JP2011516334A - 電気牽引モードに入っている間の車両切り替え - Google Patents

電気牽引モードに入っている間の車両切り替え Download PDF

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Abstract

車両は、内燃機関(ICE)および牽引車輪を駆動する差動装置を通じて標準変速機によって結合される車両駆動用電動機(ETM)を有する。制御システムは、速度センサ、荷重センサ、および傾斜センサからの信号を含むセンサ信号を受け取る。制御システムは、ETMの速度、車両速度、シフトギア、および変速機出力軸の速度に対応するインジケータ信号を発生するように速度信号を処理する。1つまたは複数のディスプレイがETMの速度に対応するシフトギアの速度が車両の速度、したがって変速機出力軸の速度に一致したときにそのことを示す指示を提示する。次のシフトギアの速度が変速機出力軸に結合されたシフトカラーの速度に一致したときにそのこと示す指示がある場合に、操作者は、クラッチ操作をせずに、ニュートラルから次のシフトギアにシフトすることができる。

Description

本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、2007年4月3日に出願した米国仮出願第60/909,748号(Vehicular Switching, Including Switching Traction Modes and Shifting Gears While in Electric Traction Mode)に関し、米国仮出願第60/774,732号からの優先権を主張する、米国出願第11/374,709号の一部継続出願である2006年11月10日に出願した米国出願第11/558,786号(Electric Traction)の一部継続出願である。
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、2005年3月14日に出願した米国仮出願第60/661,668号(Hydrogen Fuel Cell Powered Cabin Comfort System for Class 7 & 8 Trucks)、2006年3月14日に出願した米国出願第11/374,709号(Fuel Cell-Driven Auxiliary System, and Method Therefor)、および2006年2月21日に出願した米国仮出願第60/774,732号(Hybrid Electric Traction Power System for Moving Class 7&8 Tractors By Means of a Drive Motor Attached to the Power Takeoff (PTO) of the Tractor's transmission PTO Connection Point)にさらに関する。
本発明は、通常の牽引駆動および補助牽引駆動装置を備える牽引車に関するものであり、より具体的には、電気および内燃機関(ICE)駆動装置を備える牽引車に関するものである。
最新の傾向によれば、大型ディーゼルエンジントラックは、次第に、排出物に関する制限、さらにはアイドリング時間に関する制限を含む、法的制限を受けるようになってきている。一部の司法管轄区域では、このようなトラックに、アイドリングを検出し、例えば5分などの特定の最大アイドリング間隔の後にディーゼルエンジンを自動的にシャットダウンするための制御装置をそのようなトラックに装着する必要も生じうる。関連出願に開示されている発明では、これらの法的制限から生じる問題を解消する。これらの発明は、大型ディーゼルエンジントラックなどの車両を含む、車両の改善された構成を提供するものであり、したがって、車両は、電動機を介して駆動することができる。考えられることの1つとして、既存の従来の車両を電動機を介して牽引およびキャビン冷却用に容易に改造することができるということが挙げられる。本発明は、暖房およびコンセント用の改善された構成も提供する。
米国仮出願第60/909,748号 米国出願第11/558,786号 米国仮出願第60/774,732号 米国出願第11/374,709号 米国仮出願第60/661,668号
本発明は、街路や幹線道路など、高速と低速とを交互に切り替えるときさらに困難が伴うという理解に関係する。本発明の一特徴によれば、制御システムを使用することで、ICE牽引モードとETMモードの車両動作を円滑に、また安全に切り替えることができる。制御システムでは、車両のいくつかの運転状態を検出し、所定の基準を満たす車両運転状態に応じて運転者がETMモードに移行することを選択的に許し、その際に、ETMモードでは、車両の牽引ICEは遮断することができる。これは、ETMモードへの切り替えに関する許可を単に付与する制御システムを超えたものともなりうる。つまり、制御システムは、運転者に、必須の運転状態を検出したことに応答してETMモードの機会があることを通知することができる。
本発明の一形態では、コンピュータシステムは、プロセッサおよびプロセッサに接続されたストレージデバイスを備える。ストレージデバイスは、プロセッサを制御するためのプログラムを格納している。プロセッサは、そのプログラムと共に動作し、本明細書で説明されているようなシステムを制御するためのプロセスを含むことができる方法を全体としてまたは一部だけ実行するためにそのプログラムを実行する。本発明の他の形態では、コンピュータプログラム製品は、有形なコンピュータ可読媒体上に格納される。コンピュータプログラム製品は、コンピュータシステムによって実行するための命令を有する。命令はコンピュータによって実行されると、本明細書で説明されているようなシステムを制御するためのプロセスをコンピュータに実施させる。
本発明の他の変更形態、目的、利点、および形態は、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を参照すれば、明らかになるであろう。例えば、本発明の一形態において、本明細書で説明されている特徴は、新規なプロセスステップの場合と同様に実行され、これは本明細書で説明されているようなシステムを制御するためのプロセスを含むことができる。
本発明の1つまたは複数の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明で述べられる。本開示の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面、さらに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
前記の目的、態様、および利点ならびに他の目的、態様、および利点は、添付図面を参照しつつ、本発明の好ましい(複数の)実施形態の以下の詳細な説明を読むとよく理解されるであろう。類似のコンポーネントおよび特徴を参照するため図全体を通して同じ参照番号が使用される。図面の説明を以下に示す。
さまざまな実施形態による、車両用のETMシステムの態様を例示するブロック図である。 車両が加速され、時間の経過とともにギアがファーストギアからセカンドギア、サードギアへとシフトされるときの、車両速度とETMモードでのETM回転速度との関係を示す図である。 さまざまな駆動ギアが係合しているときのETM回転速度、車両速度、およびトルク限界の間の関係を示すグラフである。 さまざまな実施形態による、ギアをシフトするときのETM回転速度と車両の関係を示すグラフである。 マニュアルクラッチペダルがETM動作モードでアクチュエータによって保持されている実施形態を示す図である。 変速機入力および出力軸上に速度センサを有する簡素化されたマニュアル変速機内のギアセット間の関係を示す図である。 いくつかの実施形態による速度インジケータと速度ロジックとの間の関係を例示するブロック図である。 本明細書において、一実施形態で使用されるステップの流れ図である。 本明細書において、他の実施形態で使用されるステップの流れ図である。 本明細書において、他の実施形態で使用されるステップの流れ図である。 本明細書において、一実施形態で使用されるステップの流れ図である。 本明細書で説明されている実施形態のコントローラ機能を実装するのに適しているコンピュータシステムのブロック図である。
さまざまな図面内の類似の参照記号は、類似の要素を示す。
本発明の実施形態の以下の詳細な説明において、本発明を実施することができる実施形態を例示する添付の図面が参照される。他の実施形態を利用することができ、また本発明の範囲から逸脱することなく変更を加えることができることは理解されるであろう。図面および詳細な説明は、本発明を開示されている特定の形態に限定することを意図していない。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定められるような本発明の精神と範囲のうちにあるすべての修正形態、均等物、および代替形態を対象とする。本明細書における見出しは、いかなる形でも主題を制限することを意図していない。
図1は、本明細書で説明されている車両100の実施形態による特徴を有する車両100のブロック図である。車両100は、ICE302がICEモードで動作しているときに回転トルクを伝えるクランクシャフト110を備える内燃機関(ICE)302を有する。クランクシャフト110は、ICEと変速機122との係合および係脱を行う動作をするクラッチ120を備える標準変速機122の入力軸125に結合される。車両100は、パワーテイクオフ(PTO)140を介して入力軸125のトランスファーギア(図示せず)に結合されている車両駆動用電動機(ETM)150も有する。多くの車両は、ETM(例えば、150)の駆動軸と結合するのに適している軸を持つPTO(例えば、140)を有する。そのため、これらの車両は、標準的であり、PTOは、通常、外部装置(例えば、リフト、ウィンチなど)を動作させるための動力を引き出す(PTOを介して)手段となる。
変速機122は、変速機出力軸129とともに差動装置316に直接結合される。差動装置316は、(複数の)回転軸318を持つ一方または両方の車輪320を駆動する。任意選択により、変速装置122は、発電機152を駆動するための軸125のトランスファーギア(図示せず)にも結合されている第2のPTO142を備えることができる。これは、ETM150が電動機と発電機の両方として動作するのに適していない場合に有用と思われる。
制御システム160には、ロジック回路、配電スイッチ、駆動装置が含まれ、これにより、車両100を本明細書に示されている実施形態に従って動作させられるようにさまざまなシステムおよびサブシステムを制御することができる。通常の車両電気システム308は、ICE302のサブシステム、例えば、HAC、電気クラッチ、ブレーキシステム、ステアリングシステムなど304に結合されている。ICEモードでは、これらのサブシステムは、電気的に作動するアクチュエータ(例えば、ソレノイド、リレーなど)への応答として電気、油圧、または圧縮空気の形態の動力を受け取る。追加のアクチュエータ駆動装置306は、車両がETM動作モードに入っており、ICE302がONでなくなったときに制御システム160によって作動される。制御システム160は、車両100のサブシステムとインターフェイスするように構成されているさまざまな入力および出力を有するアドオンシステムである。制御システム160は、電圧がETM150のようなETMに電力を供給するのに適している電池170から補助電力を受け取る。制御システム160は、AC接続部164を通じて(例えば、標準120/220AC電圧)、またはICE動作モードのときにはICE302からのオルタネータ出力を変換することによって電池170を再充電することを可能にする回路も有することができる。車両用電池310は、ICE動作モードで車両100を始動するために使用される標準(例えば、12V)電池である。電池310は、AC接続部164、電池170から、またはオプションの発電機152を介して供給される電力から制御システム160により充電することもできる。制御システム160は、ICE動作モードで使用される標準センサおよびETM動作モードで動作をしやすくするために追加される追加センサを備えることができるセンサ330から信号を受け取る。例えば、入力軸125および出力軸129の回転速度を判定できるようにセンサを追加することができる。これらのセンサは、上述のセンサが図1に示されていないとしてもセンサ330内に備えられると仮定される。
制御システム160は、負荷がかかっている状態で、回転速度を調節するために可変電力をETM150に印加することを可能にする回路を有する。同様に、制御システム160は、ETM150が電動機と発電機の両方として動作するのに適している場合にETM150の出力を充電用電圧として使用することを可能にする回路も有することができる。この回路は、車両100から運動エネルギーを回収するために発電機として(例えば、制動時に)動作するときにETM150の出力に可変負荷を印加することが可能なように構成されうる。制御システム160は、センサ信号を受け取って、それらの信号を処理し、ETM150がPTO140を介して変速機軸125に係合したときにETM動作モードで変速機122のギアをシフトするのを補助するために駆動装置に送ることができるパラメータ(例えば、ギアシフトの速度、軸速度)を生成するように構成されたディスプレイおよび回路を備えるインジケータ171にさらに結合される。
