JP5138776B2 - 最適化されたエネルギ回収システムを備えるパワートレイン - Google Patents

Description

本発明は、フライホイールを備える最適化されたエネルギ回収システムを搭載したパワートレインに関する。

燃費の節減は多くの産業の存続に関わる大きな問題であるが、自動車産業及び機械産業にとってはとりわけ重要である。車両（トラック、バス、乗用車など）の多くには、（例えばクラッチ又はトルクコンバータ、手動、自動、又はオートマチックギヤボックス、デファレンシャル、アクスルを含む）トランスミッションセットを介して駆動輪を駆動させる内燃エンジンを備えたパワートレインが取り付けられており、別の部分には、車両システムの動作に必要な補助部品が取り付けられている。これらの付属部品には、電気回路により給電され、そのエネルギがＩＣＥにより動作する発電機から供給されるものもある。商用車の場合、エンジンの殆どがターボ過給ディーゼルエンジンである。同様のパワートレインが、建設機械を含むあらゆる種類の機械に動力を供給するために使用されている。

車両を駆動させるためのエネルギのバランスを分析すると、車両本来の特性である引きずり力及び横揺れ力が存在するため縮減不能なエネルギ需要がある。それはさておき、車両を駆動させるためのエネルギは、（加速時に車両に供給されるエネルギによる）ポテンシャルエネルギ、運動エネルギ、及び（登坂中に車両に供給されるエネルギによる）ポテンシャルエネルギにより、ブレーキにおいて浪費される。

公知の技術には、これらの損失の一部を抑制できるものもある。例えば、ハイブリッド駆動系は、制動エネルギを回収可能な公知の技術である。

これらの技術の１つとして、電気化学蓄電素子を有する公知のハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）が挙げられる。ＨＥＶは、一般的に、ＩＣＥを少なくとも１つの電気機械及び少なくとも１つの蓄電デバイス（バッテリ、超容量蓄電装置、慣性ホイールなど）にリンクさせるためのパワートレインを備える。このようなシステムは、発電機として電気機械を使用して一定量の制動エネルギを蓄電デバイスに蓄積し、次いで適当な時点で、電気機械をモータとして利用してこのエネルギを駆動系に向け直し、車両を推進させる。

ハイブリッド電気自動車の興味深い構成の１つとして、車両のトランスミッションセットがＩＣＥのクランクシャフトと電気機械の両方に並列に（直接又はギヤ、ベルトを介して）機械的結合されるいわゆるパラレルハイブリッド構成が挙げられる。減速中、電気機械は、車両を減速するため発電機として利用され、発生する電気はバッテリ又は超容量蓄電装置に蓄積される。加速中は、電気機械がモータとして利用され、その動力がＩＣＥの動力に追加されたり、ＩＣＥの動力の代替として用いられたりする。

ハイブリッドパワートレインは、建設機械の分野でも公知である。

変形形態として、電気機械式蓄電手段を有するハイブリッドパワートレインを備えることも公知である。バッテリの代用として、又はバッテリに加えて、エネルギを運動力学的な態様で、例えばフライホイールとも称されるスピニングホイールに蓄積する電気機械装置を使用することができる。ここでのフライホイールは、エネルギ蓄積専用のフライホイールであるので、その唯一の目的がエンジンの回転を平滑にすることであるＩＣＥのフライホイールと区別する必要がある。エネルギ蓄電用フライホイールは、少なくともＩＣＥの補助として車両を駆動させるに足る量のエネルギを蓄積する必要がある。

フライホイールは、公知の構成において、第１の電気機械に機械的にリンクされている。その目的は、フライホイールの速度を加減することによりその運動エネルギを増減し、その運動エネルギを電気に変換することである。パラレルＨＥＶでは、フライホイールから得たエネルギを更に、第２の電気機械で利用し、車両を駆動させることができる。減速中、第２の電気機械を、第１の機械にフライホイールを駆動させる電気を供給するための発電機として使用することもできる。

フライホイールは、電気化学バッテリの以下のような点と比較すると、実用的な代替案であると思われる。
−放電と再充電を頻繁に行う必要がある、
−長寿命が求められる、
−重さ又は容積が限定されている、
−有毒性材料又は爆発性材料の使用が不可能である、及び／又は
−環境管理が困難である

フライホイールは、超容量コンデンサ又はバッテリと比較すると、産業用電圧を供給する場合に、実用的な代替案であると思われる。

高いエネルギ容量が必要な場合は、フライホイールを高速回転させる必要があり、それには安全性の問題（慣性力によりフライホイールが破裂する危険）、及び技術的問題（例えばベアリングの問題）を伴う。フライホイールを備えるハイブリッドパワートレインの上記のような構成では、２台の電気機械の定格を、回収される最大動力に適合させる必要がある。その上、このような構成では、システムが回収したエネルギを全て、機械的な態様から電気的な態様に変換し、更に、電気的な態様からフライホイールに蓄積するための機械的な態様に、また更に、再び機械的な態様から電気的な態様に、次いで、電気的な態様から駆動力として利用するための機械的な態様に変換する必要がある。電気機械の動作効率は本来、良好であるものの、これらの幾多の変換により必然的にエネルギ損失が生ずる。

