムと、電気システムと、電池システムとから構成される群から選択された付加的なエネルギー保存システムを具えるハイブリッド式電気推進システム。
9. 請求項１に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、このハイブリッド式電気推進システムは更に、排気システム、空調システム、ラジエータ、モータ、発電機及びオルタネータを介して、前記ビークルで生成された熱エネルギーを回収するための熱回収システムを具えるハイブリッド式電気推進システム。
10. ビークルの少なくとも１つの牽引車輪を駆動するハイブリッド式電気推進システムであって、このハイブリッド式電気推進システムは、
    内燃エンジン（１２）と、
    この内燃エンジン（１２）に動作的に連結され、力学的な運動エネルギーを保存する少なくとも１つのフライホイール（１４）と、
    このフライホイール（１４）に動作的に連結されている発電機（１８）と、
    この発電機（１８）の磁界を制御する第１の界磁コイルを有する第１のオルタネータ（４２）と、
    前記発電機（１８）に動作的に連結されている電気モータ（２２）と、
    この電気モータ（２２）の磁界を制御する第２の界磁コイルを有する第２のオルタネータ（４４）と、
    前記第１のオルタネータ（４２）の前記第１の界磁コイル内の第１の電流と、前記第２のオルタネータ（４４）の前記第２の界磁コイル内の第２の電流とをカスケード制御する制御装置（４０）と
    を具えるハイブリッド式電気推進システム。
11. 請求項１０に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、前記制御装置が多段ステップ制御装置を有しているハイブリッド式電気推進システム。
12. 請求項１１に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、前記多段ステップ制御装置が、予め決定した制御コマンドシーケンスを規定する少なくとも１つの回転シリンダを有しているハイブリッド式電気推進システム。
13. 請求項１０に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、前記制御装置が電気調整制御装置を有しているハイブリッド式電気推進システム。
14. 請求項１０に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、前記フライホイール（１４）は、前記ビークルの車輪の回転軸に平行な水平回転軸と、前記ビークルが前進しているときに、このビークルの車輪の回転方向（Ｒ_T ）に対して反対方向（Ｒ_FES ）に回転し、このビークルが旋回する際にこのビークルのロールオーバー作用を抑制しうるようにする主円盤とを有しているハイブリッド式電気推進システム。
15. 請求項１４に記載のハイブリッド式電気推進システムにおいて、このハイブリッド式電気推進システムは更に、前記車両のジャイロ効果を抑制するために、前記ビークルの車輪の回転軸に平行な水平回転軸を有する補助円盤であって、前記主円盤に対して反対方向に回転して前記ビークルのジャイロ作用を抑制しうるようになっている当該補助円盤を具え、この補助円盤は、ロールオーバー作用を制御するために、前記主円盤より少ないエネルギーを保存するようになっているハイブリッド式電気推進システム。

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