電池170、オプションの燃料電池180、およびそのキャニスタ181燃料供給部、AC接続部164、さまざまなセンサなど、および制御システム160は、独立した牽引車輪駆動装置、ICE302およびETM150で車両100が動作することを可能にするためETM150とともに追加されている補助電力システムの一部と考えることができる。したがって、PTO140を有する、またはPTO140を受け入れることができるポートを有する標準車両は、本明細書で説明されているようなETM動作モードを使用可能にするため補助電力システムおよびETM150を後付けすることができる。
車両100は、イグニッション、ライトなどのための従来の電気システム308に電力を供給するための従来の12VDC電池310も有する。一実施形態では、補助電力システムは、電池ベースの電源、例えば、144VDC電池170を備える。電池電圧は、他の実施形態では可変でもよいが、安全上、またコストの観点から主に制限される。電圧は高いほど有利であるが、それは、より低い電流で所与の電力を伝えるからである。したがって、車両100は、駆動輪320、ETMシステムモードで動作するETM150、およびICEシステムモードで動作するICE302のために2つの牽引駆動システムを有する。
一実施形態では、ETM150は、変速機122を駆動するためにパワーテイクオフ(PTO)140を通じて機械的に結合される直流電動機(DC)である。この実施形態は、第2のPTO142を介して変速機122によって駆動される交流(AC)発電機(オルタネータ)152も含む。この場合、ACオルタネータ152は、ICE302が動力を変速機122に供給しているときに制御システム160に結合されている電気出力を発生する。ICEモードでは、オルタネータ152は、したがって、ICE302が稼働しており、クラッチ120がクランクシャフト110を変速機入力軸125に結合したときに制御システム160を通じて電池170を再充電するように動作可能である。
すでに述べたように、ETM150の軸は、PTOギアアセンブリ140を介して変速機入力に機械的に係合される。ETMがDC電動機150である実施形態では、PTO140は、ICE動作中にETM150を係脱するためのPTOクラッチ機構(図示せず)を備える。
他の実施形態では、ETM150は、制動時にエンジン302が逆転され、クラッチ120がクランクシャフト110を変速機入力軸125に係合したときに発電するように動作可能であるAC電動機である。制動時に発電モードで動作する場合、AC ETM150は、制御システム160を介して電池170を充電するために使用できる。
一実施形態では、車両100の変速機122は、従来のマニュアル変速機であり、マニュアルクラッチ120は、ICE302を変速機122から係脱するように動作可能である。ETM150は、マニュアル変速機122のポートに追加され、変速機122の入力軸125のトランスファーギアに結合されたPTO140を介して車両100に牽引動力を独立に供給する。ETM150は、好ましくは、従来のICE302がクラッチ120を介して変速機122から係脱されたときのみ牽引動力を供給し、エネルギー節減のためICE302をシャットダウンすることができる。
一実施形態では、車両100に追加された、補助電力システムは、電池170を、ETM150用の蓄積電力源として使用する。したがって、ETM動作モードでは、ETM150は、電池170からエネルギーを受け取るように動作可能であり、車両100に牽引動力を独立して、さらには排他的に供給する。電池170を再充電するための手段が用意されていない場合、ETM動作モードでの車両100の移動距離、速度、および負荷処理能力は、電動機150の能力および外部充電電池170によって供給される蓄積エネルギーの制限を受ける。
他の実施形態では、電池170、および電動機150は、いくつかの通常遭遇する状況における従来の負荷をちょうど(even)処理するように車両100の能力を制限するような、限定されたサイズおよび限定された能力のものとなるように選択され、このトレードオフは、追加される電動機150および電池170が特定のコスト、サイズ、および重量の制約条件を満たすためになされる。
ETM150の馬力定格は、処理される必要のある負荷と車両100に対する速度および加速度の要求条件に応じて、本発明の実施形態毎に異なることがある。車両100が、満載の大型トラクタトレーラトラックとして構成される場合、これは、80,000ポンド程度の重量とすることができる。電力だけで動作する1800ポンドほどの従来の電気自動車は、80MPHの車両速度を達成し維持するために約50HPの電動機を必要とする。一実施形態では、ETM150は、重量が約180ポンドで、連続運転時には40馬力(HP)、間欠的運転で最大2分間にわたって80HPの定格を持つ直流型の電動機である。他の実施形態では、ETM150は、類似のHP定格と重量を有するAC電動機である。電池170のキロワット時(KWH)容量も、実施形態毎に変わりうる。例えば、一実施形態では、電池170は、約150WH/Kgのエネルギー密度を有するリチウムイオン型電池であり、したがって、1時間にわたって40HPのETM150を駆動することができる30KWH容量のリチウムイオン電池は、約200KGもしくは500ポンドの重量の電池170を必要とすることになる。もちろん、ETM150および電池170に対するKWH定格および対応する重量は、車両100の重量、負荷、運転、および経済的な目的に依存する。いくつかの実施形態では、電動機150および電池170の定格および対応する重量は、80,000ポンドのトラクタトレーラ車両100で使用する場合であっても上で述べた例に比べて小さくてもよい。いくつかの実施形態では、この定格はもっと大きくてもよい。
車両駆動用電動機150および対応する電池170のサイズを意図的に制限する実施形態では、より高速な運転または勾配を上る運転を必要とする運転上の需要があることで、低速運転とアイドリングにとって必要な場合に比べてかなり頻繁に、ETMモードとICEモードとを交互に切り替えるニーズが生じる可能性がある。また、運転上の需要が、高速運転を含む場合、ETM動作モードとICE動作モードとの切り替えは、車両の走行中に行う必要がある場合がある。ETMの動作中にクラッチ120がICE302をマニュアル変速機122から係脱し、ETM150が常にPTO140を介して変速機122に結合されている配置構成が上で説明されている。いくつかの実施形態において使用されている、この配置構成は、変速機122のギアをシフトするためのクラッチ120の使用を妨げるため、特に、自明なものではないことはさらに理解されるであろう。
図5は、ETM動作中にICE302を変速機120から係脱するときにクラッチ120を踏んだ状態に保つために使用することができる配置構成の詳細を示している。電動式アクチュエータ412(例えば、ソレノイド)を車両100に追加し、これを、制御システム160からの信号によって操作し、ICE302を変速機122から係脱する位置にクラッチ120を保持する。操作者が、係脱運動530でクラッチペダル510を押下すると、クラッチアーム514が、枢動点512の周りで動作し、係脱運動523でリンク420を駆動する。リンク520が枢動点513の周りに回転すると、ジョイント538が運動をリンク522に伝えて係脱運動534を駆動し、クラッチアーム524を動かし、次いで、クラッチ120内に係脱運動536を発生して軸110を変速機入力軸125から分離する。
アクチュエータ412は、ジョイント538を係合し、それを係合位置に保持するように動作可能なカップ540を有する。クラッチペダル510が押下された場合、ジョイント538は、係脱運動534によって示されているようにカップ540から離れてゆく。クラッチペダル510は、解放されると、最初の位置に戻る。しかし、クラッチペダル510が押下されたときにジョイント538を係合する信号(ETMモード)をアクチュエータ412が受け取ると、軸542が伸長し、ジョイント538と係合して、ジョイント538がホーム初期位置に戻るのを防ぎ、それにより、クラッチペダル510は押下されたままとなる。この方法で、操作者は、クラッチペダルを押下し、ETMモードを選択して、ICEが変速機122から係脱された状態を保持することができる。
一実施形態によれば、アクチュエータ412およびその関連するリンケージが、以下のように、上の段落で説明されている従来のリンケージに追加される。アクチュエータ412は、枢動点516の車両のシャシに一方の端部のところで回転可能なように固定される。アクチュエータ412の伸長可能/引き込み可能軸542は、カップ540によってリンク520および522のジョイント538に固定され、これにより、リンク520および522は、フットペダル510による従来の操作を可能にするように十分な運動の自由度を持ち、その一方でこれによりアクチュエータ412の軸542も、軸542を完全伸長位置の方へ押しやることによって係脱運動534をリンク522に伝えることができる。軸542の極端な位置を感知し、対応する軸位置信号を制御システム160に送信するために、アクチュエータ412にリミットスイッチ416CRおよび416CDを取り付けることができる。
大型ディーゼルトラックの運転者は、従来の車両のICEを統制することになれており、過剰に高いICE回転速度、例えば、エンジンの「レッドライン」毎分回転数(RPM)限界に達することを回避する。このような車両を加速する場合、熟練した運転者は、ICEのRPM速度がレッドラインの上限に近づきはじめたとき、実際にタコメータを使用しなくても、ICEが発する可聴音を聴くだけでそのことを認識することができる。ICE回転速度がレッドラインの上限に近い場合、運転者は、変速機を上段ギアに切り替えることができる。この操作を行うために、少なくとも時々、クラッチを切ることによって車両の車輪を駆動することからICEを一時的に切断する必要がある。その結果、ICE回転速度は、惰性で下がってゆき、さらに次の上段ギアに対応する変速機入力の初期回転速度と一致する、つまり、同期するようにできる。熟練運転者であれば、典型的には、車両の速度を落としているときにさまざまな速度でのICEと変速機との相互作用に順応し、例えば、交通状況に応じて、運転者がブレーキを踏むだけでなく、変速機を低速ギアに入れてICEが制動に寄与するようにする。したがって、ICE回転速度調節は、車両のクラッチによって使いやすくなる。
一実施形態によれば、車両のクラッチ120は、車両100がETMモードに完全に入った後にはICE302は全く回転しなくなるように動作する。制御システム160が、ETMモードへの切り替えを知らせる信号を発すると、車両のクラッチペダル510は、クラッチアクチュエータ412によって押下位置に保持され、したがって、ICE302は変速機122から係脱され、また車輪320を駆動しなくなる。その結果、過剰に高いICE302回転速度は、ETMモードで動作する場合には問題にならない。
しかし、ETM動作では、ETM150がPTO140を介して従来の変速機122に結合されている重い車両100には他の問題が生じる。ETM150およびPTO140にクラッチがない一実施形態によれば、電動機150の軸は、PTO140内のギアを介して変速機122の入力に機械的に係合される。この実施形態では、ETM150の軸は、もちろん変速機122がニュートラルにシフトされていない場合に、車両100がICEモードまたはETMモードで動作しているかどうかに関係なく、車輪320を駆動する。
さまざまな実施形態が、ACおよびDCトラクションモータ代替物に加えてさまざまな代替構成を含む。ETM動作モード用の電力を供給する電池を、燃料電池で補うことも補わないこともできる。電池を再充電するための発電機を、ETM150と無関係に備えることも備えないこともできる。ETM150がDC電動機である実施形態では、別のACオルタネータ152を、ETM150と同じ変速機ギアに結合された第2のPTO142を介して変速機入力に機械的に係合することができる。したがって、ACオルタネータ152は、車両100がICEモードのときに制御システム160を介して電池144を充電するように電気的に結合することができる。車両100は、補助電源、例えば、電池170によって電力を供給される冷房、暖房、および便利な電気コンセントなどの独立操作可能なキャビンコンフォート機能を備えることも備えないこともできる。
ETM150がACまたはDC電動機であるかどうかに関係なく、ETM150が変速機入力125に結合されたPTO140を介してマニュアル変速機122に機械的に係合される実施形態に対応できるように制御、監視、モード切り替え、およびシフトに関する特別な配置構成が必要である。
図6は、本明細書の実施形態の動作の仕方の説明を簡単にするために使用される標準的な3速変速機122を示している。(従来のHD車両はさらに多くのギアを有することは理解されるであろう。)入力軸125は、クラッチ(図示せず)を介してICEに結合されている。ETM150は、パワーテイクオフ140を介して入力軸125上のトランスファーギアに結合される。ETMモードが選択されると、ICE302は、ETM150が直接結合された状態のまま、クラッチによって入力軸125から係脱される。
ETM150に電力が供給されると、これは入力軸125を回転させ、軸125の回転速度は、速度センサ650を介して感知される。変速機122のトランスファーギアとパワーテイクオフ140のギアの比を含む、軸125の知られている速度および知られているギア比が与えられた場合、ETM150の比回転速度は、出力速度=入力速度×正味ギア比で決定することができる。ギア602は、入力軸125に強固に結合され、入力軸125の回転をギア604を介して副軸606に伝える。ギア620、622、624、および625は、すべて副軸606に強固に結合され、副軸606の回転速度ですべて一緒に回転する。ギア620、622、624、および625はすべて、異なる直径を有し、したがって他のギアを回転するように係合されたときに異なるギア比となる可能性がある。ギア626は、アイドラーギア625を通してギア616に結合され、車両のリバースギアを構成するために使用される。