特許文献１には、エネルギ回収システムを搭載した車両の、また別の構成が開示されている。この構成は、ＩＣＥを有する従来のＩＣＥ駆動系、ロッククラッチを有するトルクコンバータ、自動ギヤボックス、及び最終減速装置と結合されたトランスミッションシャフトをベースにしている。これをベースに、エネルギ蓄積フライホイールは、３つの入力／出力カップリングを備えた３方向動力分割形トランスミッション装置を介してギヤボックスの出力シャフトに結合され、前記カップリングのうちの第１のカップリングはフライホイールに結合され、第２のカップリングは第１の電気機械に結合され、第３のカップリングはギヤボックスのトランスミッションシャフトに結合されている。３方向動力分割形トランスミッションは、遊星ギヤとして実施されている。このシステムは更に、エンジンの出力シャフトに直接結合された第２の電気機械を備えている。基本的に、第１の電気機械及び遊星ギヤがフライホイールとトランスミッションシャフトとの間に連続可変トランスミッションを構成し、このトランスミッションは第１の電気機械によって電気的に制御される。

特許文献１による構成は、フライホイールを介して回収されるエネルギの一部が純粋に機械的に、すなわち高い効率で伝達されるので、上記した従来の構成と比較して有利である。しかし、この構成には欠点がいくつかある。特許文献１の図２のグラフから明らかなように、車両の加速又は減速中に（「充電状態」に対応する）フライホイールの速度は、車両の速度に大きく依存する。フライホイールの速度を一定に維持するよう、第１の電気機械を常に広い速度範囲で動作させる。１つの所定の車両速度の場合にだけ第１の電気機械は休止状態になり、その瞬間、回収されたエネルギは完全に機械的に伝達される。他のどの速度においても、エネルギの一部は電気的に伝達され、車両速度と所定速度との差が大きいほど、電気的な伝達の重要性が増す。この構成では、更に、トランスミッション出力シャフト上に３方向動力分割トランスミッションを有することによって、比較的大きいトルク値が回収システムを介して伝達されることになり、従って、それに応じてエネルギ回収システムのサイズを大きくする必要がある。

米国特許出願公開第２００７／００４９４４３号明細書

本発明の目的の１つとして、システムのサイズを縮小し、システムを車両又は機械に組み込み易くし、且つ、システムがより効率的に動作するように、フライホイールを備えた最適化されたエネルギ回収システムを搭載した新規の構成のパワートレインを開示することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の一実施形態において、
−エンジンに結合された入力シャフトと、被駆動ユニットに結合された出力シャフトとを有する可変速比トランスミッション装置と、
−第１のカップリングがフライホイールに結合され、第２のカップリングが電気機械に結合された３つの入力／出力カップリングを備える３方向動力分割トランスミッション装置とを備えるパワートレインであって、
前記３方向動力分割トランスミッション装置の第３の入力／出力カップリングが、前記エンジン及び前記可変速比トランスミッション装置の前記入力シャフトに機械的に結合されることを特徴とする、パワートレインを開示する。

添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、本発明を最も良く理解できよう。

本発明の第１の実施形態の概略機能図である。 本発明の第２の実施形態の概略機能図である。 本発明の第３の実施形態の概略機能図である。 本発明の第４の実施形態の概略機能図である。 図１の第１の実施形態の第１の実装構造を例示する概略図である。 図１の第１の実施形態の第２の実装構造を例示する概略図である。 図２の第２の実施形態の第１の実装構造を例示する概略図である。 図２の第２の実施形態の第２の実装構造を例示する概略図である。 図３の第３の実施形態の実装構造を例示する概略図である。 遊星ギヤ内の３つの入力／出力カップリングにリンクする速度関係を示す速度図である。 フライホイールを充電可能な特定用途の構成の速度を示す速度図である。 フライホイールを充電可能な特定用途の構成の動力の流れを示す機能図である。 フライホイールを充電可能な別の用途の構成の速度を示す速度図である。 フライホイールを充電可能な別の用途の構成の動力の流れを示す機能図である。 フライホイールを放電可能な特定用途の構成の速度を示す速度図である。 フライホイールを放電可能な特定用途の構成の動力の流れを示す機能図である。 フライホイールを放電可能な別の用途の構成の速度を示す速度図である。 フライホイールを放電可能な別の用途の構成の動力の流れを示す機能図である。 図５の第２の実施形態の更なる実装構造を例示する概略図である。 図５の第２の実施形態の更なる実装構造を例示する概略図である。 図３の第３の実施形態の更なる実装構造を例示する概略図である。

図１は、本発明によるパワートレイン１０の主要な構成要素を示す。車両を推進するために、このようなパワートレインが車両に組み込まれる。

なお、本発明によるパワートレインは、ローダ、ショベルカーなどを含む建設機械など、その他の分野にも適用可能である。このような場合、被駆動ユニットは、車軸ではなく（或いは、車軸に加えて）油圧回路用の油圧ポンプであってもよい。

先ず第１に、パワートレイン１０はエンジン１２を備えている。本発明は、エンジンが電気エンジンであるパワートレインにも適用可能であるが、以下では、エンジンが内燃エンジンである場合に関してより詳細に検討する。商用車、特にトラックやバスの場合、エンジンは、ターボ過給ディーゼルピストンエンジンであってよい。エンジン１２は、図示の実施形態において、従来型の離散変速比の機械式ギヤボックスである可変速比トランスミッション装置１８の入力シャフトに結合されている。この機械式ギヤボックスは、自動式、すなわち、ギヤの選択が手動的にではなくアクチュエータを介して行われるものであってもよい。ギヤボックスはまた、離散変速比のオートマチックギヤボックスであってもよい。場合によっては、可変速比トランスミッション装置を連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）として搭載することもできる。

