JP2016533960A - 車両をハイブリッド電気自動車および電気自動車（ｅｖ）の１つに改造するためのレトロフィットシステム - Google Patents

Abstract

本発明は車両をハイブリッド電気自動車または電気自動車に構成するためのレトロフィットシステムを提供する。システムは、フェイルセーフトルクを車両に提供し、かつ１つ以上の電池を充電するために制動エネルギーを利用するように１つ以上のモータを含む電力源（ＥＰＳ）と、車両にトルクを提供するために１つ以上のモータをプロペラシャフトに連結するように構成された１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）と、車両を駆動するために走行条件に基づいて１つ以上のモータの機能を動的に制御するように電力源（ＥＰＳ）に連結された電子制御部とを備える。システムは、１つ以上のモータの機能を制御するモータ制御装置から構成される。モータ制御装置は、車両を駆動するために必要なトルクおよび動力に基づいて１つ以上のモータを作動させる。

Description

本発明は一般的にハイブリッド電気自動車に関し、さらに詳しくは、車両をハイブリッド電気自動車または電気自動車に改造するためのシステムに関する。

ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）および電気自動車（ＥＶ）は現在、化石燃料の不足が進んでいるため、および従来の内燃機関自動車の排ガスからの二酸化炭素の放出のため、需要の高まりを経験している。ＥＶは純粋に、電池に蓄積された電気エネルギーで作動する電気駆動モータを利用して車両に動力を提供する。ＨＥＶは内燃機関および／または電気駆動モータを利用して車両に動力を提供する。ハイブリッド自動車は一般的に、従来の内燃機関動力自動車に対して２５〜４０％の改善に等しい燃費節約を達成する。

現在、ＨＥＶ／ＥＶの概念は公共輸送バスのような大型車両に適用される。総車両重量（ＧＶＷ）が１６トンの公共輸送バス（電気バスまたはハイブリッド電気バス）は典型的に都市部で１日に約２００キロメートルの距離を走破するとする。バスがバス停留所で費やす平均時間は約１分であると仮定する。また、都市部の経路でバスが走る２つのバス停留所間の距離は２ｋｍから５ｋｍの間であるとする。上述の要件を満たすために、電気バスまたはハイブリッド電気バスは典型的に、都市部で使用する場合、少なくとも２００ｋｍ持続する電池を必要とする。したがって、電気／ハイブリッドバスには２００ｋｗｈの範囲の大型電池パックが必須であり、それは運用コストを著しく増大する。

また、単一のモータを使用してバスを運転するには、大型モータおよび大重量が必要である。さらに、大型単一モータの場合、高い慣性は応答遅れを引き起こす。単一の大型モータでさえ、電池消費を最適化することはできない。加えて、より高速度を達成するために、多段ギヤボックスを採用する必要がある。

したがって、車両をハイブリッド電気自動車および／または電気自動車に改造するには、１つ以上のモータを有するシステムが必要である。複数のモータを有する本発明のシステムは、車両を推進するために要求されるトルクに応じて１つ以上のモータを作動させることによって、電池消費の最適化を可能にする。

本発明の実施形態は、ハイブリッド電気自動車および電気自動車の一方に改造するためのレトロフィットシステム（ｒｅｔｒｏｆｉｔ ｓｙｓｔｅｍ）を記載する。本発明のシステムにより、既存の車両をマイルド（ｍｉｌｄ）ハイブリッド、フルハイブリッド、完全電気自動車、大容量モータを持つ電気自動車、および大型電気自動車に改造することができる。こうして、本発明のシステムにより、既存の車両アセンブリに大きな変更を加えることなく、要求に応じて、既存の車両を様々な範囲のハイブリッド自動車および電気自動車に改造することができる。該システムは、フェイルセーフ（ｆａｉｌ ｓａｆｅ）トルクを車両に提供し、かつ１つ以上の電池を充電するために制動エネルギーを利用するように１つ以上のモータを含む電力源（ＥＰＳ）と、車両にトルクを提供するために１つ以上のモータをプロペラシャフトに連結するように構成された１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）と、車両を駆動するために走行条件に基づいて１つ以上のモータの機能を動的に制御するように電力源（ＥＰＳ）に連結された電子制御部とを備える。

一実施形態では、１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリは、１つ以上の電力源を直角位置および平行位置の少なくとも１つでプロペラシャフトに接続するように構成される。電子制御部（ＥＣＵ）は、空調システム、真空ブレーキシステム、およびエアブレーキシステムを含むがそれらに限定されない車両サブシステムへの動力を制御しかつ提供するように構成される。１つ以上のセンサは、電子制御部（ＥＣＵ）に１つ以上の信号を提供するために、スロットルセンサ、ブレーキセンサ、および速度センサを含むがそれらに限定されない。エンジン管理システム（ＥＭＳ）は、車両速度、排気ガス、エンジン温度、および加速度を含むがそれらに限定されないスロットル入力を取り込むことによって、車両エンジンを制御する。グローバル移動通信システム（ＧＳＭ（登録商標））は、車両に関連する情報をウェブサーバに送信し、それによってウェブサーバが車両の動作状態および車両の位置を監視することを可能にする。電子制御部によって制御される１つ以上のモータ制御装置は、車両の各作動点に必要なトルクを提供するために、どのモータを作動させるべきか、そしてどれだけの動力量を引き出すべきかを決定するためのロジックを提供する。

