(57)【要約】【課題】エンジン速度がＰＴＯシャフト速度と独立であり、ＰＴＯシャフトを配置できる箇所がエンジン箇所により制限されないエネルギーを再取り込みするパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムを提供する。【解決手段】ＰＴＯシステム（１００）は、電力を供給するエネルギー蓄積デバイス（１１６）と、該エネルギー蓄積デバイス（１１６）と電気的に接続され、その各々が電力を所望の機械的パワーに変換するように構成されている電気駆動システム（１０８）と、を含む。ＰＴＯシステム（１００）はさらに、電気駆動システム（１０８）の各々に機械的に接続されており機械的出力を発生させるように機械的パワーによって駆動されたＰＴＯシャフト（１１０）であって、該ＰＴＯシャフト（１１０）の各々の機械的出力はその他のＰＴＯシャフトの機械的出力から独立に制御可能であるＰＴＯシャフト（１１０）を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を供給するように構成されたエネルギー蓄積デバイス（１１６）と、
電力を受け取るように前記エネルギー蓄積デバイス（１１６）と電気的に接続された、その各々が電力を所望の機械的パワーに変換するように構成された少なくとも１つの電気駆動システム（１０８）と、
前記少なくとも１つの電気駆動システム（１０８）の各々に機械的に接続されると共に機械的出力を発生させるように前記機械的パワーによって駆動された少なくとも１つのＰＴＯシャフト（１１０）であって、該少なくとも１つのＰＴＯシャフト（１１０）の各々の機械的出力はその他のＰＴＯシャフトの機械的出力から独立に制御可能である少なくとも１つのＰＴＯシャフト（１１０）と、
を備えるパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システム（１００）。
【請求項２】
前記エネルギー蓄積デバイス（１１６）と前記少なくとも１つの電気駆動システム（１０８）を電気的に接続し該少なくとも１つの電気駆動システム（１０８）の各々に電力を分配するための少なくとも１つの分配枝（１０３）を有する分配バス（１０２）をさらに備える請求項１に記載のＰＴＯシステム（１００）。
【請求項３】
内燃エンジン（１２２）と、
前記内燃エンジン（１２２）に結合されると共に該エンジンの動作に基づいてＡＣパワーを発生させるように構成された発電機（１２４）と、
前記ＡＣパワーを分配バス（１０２）に供給されるＤＣパワーに変換するように構成された第１のＡＣ対ＤＣ変換器（１２６）と、
をさらに備える請求項２に記載のＰＴＯシステム（１００）。
【請求項４】
ＡＣパワーを受け取るように外部の電力網または外部の発電機（１３４）に接続可能なプラグと、
前記外部電力網または外部発電機（１３４）からＡＣパワーを受け取り該ＡＣパワーを分配バス（１０２）に供給されるＤＣパワーに変換するための第２のＡＣ対ＤＣ変換器（１３２）と、
をさらに備える請求項２に記載のＰＴＯシステム（１００）。
【請求項５】
分配バス（１０２）内の各分配枝（１０３）に結合されたインバータ（１０４）であって、それぞれの電気駆動システム（１０８）を駆動するために分配バス（１０２）からのＤＣパワーを条件付けされたＡＣパワーに変換するように構成されたインバータ（１０４）をさらに備える請求項２に記載のＰＴＯシステム（１００）。
【請求項６】
前記インバータ（１０４）は、
関連付けされたＰＴＯシャフト（１１０）を駆動させるためにそれぞれの電気駆動システム（１０８）からパワー要求、回転速度要求及び回転方向要求のうちの１つを受け取ること、
前記パワー要求に基づいてそれぞれの電気駆動システム（１０８）に送られる前記条件付けされたＡＣパワーの量及び周波数を制御すること、
を行うように構成された制御装置（１１９）を備える、請求項５に記載のＰＴＯシステム（１００）。
【請求項７】
前記制御装置（１１９）はさらに、障害状態の検出時にそのそれぞれの電気駆動システム（１０８）に対するパワーをシャットオフし、これによりそれぞれのＰＴＯシャフト（１１０）に対する機械的パワーの供給を終了させるように構成されている、請求項６に記載のＰＴＯシステム（１００）。
【請求項８】
インバータ（１０４）から条件付けされたＡＣパワーを受け取るようにインバータ（１０４）とそれぞれの電気駆動システム（１０８）の間に位置決めされた電力レセプタクル（１４１）であって、ＡＣパワーがそれに供給されるように外部負荷（１４４）に接続するように構成された電力レセプタクル（１４１）をさらに備える請求項６に記載のＰＴＯシステム（１００）。
【請求項９】
エネルギー蓄積デバイス（１１６）への及び該エネルギー蓄積デバイス（１１６）からの制御されたＤＣパワーの供給のためにエネルギー蓄積デバイス（１１６）と分配バス（１０２）の間に結合された双方向バック／ブースト変換器（１１８）をさらに備える請求項１に記載のＰＴＯシステム（１００）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの電気駆動システム（１０８）の各々は、