出力軸129は、差動装置316(図1を参照のこと)を通じて車両主車輪を駆動するように接続され、これにより、主車輪との固定された関係で回転する。出力軸129は、キー溝が付けられており、シフトカラー630および632に直接結合される。シフトカラー630および632は、出力軸129と同じ回転速度で回転している間に横方向に移動するように構成される。シフトギア610、612、614、および616(本明細書ではシフトギア636とも称する)は、その対応する副軸ギア620、622、624、および626(本明細書では副軸ギア646とも称する)と常に係合し、出力軸129上で自由に回転することを可能にするベアリングを有する。シフトカラー630および632は、各シフトリンケージによってシフトカラー630および632を移動するように動作可能なシフトレバー(図示せず)に結合されており、シフトリンケージの1つがシフトリンケージ(または「ロッド」)640として本明細書に示されている。シフトカラー630および632が図の通りに配置された場合、変速機122は「ニュートラル」状態にある。このニュートラル状態では、入力軸125がETM150によって回転されている場合、すべてのシフトギア610など、および副軸ギア620などは、出力軸129が静止状態のままである間(車両の主車輪も静止している場合)も回転している。つまり、シフトレバーがニュートラル位置にある場合、シフトカラー635および632はシフトギア610などのどれかと係合せず、したがって、シフトギア610などは、主車輪の回転ではなくETS電動機150の回転に応答して回転し、その一方で、シフトカラー630および632は、ETS電動機150の回転ではなく主車輪の回転に応答して回転する。
シフトカラー630および632は、「ドッグティース」(例えば、627)を有し、シフトギア610、612、614、および616のすべてが、ドッグティースと係合するための嵌合「穴」を有する。シフトカラー630および632は、シフトレバーの動きに応答して軸129にそって自由にスライドし、カラー630または632のうちの1つがシフトギア610などのうちの1つと係合するような位置に移動する。しかし、カラー630および632は、軸129のキー溝と係合するカラー630および632のキー溝によって軸129とともに回転するように制約される。シフトギア610などは、出力軸129上で自由に回転することを許すベアリングを有する。しかし、シフトカラー630または632は、シフトギア(例えば、612)と係合しているときに、シフトギアは、出力軸129を駆動するようにシフトカラーを結合するキー溝を通して車両車輪を駆動することができる。出力軸129の回転速度は、シフトギア(例えば、612)と対応する副軸ギア(この例では、ギア622)とのギア比によって決定される。したがって、ギア610が選択された場合、出力軸129は、与えられたETM150の回転速度に対して最低の速度で回転するが、それは、副軸ギア620が、622または624より小さく、シフトギア610が、612または614より大きいからである。
与えられたETM150の回転速度に対し、シフトカラー630または632と係合するシフトギア(610、612、または614)に対応する特定の出力軸回転速度がある。ギアをシフトし、シフトギア610、612、または614を切り替えるときに、出力軸回転速度を対応する「シフト先」ギアに合わせる必要がある。ただし、ニュートラル状態にあり、ETM150が入力軸125を駆動している場合、すべての非選択シフトギア610などは、ETM150の回転速度およびその特定のギア比によって決定される回転速度で出力軸129上で自由に回転している。変速機122がニュートラル状態の場合、シフトカラー630および632は、出力軸129の速度で回転し、これは、主車輪が軸129を回しているため、車両速度に直接比例する。
出力軸129の回転速度が、次のギア610などが「シフト先となる」ことに対し合っていない場合、ドッグティース630など、および次のギア610などの一致する穴が、「クラッシュ」し、「ギアクラッシュ」と呼ばれる状態になる。(シフトギア610などの、および対応する副軸ギア620などのギア歯は、すべて常時係合状態にあるため、実際にはクラッシュしないことに留意されたい。)
したがって、シフトギアの問題は、シフトカラー630および632が、出力軸129と同じ速度で回転し、シフトギア(出力軸上の)が、入力軸速度によって決定される速度および副軸ギア620などとシフトギア610などとの間の特定のギア比によって決定される速度で回転することにある。
ETMモードで動作する例示的な一実施形態では、ETM150は、PTO140内のトランスファーギアに常に係合している。出力軸129の回転(車両速度)をシフト先の次のギア610など(ETM速度)に合わせるには、これらの要素の速度調整を必要とする。
速度アップシフト:
UP速度シフトは、通常、車両加速時に行われる。与えられた車両速度を達成するために高い毎分回転数(RPM)でETM150が動作することを必要とする低速ギアが、最初に選択される。次に高いギアにシフトするには、変速機をニュートラルにする必要がある。車両の慣性は、勾配および抵抗にもよるが、この時に比較的一定の前進速度を維持する。この時の運転者は、トランスファーギアへの結合を通じて印加される負荷に応じてETMが速度低下する原因となるETMからの駆動力を取り除く。運転者が、出力軸129の速度(車両速度)が次に高いシフトギアに合っていると判定した場合(ETM回転速度)、クラッシュを最小限に抑えつつシフトを開始することができる。ETM回転速度は、ETMを発電機モードに切り替え、出力に負荷をかけて(例えば、蓄電池を充電して)ETM150の速度を下げることによってさらに調節することができる。
ダウンシフト:
ダウンシフトは、通常、交通状況により運転者が止まろうとしているか、速度を落としているか、または車両負荷および勾配のせいで低いシフトギアにシフトして追加トルクを発生させる必要がある場合に行われる。この場合、高いシフトギアがすでに入っており、運転者は低いシフトギアにシフトする必要がある。どの高いギアが現在出力軸に係合しているかに応じて、次に低いギアの選択は変わる。
トルクを上げるためのダウンシフトでは、運転者は、次に低いギアに必要な要求されるETM速度を下げるために車両速度を遅くすることを望まない。この場合、運転者は、車両速度を維持しようと努めるが、そうするには追加トルクを必要とする。車両速度を落とすため、または停止するためにダウンシフトする場合、運転者は、車両速度を下げたいので、制動と低いギアへの順次シフトの組合せによって速度を落とすことができる。制動は、次の順番として低いギアに必要なETM速度を下げ、係合したときにETMを発電機モードに切り替えると、車両の運動エネルギーの一部を回収しながら車両速度をさらに下げる。
少なくともいくつかの実施形態では、ETMモードは、機器のコストを低減し、ダウンシフトおよび制動時に車両運動エネルギーを回収する能力を最適化するために「クラッチフリー」である。クラッチがETMを係脱することなくマニュアル変速機をシフトすることは、シフトカラー(例えば、630および632)に組み込まれている同期装置を使用することによって改善することができる。同期装置は、出力軸129を対応する次のシフトギア(例えば、610、612、および614)にロックするためにドッグティース(例えば、627)を強固に係合する前に摩擦損失を通じて出力軸の回転速度をETM回転速度(シフトギア)に合わせるために使用される摩擦駆動により最初にシフトカラーを次のギアに係合させるように構成される。これにより、運転者がギアをシフトする能力が高まるが、コストが増大し、効率が下がることになる。
ギア620および610は、常に係合しており、「ロー」または「ファースト」ギアに対応するギア比を持つ。同様に、ギア622および612は、セカンドギアのギア比を形成し、ギア624および614は、サードまたはそれ以上のギアのギア比を形成する。すでに述べているように、ギア620、622、624、および625は、副軸606に結合され、したがって、ギア602および604のギア比によって決定されるETM150に比例する速度で回転する。
ギア610が、駆動出力軸129に係合している場合、ギア620については、その対応するより大きなギア610より単位時間当たりの回転数が増える。したがって、ETM150は、より低いギアに対応する、所定の車両速度についてより高速に回転しなければならない。ギア622は、ギア620より大きく、したがって、ギア612が駆動出力軸129に係合している場合、ギア622についても、その対応するより大きなギア612より単位時間当たりの回転数が増える。しかし、ギア622は、620より大きいので、ETM150は、与えられた車両速度に関して、ギア610が変速機出力軸129を駆動するように係合する場合と同じ速さで回転しなくてもよく、したがって、622と612の組合せは、ギア620および610より高いギア(例えば、セカンドギア)をもたらす。最後に、ギア614が、変速機出力軸129を駆動するように係合される場合、ギア624および614の高ギア組合せでは、ETM150が与えられた車両速度について最低の速度で回転する必要がある。
シフトカラー632がギア616に係合する場合、出力軸129は、アイドラーギア625を通じてギア626および616によって駆動される。アイドラーギア625は、動力軸によって駆動されず、ギア626の回転方向を逆転することにのみ使用される。典型的には、リバースは、最低のギア比となるが、この図では、ギア626および616の比は、典型的なリバースギア比を生じることに関してスケーリングしない場合がある。
以下では、特定のギア比が、ETM150駆動ギアと出力軸を駆動するギアとの比として表され、例えば、620/610はファースト(ロー)ギアを、622/612はセカンドギアを表し、624/614はサード(ハイ)ギアを表し、626/616はリバースギアを表す。シフトカラー630は、ギア610と係合して、ファーストギア駆動を変速機出力軸129に与え、ギア612と係合してセカンドギア駆動を与える。同様に、シフトカラー632は、ギア614および616と係合して、サードギアおよびリバースを、それぞれ与える。
一実施形態によれば、ETM150に電力を供給するために利用可能な補助電源のエネルギーは限定される。例えば、蓄積電力は、高価な重い電池を必要とし、したがって、一実施形態では、限られた電気的エネルギー源は、オンボードで利用可能である。それに対応して、一実施形態では、ETM150は、比較的低いギア比(例えば、620/612)が選ばれていない限り大型の車両が受ける可能性のあるすべての負荷に対する電力を供給する十分な馬力容量を持ち得ない。したがって、運転者が、十分な機械的利益をもたらす特定のギア(610、612、または622)を選択することも目的の1つである。
トラックが空で、勾配が平坦である場合、トラックは、ETM150に過負荷をかけることなくより高いギア比(例えば、624/614)で運転することが可能である。この場合、より高いギア比624/614のもたらす機械的メリットが少なくても、重量および勾配が小さいほど、トルクは小さくて済む。トラックに積載する重量が重いか、または勾配がきつい場合、ETM150は、十分なトルクを変速機の出力軸129に伝えるため変速機122を介してより大きな機械的利益を必要とし、またより低いギア比(例えば、ファーストギア620/610)を選択することを必要とする場合がある。
図3は、車両速度間の関係、つまり、主車輪回転、ギア選択、およびETM回転速度を示すグラフである。軌跡351は、変速機のファーストギア(シフトギア610、図6)が係合している場合の車両速度とETM回転速度との対比を示している。軌跡361は、変速機のセカンドギア(ギア612、図6)が係合している場合の車両速度とETM回転速度との対比を示している。軌跡371は、変速機のサードギア(ギア614、図6)が係合している場合の車両速度とETM回転速度との対比を示している。図3は、図1のPTO140または変速機122に対する速度制限に、またはETM150に対する停動トルク速度に対応しうる、回転速度上限377も示す。図には、また、変速機のサードギア(ギア614、図6)が係合している場合のETM150に対する限界375も示されている。限界375は、サードギアを介して駆動車輪に係合されたときに十分な加速をETMが伝えることができる速度の範囲を示す。この範囲は、図示されているように、積載車両の重量と車両が走行中の道路勾配の関数となっている。類似の一組の限界375が、セカンドギア(ギア612、図6)が係合している軌跡361について適用される。本発明の例示されている実施形態では、ETM150は、ファーストギア(ギア610、図6)が係合している場合に対する速度の範囲全体にわたる十分な加速を、回転速度限界377まで伝えることができる。図3では、351、361、371、375、および377の配置または形状は、必ずしも縮尺通りでなく、一般的な配置または形状を示すのみである。
図2は、車両が加速され、時間の経過とともにギアがファーストギアからセカンドギア、次いでセカンドギアからサードギアへとシフトされるときの、車両速度とETMモードでのEMT回転速度との関係を示す。例示されている実施形態によれば、3つの示されている選択可能な変速機ギア646(図6)のギア比は、ETM回転速度が対応するギア速度に合う、つまり、グラフ中で「シフトrpm」210とマークされているRPMに実質的に一致する毎にシフトされるようなギア比である。