本発明の別の実施形態は、ハイブリッド電気自動車を記載する。該自動車は、プロペラシャフトを介してトルクを受け取り次第車両を推進するための２つ以上の車輪と、
フェイルセーフトルクを車両に提供し、かつ１つ以上の電池を充電するために制動エネルギーを利用するように１つ以上のモータを含む電力源（ＥＰＳ）と、車両にトルクを提供するために１つ以上のモータをプロペラシャフトに連結するように構成された１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）と、車両を駆動するために走行条件に基づいて１つ以上のモータの機能を動的に制御するように電力源（ＥＰＳ）に連結された電子制御部と、電力源（ＥＰＳ）および車両に構成された１つ以上の電気機器に電気エネルギーを提供するための１つ以上の電池とを備え、前記１つ以上の電池は電力源（ＥＰＳ）が発電機として動作するときに充電され、１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリは、１つ以上の電力源を直角位置および平行位置の少なくとも１つでプロペラシャフトに接続するように構成される。

本発明のさらに別の実施形態は電気自動車を記載する。該電気自動車は、プロペラシャフトを介してトルクを受け取り次第、車両を推進するための２つ以上の車輪と、フェイルセーフトルクを車両に提供し、かつ１つ以上の電池を充電するために制動エネルギーを利用するように１つ以上のモータを含む電力源（ＥＰＳ）と、車両にトルクを提供するために１つ以上のモータをプロペラシャフトに連結するように構成された１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）と、車両を駆動するために走行条件に基づいて１つ以上のモータの機能を動的に制御するように電力源（ＥＰＳ）に連結された電子制御部と、電力源（ＥＰＳ）および車両に構成された１つ以上の電気機器に電気エネルギーを提供するための１つ以上の電池とを備え、前記１つ以上の電池は電力源（ＥＰＳ）が発電機として動作するときに充電され、１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリは、１つ以上の電力源を直角位置および平行位置の少なくとも１つでプロペラシャフトに接続するように構成される。

以下の発明を実施するための形態で、本発明の上記態様および他の特徴について、添付の図面に関連して説明する。
本発明の一実施形態に係る、車両をハイブリッド電気自動車または電気自動車（ＥＶ）に改造するためのレトロフィットシステムのブロック図を示す。 本発明の実施形態に係る、様々な構成のためのシステムアーキテクチャを示す。 本発明の実施形態に係る、電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の写真表現（ｐｉｃｔｏｒｉａｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ）を示す。 本発明の別の実施形態に係る、車両シャーシに対する電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の組込みの写真表現を示す。 本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）ケーシングおよびアセンブリの写真表現を示す。 本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。 本発明の別の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。 本発明のさらに別の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。 本発明のさらに別の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。 本発明のさらに別の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。 本発明のさらに別の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。 本発明のさらに別の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。

本発明の実施形態について、これから添付の図面に関連して詳細に説明する。しかし、本発明は本実施形態に限定されない。本発明の装置の様々な要素の大きさ、形状、位置、数、および構成は単なる例示であり、当業者には本発明の範囲から逸脱することなく様々な変形が可能である。したがって、本発明の実施形態は、本発明をより明確に当業者に説明するために提供するだけである。添付の図面では、同様の参照番号は同様の構成部品を示すために使用される。

本明細書は幾つかの箇所で「実施形態」、「一実施形態」、または「一部の実施形態」に言及する。これは必ずしも、各々のそのような言及が同一実施形態を指すことを暗示するものではなく、また特徴が単一の実施形態のみに適用されることを暗示するものでもない。様々な実施形態の単一の特徴を組み合わせて、他の実施形態を提供することもできる。

本書で使用する場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、明示的に別段の記載が無い限り、複数形も含むことを意図している。さらに、用語「含む」、「備える」、「含め」、および／または「備えた」は本明細書で使用する場合、明記された特徴、整数、ステップ、動作、要素および／または構成部品の存在を規定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品および／またはそれらの群の存在または追加を排除するものではないことを理解されたい。要素が別の要素に「接続」または「連結」されると言及される場合、それは他の要素に直接接続または連結することができ、あるいは介在要素が存在してもよいことを理解されたい。さらに、本書で使用される「接続される」または「連結される」は、作動的に接続または連結されることを含んでよい。本書で使用する場合、用語「および／または」は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上の項目のいずれかおよび全ての組合せおよび配設を含む。

別段規定しない限り、本書で使用する全ての用語（科学技術用語を含めて）は、本開示が関連する技術分野の通常の熟練者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有するものと解釈すべきであり、本書で明示的に規定しない限り、理想化された意味あるいは過度に形式的な意味に解釈されないことを理解されたい。