図示の実施形態において、エンジンの出力シャフト１４は、第１のクラッチ２０及び第２のクラッチ２２を介してギヤボックスの入力シャフト１６に結合され、２つのクラッチは中間シャフトによって結合される。ギヤボックスにニュートラル位置がある特別な場合、これらの２つのクラッチの１つを省いてもよい。このような場合、中間シャフト２４を、残ったクラッチに応じて、エンジンの出力シャフト１４又はギヤボックスの入力シャフト１６と一体化するだけでよい。オートマチックギヤボックスの場合、クラッチの少なくとも一方の代わりにトルクコンバータを使用してもよい。

ギヤボックス１８は、例えばプロペラシャフト２６、デファレンシャル２８、及び駆動軸の２つのホイールを駆動させる２本の駆動シャフト３０を備える被駆動ユニット２５に結合される出力シャフトを有する。被駆動ユニットは、例えば何本かの被動軸を有するなど、車両に応じて様々でよい。

エンジン１２、クラッチ（１つ又は複数）２０、２２、ギヤボックス１８及び被駆動ユニット２５を含む上記の構成部品は、本発明によるパワートレインの主な駆動系を構成すると言える。

本発明の特徴の１つとして、パワートレイン１０は、３つの入力／出力カップリングを備える３方向動力分割トランスミッション装置３４を含むエネルギ回収システムを搭載している。従来型のデファレンシャルもこのようなタイプの装置であるが、図示の実施形態では、この装置は、遊星ギヤ３４として備えられている。このようなギヤは、サンホイール３７、サンギヤ４１と同軸のリングホイール４１、及び、サンホイール及びリングホイールと同軸の担体４３とを有する。このサンホイール、リングホイール及び担体は、共通の軸を中心として互いに対して回転自在であり、担体４３は、サンホイール３７とリングホイール４１の両方と噛合する回転自在の衛星ホイール４５を担持している。サンホイール、リングホイール及び衛星ホイール担体は各々、遊星ギヤからの入力／出力を受けるものと言える。このようなギヤにおいて、これら３つの入力／出力は、以下に説明する方法で互いにリンクしている。

本発明の一実施形態において、３方向動力分割トランスミッション装置３４の第１の入力／出力カップリング３６は、フライホイール３８に機械的に結合され、第２の入力／出力４０は、第１の電気機械４２に機械的に結合され、第３の入力／出力４４は、エンジン１２及びギヤボックス１８の入力シャフトに機械的に結合されている。エネルギ回収システムには、基本的に、遊星ギヤ３４、フライホイール３８、及び、第１の電気機械４２が含まれている。

本発明の実施形態では、サンホイール、リングホイール又は衛星ギヤ担体のいずれかが、動力分割装置の第１、第２及び第３の入力／出力となり得る。なお、少なくとも商用車の好ましい構成において、フライホイールが遊星ギヤのサンホイールに結合され、エンジンが衛星ギヤ担体に結合され、第１の電気機械がリングホイールに結合されている。

図１に示すように、動力分割装置３４は、２つのクラッチの間に延在する中間シャフト２４に結合されている。従って、第１のクラッチ２０が嵌合すると、動力分割装置は（トランスミッション装置を介して）エンジンの出力シャフト１４に直接結合され、第２のクラッチ２２が嵌合すると、動力分割装置はギヤボックスの入力シャフト１６に直接結合される。つまり、動力が主駆動系に沿ってエンジン１０から車輪３２へと、下流方向に流れる一般的な場合、動力分割装置３４は、可変速比トランスミッション装置１８の下流の主駆動系に機械的に結合される。

上述の通り、フライホイール３８はエネルギ蓄積フライホイールであり、エンジンのフライホイールとは区別しておく必要がある。実際に、少なくとも内燃ピストンエンジンの場合、ピストンエンジンの非連続的動作の影響を受けることなく、エンジンを円滑に回転させるために、エンジンは、専用の従来型のフライホイール（図示せず）を独自に備えている。分析の結果、平均サイズのトラック専用のパワートレインの場合、エネルギ蓄積フライホイールは、１００〜３００ワット時程度のエネルギを蓄積できることが望ましいことが明らかになっている。更なる分析の結果、それは直径が５００ｍｍ未満、重量が約５０〜１５０キログラムで４５００〜９０００ｒｐｍに至る速度で回転可能なスチールディスクにより可能なことが明らかになっている。このようなフライホイールは、軸厚が約３０〜１００ｍｍの範囲内で、慣性モーメントが約１５００〜５０００ｋｇｍ^２のものと思われる。いずれにせよ、エネルギ蓄積フライホイール３８は、その回転速度がエンジン１２の回転速度の一次関数ではないという点で、エンジンのフライホイールと異なる。