図2に示されているように、それぞれのシフトポイントにおけるETMの一貫したシフトrpm210は、運転者に提示される現在のETM回転速度の測定が、加速中にギアをシフトするときに運転者がETM回転速度を調節して車両速度と選択されたギアとを合わせることを可能にするのに十分であることが多い理由を示している。しかし、ダウンシフトするときに、ギア比が例示されている繰り返し性を持つように設計されているとしてもETM回転速度(副軸ギア646)をシフトギア636に対応する車両速度に合わせることが少し難しい。
例えば、交通しているときに、車両は、出力軸129に係合されているハイギア636で加速した後に速度を落とさなければならないことが多い。次いで、速度を落とした後に、車両は、再加速する必要がある場合があり、これは、ギア636の1つ(例えば、610)をシフトカラー630と係合してより大きな機械的利益を与えることによって低いギア比にダウンシフトすることを必要とする場合がある。ETM回転速度がグラフに示されているシフトrpm210と一致するように下げられた車両速度に対し一致する可能性が最も高いであろう。したがって、交通しているときに、運転者は、加速、減速、その後に加速を必要とする状態に遭遇したときにニュートラルにシフトして、ETM速度を調節する必要がある場合がある。この状態は、入れるべき正しいギア636と正しいETM150回転速度を「探し回る」ことに対応する。
図4は、車両速度、ギア速度、およびETM回転速度の間の対応関係を示している。図4は、ダウンシフトする場合に回転速度を同期させようとしたときに生じる上述の面倒な事態を示すために使用されている。図4の351、361、371、375、および377の形状または配置は、必ずしも縮尺通りに示されていない。
運転者がサードギア614(図6)に到達するまで順次シフトすることによって速度S3(ETM回転速度R6)に加速し、次いで、速度を落とす必要があったと仮定する。運転者は、ブレーキをかけて車両を速度S2に落とし、次いで、車両を再び加速することを決めたと仮定する。この時点で、サードギア614は、まだ係合していて、車両は軌跡371上で動作しており、そこでは、車両速度はS2であり、ETM回転速度はR3に対応している。運転者は、サードギアにとどまって軌跡371にそって運転するか、またはセカンドギア612にシフトして曲線361上で運転するオプションを有する。しかし、運転者がギアをシフトすることを選択した場合、ファーストギアでの運転は限界377を超えるため、唯一のオプションは、セカンドギア612にシフトすることである。これは、ETM回転速度をR4に調節してギアクラッシュを回避することを必要とする。車両速度のみの観点から、セカンドギア612とサードギア614は両方とも、車両の現在速度S2に対応する適切なETM回転速度で使用することができる。しかし、361および371は、かなり異なる相対的トルク能力を表しているので、選択される適切なギアは、現在の積載車両のトルク要件によって決定される必要がある。つまり、現在の運転状況における現在積載車両のトルク要件および加速需要は、ETMが係合しているギア612または614で伝えることができるトルクに最もよく合う必要がある。
ETM回転速度R3およびR4の差は著しいことに留意されたい。したがって、運転者は、ETM回転速度を調節して、主車輪速度S2での加速を再開した後に再係合するギアを選択するときにギアをクラッシュすることを回避するためにこの差を「感じる」必要がある。
他の例では、運転者が、サードギアに入っている間にブレーキをかけて車両を速度S1に落としてから、もう一度加速することを決定したと仮定する。このことは、車両速度がS1に落ちている間に、ETMの回転速度がR6からR5まで遅くなることを意味する。運転者は、サードギアのままにする(つまり、軌跡371にそって運転する)か、またはギアをシフトすることが可能である。セカンドギアにシフトするには、運転者は、ニュートラルに入れてから、ETM回転速度をR1に近い速度に調節しなければならない。ファーストギアにシフトするには、運転者は、ニュートラルに入れてから、ETM回転速度を、R1よりかなり高いR2に近い速度に調節しなければならない。3つのギアすべて、許容可能な加速および回転速度上限377に対する各ギアの限界375を超えないので、車両の速度S1に対応する運転を可能にすることができる。しかし、ETMに対する必要な回転速度R3がすでに速度上限377に近いので、ファーストギア610は、よい選択とはいえない。
運転者が、サードギアが入っている状態でブレーキをかけて速度S2に落とす場合、速度S2では、ETM150は、サードギアの電動機速度軌跡371がサードギアの限界375の1つに遭遇する前にさらに加速できることはほぼないことに留意されたい。したがって、セカンドギアは、ETMが速度S3までさらに加速することができるので、より良い選択のように思われる。このことにより、トレーニングおよび経験を通して、または制御システム160(図1)を介して提示される情報によって、ETMが動力を供給する能力に影響を及ぼす制限に関する情報を運転者側が持つ必要性がさらに高まる。
図4は、運転者がS2の車両速度でギアをファースト(ギア610、図6)に入れようとするには、ETM回転速度が最高RPM限界377を超える必要があり、そのようにすると速度超過状態になることも示している。もちろん、ETMが通電しているときにギアを強制的に入れることは困難であり、その速度で、所望のシフトギア636が車両速度に対応する出力軸129の速度に合わされることはない。その代わりに、ギアシフトカラー630または632は、特定のシフトギア636でクラッシュする傾向がある。
ETMの速度超過の考えられる原因は、変速機にギアが入った後に下り坂を惰性で走行することである。通電しておらず、また例えば、変速機が同期装置を有している場合に、自由に回転できるように構成されているときに、ETMを速度超過させる可能性もある。
図7は、ETM動作モードで「クラッチレス」になっている間にギアをシフトする運転者を補助するように構成された速度インジケータのブロック図である。速度インジケータロジック705は、ETM150および主車輪320の回転速度をそれぞれ測定する速度センサ650および652から信号を受信する。速度ロジック705は、車両荷重に比例する信号をオプションの荷重センサ742から、車両が走行中の道路の勾配に比例する信号をオプションの傾斜計744から、さらに受信する。したがって、センサ742および744は、変速機出力軸129を介して車両車輪に伝えられなければならないトルクの量に関する情報を供給する。この情報は、どのような変速機ギア比またはギア(ファースト、セカンド、またはサード)が与えられた車両速度、車両荷重、および道路勾配に対して適しているかを判定するのに適した情報である。スイッチ746は、係合している現在のギア(例えば、610、612、614)の指示を与え、したがって、速度ロジックは、特定の次のギアが特定の現在のギアからいつシフトされるかを判定するように動作可能である。
例示的な組合せ620/610、622/612、および624/614とPTOギア比によって決定される固定ギア比により、速度ロジック705は、ETM150の与えられた回転速度に対し特定のギア610、612、および614の回転速度を決定することができる。つまり、例えば、軸速度125(ETM150の速度に関して固定された関係を有する)×(ギア602および604の組合せの比)×(ギア620および610の組合せの比)=ギア610の速度である。同様に、速度センサ652を使用することで、速度ロジック705は、与えられた車両100の路上走行速度に対し変速機出力軸129の回転速度を決定することができる。シフトギア636のうちの1つ(例えば612)が、出力軸129に係合している場合、定義により、特定のETM150の回転速度と車両路上走行速度との間に対応関係が1つだけある。次のギア(例えば、614)にシフトするには、次のギアに関してETM150の回転速度と車両100の速度との間の固定された対応関係と一致させるために車両速度を落とすか、またはETM150の回転速度を適宜加減することができるように変速機122をニュートラルに入れる必要がある。
シフトには2つの可能なシナリオのみが存在し、これは、低いギアから高いギアへのアップシフト(加速シーケンス)と高いギアから低いギアへのダウンシフト(低速にするか、またはより大きなトルクを発生する)である。アップシフトの場合、ETM150の回転速度は、現在係合しているギアに対応する現在のETM速度から係合する次のギアに対応する将来のETM速度へ常に下げられなければならない。加速する(アップシフトする)場合、得られる車両100の速度に影響を及ぼすことなく、ETM150の回転速度が遅くなるように変速機122をニュートラルにシフトすることが重要である。
一実施形態では、ETM速度インジケータ710は、現在のETM回転速度を範囲の間(例えば、0〜10)で示すように正規化される。つまり、ロジック705は、センサ650から速度信号を受け取り、ETM150の回転速度の所定の範囲に従って較正され、それに応じて、0から10の間にスケーリングされた、その範囲を通じてインジケータ710を駆動するための信号を出力する。現在のETM回転速度は重要であるが、それは、ギア比がわかっていれば、個別のシフトギア636の回転速度を推定するために運転者により使用することができる(またはそれらの速度を計算するために速度ロジック705によって使用することができる)からである。
車両の従来の速度計720は、運転者に車両100の速度を伝えるので、運転者は、ETSモータ150(図1)の速度インジケータ710および従来の速度計720を参照しつつさまざまな車両100の速度においてシフトギア636の回転速度に対応するETSモータ150の速度がどれくらいかを知ることができる。つまり、速度計720に示されている与えられた車両速度において、運転者は、シフトギア610、612などのうちの1つを選択することを知り、ETS電動機150の回転をインジケータ710に示されている回転速度に合わせて手動で調節し、ギア610、612などのうちの選択された1つがその回転速度を対応するシフトカラー630または632の速度に合わせられるようにする。
従来の速度計720と速度インジケータ710を上述のように使用することは有利であるが、その有用性は、図4に関して本明細書において上述されているダウンシフトの状況などの特定の状況において、また特定の経験の浅い運転者にとっては、限られる可能性がある。したがって、本発明の他の実施形態では、追加のインジケータが、図7に示されているように運転者に対し提示される。本明細書の以下で説明されるように、一方のインジケータ721、および他方のインジケータ731、732、および733は、対応する回転速度(車両100の速度によって決定される)を有する出力軸129とこれから係合するために係合すべき次のギアがいつ適切な回転速度(ETM150の速度によって決定される)を有するかを判定するために使用することができる。(インジケータ731〜733は、本発明のさまざまな実施形態に従ってその個数が異なる場合があり、本明細書ではインジケータ730と示されている)。
シフトカラー630または632のうちの一方が係合するまで、シフトギア636は、出力軸129上で自由に回転するが、ETM150の回転速度にそれぞれ正比例してまだ回転する。ギアをシフトするために、運転者は、特定のシフトギア636がいつ出力軸129ならびにシフトカラー630および632の回転速度に一致する回転速度を有するかを知る必要がある。したがって、インジケータ731〜733は、インジケータ710によって提示される速度と同じスケールに対応する範囲(例えば、0〜10)上で正規化された各回転速度を提示するように較正され、これにより、710によって提示される速度が例えばインジケータ732によって提示される速度に一致した場合に、このことは、シフトギア612の速度が対応するシフトカラー630の速度と真に一致することを示す。つまり、ロジック705は、センサ650から速度信号を受け取り、シフトギア610の対応する回転速度の所定の範囲に従って較正され、それに応じて、0から10の間にスケーリングされた、その範囲を通じてインジケータ731を駆動するための信号を出力する。同様に、ロジック705は、シフトギア612の対応する回転速度の所定の範囲に従って較正され、それに応じて、これも0から10の間にスケーリングされた、その範囲を通じてインジケータ732を駆動するための信号を出力する。同様に、同じことが、シフトギア612およびインジケータ733にも適用される。
同様にして、出力軸速度インジケータ721は、出力軸129の回転速度を範囲0〜10上で提示するように正規化される。つまり、ロジック705は、センサ652から速度信号を受け取り、軸129の対応する回転速度の所定の範囲に従って較正され、それに応じて、0から10の間にスケーリングされた、その範囲を通じてインジケータ721を駆動するための信号を出力する。
したがって、運転者は、インジケータ731〜733のうちの1つの速度表示をインジケータ721の速度表示に目で見て合わせ、ギア610、612、または614のどれが車両の走行中に変速機122のニュートラル位置からシフトするのに適しているかを判定することができる。それに加えて、速度ロジック705は、ギア610、612、および614の計算された速度を軸129の速度と比較し、速度が所定の限界内で軸129の速度と一致しているギア610などを選択することができる。したがって、ロジック705は、それぞれのインジケータ731〜733上で、速度が現在の出力軸129の速度と互換性のないギア610などを示す赤色ライト(例えば、735)の信号を出力し、また速度が軸129の速度と互換性のあるギア610、612などを示す青色(green)ライト(例えば、736)の信号を出力する。