本発明は、車両をハイブリッド電気自動車または電気自動車に改造するためのシステムを記載する。該システムは、電力消費を最適化し、かつ制動エネルギーを利用するために、単一の大容量電力源とは対照的に複数の電力源を含む。加えて、システムは高い利用可能性と組み合わされたフェイルセーフ性を有する。すなわち、複数のモータのため、１つのモータが故障してもシステム全体は阻害されない。システムはまた強制冷却を必要としない優れた熱放散、優れた始動トルク、および高速応答を達成する。大型の単一モータは慣性遅れのため応答が遅いのとは対照的に、小型の複数のモータにはこの限界が無いためである。どの時点においても車両の正確なトルク要件に応じて、適切な数のモータがシステムの制御ロジックによって作動する。これは、モータが常にその最良の効率ゾーンで作動することを確実にする。加えて、システムは遠隔監視、診断、および遠隔制御が可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る、車両をハイブリッド電気自動車に構成するためのレトロフィットシステム１００のブロック図を示す。システム１００は電力源（ＥＰＳ）１０１と、１つ以上の電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）（図１には示さず）と、電子制御部１０２と、電池パック１０３とを備える。電力源（ＥＰＳ）１０１は、フェイルセーフトルクを車両に提供しかつ１つ以上の電池を充電するために制動エネルギーを利用する、１つ以上のモータ１０１Ａ〜１０１Ｎを含む。１つ以上の電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）は、トルクを車両に提供するために１つ以上のモータを少なくとも１つのプロペラシャフトに連結するための取付け可能な設計を有する。電子制御部１０２は電力源（ＥＰＳ）１０１に連結される。電子制御部（ＥＣＵ）は、車両を駆動するためにトルク要件および走行条件に基づいて、１つ以上のモータの機能を動的に制御する制御ロジックで構成される。電池パック１０３は１つ以上の電池を含み、電気エネルギーを化学エネルギーの形で蓄積するように適応することができる。電池パック１０３は直流電流（ＡＣ）電源から充電される。例示的実施形態では、電池パック１０３はパンタグラフ型バースト充電器（ｂｕｒｓｔ ｃｈａｒｇｅｒ）を用いて充電される。別の例示的実施形態では、電池パック１０２は、駐車領域に配備された充電所（ｃｈａｒｇｉｎｇ ｏｕｔｐｏｓｔ）を用いて充電される。電力源（ＥＰＳ）１０１は当業界で公知の任意の種類の適切なモータで構成することができるが、多相モータで構成することが好ましい。

電池パック１０３は、１つ以上のモータ１０１Ａ〜１０１Ｎを駆動するためにモータ制御装置１０４に電気エネルギーを提供する。モータ制御装置１０４の制御ロジックは複数のモータ１０１Ａ〜１０１Ｎの機能を制御する。一部の実施形態では、モータ制御装置１０４は、車両を駆動するために必要なトルクおよび動力の量に基づいて、１つ以上のモータ１０１Ａ〜１０１Ｎを起動する。例えば、モータ制御装置１０４は静止位置から車両を動かすために全てのモータを起動し、その後、トルクおよび動力要件に従って１０１Ａ〜１０１Ｎのうちの１つ以上のモータを停止する。したがって、モータ１０１Ａ〜１０１Ｎは、ハイブリッド／電気自動車を走行するために車輪に動力を提供する。モータ１０１Ａ〜１０１Ｎはギヤまたは連結器を介して、あるいは当業界で公知のいずれかの他の方法を介して、車輪に接続することができる。車両に採用されるモータ１０１Ａ〜１０１Ｎの数は、最大負荷時のトルクおよび動力所要量、車両の種類、地形、ならびに車両の用途によって異なることに注目することができる。また、複数のモータ１０１Ａ〜１０１Ｎは、各モータの慣性が低いのでより迅速な動力応答を達成するのに役立つ。さらに、モータの１つが故障しても車両の動作に影響しない。

図２は、本発明の実施形態に係る様々な構成のシステムアーキテクチャを示す。ハイブリッド電気自動車または電気自動車はレトロフィットシステム１００を含む。車両は２対の車輪と、車輪の対にトルクを提供するためのシャフト２０１と、シャフト２０１を介して車輪の対にトルクを提供するためのエンジンと、１つ以上の電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）２０２を用いてシャフト２０１に連結される１つ以上のモータ２０３と、電子制御部２０４と、エンジン管理システム（ＥＭＳ）２０５と、１つ以上の３相ＡＣモータ制御装置２０６と、電池パック２０７とを含む。

エンジン管理システム（ＥＭＳ）は、全てユーザの要求に応じて、運転者からのスロットル入力、速度、排気ガス、エンジン温度、加速度、およびその他のパラメータを取り込むことによって、エンジンを制御する。このスロットル入力から、ＥＭＳは必要な動力の量を計算し、要求される動力を提供するようにエンジンへの燃料の供給を制御する。

電子制御部（ＥＣＵ）２０４は、予め定められた構成に従って１つ以上の命令を提供するために、エンジン管理システム（ＥＭＳ）２０５に接続される。車両はまた電池管理システム（ＢＭＳ）を含み、それは電子制御部に内蔵することができ、あるいは電子制御部（ＥＣＵ）２０４の外に構成することができ、電子制御部（ＥＣＵ）２０４によって制御される。電池管理システムは各電池の電池電圧、電流、および温度を監視する。