それぞれのＰＴＯシャフト（１１０）からシャフトの減速時に機械的エネルギーを取り込むこと、
前記取り込んだ機械的エネルギーを電気エネルギーに変換すること、
を行うように構成された電動機／発電機併合体を備える、請求項１に記載のＰＴＯシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的にはハイブリッド／電気式車両に関し、またより具体的にはハイブリッド／電気式車両に搭載したパワーテイクオフシステムを動作させるためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
純粋に電気的な車両は典型的には、車両を推進させる電動機にパワー供給するために蓄積しておいた電気エネルギーを用いている。ハイブリッド電気式車両は、内燃エンジンと１つまたは複数の電気エネルギー蓄積デバイスによりパワー供給されることが典型的な電動機とを組み合わせたものである。こうした組み合わせによれば、燃焼エンジン及び電動機が各々に効率を上昇させたそれぞれのレンジでの動作が可能となることによって全体的な燃料効率を上昇させることができる。スタートアップの間に電動機を使用し、かつ主にエンジン動作が一定な持続的期間では燃焼エンジンを使用するとより効率を高めることができる。例えばハイブリッド車両では、初期加速を向上させるために電動機を有することによって、より小型でより燃料効率がよい燃焼エンジン使用が可能となる。
【０００３】
トラック、トラクターなどの従来式のパワー供給を受ける幾つかの大型車両、さらには海上船舶は、取り付けられたマシンまたは単独のマシンにパワーを提供するためにパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムを用いている。典型的にはＰＴＯデバイスは車両の燃焼エンジンからＰＴＯシャフトを介してパワーを引き出している。ＰＴＯシステムに共通の用途は、消防自動車や海洋船舶上で水ポンプを動作させること、トラックその他の機械上で油圧ポンプを動作させること、及び農業用車両上で脱穀機や収穫機を動作させること、が含まれる。別の用途には、ダンプトラックの荷台を昇降すること、ゴミ収集トラック上で圧縮機を動作させること、牽引トラック上のウィンチを動作させること、発電機を駆動させること、が含まれる。
【０００４】
農業用車両には中間及び後部ＰＴＯシャフトが設けられるのが典型的である。一般的なＰＴＯ標準では、クラッチ／ギアボックス機構を通じてＰＴＯシャフトを内燃エンジンに機械的結合させることによって達成させることが典型的であるような５４０や１０００ｒｐｍのシャフト回転速度が要求される。エンジンは通常、正しいＰＴＯシャフト速度を提供するように固定の速度で動作させなければならないが、このため部分負荷動作においてエンジン効率が低下することや、ＰＴＯシステムが供給できる最大トルクまたはパワーが制限されることがある。さらに、正しいＰＴＯシャフト速度を提供する速度でエンジンを動作させることは車両の対地速度を抑制することがある。さらに、ＰＴＯシャフトをクラッチ／ギアボックス機構を介してエンジンに機械的に結合させていることによって、ＰＴＯシステムを利用できる箇所の数が制限されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５３７３１９５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、そのエンジン速度がＰＴＯシャフト速度と独立であり、かつＰＴＯシャフトを配置できる箇所が従来の幾つかの車両と同様にエンジンの箇所により制限されることがないような制動中にＰＴＯシャフトからエネルギーを再取り込みするように構成されたＰＴＯシステムを設計することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によるパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムは、電力を供給するように構成されたエネルギー蓄積デバイスと、電力を受け取るために該エネルギー蓄積デバイスと電気的に接続されているその各々が電力を所望の機械的パワーに変換するように構成された少なくとも１つの電気駆動システムと、を含む。ＰＴＯシステムはさらに、少なくとも１つの電気駆動システムの各々に機械的に接続されている機械的パワーにより駆動させて機械的出力を発生させる少なくとも１つのＰＴＯシャフトを含んでおり、該少なくとも１つのＰＴＯシャフトの各々の機械的出力はその他のＰＴＯシャフトの機械的出力から独立に制御可能である。
【０００８】