速度制御ロジック705およびインジケータ710、721、および730を使用してアップシフトおよびダウンシフトを行うときに以下の操作シーケンスに従わなければならない。
アップシフト:通常は加速に関連する。
本発明の例では、車両100がファーストギア(比620/610)で停止から始めるが、車両車輪に十分なトルクを伝えることができる初期ギアを使用することができる。運転者は、ETMモードに切り替えて、それに応じて、クラッチを押下し、変速機122からICEを係脱し、ICEを係脱状態に保持することも仮定される。運転者は、変速機をファーストギアに入れ、信号をETM制御システム160に送信して電力増大をETM150に施す加速装置ペダルを押下する。ETM回転速度は、印加された電力に応じて増大し、これにより、車両100の速度が高まる。ある時点において、ETM150の回転速度(710によって示される)は、変速機がより高いギア(例えば、612)にシフトされない限り、車両速度が増大し続けない、または少なくとも所定の十分な割合で増大しないことを示す所望の限界を超える。
運転者は、次に、ギア612にシフトするための準備でニュートラルにシフトする。瞬時に、ギア610の回転速度は、出力軸129の回転速度と一致し、ギア612(ETM150によって決定される速度で回転する)は、出力軸129より速く回転している。運転者は、低いギアから高いギアへシフトするときにICE車両を「ガスの圧力を下げる」ように駆動し、ICEの速度を下げることから学習している。ETMモードでは、同じアクションが必要である。ETM150は、常に変速機122と係合しているので、変速機の負荷は、自然にETM150を遅くする。本発明の一実施形態では、ETM制御システム160は、速度低下が十分に速くない場合には自動的にETM150を発電機モードにも切り替える。次いで、運転者は、ニュートラルからセカンドギアにシフトするために612の速度が出力軸129の速度と一致するという表示が出るまで待機する。運転者は、ファーストからサードギアにシフトしたい可能性がある。この場合、運転者は、ETM150が十分に低速になり、出力軸129の速度がギア614と一致するという表示があるまで、単純に待つ。
ダウンシフト:運転者は、車両の速度を下げたいか、または与えられた車両速度でトルクを増大することを望む。
車両の速度を下げるには、運転者は、車両速度を下げるブレーキをかけることができる。変速機ギアがまだ出力軸129と係合している場合、制御システム160は、ETMを発電機モードに切り替えて、車両運動エネルギーの一部を回収しながら車両速度をさらに下げることもできる。いずれの場合も、運転者は、ETM速度を独立して調節して次の低いギア回転速度に合わせることができるように、ある時点でニュートラルにシフトしなければならない(ファーストギアが係合していない限り)。運転者は、次に、次の利用可能な低いギア(例えば、ファーストまたはセカンド)が現在の車両速度で出力軸129の速度と一致しているという表示(例えば青色ライト736)があるまで待機する。
ギアをシフトしてより大きなトルクを車両車輪に伝えるときに、運転者は、必ずしも、車両速度を下げたくはないが、ETMが最大RPM限界を超えることを避ける必要がある場合がある。スイッチ746は、どのギアが現在係合しているかを速度ロジック705に指示する。本発明の一実施形態では、速度ロジック705は、適切な青色ライトを介して、ニュートラルにシフトする前に、どの低いギアが与えられた車両速度で可能であるかを指示する。このようにして、運転者は、トルクを増やしたい場合にどのようなアクションを取るべきかを決定することができる。例えば、車両が特定の速度で移動しており、運転者が勾配に近づきつつあり、トルクを増やす必要があると決定した場合、低いギアに関するライトが、ETM速度限界を超えることなく次の低いギアを係合することができるかどうかを指示する。この場合、運転者は、特定の低いギア速度が出力軸129の速度(車両速度)に一致することをインジケータが示した場合に、ニュートラルにシフトし、ETM回転速度を高め、次いで低いギアにシフトする。インジケータが、特定の車両速度に適した低いギアがないことを示した場合、運転者は、次の低いギアが新しい車両速度で可能であることを青色ライトが示すまでギアが係合している間に、ブレーキを使用するか、またはETMを発電機モードに切り替えることができる。
他の実施形態では、ギア一致インジケータ730は、シフトギア636と出力軸129の間の回転速度の差を示すように構成することができる。つまり、速度ロジック705は、軸125の感知された速度(ETM150の速度と固定された関係を持つ)とギア610の計算された速度との間の差に応答して信号を計算しインジケータ731に出力する。同様に、同じことが、インジケータ732とギア612、およびインジケータ732とギア614にも適用される。この場合、赤色ライト735が上部に位置決めされ(10の隣、最大差指示)、青色ライト736が底部に位置決めされている(0の隣、最小差指示)正規化された範囲(例えば、0〜10)も使用することができる。このようにして、運転者は、常に、ニュートラルから次のギアへシフトする場合の表示を受ける。
本発明の他の特徴において、運転者に対して速度指示を視覚的に、または可聴音で、またはこれら2つの組合せとして提示することができる。例えば、このような速度指示は、サイズが変化するバーとして(図7に示されているように)、または1つまたは複数の変化する数値として、または針の変位として視覚的に提示することができ、数値またはバーのサイズまたは針の変位は、指示された速度に比例する。このような速度指示は、代替として、またはそれに加えて、ピッチの変化する音として提示することができ、例えば、ピッチが高ければ、速度が大きいことを示すことができる。
上で述べたように、現在のETS電動機150の速度におけるギア610、612、および614のうちの各ギアの回転速度に対応する速度をインジケータ731〜733が提示する実施形態が説明されているが、インジケータ710は、ETS電動機150の回転速度に対応する信号を運転者に提示する。本発明の他の実施形態では、インジケータ731〜733は、現在の主車輪320の速度におけるギア610、612、および614のうちの各ギアの回転速度に対応する速度を、変速機122がニュートラルに入っているとしても各ギア610などが各シフトカラー630または632に係合しているかのように、示す。つまり、ロジック705は、例えば、センサ652からの現在の主車輪320または軸129の速度信号に関連付けられている軸129の現在の回転に応じて、また(ギア602および604の組合せの比)×(ギア622および612の組合せの比)にも応じて、インジケータ732に送信する信号を計算し、これにより、インジケータ732は、ギア612がシフトカラー630に係合しているかのように現在の主車輪速度について軸125が回転している速度に対応する速度を提示する。同様に、この実施形態によれば、同じことが、インジケータ731、ギア620および610、ならびにカラー630、インジケータ733、ギア624および614、ならびにカラー631にも適用される。
関連する一実施形態では、インジケータ731〜733は、速度差を提示することができる。つまり、ロジック705は、例えば、変速機122がニュートラルに入っているとしてもギア612がシフトカラー630に係合しているかのように軸129の現在の回転速度と軸125の現在の回転速度との間の差に応じて、インジケータ732に送信する信号を計算する。この実施形態によれば、同様に、同じことが、インジケータ731、ギア620および610、ならびにカラー630、インジケータ733、ギア624および614、ならびにカラー631にも適用される。
一実施形態では、ETMモードでの運転は車両が係合している変速機の低いギアを有する場合に最良であるため、制御システムは、車両が運転中である変速機ギアを検出する。制御システムは、ICEの回転速度、例えば、毎分回転数(「RPM」)も検出する。
従来の車両制御システム160は、ギア位置およびICE回転速度を検出するためのセンサをすでに備えている場合があり、この場合、追加のETM制御デバイスは、これらのセンサとインターフェイスすることができる。例えば、1993年頃以降、大型ディーゼルトラックは、Jバス上で通信するエンジン制御モジュール(ECM)350(図1を参照のこと)を備えている。一実施形態では、ETM制御デバイスは、典型的にはECM 350に含まれるか、または関連付けられている従来のセンサとJバスを介してインターフェイスする。あるいは、ETM制御装置は、ECM 350の一部として、またはECM 350と関連して従来含まれていたセンサに加えて、車両運転状態を検出するための追加センサを備えることができる。
ETM制御システム160は、制御ロジックを備える。一実施形態では、制御ロジック160は、センサから信号を受け取り、アクチュエータデバイス(例えば、クラッチアクチュエータ412)などの、ETM内のデバイスに制御信号を出力する入出力ポートを有する組み込み型プロセッサ(図示せず)を備えることができる。制御ロジックは、受信されたセンサ信号に応答して車両の運転状態を検出し、その運転状態を検出することに応答して出力信号を生成する。
例示的なICE動作モードでは、制御ロジックは、車両が低いギア(例えば、ファースト、セカンド、またはサード)に入っており、ICE302の回転速度が、1000RPM未満であることを検出することができる。この状態は、ETMモードでの動作に理想的である。この場合、制御ロジックは、ETM制御システムの出力デバイスをアクティブ化し、ETMモードに自動的にシフトするか、またはさもなければ、運転者がICE動作モードからETMモードに移ることを可能にすることができる。逆に、制御ロジックが、状態がETMモードの限界内にないことを感知した場合、ETM制御システムは、ICE動作モードからETMモードへの遷移を妨げることができる。
一実施形態では、ETM動作モードからICEモードに手動で遷移することは、以下のステップシーケンスを含む。
1)制御ロジックは、車両がETM動作に適した運転状態にあると、センサ入力を分析することによって判定し、モード遷移を容易にする制御信号を有効にする。
2)次いで、運転者は、クラッチペダルを押下して、ICEを変速機入力から係脱する。
3)運転者は変速機をニュートラルにシフトする。
4)次いで運転者は、ETMモードに切り替え、イグニッションスイッチを「アクセサリ」位置に切り替えることによってICEを切る。
5)ETMモードを選択したことに対する応答として関連付けられているETMコントローラを有効にし、次いで、これにより、クラッチアクチュエータにクラッチを押下位置に保持させる信号を生成する。アクセルペダルの位置を感知した信号をETMコントローラで使用し、ETMに印加する電力の量(例えば、電圧)を決定する。一実施形態では、ETMに印加される電力の量は、パルス幅変調(PWM)によって変えられる。
6)次いで、運転者は、ETM回転速度を調節することによって(ニュートラルから)のシフト先となる次のギアを決定し、次のギアの回転速度を出力軸の回転速度(したがって、現在の車両速度)に合わせる。
7)変速機を次のギアにシフトする。
変速機が、どれかのギアにシフトされた後、駆動装置は、ETMに印加する電力を加減し、次いで、変速機を介して車両車輪に印加するトルクを加減することによって車両速度を変化させる。
ETMモードで所望の車両動作が長くは可能でない場合、運転者は、以下のステップを使用してICE動作モードに戻ることができる。
1)一実施形態では、運転者は、クラッチアクチュエータがクラッチペダルの押さえつけを解放した後にICEが変速機から係脱したままとなることを確実にするために、手動で、車両クラッチペダルをその押下位置に保持するように自分の足の位置決めをする。
2)次いで、運転者は、従来のICEイグニッションスイッチを介してICEを起動する。これは、キーイグニッションスイッチを回して、「アクセサリ」位置から、「オフ」と「イグニションオン(run)」位置を通り、バネ復帰する「スタート」位置にすることを伴う。イグニッションスイッチが、「アクセサリ」位置を出て、ICE「スタート」位置に到達すると、ETM制御信号が自動的にETMモードを無効にする。
3)ETMコントローラに、ETMに供給される電力を切るよう指示する信号を送る。一実施形態では、これは、電源をETMに結合する接触器スイッチをドロップアウトしてETMへの電力供給を停止させることを伴う。
4)押下されたクラッチペダルの押さえつけを解放するようにクラッチアクチュエータに信号を送り、クラッチの制御を運転者に返す。
5)クランクでICEを始動させる始動電動機に電力を供給する。
6)変速機をニュートラル位置にシフトする。
7)アクセルペダルを使ってICE回転速度(RPM)を調節し、シフト先となる次のギアの回転速度を変速機出力軸の回転速度(車両速度)に対応するように同期させる。
8)クラッチを離して、ICEクランク軸を変速機に係合し、ICEモードで動作させる。
9)ETMモードスイッチをオフに切り替えて、イグニッションスイッチ「アクセサリ」位置でETMがリスタートするのを防ぐ。
10)あるいは、ETMモードスイッチを「生成」位置に切り替えて、ETMを適切に構成することを有効にし、ETMがICEのアクションによって、または変速機を回転させる車両車輪のアクションによって回転し電圧を発生する。ETM発電機電圧は、アクセサリを実行するために、または車両のスターター電池を充電するか、または補助電源システムのアクセサリ電池を充電するために使用できる。本明細書で使用されている「電池」という用語は、直列または並列接続の多数の個別の電池を含むことができる。