３相ＡＣモータ制御装置２０６は１つ以上のモータを駆動するように構成され、電子制御部（ＥＣＵ）２０４によって制御される。ＥＣＵ２０４のモータ制御装置２０６の制御ロジックは、予め定められたパラメータおよび予め定められた命令に基づいて１つ以上の作動点にトルクを提供するために、１つ以上のモータに命令を提供する。

車両はさらに車両補機（ｖｅｈｉｃｌｅ ａｕｘｉｌｉａｒｉｅｓ）２０８と、１つ以上のセンサ２０９と、保護および制御スイッチギヤ部２１０と、車両電池２１１と、ＤＣ‐ＤＣ充電器２１２と、高速充電部２１４と、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）と、グローバル移動通信システム（ＧＳＭ（登録商標））とを含む。センサはスロットルセンサ、ブレーキセンサ、および速度センサを含むが、それらに限らない。

車両補機２０８は、空調システム、真空またはエアブレーキシステムのような１つ以上の電力（電池）消費システムを含む。ここで、車両がＥＶモードで走行する場合、これらの要素は制御および電力を必要とする。ＥＣＵは、車両の状況に従ってこれらの装置を作動させ、必要に応じて電力および制御を提供するために必要な制御ロジックから構成される。

保護および制御スイッチギヤ部２１０は、システムを損傷するおそれのある短絡、過電流、および過電圧に対する防御をもたらす。

加えて、車両は、ワイパー、前照灯、クラクション、音楽システムなどのような、しかしそれらに限らない車両の電気的負荷を作動させるために、１つ以上の小容量電池２１１を有することができる。ＤＣ‐ＤＣ充電器２１２は、電池パックからの電圧を車両電池によって要求される電圧に変換することによって、車両電池２１１を充電する。

レンジエクステンダー（ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｒ）またはＥＶ自動車の構成では、車両を駆動するためにより大型の電池パックが必要であり、これは高速充電ステーションを介して外部から充電される。これは破線によって示す車両の外側である。車両が立ち寄る機会があるときはいつでも、電池パックを１５分未満で高速充電することができる。

車両に構成されたコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）は、マイクロコントローラおよび他の通信装置が車両内で相互に通信することを可能にする。ＧＳＭ（登録商標）は、車両の健康状態および位置を監視するために、ＥＣＵからの情報をウェブサーバに送信するためのテレマティックス装置（ｔｅｌｅｍａｔｉｃｓ ｄｅｖｉｃｅ）である。それは、車両の潜在的障害および故障を事前に決定検出することのできる診断アルゴリズムを有する。

図３は、本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の写真表現を示す。図３は、ギヤアセンブリを介してシャフトに接続された２つのモータを示す。各モータはクラウンに接続された１つのピニオンを有し、シャフトに取り付けられる。この構成により、モータの動力は垂直に伝達される。

図４は、本発明の別の実施形態に係る、車両シャーシに対する電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の組込みの写真表現を示す。図４はプロペラシャフトの３つの部分、すなわちエンジンに接続された前部４０１（エンジンの振動を受ける）と、シャーシに取り付けられる中央部４０２と、差動装置（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）に接続された後部４０３（道路の振動を受ける）とを示す。ＥＰＧＡは、シャーシに取り付けられるため最も安定したシャフトである中心シャフトに取り付けられる。この点から、プロペラシャフトの中心部分の長さは、車両に縦続接続することのできるＥＰＧＡの数を決定する支配点（ｇｏｖｅｒｎｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）である。

本発明の一実施形態では、長さの短いシャフトで動力を増大するために、同じＥＰＧＡケーシング設計からより多くの動力が得られるように、ＥＰＳの長さまたは直径を増大することができる。

図５は、本発明の一実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）ケーシングおよびアセンブリの写真表現を示す。この図では、可変量の動力を引き出すために、異なる長さの２つのモータがＥＰＧＡ（図３および図４に開示する）に取り付けられる。

一実施形態では、システムで使用されるＥＰＳは、以下に示すように異なる特徴を有する。
１．異なる極―例えば
＊８極モータは、車両の発進中に、高効率で良好な始動トルクを得るために使用することができる―運転および回生の両方。
＊４極または６極モータは中程度の運転に使用することができる。
＊２極は高速運転に使用することができる。

ＥＰＧＡを用いて車両に取り付けられる全てのモータは、急な坂道の登坂、急ブレーキ、急加速、車両追越しのような特殊な運転要件に対して、ギヤをアップシフトすることなく使用することができる。
２．モータの動作速度によって異なる電力定格。例えば、低速高トルクモータに対しては低い電力定格、およびその逆。
３．動作デューティサイクルに応じて異なるサイズのＥＰＳ。例えば都市条件下では、ＥＰＳは高いデューティサイクルのため加熱傾向があり、したがってＥＰＳのこのモータの定格下げ（ｄｅ−ｒａｔｉｎｇ）を大きくしなければならない。