本発明の別の態様による車両ベースのパワーテイクオフ（ＰＴＯ）デバイスは、ＤＣバスと、該ＤＣバスに接続されこれにＤＣパワーを供給するように構成されたエネルギー蓄積ユニットと、該ＤＣバスに接続されてＤＣパワーを制御されたＡＣパワーに反転変換するように構成されたＤＣ対ＡＣ変換器と、を含む。車両ベースのＰＴＯデバイスはさらに、制御されたＡＣパワーを受け取り該制御されたＡＣパワーを機械的パワーに変換するために該ＤＣ対ＡＣ変換器に電気的に結合された電気駆動システムと、該電気駆動システムに機械的に結合されると共に制御された機械的パワーにより駆動されているＰＴＯシャフトと、を含む。
【０００９】
本発明のさらに別の態様によるパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムを製造するための方法は、ＤＣパワーを供給するためのパワーシステムを提供する工程と、該パワーシステムに結合されると共にＤＣパワーを分配するように構成されたＤＣバスを提供する工程と、ＤＣパワーを受け取り該ＤＣパワーを制御されたＡＣパワーに反転変換するために該ＤＣバスに少なくとも１つのＤＣ対ＡＣ変換器を電気的に結合させる工程と、を含む。本方法はさらに、制御されたＡＣパワーから機械的パワーを発生させるために少なくとも１つのＤＣ対ＡＣ変換器の各々に少なくとも１つの電気駆動システムを電気的に結合させる工程と、該電気駆動システムの各々にパワーテイクオフ（ＰＴＯ）シャフトを機械的に結合させ、これによりＰＴＯシャフトの各々がその付属の電気駆動システムの機械的パワーにより駆動されてＰＴＯシャフト機械的出力を発生させるようにする工程と、を含む。
【００１０】
別の様々な特徴及び利点については以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。
【００１１】
図面では、本発明を実施するために目下のところ企図されている好ましい一実施形態を図示している。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による電気パワーテイクオフシステムのブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態によるハイブリッド電気パワーテイクオフシステムのブロック図である。
【図３】本発明の別の実施形態によるハイブリッド電気パワーテイクオフシステムのブロック図である。
【図４】本発明の別の実施形態によるハイブリッド電気パワーテイクオフシステムのブロック図である。
【図５】本発明の別の実施形態によるハイブリッド電気パワーテイクオフシステムのブロック図である。
【図６】本発明の別の実施形態によるハイブリッド電気パワーテイクオフシステムのブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による後付けハイブリッドパワーテイクオフシステムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書に開示した本発明の実施形態についてその大部分をハイブリッド−電気式車両で使用するためのパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システム／デバイスに関連して記載しているが、本発明の実施形態はハイブリッド車両に限定されるものではなく、さらにエネルギー蓄積デバイスを内燃エンジンと組み合わせて利用しているその他のタイプの電気産業用マシンやハイブリッド−電気式産業用マシンにも応用できることは当業者であれば理解されよう。したがって、本明細書の以下で使用する場合に、車両という用語はＰＴＯシステム／デバイスによってパワーを提供するようなその他のタイプの電気式及びハイブリッド−電気式産業用マシンを包含するものと理解されたい。
【００１４】
図１は、１つまたは複数のＰＴＯシャフトによって装置に対して補助的なパワーを提供するようなパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムまたはデバイス１００の一実施形態を表している。ＰＴＯシステム１００は、ＰＴＯデバイス１００の構成要素を電気的に結合させる分配枝１０３を有するＤＣバス１０２を含む。第１のインバータ１０４（すなわち、ＤＣ対ＡＣ変換器）はＤＣバス１０２に結合されている。電気駆動システム１０８が第１のインバータ１０４とＰＴＯシャフト１１０の間に結合されている。図１に示すように、本発明の一実施形態の電気駆動システム１０８は、ＰＴＯシャフト１１０を駆動すること、並びにＰＴＯシャフトの減速中（すなわち、制動中）や等速若しくはほぼ等速あるいはオーバーホール負荷での動作時にそこからエネルギーを再取り込みすることを役割とする電動機／発電機併合体として構成されている。別法として電気駆動システム１０８は、単にＰＴＯシャフト１１０を駆動するための電動機として形成されることもあり得る。ＰＴＯシステム１００内にはさらにエネルギー蓄積デバイス１１６も含んでおり、例示的な一実施形態ではこれが、ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８（鎖線で示す）に電気的に結合されており、このＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８はさらにＤＣバス１０２に結合されている。