一実施形態では、ETM制御システムは、センサ信号を受け取り、運転状態を検出し、運転状態を検出したことに対する応答として出力信号を生成し、手動操作スタートアップシーケンスに対し以下のように制御アクションを実行するが、ただし、イタリック体のアクションは、燃料電池を備えるETMシステム用である。
1.人間のアクション(「HA」):ディーゼルエンジンのイグニッションスイッチを「アクセサリ」位置に回す。出力信号:On=12vdc/Off=0vdc
A.地形勾配を決定するトラクタシャシ傾斜計センサを装備する。センサ出力信号:0-5vdc=>コンピュータ入力信号(「IS」)
i.コンピュータ入力に送られるパラメータ:±10垂直角度。傾斜信号が2度未満、-3度超の角度である場合、コンピュータアクション(「CA」):許可。
B.コンテナ重量を測定するためのロードセルセンサを装備する。出力信号:0-5vdc=>IS
i.コンピュータ入力に送られるパラメータ:0〜40,000ポンド。重量が35,000ポンド未満である場合、CA:許可。
C.Jバスからトラクタ変速機ギア選択を読み取る
i.ローギア選択の場合、CA:許可。
D.APU電源システムを装備する。
i.CA:ドライ接点閉=>メイン燃料電池電源システム接触器が閉じる。
ii.CA:ドライ接点閉=>「ETM装備」ライトが点灯する。色:黄色。On=12vdc/Off=0vdc。ヒューマンインターフェイス(「HI」)。
2.CA:ドライ接点閉=>「装備されたシステムをアクノリッジする」ライト点灯スイッチが照らす。色:黄色。
3.HA:照明「装備されているシステムに確認応答する」スイッチを押す=>接点が閉じる=>CA:ドライ接点閉。
A.クラッチアクチュエータ駆動電動機ソレノイドが通電される。On=12vdc/Off=0vdc。
B.ブレーキ空気圧縮機電動機ソレノイドが通電される。On=12vdc/Off=0vdc。
i.トラクタブレーキシステム内の低(例えば、100psi)空気ブレーキ圧力スイッチセンサからのIF IS、CA:ドライ接点閉。
C.モータコントローラ(「MC」)速度入力。充電システム内の電流センサからの0〜5vdc IS。0〜50mvdc
D.補助電源システム送風機電動機ソレノイドが通電される。On=12vdc/Off=0vdc。
i.IS充電システムの電流センサ。0〜50mvdc。電流>(所定の閾値)である場合、CA:ドライ接点閉。
E.H2燃料供給弁ソレノイドが通電される(開く)。On=12vdc-Off=0vdc。
CA:ドライ接点閉。
F.短時間(例えば、2秒)ラインをパージするためにH2空気抜き弁/タイマーが装備される(通電)。ソレノイドOn=12vdc-Off=0vdc。
i.IS充電システムの電流センサ。0〜50mvdc。電流>(所定の閾値)である場合、CA:ドライ接点閉。
G.冷却液流ポンプ電動機が通電される。On=12vdc-Off=0vdc。
i.IF IS燃料電池電流シャント>1mV(>10アンペアの燃料電池を示す)、CA:ドライ接点閉。
H.冷却液流熱交換機ファン:
i.熱交換機ファン#1。On=12vdc-Off=0vdc。
冷却システム内の温度センサからのIS。RTD 0〜100オーム=(所定の範囲)°F。
温度>130°Fの場合、CA:ドライ接点閉。
ii.熱交換機ファン#2。On=12vdc-Off=0vdc。
冷却システム内の温度センサからのIS。RTD 0〜100オーム=所定の範囲の°F。
温度>140°Fの場合、CA:ドライ接点閉。
I.通電(ICEモード)/通電停止(ETMモード)電池充電システム発電機。
i.冷却システム内の温度センサからのIS。RTD 0〜100オーム=所定の範囲の°F。
温度>120°Fの場合、CA:ドライ接点閉=>通電。
ii.冷却システム内の温度センサからのIS。RTD 0〜100オーム=所定の範囲の°F。
温度>150°Fの場合、CA:ドライ接点閉=>通電停止。
一実施形態では、ETM制御システムは、センサ信号を受け取り、運転状態を検出し、運転状態を検出したことに対する応答として出力信号を生成し、必然的結果として手動操作シャットダウンシーケンスに対し制御アクションを実行する。
他の実施形態では、ETM制御システムは、センサ信号を受け取り、運転状態を検出し、運転状態を検出したことに対する応答として出力信号を生成し、自動スタートアップシーケンスに対し以下のように制御アクションを実行するが、ただし、イタリック体のアクションは、燃料電池を備えるETMシステム用である。
1.HA:ディーゼルエンジンのイグニッションスイッチをアクセサリ位置に回す。
出力信号:On=12vdc/Off=0vdc。
2.「装備されたシステムをアクノリッジする」点灯スイッチが照らす。色 赤色。
3.HA:「装備されているシステムに確認応答する」点灯スイッチを押す=>接点閉。
A.地形勾配を決定するトラクタシャシ傾斜計センサを装備する。センサ出力信号:0-5vdc=>コンピュータ入力信号(「IS」)
i.コンピュータ入力に送られるパラメータ:±10垂直角度。コンピュータアクション(「CA」):2度未満、-3度超の角度である場合に許可。
B.コンテナ重量を決定するためのロードセルセンサを装備する。出力信号:0-5vdc=>IS
i.コンピュータ入力に送られるパラメータ:0〜40,000ポンド。CA:35,000ポンド未満である場合に許可。
C.Jバスからトラクタ変速機ギア選択を読み取る。
i.CA:ローギア選択の場合の許可。
D.Jバスからトラクタ速度を読み取る。
i.CA:速度<20MPHである場合に許可。
E.CA:電池電力パックオルタネータの通電を停止する。
F.CA:メインICEをシャットダウンする。
G.APU電源システムを装備する。
i.メイン燃料電池電源システム接触器が閉じる。CA:ドライ接点閉。
ii.「ETM装備ライト」点灯する。色:黄色。On=12vdc/Off=0vdc。ヒューマンインターフェイス(「HI」)。
H.クラッチアクチュエータ駆動電動機ソレノイドが通電される。On=12vdc/Off=0vdc。
i.「装備されているシステムに確認応答する」スイッチからのIS。CA:ドライ接点閉。
I.ブレーキ空気圧縮機電動機ソレノイドが通電される。On=12vdc/Off=0vdc。
i.トラクタブレーキシステム内の低(例えば、100psi)空気ブレーキ圧力スイッチセンサからのIF IS、CA:ドライ接点閉。
J.モータコントローラ(「MC」)速度入力。充電システム内の電流センサからの0〜5vdc IS。0〜50mvdc
K.補助電源システム送風機電動機ソレノイドが通電される。On=12vdc/Off=0vdc。
i.IS充電システムの電流センサ。0〜50mvdc。電流>(所定の閾値)である場合、CA:ドライ接点閉。
L.H2燃料供給弁ソレノイドが通電される(開く)。On=12vdc-Off=0vdc。
CA:ドライ接点閉。
M.短時間(例えば、2秒)ラインをパージするためにH2空気抜き弁/タイマーが装備される(通電)。ソレノイドOn=12vdc-Off=0vdc。
i.IS充電システムの電流センサ。0〜50mvdc。電流>(所定の閾値)である場合、CA:ドライ接点閉。
N.冷却液流ポンプ電動機が通電される。On=12vdc-Off=0vdc。
i.IF IS燃料電池電流シャント>1mV(>10アンペアの燃料電池を示す)、CA:ドライ接点閉。
O.冷却液流熱交換機ファン:
i.熱交換機ファン#1。On=12vdc-Off=0vdc。
冷却システム内の温度センサからのIS。RTD 0〜100オーム=(所定の範囲)°F。
温度>130°Fの場合、CA:ドライ接点閉。
ii.熱交換機ファン#2。On=12vdc-Off=0vdc。
冷却システム内の温度センサからのIS。RTD 0〜100オーム=所定の範囲の°F。
温度>140°Fの場合、CA:ドライ接点閉。
P.通電(ICEモード)/通電停止(ETMモード)電池充電システム発電機。
i.冷却システム内の温度センサからのIS。RTD 0〜100オーム=所定の範囲の°F。
温度>120°Fの場合、CA:ドライ接点閉=>通電。
ii.冷却システム内の温度センサからのIS。RTD 0〜100オーム=所定の範囲の°F。
温度>150°Fの場合、CA:ドライ接点閉=>通電停止。
一実施形態では、ETM制御システム160は、センサ信号を受け取り、運転状態を検出し、運転状態を検出したことに対する応答として出力信号を生成し、必然的結果として自動シャットダウンシーケンスに対し制御アクションを実行する。
運転者は、うっかり、変速機122を与えられた車両速度には低すぎるギアに入れたままにしてETM150を過剰な回転速度で回転させることがある。速度超過危険性は、ETM150がICE302に比べてかなり静かであるという事実によりいっそう高まり、したがって、運転者は、速度超過危険性にすぐには気づかないことがある。速度超過危険性は、メインICEクラッチ120がETMモードで原動力駆動装置(ETM150)から変速機を係脱する従来の機能にもはや使用されないため、さらに高まる。速度超過危険性を解消するために、一実施形態では、ETM150に速度超過状態が生じた場合にそのことを知らせるアラームを備える。例えば、AC誘導型ETMは、6000RPMの所定の回転速度限界を有することができるが、DC電動機ETMは、いくぶん低い速度超過限界を有することができる。本明細書で説明されているいくつかの実施形態では、アラームは聴覚的または視覚的またはその両方とすることができる。運転者は、速度超過指示を受けたことに対する応答として、手動で変速機122をニュートラルにシフトすることができる。
他の実施形態では、パワーテイクオフ140のギアアセンブリは、ICEモードで動作するときにETMをPTOから係脱するためのPTOクラッチ機構を備える。例示的なソレノイド式アクチュエータを備え、ETM速度超過状態が検出されたときに発生した制御信号を受信したことに対する応答としてPTOクラッチを係脱するようにできる。
一実施形態では、車両のクラッチペダルは、ETMモードがアクティブ化され、それによりICEが変速機120から係脱される場合に発生する信号に対する応答としてクラッチアクチュエータによって自動的に保持される。他の実施形態では、クラッチアクチュエータは、ETM速度超過状態の検出に応答してICEクラッチを自動的に切るように動作させることが可能である。それに加えて、ETM速度超過状態の検出は、車両のETMモードを解除することもできる。
次に図12を参照すると、本明細書の実施形態の制御関係のプロセスが実装されうるコンピュータシステム1200が示されている。「コンピュータシステム」という用語は、組み込みコントローラ、マイクロコントローラ、パーソナルコンピュータシステム(ハードウェアまたは他の何らかの形の)に関して参照されていようと、他の何らかの用語で参照されていようと関係なく、メモリ媒体からの命令を実行するプロセッサを有する任意のデバイスを包含することが意図されている。コンピュータシステム1200は、1つまたは複数のプロセッサ1215、揮発性メモリ1227、例えば、RAMおよび不揮発性メモリ1229を備える。メモリ1227および1229は、本発明によるソフトウェアプログラムのさまざまな実施形態を実装するため、プロセッサ1215によって実行可能な、プログラム命令(「ソフトウェアプログラム」とも称される)を格納する。1つまたは複数のプロセッサ1215ならびにメモリ1227および1229は、バス1240によって相互接続される。入出力アダプタ1245も、バス1240に接続され、これにより、プロセッサ1215と他のデバイスもしくは回路との間で情報交換を行うことができる。システム1200は、キーボード1233およびポインティングデバイス1203(例えば、マウス)の少なくとも一時的な接続を行えるようにも適合される。ディスプレイアダプタ1246を使用して、1つまたは複数の表示デバイス1237とインターフェイスすることができる。
例示されている実施形態は、データストレージおよびオペレーティングシステム1251およびソフトウェアアプリケーション1252用のディスクドライブ1247も備える。オペレーティングシステム1251は、専用チップハードウェア(図示せず)内にプログラムすることができる。明示的に図示されていないI/Oデバイスは、テープドライブなどの他のデバイスを含むことができる。
データの格納は、コンピュータシステム1200の1つまたは複数のプロセスによって実行され、プロセスが実行中であるコンピュータシステム1200の、または異なるコンピュータシステム上の、例えば、ネットワーク1250に結合され、ネットワークカード1249を介してアクセスされるシステム(図示せず)のメモリ1227または1229などのメモリ内に格納することを含むことができる。
それに加えて、本明細書の実施形態の制御関係のプロセスのうちの少なくとも一部は、上で説明されているような、方法、つまり、プロセスを実行するためにプロセッサによって実行可能な命令のコンピュータ可読媒体の形態で分配することができる。このようなコンピュータ可読媒体は、さまざまな形態を有することができる。本明細書の実施形態は、この分配を実行するために実際に使用される信号搬送媒体の特定の種類に関係なく等しく適用される。有形なコンピュータ可読媒体の例としては、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクドライブ、RAM、およびCD-ROMなどの記録可能なタイプの媒体が挙げられる。伝送タイプの媒体の例としては、デジタル通信リンクおよびアナログ通信リンクが挙げられる。
さまざまな実施形態が、とりわけプロシージャベース技術、コンポーネントベース技術、および/またはオブジェクト指向技術を含む、さまざまな方法で1つまたは複数のソフトウェアプログラムを実装することができる。特に例としては、XML、C、C++オブジェクト、Java（登録商標）、および商用クラスライブラリが挙げられる。当業者であれば、本明細書に示されているハードウェアは、実装によって異なることがあることを理解するであろう。示されている例は、本発明に関するアーキテクチャ上の制限を意味することを意図していない。