一実施形態に従って、ＥＰＳの定格トルクを計算するための方程式を下に示す。

例えば、２のピークトルク係数を有する２つのＥＰＳにより６の差動比および５のＥＰＧＡ比を有する車両で車輪に必要なトルクが２０，０００ニュートンメートルである場合、要求される１つのＥＳＰの定格トルクは上記の方程式を使用して１６７ニュートンメートルとなる。

［ＥＰＧＡ構成］
本発明のＥＰＧＡ構成は完全モジュール式構成である。このモジュール式設計のため、様々な配置構成を介して複数の電力源を接続することが可能である。これらの配置構成の幾つかは以下で詳細に記載されている。ＥＰＧＡでは、プロペラシャフトに対し直角を成す全てのＥＰＳは、一般的に差動装置で使用されるハイポイド形の（ｈｙｐｏｉｄ ｐｒｏｆｉｌｅｄ）クラウンおよびピニオンギア構成を介して接続される。しかし、ハイポイド形のクラウンおよびピニオンギアの代わりに、動力を直角に伝達することのできるものであれば、単純な傘歯車など、どんなタイプのギヤでも使用することが可能である。下述するＥＰＧＡ構成は単なる例示であって、車両の要件によって構成の複数の組合せが可能であることに留意されたい。例えば、任意の数のモータを使用することができ、それらを任意の組合せ構成で、全て直角、全て平行、平行および直角配列の任意の組合せ、ならびにそれらの組合せに配置することができる。さらに、任意の長さおよび出力を持つモータ、ならびにそれらの任意の組合せを持つ複数のモータを要求に応じて使用することができる。

図６〜図１２は、電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）および様々な数の電力源（ＥＰＳ）を様々な配列で使用するアセンブリの様々な構成を示す。

図６は、本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。この実施形態では、２つの電力源（ＥＰＳ）が、一般的に差動装置で使用されるハイポイド形のクラウンおよびピニオンギア構成を有するＥＰＧＡを介して、プロペラシャフトに対し直角に接続される。

自在継手を介して接合される３つのプロペラシャフトを有する配置構成を検討する。ここで、この配置構成を受け入れるために、中央プロペラシャフトを切断してＥＰＧＡを受け入れる。この小容量のシステムは中規模ハイブリッド電気自動車（ＭＨＥＶ）に適している。

システムは高レベルで以下の構成部品を含む。

図７は、本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。この実施形態では、４つのＥＰＳが、一般的に差動装置で使用されるハイポイド形のクラウンおよびピニオンギア構成を有するＥＰＧＡを介して、プロペラシャフトに直角に接続される。

自在継手を介して接合された３つのプロペラシャフトを有する配置構成を検討する。ここで、この配置構成を受け入れるために、中央プロペラシャフトを切断して２つのＥＰＦＡを受け入れる。この高容量システムはフルハイブリッド電気自動車（ＦｕｌｌＨＥＶ）に適している。

システムは高レベルで以下の構成部品を含む。

図８は、本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。この実施形態では、２つのＥＰＳが、一般的に差動装置で使用されるハイポイド形のクラウンおよびピニオンギア構成を有するＥＰＧＡを介して、プロペラシャフトに直角に接続される。

図８に示す実施形態はピニオンを１つしか含まないが、図６に示す実施形態は２つのピニオンを含む。これは、第２ＥＰＳからの直動シャフトの組込みを受け入れるように、１つのピニオン面を変更することによって達成される。組込みはスプラインまたはフランジ構成を介して行われる。

一実施形態では、ＥＰＳは左側および右側の部分に分割され、真ん中の１つの単一シャフトを介して接続される。真ん中のシャフトは、プロペラシャフト上のクラウン歯車に接続するためにギヤ構成を有する。

自在継手を介して接合された３つのプロペラシャフトを有する配置構成を検討する。ここで、この配置構成を受け入れるために、中央プロペラシャフトを切断して２つのＥＰＦＡを受け入れる。この小容量システムはＭＨＥＶに適している。

システムは高レベルで以下の構成部品を含む。

図９は、本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。この実施形態では、４つのＥＰＳがプロペラシャフトに接続され、そのうちの２つはプロペラシャフトに対し直角であり、他の２つは平行である。２つのＥＰＳはＥＰＧＡのクラウンおよびピニオンギア構成を介してプロペラシャフトに接続され、別の２つのＥＰＳは、ＥＰＳの設計を少し修正して、プロペラシャフトと平行に接続される。

図１０は、本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。この実施形態では、３つのＥＰＳが自在継手を介してプロペラシャフトに接続され、そのうちの２つはプロペラシャフトに対して直角であり、第３のＥＰＳは平行である。ここで、この配置構成を受け入れるために、中央プロペラシャフトを切断してＥＰＳを受け入れる。

図９および図１０に示す構成は高容量システムであり、ＦｕｌｌＨＥＶに適している。

システムは高レベルで以下の構成部品を含む。

図１１は、本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。この実施形態では、６つのＥＰＳが、３つのＥＰＧＡの縦続接続を介してプロペラシャフトに接続される。ＥＰＧＡは、一般的に差動装置で使用されるハイポイド形のクラウンおよびピニオンギア構成を有する。