別法として、ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８を含めることなくエネルギー蓄積デバイス１１６をＤＣバス１０２に直接結合させることがあることも理解されよう。本発明の実施形態では、エネルギー蓄積デバイス１１６を電池、燃料電池、ウルトラキャパシタ、あるいは電気式車両にパワーを提供するための適当な別の電池機構とすることがある。ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８は双方向バック／ブースト変換器や従来式の（単一指向性の）ブースト変換器とすることができる。
【００１５】
ＰＴＯデバイス１００の代替的実施形態は、ＤＣバス１０２に結合された第２のインバータ１０５（鎖線で示す）を含むことがある。この代替的実施形態では、第２の電気駆動システム（すなわち、電動機／発電機併合体）１０９（鎖線で示す）を第２のインバータ１０５と第２のＰＴＯシャフト１１１（鎖線で示す）の間に結合させている。ＰＴＯシャフト１１０、１１１の電気的な動作では、ＰＴＯシャフト１１０、１１１の機械的出力の制御及び／または障害状態の検出時あるいは安全プロトコルの違反時におけるＰＴＯシャフト１１０、１１１に対するパワーのシャットオフのためにインバータ１０４、１０５に対して電気駆動システム１０８、１０９に送られるパワーを制御させるように構成された制御器１１９の据え付けが見込まれる。
【００１６】
動作時においてエネルギー蓄積デバイス１１６はＤＣバス１０２に対してＤＣ電力を直接あるいはＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８を介するかのいずれかで供給する。ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８は、エネルギー蓄積デバイス１１６からの電圧出力を電気駆動システム１０８の駆動に適したレベルに条件付けする（例えば、ブーストする）ように構成される。インバータ１０４はＤＣバス１０２上のＤＣ電圧を、電気駆動システム１０８を駆動させる制御されたＡＣパワーになるように変換している。電気駆動システム１０８はＰＴＯシャフト１１０を回転／駆動させる機械的パワーを生成しており、このＰＴＯシャフト１１０は該ＰＴＯシャフト１１０に結合されたマシン／装置（図示せず）に機械的出力を転送するように構成されている。第２のインバータ１０５も同様に、電気駆動システム１０９を（またしたがって、第２のＰＴＯシャフト１１１を）駆動させるＡＣパワーを提供する。ＰＴＯシャフト１１０、１１１の回転速度及び方向は、ＡＣ信号出力の周波数をインバータ１０４、１０５のそれぞれにより独立に制御することによって独立に制御されることがある。その結果、第２のＰＴＯシャフト１１１はＰＴＯシャフト１１０と異なる回転速度及び回転方向で動作することが可能である。さらに一方のＰＴＯシャフトが稼働状態にある一方、もう１つのＰＴＯシャフトがアイドリング状態にあることがある。
【００１７】
上で列挙したように本発明の例示的な一実施形態では電気駆動システム１０８は、その減速時または「制動」時にＰＴＯシャフト１１０からのエネルギーの再取り込みが可能な本発明の一実施形態による電動機／発電機として形成することが可能である。制動動作中において電動機／発電機１０８は発電機モードで動作し、ＡＣ電力を発生させる。このＡＣパワーはインバータ１０４に転送されており、この例示的な実施形態ではインバータ１０４はさらに、電動機／発電機１０８からのＡＣ信号が例えばエネルギー蓄積デバイス１１６の再充電に使用可能なＤＣ信号に変換されるようにＡＣ対ＤＣ変換器として構成される。エネルギー蓄積デバイス１１６のこの再充電は、ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８が双方向バック／ブースト変換器である場合に可能となる。本発明の実施形態では、ＰＴＯシャフト１１０の減速／制動により発生させたＤＣ信号はさらに、例えばもう一方のＰＴＯシャフト１１１を駆動させるパワーを提供するためにインバータ１０５に振り向けることが可能である。制動時におけるエネルギー取り込み以外に、周期性の負荷（ｃｙｃｌｉｃａｌ  ｌｏａｄｓ）をこれに結合させたときにもＰＴＯシャフト１１０からエネルギーを再取り込みすることが可能である。周期性負荷は振動性の（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ）負荷トルクをもつＰＴＯシャフトにより駆動されるように構成される。シャフトの回転速度が低下していく期間中において、回生制動過程で用いられるのと同様の方式でエネルギーを再取り込みすることが可能である。
【００１８】