前記の説明から多数の利点のあることを理解することができる。例えば、本明細書の実施形態は、新しい排出物削減機会をもたらす。これらの機会は、大型ディーゼルトラックの場合に特に魅力的であるが、それというのも、これらの車両は、オゾン層破壊につながる亜酸化窒素を排出するだけでなく、ディーゼル排気微粒子も排出するからである。オゾン層破壊によって増大する可能性のある紫外線、およびディーゼル排気微粒子は、両方とも、高濃度存在する場合に健康上のリスクをもたらす。
新しい排出物削減機会をさらに評価するために、図1を再び考察する。本発明の一実施形態では、電池170および電動機150は、従来の車両100への追加物であるものとしてよい。この場合、電池170およびETM150が、車両100の制限されたコストおよびその構成への制限された変更で車両100に追加することができるような限定されたサイズのものとすれば有利であろう。しかし、電池170およびETM150は、ETM動作モードで車両100に対する牽引動力を供給することしかできないので、電池170およびETM150は、車両100を動作させるのに十分なサイズのものとしなければならないことは理解される。したがって、電池170およびETM150は、車両100が通常使用において遭遇しうる従来の負荷を処理する十分な能力を持っているべきである。
しかしながら、一実施形態では、電池170およびETM150が、極端な制限サイズを、したがって機械的動力を伝える能力を有するように選択されること、また特定の通常遭遇する状況においていくつかの従来の負荷を処理する車両100の能力が、例えば、車両100が大型ディーゼルトラックである場合に、制限されることは、意図的なものとしてよい。この実施形態は、ETM150および電池170がコスト、サイズ、および重量の制約条件を満たすように制限される構成をとることができる。
例えば、車両駆動用電動機150および電池170の容量が、通常の道路使用に必要な遭遇する速度を通常使用可能にするサードギアよりも上のギアなどの変速機122のより高いギアで車両100を運転するのに不十分な容量である場合がある。他の例示的な実施形態では、ETM150および電池170は、特定の割合で、または特定の割合より高い割合で、特定のギアによる満載の車両100の運転には容量が不十分である場合がある。
ETM150および電池170が意図的に制限されたサイズおよび性能を有し、また運転上の需要がより高速な運転または勾配を上る運転を含む場合に、運転者またはシステムは、低速運転、停止、およびアイドリングに必要である以上に頻繁に、ETM動作モードとICEモードとを一時的に交互に切り替える必要がある場合があることは理解されるであろう。その結果、ETM150および電池170が、意図的に、制限されたサイズを有し、運転上の需要がより高速の運転を含む場合に、ETMモードとICEモードとを交互に切り替えることが、車両の走行中であっても必要になることがある。
PTO140のトランスファーギアを使用してETM150を変速機122に結合することで、電動機150を従来の変速機122により経済的で、直截的な結合が可能になり、これは独創的であり、直観でわかるものではないこともさらに理解されるであろう。これは、変速機122、マニュアル変速機、および変速機のギアをシフトするのにクラッチ120を使用することが妨げられる場合に特に当てはまる。
したがって、一実施形態では、ETM150および電池170の性能ならびにギアシフト制限の両方が、車両100を運転するうえでの問題となりうる。しかしながら、従来から、また直観的に、場合によっては許容可能でないと考えられうる本明細書の実施形態を使用すると、これらの実施形態において実用的な非常に有益なアプリケーションを使用することができる。しかし、ETM150および電池170の制限された性能を有し、前述のギアシフト制限のある実施形態では、ETMモードで間欠的に、また限られた状況において運転できるように数万もの既存の大型ディーゼル駆動トラックの修正を行うことができる。これらの実施形態では、以前には経済的に実現可能でなかったことが達成される。さらに、これらの実施形態では、意図的に採用された制限は、人口密度の高い都市部の通りおよび幹線道路での使用に適合し、最大のニーズのある地域、つまり、大型ディーゼルトラックの密集度が最大の地域で排出物削減をさらに行える。
また、前記の説明から、ETM150および電池170の特定のサイズの性能制限と「クラッチレス」ギアシフト制限の両方によってもたらされる難題は、車両に制御装置のいくつかの特徴を追加することで緩和することができることは理解されるであろう。
本明細書で説明されている実施形態は、本発明の原理を最もよく説明し、別の当業者が特徴および利点を理解できるようにするために選択され、説明された。説明されていないさまざまな修正を有するさまざまな他の実施形態は、特定の企図された使用に適している場合があるが、そのまま、本発明の範囲内にあるものとしてよい。
例えば、図1を再び参照すると、電池170は、車両100上に備えられる燃料電池180(例えば、水素燃料電池)によって、それに加えて、または代替えとして、再充電することができ、その場合、例示的な水素燃料電池は、車両100上に収納されている圧縮水素のキャニスタによって実現される。電動機150用の電力を供給するために電池170を充電することに加えて、例示的な燃料電池180は、従来のトラクタシステムの12VDC電池310も充電することができる。燃料電池180のKW容量およびキャニスタ181の貯蔵容量は、実施形態ことに異なりうる。一実施形態では、燃料電池180は、15KWの容量を有し、キャニスタ181は、1平方インチ当たり100ポンド(psi)で1KGの水素貯蔵容量を有する。
明確に、また明示的に述べられていない限り、以下の特許請求の範囲は、アクションの特定の順序を暗示することを意図されていない。特許請求の範囲の一部に対してa)、b)、c)などのラベルを入れているが、これは、それ自体で特定の順序を暗示しないが、むしろ、部分への参照を単に容易にするだけである。
図8は、本明細書で説明されている実施形態で使用されるステップの流れ図である。ステップ801で、クラッチペダルを押下する。ステップ802で、車両がETM運転状態にあるかどうかの判定を行う。ステップ802のテスト結果がYESであれば、ステップ804に分岐をし、そこで、必要なアクションのうちの1つまたはすべてを実行する。ステップ802のテスト結果がNOであれば、変速機がニュートラルに入っているかどうかを判定するテストを実行する。変速機がニュートラルに入っていない場合、ニュートラルに入るまでウェイトを実行する。変速機がニュートラルに入っている場合、ステップ804のアクションを実行し、ETM動作モードに切り替え、ICEをOFFにし、ETMに通電し、ETMコントローラを使用可能にし、クラッチペダルの押下状態を保持するようクラッチアクチュエータに信号を送る。ステップ805で、アクセルペダルを操作して、アクセス位置を示す可変信号を送信する。ステップ806で、車両を制御するアクセルペダルからの可変信号に応答して可変電力をETMに供給する。ステップ807で、ETMシフト制御アルゴリズムを使用して車両速度を制御するために、必要なときに、または望ましい場合に、クラッチを使用せずにギアをシフトする。
図9は、本明細書で説明されている実施形態で使用されるステップの流れ図である。ステップ901で、ICEが変速機入力軸から係脱されているかどうかの判定を行う。ステップ901からの結果がNOであれば、ウェイトを開始する。判定の結果がYESならば、ステップ902で、変速機をニュートラルにシフトし、ニュートラル位置を感知する。ステップ903で、ETM速度および車両速度を測定し、シフトギアおよび出力軸の速度に対応する信号を生成する。ステップ904で、次のギアインジケータが変速機出力軸の速度に一致する次のギアの速度を示すまでETMの速度および/または車両の速度を調節する。ステップ905で、次のギアの速度(ETM速度)が変速機出力軸速度(車両速度)に一致することが示されたことに応答してクラッチ操作をせずに変速機を次のギアにシフトする。ステップ906で、変速機が所望のギアに入っている間に車両速度を変化させるためにアクセルペダル位置を変える。
図10は、本明細書で説明されている実施形態で使用されるステップの流れ図である。ステップ1001で、車両がICEモードに入っているかどうかの判定を行う。ステップ1001の判定結果がYESであれば、ウェイトを実行する。結果がNOであれば、操作者の足が、ステップ1002でクラッチペダルを保持するように当てられる。ステップ1003で、イグニッションキーをアクセサリ位置から切り替えてETMへの電力供給を停止し、クラッチペダルを押下した状態に保持するクラッチアクチュエータを係脱して、操作者にクラッチ制御を返す。ステップ1004で、イグニッションスイッチを使用してICEを始動する。ステップ1005で、アクセルペダルを操作して、ICEに対する所望のRPMを達成する。ステップ1006で変速機を所望のギアにシフトする。ステップ1007で、車両の牽引車輪を駆動するために、クラッチを離して、ICEを変速機入力軸に係合させる。任意選択により、車両をETMモードに切り替えて生成モードにし電池充電電流を生成する。
図11は、本明細書で説明されている実施形態で使用されるステップの流れ図である。ステップ1101で、アクセル位置センサ信号に応答して電力をETMに印加する。ステップ1102で、ETMモードを有効にすることによって、クラッチペダルを押下状態に保持し、ICEを係脱する。ステップ1103で、ブレーキペダルが押下され制動をアクティブ化することを示すセンサ信号に応答してETMへの電力供給を停止する。ステップ1106で、必要な車両サブシステム用の補助駆動装置を有効にし、ETM電源を使用して電力を供給する。ステップ1107で、ETM電源により補助駆動装置に電力を供給する。
これで本発明の多数の実施形態が説明された。しかしながら、本発明の精神および範囲から逸脱することなくさまざまな修正を加えることができることは理解されるであろう。
R3およびR4 ETM回転速度
R1、R5、R6 ETM回転速度
S3 速度
100 車両
110 クランクシャフト
120 クラッチ
122 変速機
125 入力軸
129 変速機出力軸
140 パワーテイクオフ(PTO)
142 第2のPTO
150 車両駆動用電動機(ETM)
152 発電機
160 制御システム
164 AC接続部
170 電池
171 インジケータ
180 燃料電池
181 キャニスタ
210 シフトrpm
302 内燃機関(ICE)
304 HAC、電気クラッチ、ブレーキシステム、ステアリングシステムなど
306 アクチュエータ駆動装置
308 車両電気システム
310 電池
316 差動装置
318 回転軸
320 車輪
330 センサ
351 軌跡
361 軌跡
371 軌跡
375 限界
377 回転速度上限
412 アクチュエータ
416CRおよび416CD リミットスイッチ
420 リンク
510 クラッチペダル
512 枢動点
513 枢動点
514 クラッチアーム
520 リンク
522 リンク
523 係脱運動
524 クラッチアーム
530 係脱運動
534 係脱運動
536 係脱運動
538 ジョイント
540 カップ
542 軸
602 ギア
604 ギア
606 副軸
610、612、614、および616 シフトギア
616 ギア
620、622、624、および625 ギア
620、622、624、および626 副軸ギア
626 ギア
630および632 シフトカラー
636 シフトギア
640 シフトリンケージ(または「ロッド」)
646 副軸ギア
650、652 速度センサ
705 速度インジケータロジック
710 ETM速度インジケータ
721 出力軸速度インジケータ
731〜733 インジケータ
742 荷重センサ
744 傾斜計
746 スイッチ
1200 コンピュータシステム
1203 ポインティングデバイス
1215 プロセッサ
1227 揮発性メモリ
1229 不揮発性メモリ
1233 キーボード
1237 表示デバイス
1240 バス
1245 入出力アダプタ
1246 ディスプレイアダプタ
1247 ディスクドライブ
1249 ネットワークカード
1250 ネットワーク
1251 オペレーティングシステム
1252 ソフトウェアアプリケーション

Claims (29)

  1. 牽引車輪に結合された差動装置を駆動するための変速機を有する車両において、
    クラッチを通じて前記変速機の変速機入力軸に結合された内燃機関(ICE)であって、前記クラッチを操作するクラッチペダルが押下されないときに前記変速機入力軸を回転させるように係合され、前記クラッチペダルが押下されたときに前記変速機入力軸から係脱される、内燃機関(ICE)と、
    前記変速機入力軸に結合されている前記変速機のパワーテイクオフ(PTO)ポートに結合されたトランスファーギアセットと、
    前記トランスファーギアセットの出力軸に結合されている出力軸を有する車両駆動用電動機(ETM)であって、ETM動作モードにおいて前記ETMは前記ICEが前記変速機入力軸から係脱されたときに前記ETMに印加される電力に応答して前記変速機入力軸を回転させ、ICE動作モードにおいて前記ETMは前記クラッチが前記ICEを前記変速機入力軸に係合させたときに前記変速機入力軸の回転に応答して回転する、車両駆動用電動機(ETM)と、
    前記車両の電気システムから信号を受け取る制御システムおよび前記車両の動作を監視し、出力制御信号を発生するセンサと、