自在継手を介して接合された３つのプロペラシャフトを有する配置構成を検討する。ここで、この配置構成を受け入れるために、中央プロペラシャフトを切断して３つのＥＰＧＡを受け入れる。モジュール式設計を有する３つのＥＰＧＡは一緒に縦続接続される。この極めて高容量のシステムは、より小さい容量のＥＰＳの場合、ＦｕｌｌＨＥＶに適しており、より高容量のＥＰＳの場合、トラックのようなダンプカーに適している。

システムは高レベルで以下の構成部品を含む。

図１２は、本発明の実施形態に係る電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）の構成を示す。

この実施形態では、４つのＥＰＳが、変形ＥＰＧＡを介してプロペラシャフトに平行に接続される。ここでは、ＥＰＳを平行に取り付けることを可能にしながら、上述した構成の構成部品の６０％超が維持される。

修正された設計で、スパーまたはヘリカル型ギヤリングは動力を伝達するのに適している。この高容量システムはＦｕｌｌＨＥＶまたはＥＶに適している。

システムは高レベルで以下の構成部品を含む。

［システム構成］
図６〜図１２に示したＥＰＧＡのモジュール式設計構成は、下述するように様々なシステム構成を取る柔軟性をもたらす。図６〜図１２の上述した構成の各々は、様々な範囲のハイブリッド電気自動車および電気自動車に要求される多くの構成部品を提供するが、数は単なる例示であることに留意されたい。例えばフルＥＶは、より長くより高容量の２つのＥＰＳだけを使用し、要求される他の構成部品の数をそれに応じて変更することによって設計することができる。こうして、ＥＰＳおよび他の構成部品の数は、既存の車両から改造する必要のあるハイブリッド自動車または電気自動車に適するように、様々な組合せに調整することができる。

本発明に係る様々な範囲のハイブリッド電気自動車および電気自動車用のシステム構成およびＥＣＵ制御ロジックを以下に記載する。

システム構成１：プラグインハイブリッド電気自動車
実施形態によれば、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）はＥＰＳ、ＥＰＧＡ、電池バンク（ｂａｔｔｅｒｙ ｂａｎｋ）、電子制御部、ならびに１つ以上のインバータおよび／または充電器を持つ多相制御装置を含む。車両は、電気自動車（ＥＶ）モード時に４０ｋｍｐｈのような中程度の範囲の速度まで上げることができ、それを越えるとハイブリッド自動車として動作する。

下の表１は、この構成に必要な様々な例示的構成部品およびそれぞれの数量を示す。

一実施形態では、車両の運転は、発進（０から２０ｋｍｐｈ）、クルーズ（Ｃｒｕｉｓｅ）、加速、減速、惰走（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）、および制動のような様々なカテゴリーの特定の速度に達するように分割される。

例えば、全負荷または過負荷状態で速度ゼロから発進すると、全てのモータはエンジンがオフ状態でトルクを提供し、完全な電気発進および汚染物質ゼロを達成する。その後、モータは停止し、必要に応じてエンジンが動力を提供する。表２は、車両の状態に応じたエンジンおよび１つ以上のモータの動作の様々な表示モード（ｉｎｄｉｃａｔｉｖｅ ｍｏｄｅ）を示す。

この構成ではエネルギー蓄積システムの容量は高くないが、減速および制動中の機会ベースに加えて定期的に継ぎ足し充電される。これは、電池容量が低減されるので、解決のコストを著しく低減する。それはまた、自重（ｄｅａｄ ｗｅｉｇｈｔ）が低減されるので、システムの効率をも改善する。エネルギー蓄積システムが充電されない場合、車両はエンジンで動作することができ、システムは、回生制動エネルギーを利用することによって、マイルドハイブリッド電気自動車として動作することができる。

これらのモードは、モータが常に最大効率ゾーン（定格ＲＰＭより下）で動作することを可能にし、したがってシステム全体の効率を高める。

システム構成２：マイルドハイブリッド電気自動車
実施形態によれば、マイルドハイブリッド電気自動車（ＭｉｌｄＨＥＶ）はＥＰＳ、ＥＰＧＡ、電池バンク、電子制御部、ならびに１つ以上のインバータおよび／または充電器を持つ多相モータ制御装置から成る。

下の表３は、この構成に必要な様々な例示的構成部品およびそれぞれの数量を示す。

ここで、ＰＨＥＶとは異なり、ＭｉｌｄＨＥＶはモータの数が低減されるので、完全電気発進機能を持たない。車両の動作は、発進（０から２０ｋｍｐｈ）、クルーズ、加速、減速、惰走、および制動のような様々なカテゴリーの特定の速度に達するように分割される。

表４は、車両の状態に応じたエンジンおよび１つ以上のモータの動作の様々な表示モードを示す。

これらのモードは、モータが常に最大効率ゾーン（定格ＲＰＭより下）で動作することを可能にし、したがってシステム全体の効率を高める。

システム構成３：フルハイブリッド電気自動車
実施形態によれば、フルハイブリッド電気自動車（ＦｕｌｌＨＥＶ）は、ＥＰＳ、ＥＰＧＡ、電池バンク、電子制御部、および１つ以上のインバータを持つ多相制御装置から成る。