第１の電気機械は、電気機械４２内の電気エネルギを管理できるよう、動力制御ユニット４８に電気的に接続されている。動力制御ユニット４８は、（バッテリ、超容量コンデンサなどの）蓄電ユニット５２と、（典型的には動力ユニットから電気エネルギのみを消費する車両の電気系統である）受動電気補助装置５４を有する電気回路５０に電気的に接続されている。電気回路５０は更に、例えば動力分割装置３４の入力／出力のうち１つに直接的に又は間接的に機械的に結合された電気機械などの能動電気負荷５６を備えていてもよい。電気回路は更に、蓄電ユニット５２がフルであり、生成された全ての電力を別の電気消費機器が使用できない一定の動作モードにある場合に、第１の電気機械から生成された過剰な電気エネルギを散逸させるため、（冷却システムを装備可能な）抵抗器５３を備えていてもよい。

全ての構成部品が所望通りに動作するように、１つ又は複数の電子コントローラ（図示せず）により、これらの部品を管理することができる。

第１の電気機械４２は、モータ又は発電機の両方として、それぞれの回転方向に動作可能である。電気機械４２から、動力分割装置２４に、第２の入力／出力４０に抵抗トルク又は駆動トルクを両方向で供給することができる。すなわち、電気機械は、電気回路から電流を消費するか、或いは、回路に電流を供給する。分析の結果、電気機械の適当な定格電力は、２０〜８０キロワット時であることが明らかになっている。

図１に示すように、動力分割装置３４の第２の入力／出力４０に作用するように、第１の電気機械４２と共にブレーキ４６を設けてもよい。このブレーキは、どの型式のものでもよい。ブレーキは、場合によって動力分割装置に抵抗トルクを供給するために機械を使用するときに、第１の電気機械を補完するために、又は、その代用品として使用される。このようにブレーキを用いることによって、第１の電気機械４２を小型化することができるが、それでも本発明の利点が実質的に同様に得られる。図示の実施形態において、ブレーキは、ブレーキを最良の動作速度範囲で動作させるためのギヤ列を介して、第１の電気機械と並列に取り付けられている。ブレーキと第１の電気機械との動作速度範囲が同じである場合は、ブレーキを動力分割装置と第１の電気機械との間のシャフト上に、単純に直列に取り付けてもよい。

フライホイール３８、第１の電気機械４２及びエンジン１２を各々、トランスミッションを介して、例えば減速ギヤを構成する２つの噛合ホイールを介して、動力分割装置３４の対応する入力／出力に結合することができる。以下に説明するが、トランスミッション装置は、減速ギヤ、ベルト及びプーリトランスミッションなどとして使用される更に別の遊星ギヤであってもよい。好ましくは、これらのトランスミッション装置は、入力と出力との角速度比を一定に維持する機械的装置である。これらのトランスミッションは、入力と出力とを分離するクラッチを有してもよい。

図１に示す本発明のこの第１の実施形態では、パワートレイン１０は能動負荷を有していない。図示のように、第１の電気機械４２を動作させるエネルギは全て、蓄電装置５２から供給される。従って、トランスミッション及び遊星ギヤ３４の特性を適宜選択することによって、（容量及び充電／放電電力に関する）蓄電装置の定格を下げ、パワートレイン１０を調整する必要がある。

本発明によるパワートレイン１０は様々に動作可能であり、その幾つかを図１０〜図１４ｂを参照しながら以下に例示する。

図１０、１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａは、遊星ギヤの従来の速度図に基づくものである。図示の実施形態では、サンホイール３７は、フライホイール３８に結合され、リングホイール４１は、第１の電気機械４２に結合され、担体４３は、エンジン１２に結合されることがわかるであろう。このような速度図において、水平軸で示す数値０に対する３本の縦軸Ｓ、Ｃ、Ｒはそれぞれ、サンホイール３７と担体４３とリングホイール４１との回転速度軸である。勿論、速度は、これらの各構成部品の回転方向に応じて、正でも負でもあり得る。特に、リングホイールとサンギヤとは、担体の回転速度に応じて同じ方向にも、別の方向にも回転可能である。このような線図において、軸Ｓ、Ｃ、Ｒは、軸Ｃ及びＲの間の距離と軸Ｓ及びＣの間の距離との比率が、サンホイールの直径とリングホイールの直径との比率に比例するように離隔されている。このとき、３つの構成部品の回転速度は、これらの構成部品のそれぞれの軸上における典型的な位置に対応している。つまり、このような図を用いると、２つの構成部品の速度がわかれば、残りの構成部品の速度がわかる。

図１０は、実線で示した初期の動作状態から、第１の電気機械４２からのトルクが供給されない場合を示す。遊星ギヤ３４において、３つの入力／出力に加わるトルクは、本質的に、レバーに加わるトルクと同様に平衡であることがわかるであろう。

このような場合、担体の速度（すなわちエンジン速度、ひいては車両速度）が上昇すると、リングホイールに結合された電気機械の速度だけが上昇し、（サンホイールに結合された）フライホイールはそれまでの速度を維持する。従って、フライホイール３８から電気回路５０に動力が伝達されない、或いは、電気回路５０からフライホイール３８に動力が伝達されない。このとき、トルクは動力分割装置３４を介して伝達されず、車両トランスミッションを駆動させる全エネルギがエンジン１２から供給される。