    前記ETM動作モードのときに前記車両のETMおよびサブシステムに電力を供給するために結合されている補助電源システムと、
    前記ETM動作モードのときに、前記出力制御信号に応答して前記補助電力システムから電力を受け取る1つまたは複数のアクチュエータであって、前記アクチュエータのうちの1つは、前記ETM動作モードのときに前記クラッチペダルを押下した状態に保持し、ICE動作モードのときに前記クラッチペダルを解放するクラッチアクチュエータである、アクチュエータと、
    ETM動作モードにおいて、ニュートラルからシフトしてシフトカラーを車両速度によって決定される速度で回転させETM回転速度によって決定される速度で回転している次のシフトギアを係合させるためにいつニュートラルからシフトするかを示す信号をユーザーに提示するように構成された1つまたは複数のインジケータとを備える車両。
  2. 前記1つまたは複数のインジケータは、前記ETM回転速度、したがって前記シフトギアの速度を示す請求項1に記載の車両。
  3. 前記1つまたは複数のインジケータは、前記車両速度、したがって変速機出力軸に結合された前記シフトカラーの速度を示す請求項2に記載の車両。
  4. 前記1つまたは複数のインジケータは、特定のシフトギアと変速機出力軸に結合されたシフトカラーとの間の回転速度の差の指示を提示する請求項2に記載の車両。
  5. 前記1つまたは複数のインジケータは、特定のシフトギアがシフトカラーと係合されうるときにONになるライトを提示する請求項4に記載の車両。
  6. 前記1つまたは複数のインジケータは、特定のシフトギアがシフトカラーと係合されうるときに特定の色を有するライトを提示する請求項4に記載の車両。
  7. 前記制御システムは、複数のセンサ信号を受け取り、前記1つまたは複数のインジケータに結合された速度指示信号およびギア一致信号を発生する制御ロジックを備える請求項1に記載の車両。
  8. 前記制御ロジックは、前記ETMの速度に比例する速度を示すセンサ信号、前記車両の速度に比例する速度を示すセンサ信号、車両荷重を示すセンサ信号、路面に関する前記車両の傾斜を示すセンサ信号、およびギアシフタの現在位置を示すスイッチ信号を受け取り、前記1つまたは複数のディスプレイに表示するために前記速度指示信号およびギア一致信号を発生する請求項7に記載の車両。
  9. 前記制御ロジックは、前記センサ信号を処理し、前記車両の運転を最適化するためにどのシフトギアが係合すべきかの指示を生成する請求項8に記載の車両。
  10. 前記車両の前記センサ監視動作は、可変信号がアクセルペダルの位置を示すこととブレーキ信号が前記車両が制動されたときにそのことを示すこととを含む請求項1に記載の車両。
  11. 前記ETMは、前記ブレーキ信号に応答して発電機モードに切り替えられる請求項10に記載の車両。
  12. クラッチによって内燃機関(ICE)に結合された変速機入力軸で変速機を有する車両を操作する方法であって、前記変速機入力軸は前記変速機のパワーテイクオフポートに結合されたトランスファーギアセットを通じて車両駆動用電動機(ETM)の駆動軸にさらに結合されている、方法において、
    前記車両の電気システムから信号を受け取る制御システムおよび前記車両の動作を監視し、出力制御信号を発生するセンサを使用可能にするステップと、
    ETMモード信号および前記ICEへの電力供給が停止されたことを示す信号に応答して前記制御システムのETM動作モードを使用可能にするステップと、
    前記ETMモード信号に応答してクラッチペダルを押下位置に保持するようにクラッチアクチュエータに信号を送るステップであって、前記クラッチは、前記クラッチペダルが押下されたときに前記ICEを前記変速機入力軸から係脱し、前記クラッチペダルが押下されないときに前記ICEを前記変速機入力軸に係合する、ステップと、
    第1の速度信号に応答して前記ETMによって駆動される複数のシフトギアのそれぞれの回転速度を決定するステップと、
    第2の速度信号に応答して前記変速機の前記出力軸に結合されたシフトカラーの回転速度を決定するステップと、
    特定のシフトギアが特定のシフトカラーの回転速度と一致したときにシフト指示を発生するステップと、
    1つまたは複数のディスプレイ上での前記シフト指示の観察に応答して前記トランスファーギアから前記ETMを係脱することなく前記特定のシフトカラーを前記特定のシフトギアと係合させるようにニュートラルからシフトするステップとを含む方法。
  13. イグニッションスイッチでICEをOFFにし、イグニッションスイッチがアクセサリ位置にあるときにETM動作モードをONにするステップをさらに含む請求項12に記載の方法。
  14. 前記車両のアクセルペダルを操作して可変信号を制御システムに送信するステップと、
    前記可変信号に応答して補助電源システムから前記ETMに可変電力を供給し前記車両の速度を制御するステップとをさらに含む請求項13に記載の方法。
  15. 前記1つまたは複数のディスプレイに、特定のシフトギアが特定のシフトカラーの回転速度に合わされたことを示すシフト指示が表示されるまで前記ETMの前記速度および/または前記車両速度を調節するステップをさらに含む請求項14に記載の方法。
  16. 前記クラッチペダルを前記押下位置に保持するステップと、
    前記イグニッションスイッチを前記アクセサリ位置から切り替え、これにより前記ETMへの電力供給を停止するよう制御システムに信号を送り、これにより前記クラッチアクチュエータを解放するステップと、
    前記イグニッションスイッチを使用して前記ICEを始動するステップと、
    前記アクセルペダルを操作して前記ICEに対し所望の回転速度を設定するステップと、
    前記車両速度および前記ICE回転速度に対応する所望のシフトギアを係合するステップと、
    前記クラッチペダルを離して前記ICEを前記変速機入力軸に係合させるステップとをさらに含む請求項13に記載の方法。
  17. 前記ETMを発電機モードに切り替えて電池充電電流を供給するステップをさらに含む請求項16に記載の方法。
  18. 前記ETM動作モードのときに、前記ブレーキペダルが押下され、これにより制動がアクティブ化されたことを示すブレーキ信号に応答して、前記ETMへの電力供給を停止するステップと、
    前記次に低いシフトギアの速度が前記変速機出力軸に結合されているシフトカラーの速度に一致していることを示すシフト指示に応答してニュートラルから低いシフトギアにシフトするステップとをさらに含む請求項13に記載の方法。
  19. 前記ブレーキ信号に応答して前記ETMを発電機モードに切り替えるステップをさらに含む請求項18に記載の方法。
  20. 前記補助電源を使用して必要な車両サブシステムの補助駆動装置に電力を供給するステップをさらに含む請求項14に記載の方法。
  21. 前記補助駆動装置は、コンフォートサブシステム用の駆動装置を含む請求項20に記載の方法。
  22. 運転者が作動させたことに応答して前記ICEを前記変速機から係脱するように動作可能であるマニュアルクラッチを介して変速機の入力に機械的に結合されている内燃機関(ICE)を有する車両内の装置において、
    前記車両の主車輪に結合された出力を備える前記変速機から前記ICEを係脱するように前記クラッチを操作しても前記電動機を前記変速機から係脱しないようにトランスファーギアセットを介して前記変速機入力に結合されている電動機と、
    前記クラッチに結合されているアクチュエータと、
    前記ICEが前記変速機から係脱されている状態で前記クラッチを保持し前記主車輪が前記ICEの代わりに前記電動機から動力を受けるように前記アクチュエータを位置決めするように動作可能である制御装置であって、前記変速機はシフトギアおよび、前記シフトギアが前記変速機入力および出力から係脱されるニュートラル位置を有し、前記各シフトギアに対する係合位置を有するシフト機構を備え、前記シフト機構が前記各係合位置にある状態で前記シフトギアが前記変速機出力と係合し前記主車輪の回転に関して固定された回転関係を有する、制御装置と、
    前記電動機の回転に応じて速度を運転者に提示するように動作可能な第1の速度インジケータと、
    前記主車輪の回転に応じて速度を運転者に提示するように動作可能な第2の速度インジケータであって、前記主車輪が回転し前記ICEが前記クラッチを介して前記変速機から係脱されている状態で前記運転者i)前記シフト機構を前記ニュートラル位置にシフトし、ii)前記第1および第2の速度インジケータを参照して前記電動機の回転を調節して前記選択されたシフトギアの回転を前記主車輪の現在の回転に対して合わせ、iii)前記シフト機構を、前記選択されたギアを前記変速機出力に係合させる位置にシフトすることによって前記シフトギアのうちの1つを選択し、係合することができる、第2の速度インジケータとを備える装置。
  23. 前記第1のインジケータは、前記選択されたシフトギアに関連付けられ、
    前記電動機の回転に依存する速度信号を受け取り、前記選択されたシフトギアに関連付けられている所定のギア比に応じて前記速度信号を調節し、前記調節された速度信号を前記第1のインジケータに送信するように動作可能である速度ロジックであって、前記第1のインジケータによって提示される前記速度は、前記調節された速度信号に応答し、前記選択されたシフトギアに関連付けられている前記ギア比にも依存する、速度ロジックをさらに備える請求項22に記載の装置。
  24. 前記第2のインジケータは、前記選択されたシフトギアに関連付けられ、
    前記主車輪の回転に依存する速度信号を受信し、前記選択されたシフトギアに関連付けられている所定のギア比に応答して前記速度信号を調節し、前記調節された速度信号を前記第2のインジケータに送信するように動作可能な速度ロジックであって、前記第2のインジケータによって提示される前記速度は、前記調節された速度信号に応答し、前記選択されたシフトギアが前記変速機出力との固定された回転関係で係合されるかどうかとは無関係に前記選択されたシフトギアに関連付けられている前記ギア比にも依存し、これにより、前記第2のインジケータは、前記選択されたシフトギアが前記固定された回転関係を実際に有するかどうかに関係なく前記選択されたシフトギアが前記変速機出力と前記固定された回転関係を有するかのように前記選択されたシフトギアに対する回転速度を提示する、速度ロジックをさらに備える請求項22に記載の装置。
  25. 前記第1および第2のインジケータのうちの一方は、前記選択されたシフトギアに関連付けられ、
    前記シフトギアのうちの追加の各シフトギアに関連付けられている追加のインジケータをさらに備える請求項22に記載の装置。
  26. 前記主車輪速度に依存する速度と前記電動機速度に依存する速度とを比較したことに応答して前記現在の主車輪回転速度に対するシフトギア選択信号を生成するように動作可能なロジックであって、前記選択信号ロジックを生成するステップは前記各シフトギアに応答して前記主車輪依存速度または前記電動機依存速度のいずれかを調節するステップを含み、前記各シフトギアに関連付けられている前記インジケータは、前記ロジックから前記選択信号を受信したことに応答して前記シフトギア選択信号を提示するように動作可能である信号発生装置を備える、ロジックをさらに備える請求項25に記載の装置。
  27. 前記電動機は、前記トランスファーギアセットを通じて前記変速機のパワーテイクオフポートに、前記電動機が前記トランスファーギアセットおよび前記パワーテイクオフポートを介して前記変速機の前記出力に動力を供給することを可能にする構成で結合される請求項22に記載の装置。
  28. 前記インジケータによって提示される前記速度指示は、可聴音提示速度指示を含む請求項22に記載の装置。
  29. 運転者が作動させたことに応答して前記ICEを前記変速機から係脱するように動作可能であるマニュアルクラッチを介して変速機の入力に機械的に結合されている内燃機関(ICE)を有する車両における方法であって、
    トランスファーギアを介して電動機を前記変速機入力に結合し、前記車両の主車輪に結合された出力を備える前記変速機から前記ICEを係脱するように前記クラッチを操作しても前記電動機を前記変速機から係脱しないようにするステップと、
    前記クラッチにアクチュエータを結合するステップと、
    前記ICEではなく、前記電動機によって主車輪に動力を供給するために前記ICEが前記変速機から係脱されている状態で前記クラッチを保持するように前記アクチュエータを位置決めするステップであって、前記変速機はシフトギアおよび、前記シフトギアが前記変速機入力および出力から係脱されるニュートラル位置を有し、前記各シフトギアに対する係合位置を有するシフト機構を備え、前記シフト機構が前記各係合位置にある状態で前記シフトギアが前記変速機出力と係合し前記主車輪の回転に関して固定された回転関係を有する、ステップと、
    前記電動機の回転に依存する第1の速度指示および前記主車輪の回転に依存する第2の速度指示を前記運転者に提示し、前記主車輪が回転し、前記ICEが前記クラッチを介して前記変速機から係脱されている状態で、前記運転者がi)前記シフト機構を前記ニュートラル位置にシフトし、ii)前記速度インジケータを参照して前記電動機の回転を調節して前記選択されたギアの回転を前記主車輪の現在の回転に合わせ、iii)前記シフト機構を、前記選択されたギアを前記変速機出力に係合させる位置にシフトすることによって前記シフトギアのうちの1つを選択し、係合することができる、ステップと含む方法。
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