下の表５は、この構成に必要な様々な例示的構成部品およびそれぞれの数量を示す。

ＦｕｌｌＨＥＶはＰＨＥＶと同様に動作するが、ＦｕｌｌＨＥＶはエネルギー蓄積システムを充電するために外部充電を必要としない点が異なる。代わりに、それは、機会ベースで車両の慣性を利用してエネルギー蓄積システムを充電する。システムは１つ以上の車両状態、制動、減速、下り坂走行（ｄｏｗｎ ｈｉｌｌｉｎｇ）、およびアイドリングから生成されるエネルギーを使用して、電池を充電する。

この構成では、車両の運転は、発進（０から２０ｋｍｐｈ）、クルーズ、加速、減速、惰走、および制動のような様々なカテゴリーの特定の速度に達するように分割される。

速度ゼロからの発進時に、全てのモータはエンジンオフ状態でトルクを提供し、完全な電気発進および汚染物質ゼロを達成し、その後、モータは停止し、必要に応じてエンジンが作動する。表６は、車両の状態に応じてエンジンおよび１つ以上のモータの動作の様々な表示モードを示す。

これらのモードは、モータが常に最大効率ゾーン（定格ＲＰＭより下）で動作することを可能にし、したがってシステム全体の効率を高める。

システム構成４：電気自動車
本発明の実施形態は、ＥＰＳ、ＥＰＧＡ、電池バンク、電子制御部、ならびに１つ以上のインバータおよび／または充電器を持つ多相制御装置から成る電気自動車（ＥＶ）を記載する。

下の表７は、この構成に必要な様々な例示的構成部品およびそれぞれの数量を示す。

車両はＥＶモードで最高速度まで上げることができる。これを超えると、車両はレンジ拡張モード（ｒａｎｇｅ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｍｏｄｅ）として動作する。

ＥＶは車輪で利用可能な電力だけを有し、非故障モード時のエンジン出力は無い。エンジンが使用される場合、それは電気エネルギー蓄積容量を超えてレンジを拡張するものである。ここで、通常レンジ拡張ＥＶとの相違は、エンジンがエネルギー蓄積システムを充電するために使用されるだけでなく、車両を直接駆動するためにも使用されることであり、これは故障モードで行われる。充電は機会ベースで車両の慣性を介しても行われる。機会は制動、減速、下り坂走行、またはアイドリングとすることができる。

エネルギー蓄積システムの容量はこの構成では高くないが、減速および制動中の機会ベースに加えて定期的に継ぎ足し充電を達成する。これは、電池容量が低減されるので解決のコストを著しく軽減する。それはまた、自重が低減されるので、システムの効率も改善する。エネルギー蓄積システムが充電されない場合、車両はエンジンで動作することができ、システムは回生制動エネルギーを利用することによって、マイルドハイブリッド電気自動車として動作することができる。

ここで、車両の動作は、発進（０から２０ｋｍｐｈ）、クルーズ、加速、減速、惰走、および制動のような様々なカテゴリーの特定の速度に達するように分割される。

表８は、車両の状態に応じたエンジンおよび１つ以上のモータの動作の様々な表示モードを示す。

これらのモードは、モータが常に最大効率ゾーン（定格ＲＰＭより下）で動作することを可能にし、したがってシステム全体の効率を高める。

一実施形態では、車両をハイブリッド電気自動車に構成するためのシステムは、システムを例えば丘陵地形のために既存の車両のプロペラシャフトに後付けするように構成可能な、１つ以上の電力ギヤアセンブリを備える。ここで、このシステムを装備していない車両は、超出力増大のために丘陵地形を受け入れる前に、ＥＰＧＡを取り付けることができる。この場合、ＥＰＧＡは、組立時間を低減するために予め取り付けられた改造プロペラシャフトを有する。これは、既存のプロペラシャフトを取り外し、時間をかけずに新しいプロペラシャフトをＥＰＧＡに取り付けることを可能にする。

本発明で記載したシステムは、頻繁なギヤチェンジが不要になり、エンジンに過度の過負荷が掛からなくなるので、クラッチおよびエンジンの寿命を延ばす。電気制動を介する電力の回生、すなわち電気負荷を介する速度低下は、クラッチの寿命延長、ブレーキシューおよびブレーキドラムの寿命延長、エンジンの寿命、ならびにブレーキオイルの節約などの利点をもたらす。

システムの発明について、添付の図面に示す本発明の実施形態に関連して説明したが、本発明はそれらに限定されない。発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、それらに様々な置換、変形、および変更を加えることができることは、当業者には明白であろう。

Claims (15)