図１１ａ及び図１２ａは、回生制動が発生する２つの場合を示す。回生制動において、主駆動系から動力分割装置３４に動力が供給される様子が、（図１１ａ及び図１２ａの速度図にそれぞれ対応する）図１１ｂ及び図１２ｂの簡略機能図に矢印で示されている。この動力により、車両の常用ブレーキを使用することなく、車両が減速する。ここでは、主駆動系から動力分割装置３４に加わるトルクを正とし、これを速度図に上向きの矢印で示す。図１１ｂは、システム内の対応する動力束を示す。このとき、動力分割装置３４からその第３の入力／出力を介して、フライホイール３８に或る程度の動力が伝達されるように、第１の電気機械４２を制御して、第１の電気機械４２の回転速度を高め、それによって伝達される動力を機械的な態様で蓄積されるエネルギに変換することができる。すなわち、図１１ａのように、動力分割装置３４に一定のトルクが加わるように第１の電気機械４２を制御することができる。電気機械４２の回転方向（逆の場合が図１１ａ及び１２ａと図１１ｂ及び１１ｂに示されている）に応じて、（図１１ｂのように、電気機械により動力分割装置３４から機械的な動力を抽出し、この動力を電気に変換して電気回路５０に供給するよう）電気機械４２を発電機として制御したり、（図１２のように、電気回路５０からの機械的動力を電気機械から動力分割装置３４に供給するよう）モータとして制御したりできる。いずれの場合も、動力分割装置に（上記の規則に基づいて）負のトルクが加わる（図１１ａ及び１２ａを参照）。その結果、負のトルクがフライホイール３８から動力分割装置３４に伝達される（このことは、逆に、正のトルクが動力分割装置３４からフライホイール３８に伝達されることも意味する）。つまり、フライホイール３８が最初に正の方向に回転しているということは、フライホイールが加速し、実際に主駆動系から回収された或る程度の追加のエネルギが蓄積されることを意味する。上記より明らかなように、エネルギ回収システムは、機械的にも電気的にも動作するので、２つの態様、機械的な態様及び電気的な態様の２つの態様において伝達及び蓄積される。

適宜の遊星ギヤ比を選択することにより、回収された電気エネルギと、動力分割装置と電気回路の両方に供給される必要がある電気エネルギとを調整し、平衡にすることができる。ギヤシフトによっても、エネルギが平衡になるよう調整することができる。例えば、オートマチックギヤボックス又は自動化されたギヤボックスの場合、ギヤボックスの上流の速度を制動中に上昇させ、車両の発進動作中に低下させることにより、第１の電気モータによる電気エネルギ回生を最大限にすることができる。

なお、動力分割装置３４の第２の入力／出力４０（すなわちこの実施形態ではリングホイール４１）に抵抗トルクが必要な場合、第１の電気機械４２をブレーキ４６で補完、又は代用することにより、トルクを供給することもできる。これは様々な動作において望ましい。例えば、これは、バッテリ５２がフル状態にあるためそれ以上の電気を蓄積できないときに、電気機械４２を発電機として利用するような場合に有効である。いずれにせよ、抵抗トルクの少なくとも一部をブレーキ４６から供給することにより、電気機械の定格を下げることができる。その結果、電気機械及び電気エネルギ蓄積システムを、安価、軽量、且つ、小型化することができる。

車両が停止状態にある場合、又は、車両がフライホイールモードで走行中に、ブレーキから追加のトルクを供給することにより、ＩＣＥを始動させることができる。車両の停止中にＩＣＥを始動させる場合、エネルギ損失なく第１のクラッチを閉じることができる（ブレーキ又は第１の電気機械にトルクが加わらない限り、担体は停止する）。ブレーキにトルクを加えると、ＩＣＥが始動する。ＩＣＥをギヤボックスに接続することにより、通常は第１のクラッチで発生するであろうエネルギ損失を回避できるので、ブレーキにおけるエネルギ損失を補償することができる。車両がフライホイールモードで走行中にＩＣＥが始動し、その速度がギヤボックスの速度と同期化されると、ブレーキから供給される追加トルクによって、被駆動ユニットのトルク損失がなくなる。その結果、運転の快適さが改善される。更に、フライホイールが放電すると、ブレーキがフライホイールを始動させるように構成されている。このとき、動力分割装置の第２の入力／出力がブレーキによってブロックされているので、駆動トレイン及び／又はエンジンからのエネルギが全てフライホイールに伝達され、その入力／出力に動力が伝達されることはない。

フライホイール３８からエネルギを得るには、フライホイールのシャフトに抵抗トルクを加えることによってフライホイールを減速させる。その結果、逆にフライホイール３８から動力分割装置の第１の入力／出力３６に、モータリングトルクが加わる。これは、上述のように、第１の電気機械４２（及び／又はブレーキ４６がある場合はブレーキ）を適宜制御することにより可能である。