1. 車両をハイブリッド電気自動車および電気自動車の１つに改造するためのレトロフィットシステムであって、
   フェイルセーフトルクを前記車両に提供し、かつ１つ以上の電池を充電するために制動エネルギーを利用するために、１つ以上のモータを含む電力源（ＥＰＳ）と、
   前記車両にトルクを提供するために、前記１つ以上のモータをプロペラシャフトに連結するように構成された１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）と、
   前記車両を駆動するために走行条件に基づいて前記１つ以上のモータの機能を動的に制御するために、前記電力源（ＥＰＳ）に連結された電子制御部と、
   を備えたシステム。
2. 前記１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリは、１つ以上の電力源を直角位置および平行位置の少なくとも１つでプロペラシャフトに接続するように構成された、請求項１に記載のシステム。
3. 車両速度、排気ガス、エンジン温度、および加速度を含むがそれらに限定されないスロットル入力を取り込むことによって車両エンジンを制御するためのエンジン管理システム（ＥＭＳ）をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記車両の各作動点に必要なトルクを提供するために、どのモータを作動させるべきか、および抽出すべき動力量を制御するために前記電子制御部によって制御される１つ以上のモータ制御装置をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記電子制御部は、１つ以上の充電部が制動エネルギーを利用して前記１つ以上の電池を充電することができるように構成された、請求項１に記載のシステム。
6. 前記１つ以上の電力ギヤアセンブリは、前記システムを前記車両の前記プロペラシャフトに後付けするように構成可能である、請求項１に記載のシステム。
7. 前記少なくとも１つの取付け可能な電力ギヤアセンブリは、少なくとも１つの電力源をプロペラシャフトに対し直角に接続するように構成された、請求項２に記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つの取付け可能な電力ギヤアセンブリは、少なくとも１つのハイポイド形クラウンおよび少なくとも１つのピニオンギア構成を含む、請求項７に記載のシステム。
9. 前記少なくとも１つの取付け可能な電力ギヤアセンブリは少なくとも２つの電力源をプロペラシャフトに接続するように構成され、そのうちの少なくとも１つはＥＰＧＡのクラウンを介してプロペラシャフトに直角であり、他の少なくとも１つは前記プロペラシャフトに対し平行である、請求項２に記載のシステム。
10. 前記少なくとも１つの取付け可能な電力ギヤアセンブリは、自在継手を介して接合された少なくとも２つのプロペラシャフトを接続するように構成された、請求項２に記載のシステム。
11. 前記少なくとも１つの取付け可能な電力ギヤアセンブリは少なくとも２つの電力源をプロペラシャフトに接続するように構成され、そのうちの少なくとも１つはプロペラシャフトに直角であり、他の少なくとも１つは前記プロペラシャフトに対し平行である、請求項２に記載のシステム。
12. 前記少なくとも１つの取付け可能な電力ギヤアセンブリは、駆動−従動ギヤを用いて少なくとも１つの電力源を前記プロペラシャフトに対し平行に接続するように構成される、請求項２に記載のシステム。
13. 前記車両に関する情報をウェブサーバに送信し、それによってウェブサーバが前記車両の動作状態および前記車両の位置を監視できるようにするグローバル移動通信システム（ＧＳＭ（登録商標））をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
14. プロペラシャフトを介してトルクを受け取り次第、車両を推進するための２つ以上の車輪と、
    フェイルセーフトルクを前記車両に提供し、かつ１つ以上の電池を充電するために制動エネルギーを利用するために、１つ以上のモータを含む電力源（ＥＰＳ）と、
    前記車両に前記トルクを提供するために前記１つ以上のモータをプロペラシャフトに連結するように構成された１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）と、
    前記車両を駆動するために走行条件に基づいて前記１つ以上のモータの機能を動的に制御するために前記電力源（ＥＰＳ）に連結された電子制御部と、
    電力源（ＥＰＳ）および前記車両に構成された１つ以上の電気機器に電気エネルギーを提供するための１つ以上の電池であって、前記電力源（ＥＰＳ）が発電機として動作するときに充電される前記１つ以上の電池と、
    を備え、
    前記１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリは、１つ以上の電力源を直角位置および平行位置の少なくとも１つで前記プロペラシャフトに接続するように構成された、ハイブリッド電気自動車。
15. プロペラシャフトを介してトルクを受け取り次第、車両を推進するための２つ以上の車輪と、
    フェイルセーフトルクを前記車両に提供し、かつ１つ以上の電池を充電するために制動エネルギーを利用するために、１つ以上のモータを含む電力源（ＥＰＳ）と、
    前記車両に前記トルクを提供するために前記１つ以上のモータをプロペラシャフトに連結するように構成された１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリ（ＥＰＧＡ）と、
    前記車両を駆動するために走行条件に基づいて前記１つ以上のモータの機能を動的に制御するために前記電力源（ＥＰＳ）に連結された電子制御部と、
    電力源（ＥＰＳ）および前記車両に構成された１つ以上の電気機器に電気エネルギーを提供するための１つ以上の電池であって、前記電力源（ＥＰＳ）が発電機として動作するときに充電される前記１つ以上の電池と、
    を備え、
    前記１つ以上の取付け可能な電力ギヤアセンブリは、１つ以上の電力源を直角位置および平行位置の少なくとも１つでプロペラシャフトに接続するように構成された、電気自動車。