このとき、フライホイール３８から動力分割装置３４に動力が伝達されることが、（図１３ａ及び１４ａの速度図に対応する）図１３ｂ及び１４ｂの簡略機能図に矢印で示されている。このトルクは、フライホイールの減速と対応している。ここでは、フライホイール３８から動力分割装置３４に加わるトルクを正とし、これを速度図に上向きの矢印によって示している。この動力伝達の目的は、勿論、フライホイール３８から供給されるエネルギの少なくとも一部を、車輪に伝達することである。従って、図１３ａに示すように、第１の電気機械４２を制御して、動力分割装置３４に或る一定のトルクを加える必要がある。電気機械の回転方向（逆の場合が図１３ａ、１４ａ及び図１３ｂ、１４ｂに示されている）に応じて、（図１４ｂのように、動力分割装置３４から機械的な動力を抽出し、電気に変換して電気回路５０に供給するよう）電気機械４２を発電機として制御したり、（図１３ｂのように、電気回路５０から供給される機械的動力を動力分割装置３４に供給するよう）モータとして制御したりできる。
いずれの場合も、動力分割装置３４に（上記の規則に基づいて）正のトルクが加わる。その結果、負のトルクが主駆動系から動力分割装置３４に伝達される（このことは、逆に、正のトルクが動力分割装置３４からフライホイール３８に伝達されることを意味する。つまり、主駆動系が最初に正の方向に回転しているということは、主駆動系が加速して、実際に或る程度の追加のエネルギが得られることを意味する。繰り返しになるが、上記より明らかなように、エネルギ回収システムは、機械的にも電気的にも動作するので、２つの態様、機械的な態様及び電気的な態様の２つの態様において伝達及び蓄積される。

図２に、本発明の第２の実施形態を示す。この形態は、一定の変速比を有する機械的トランスミッション（図示せず）を介してエンジンの出力シャフト１４（すなわち、ギヤボックスの入力シャフト）に機械的に結合された追加の電気機械５８を除けば、第１の実施形態と実質的に同一である。この第２の電気機械５８は基本的に、エンジンとモータとが協働して、又は、別個に車両を駆動させるハイブリッド並列牽引動力ユニットを、エンジン１２と共に構成する牽引モータである。第２の電気機械５８は、回路から電流を抽出したり、回路に電流を供給したりできるよう、電気回路５０に電気的に結合されている。すなわち、第２の電気機械５０は、蓄電ユニット５２から電流を抽出すること、或いは、第１の電気ユニット４２を発電機として利用している場合は第１の電気ユニット４２から電流を抽出することができる。第２の電気機械５０は、逆に、第２の電気機械５８を発電機として動作させることにより、蓄電ユニット５２に蓄積される電流を、又は、第１の電気機械４２をモータとして動作させる場合は第１の電気機械で使用される電流を、供給することもできる。

第２の電気機械を用いて、フライホイールとバッテリとの充電状態（ＳＯＣ）を別個に管理し、エネルギを両者間で伝達させることもできる。加えて、第２の電気機械５８により、エネルギを主駆動系から抽出可能な動作条件において、第１の電気機械４２への電力供給を補うことができる。その結果、バッテリのサイズを最適化することができる。更に、第２の電気機械５８の定格を、第１の電気機械４２を動作させるエネルギの大部分が第２の電気機械５８から供給されるように定めることにより、バッテリのサイズを最適化することもできる。極端な場合は、単にバッテリを省くこともできよう。

平均的なサイズのトラックを駆動させるパワートレインの場合、上記のような電気機械の定格電力は、約２０〜８０キロワット時であろう。

図３に、第３の実施形態を示す。この形態は、一定の変速比を有する機械的トランスミッションを介してフライホイール３８（すなわち、動力分割装置３４の第１の入力／出力）と機械的に結合された第３の電気機械６０が（実施形態２の第２の電気機械の代わりに）備えられていること以外は、第２の実施形態と極めて類似している。この第３の電気機械６０は勿論、電気回路５０に電気的に接続されているので、これがモータとして動作するのか発電機として動作するのかに応じて、回路から電流を抽出したり、回路に電流を供給したりできる。従って、第３の電気機械６０を用いて、蓄電ユニット５２から（又は第１の電気ユニット４２を発電機として利用する場合は第１の電気ユニット４２から）電流を抽出することができる。逆に、第３の電気機械６０を発電機として動作させ、蓄電ユニット５２に蓄積される電流を、或いは、第３の電気機械をエネルギをフライホイール３８から抽出するモータとして動作させる場合は蓄電ユニット５２に蓄積される電流を供給するように動作させることもできる。

第２の実施形態と同様に、１つの蓄電装置と別の蓄電装置との充電状態（ＳＯＣ）を別個に管理するために、第３の電気機械６０を利用し、エネルギを両者間で伝達することができる。第３の電気機械６０は、更に、フライホイール３８からのエネルギを一定量だけ使用することによって、バッテリによる第１の電気機械の動作を補うことができる。最後に、第３の電気機械６０から第１の電気機械４２を動作させるエネルギの大部分が供給されるように、第３の電気機械６０の定格を定めることができる。その結果、バッテリのサイズを最適化することができる。

図４に示す第４の実施形態は、第２の実施形態と第３の実施形態とを単純に組み合わせたものであり、第２の電気機械５８及び第３の電気機械６０は、上記の通りである。この実施形態の利点は、エネルギ回収を最適かつ柔軟に管理することにより、エネルギの利用と貯蔵を最適化できることである。この実施形態では、エネルギの一部を電気の態様でフライホイールに、又は、フライホイールから伝達することができる。

上記の場合の全てにおいて、主駆動系に結合された動力分割装置３４を可変速比トランスミッション装置１８の「上流」に設置することが最も好ましい。実際に、このようなトランスミッション装置１８を用いると、回転速度を低減するだけで、エンジンの所定の動力出力において被駆動ユニット用に利用可能なトルクを増大させることができる。従って、動力分割装置がギヤボックスの下流ではなく「上流」に結合されていれば、基本的に、動力分割装置３４を通過するトルクの値は少なくなる。その結果、動力分割装置の構成部品を、より小型、軽量且つ安価にすることができる。

更に、動力分割装置をギヤボックス１８の上流に結合することにより、その第２の入力／出力４０を、適正な速度範囲内に維持することができる。実際に、商用トラック用のディーゼルエンジンの場合、エンジンは約６００〜２４００ｒｐｍで動作し、これは最低速度が最高速度の４倍である。ギヤボックス１８の下流では、このような倍率は大幅に高まるであろう。従って、電気機械の動作範囲を広くする必要がある。何故ならば、動力を効果的に分割するには、速度図に基づく主駆動系の速度、及びフライホイール３８の速度の関数として、動作範囲を変更しなければならないからである。従って、第１の電気機械４２の動作範囲を広くする必要がある一方で、機械をより安価にするために、この動作範囲を最小限にすることも重要である。最も有利なのは、電気機械を効率が最高になるポイントの近くで動作させることである。

図５から図９は、本発明によるエネルギ回収システムをパワートレインの構造に組み込む方法を極めて概略的に示している。これらの図では、クラッチ２０、２２は省略されている。

図５は、図１の第１の機能的実施形態の実装構造の一例である。エネルギ回収システムの遊星ギヤ３４、フライホイール３８及び第１の電気機械４２は全て、エンジンの出力シャフト１４の同軸上に取り付けられており、従って、共通のハウジング６２内に収容可能である。このハウジングは、従来型のピストンエンジンに設けられる従来のエンジンフライホイール及びクラッチのハウジングを単純に大型化したものでよい。従って、このエネルギ回収システムは、従来の車両におけるパワートレインの基本的構成を変更することなく、好適に搭載することができる。基本的に唯一の修正点は、エンジンの長さを僅か約１５〜３０ｃｍだけ長くすることである。これとは別に、唯一の嵩張る追加の構成要素といえば、車両のどこにでも配置可能な蓄電手段だけである。

この実施形態では、フライホイール３８は、補助遊星ホイール６４を介して遊星ギヤのサンホイール３７に結合され、エンジンの出力シャフト１４は、衛星ギヤ担体４３に直接結合され、第１の電気機械４２は、リングホイール４１に直接結合されている。実際に、この第１の実施形態では、リングホイール４１は、第１の電気機械のロータと一体であるか、少なくともロータに取り付けられている。

図６は、図１の第１の機能的実施形態の別の実装構造の一例である。図１の実施形態との相違点は、フライホイール、遊星ギヤ及び補助遊星ギヤ６４が単に軸方向で逆向きに配置され、フライホイール３８がハウジングのギヤボックス側ではなく、ハウジング６２のエンジン側に配置されている点であり、とりわけ重要な点は、第１の電気機械４２がこの場合はハウジング６２内に組み込まれていない点である。このとき、第１の電気機械は、フライホイールの軸と平行に設置され、ギヤ機構６６を介して動力分割装置３４のリングホイール４１に結合されている。この構成により、第１の電気機械４２の直径を縮小することができる。

図７は、図２の第２の機能的実施形態の実装構造の一例である。この実施形態は、第２の電気機械５８も同じハウジング６２内に組み込まれている図５をそのまま用いたものである。この第２の電気機械のロータは、エンジンの出力シャフトに直接結合されている。この図では、第２の電気機械がハウジングのエンジン側において、エンジンと回収システムとの間にあるが、第２の電気機械をエネルギ回収システムの別の側に配置してもよい。

図８は、図２の第２の機能的実施形態の別の実装構造の例であり、図６と図５の実施形態の相違と同様、図７の実施形態と相違点を有している。その相違点とは、すなわち、ギヤ６６を介して遊星ギヤのリングホイール４１に結合された小さい直径の第１の電気機械４２が、外側に非同軸位置にある点である。

図９は、図３の第３の機能的実施形態の実装構造の一例である。この実施形態は、第３の電気機械６０がフライホイール３８と共に、遊星ギヤ６４と同じシャフト上において結合されており、第２の電気機械は存在しない。これらの点以外においては、図５の実施形態をそのまま用いたものである。

図１５及び図１６は、図２の第２の機能的実施形態の更なる代替実施形態であり、動力分割装置は、フライホイールのハウジング内に組み込まれておらず、ハウジングの外側の平行軸上に配置されている。これらの両方の実施形態において、動力分割装置３４は、第１の電気機械４２のロータに直接結合されたリングギヤ４１を有する。このとき、第１の電気機械の直径は、図８の実施形態と同様に小さくなっている。なお、動力分割装置３４及び第１の電気機械４２は同軸上に配置されている。動力分割装置の担体４３は、（この場合、フライホイールのハウジング６２に組み込まれている）噛合ギヤ６８を介してフライホイール３８に機械的に結合され、サンホイール３７は、（この場合は、フライホイールのハウジングの外側に位置する）噛合ギヤ７０を介してエンジン１２の出力シャフト１４と結合されている。

図１５の実施形態では、第２の電気機械５８は、そのロータが直接結合されている出力シャフト１４と同軸であり、フライホイールのハウジング６２内に位置している。

図１６の実施形態では、第２の電気機械５８は、フライホイールのハウジングの外側に位置している。これは実際に、第１の電気機械及び動力分割装置と同軸の、直径が縮小された電気機械である。そのロータは、サンホイール３７を噛合ギヤ７０のセットに連結するシャフトに直接結合されているので、第２の電気機械は、出力シャフト１４に機械的に結合されている。

図７の実施形態は、図３に示す第３の機能構成の代替例である。この実施形態は、動力分割装置及び第１の電気機械については、図１５の実施形態と同じ構成である。この実施形態は、（備えてもよいが）第２の電気機械を有しておらず、第３の電気機械６０を有している。第３の電気機械６０は、フライホイールのハウジング６２の外側にある、小さい直径の機械であり、出力シャフト１４と同軸でもなく、動力分割装置３４と同軸でもない。実際に、第３の電気機械も噛合ギヤセットを介してフライホイール３８に結合されている。

Claims (18)

1. エンジン（１２）に結合された入力シャフト（１６）と、被駆動ユニット（２５）に結合された出力シャフトとを有する可変速比トランスミッション装置（１８）と、
   第１のカップリングがフライホイール（３８）に結合され、第２のカップリングが電気機械（４２）に結合された３つの入力／出力カップリング（３６、４０、４４）を有する３方向動力分割トランスミッション装置（３４）とを備えるパワートレインであって、
   前記３方向動力分割トランスミッション装置（３４）の第３の入力／出力カップリングは、前記エンジン（１２）及び前記可変速比トランスミッション装置（１８）の前記入力シャフト（１６）に機械的に結合されていることを特徴とする、パワートレイン。
2. 前記動力分割トランスミッション装置（３４）は、サンホイール（３７）、該サンホイールと同軸のリングホイール（４１）、及び、該サンホイール及び該リングホイールと同軸のキャリア（４３）を有する遊星ギヤであり、
   前記サンホイール、前記リングホイール、及び、前記キャリアは、共通の軸のまわりを中心に互いに対して回転自在であり、
   前記キャリアは、前記サンホイールと前記リングホイールの両方と噛合する回転自在の遊星ホイール（４５）を担持している、請求項１に記載のパワートレイン。
3. 前記フライホイール（３８）は、減速ギヤを介して前記動力分割トランスミッション装置（３４）の前記第１の出力に結合される、請求項１又は２に記載のパワートレイン。
4. 前記減速ギヤは、更に遊星ギヤ（６４）を備える、請求項３に記載のパワートレイン。
5. 前記第１の電気機械（４２）は、電気補助装置（５４、５６）、及び／又は蓄電手段（５２）、及び／又は電気抵抗器（５３）に電気的に接続される、請求項１乃至４のいずれかに記載のパワートレイン。
6. 前記被駆動ユニット（２５）に機械的に結合された第２の電気機械（５８）を更に備える、請求項１乃至５のいずれかに記載のパワートレイン。
7. 前記第２の電気機械（５８）は、前記可変速比トランスミッション装置（１８）の前記入力シャフト（１６）に機械的に結合される、請求項６に記載のパワートレイン。
8. 前記可変速比トランスミッション装置は、離散変速比ギヤボックス（１８）である、請求項１乃至７のいずれかに記載のパワートレイン。
9. 前記離散変速比ギヤボックスは機械式、又はオートマチックギヤボックスである、請求項８に記載のパワートレイン。
10. 前記離散変速比ギヤボックスは、自動化された機械式ギヤボックスである、請求項８に記載のパワートレイン。
11. 前記エンジン（１２）は、少なくとも１つのクラッチ機構（２０、２２）を介して前記可変速比トランスミッション装置（１８）の前記入力シャフト（１６）に結合される、請求項１乃至１０のいずれかに記載のパワートレイン。
12. 前記フライホイール（３８）に機械的に結合された第３の電気機械（６０）を備える、請求項１乃至１１のいずれかに記載のパワートレイン。
13. 前記フライホイール（３８）と前記３方向動力分割トランスミッション装置（３４）とは、前記エンジン（１２）に固定されたハウジング（６２）内において、前記エンジン（１２）の出力シャフト（１４）の同軸上に取り付けられている、請求項１乃至１２のいずれかに記載のパワートレイン。
14. 前記第１の電気機械（４２）は、前記ハウジング（６２）内において、前記エンジン（１２）の出力シャフト（１４）の同軸上に取り付けられている、請求項１３に記載のパワートレイン。
15. 前記第１の電気機械（４２）は、前記フライホイール（３８）の軸と平行に取り付けられる、請求項１３に記載のパワートレイン。
16. 前記フライホイール（３８）と前記３方向動力分割トランスミッション装置（３４）と前記第２の電気機械（５８）とは、前記エンジン（１２）に固定されたハウジング（６２）内において、前記エンジン（１２）の出力シャフト（１４）の同軸上に取り付けられている、請求項６又は７に記載のパワートレイン。
17. 前記フライホイール（３８）は、前記遊星ギヤ（３４）の前記サンギヤ（３７）に結合され、前記エンジン（１２）は、前記衛星ギヤキャリア（４３）に結合され、前記第１の電気機械（４２）は、前記リングギヤ（４１）に結合される、請求項２に記載のパワートレイン。
18. ブレーキ（４６）が前記３方向動力分割トランスミッション装置の前記第２の入力／出力カップリング（４０）に、前記第１の電気機械（４２）と並列又は直列に結合される、請求項１乃至１７のいずれかに記載のパワートレイン。

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