図２は、ハイブリッド−電気式車両または産業用マシン上で使用するためのＰＴＯシステム１２０の一実施形態を表している。ＰＴＯシステム１２０は、その内部に複数の分配枝１０３を有する分配バスまたはＤＣバス１０２を含む。ＤＣバス１０２の分配枝１０３に対しては、第１のインバータ１０４及び第２のインバータ１０６（すなわち、ＤＣ対ＡＣ変換器）が電気的に結合されている。第１のインバータ１０４は第１の電気駆動システム１０８にも電気的に結合されており、これが次いでＰＴＯシャフト１１０と機械的に結合されている。シャフト１１０は、農業用車両、ダンプトラック、牽引トラック、消防自動車または海洋船舶上で見られることがあるような機械類を駆動するように構成される。第２のインバータ１０６は第２の電気駆動システム１１２に電気的に結合され、またこれが駆動シャフト１１４と機械的に結合されており、本発明の幾つかの実施形態ではこの駆動シャフト１１４を車両を推進させるように構成することがある。ＰＴＯシステム１２０内にはさらにエネルギー蓄積デバイス１１６を含んでおり、エネルギー蓄積デバイス１１６はＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８（鎖線で示す）に結合されておりこれが次いでＤＣバス１０２に結合されている。別法としてさらに、ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８を含めることなくエネルギー蓄積デバイス１１６を直接ＤＣバス１０２に結合させることも可能であることが理解されよう。本発明の一実施形態では、ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８が双方向バック／ブースト変換器である。代替的な一実施形態では、ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８は従来式の（すなわち、単一指向性の）ブースト変換器である。さらに別の代替的実施形態では、ＤＣバス１０２は、ＤＣ−ＤＣブースト変換器１１８を伴わずに直接エネルギー蓄積デバイス１１６に電気的に結合させることがある。エネルギー蓄積デバイス１１６は、電池、ウルトラキャパシタ及び燃料電池のうちの１つとすることがある。
【００１９】
図２に示すようにＰＴＯシステム１２０がハイブリッド−電気式システムとして形成されるような一実施形態では、ＰＴＯシステム１２０内に補助パワーユニット（ＡＰＵ）１２１を組み込んでいる。例示的な一実施形態ではＡＰＵ１２１はその内部に、機械的エネルギーの形態をしたエンジン出力を提供する内燃エンジン１２２を含んでおり、この機械的エネルギーは、例えば誘導発電機、永久磁石発電機、場励起（ｆｉｅｌｄ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）を伴う同期発電機、または同様のデバイスとして構成し得る回転型または直線型の構成要素からなる発電機１２４によって電気エネルギーに変換される。発電機１２４は３相ＡＣパワーを発生させるのが典型的であるが、単相や別の多相ＡＣパワーを発生させることもある。発電機１２４からのＡＣパワーはＡＣ対ＤＣ変換器１２６によってＤＣパワーに変換され、これがＤＣバス１０２に出力される。エネルギー蓄積デバイス１１６はさらにＤＣバス１０２に対して電力を直接に提供するか、あるいはエネルギー蓄積デバイスからのＤＣ電圧を第１のインバータ１０４及び第２のインバータ１０６での利用に適したＤＣ電圧まで逓昇させるように構成し得るＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８（鎖線で示す）を介して提供している。ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８が双方向バック／ブースト変換器であるような実施形態では、ＤＣバス１０２からの電力は電圧変換器１１８によってエネルギー蓄積デバイス１１６を充電するために使用することが可能である。
【００２０】
ＰＴＯシステム１２０の動作時において、第１のインバータ１０４はＤＣバス１０２からのＤＣパワーを制御されたＡＣパワーに変換しており、これが電気駆動システム１０８によってＰＴＯシャフト１１０の駆動に適した機械的エネルギー／パワーに変換される。同様に、第２のインバータ１０６はＤＣバス１０２からのＤＣパワーをＡＣパワーに変換しており、これが電気駆動システム１１２によって駆動シャフト１１４の駆動に適した機械的エネルギー／パワーに変換される。例示的な一実施形態では、電気駆動システム１０８、１１２が電動機／発電機併合体として形成される場合に、ＰＴＯシャフトの回生制動動作またはサイクリング動作時にＰＴＯシャフト１１０及び駆動シャフト１１４からのエネルギーを再取り込みすることが可能である。ＰＴＯシャフト１１０の回生制動時において第１の電動機／発電機１０８はＰＴＯシャフト１１０からの機械的エネルギーをＡＣパワーに変換する。このＡＣパワーは３相電流であるのが典型的であるが、単相や別の多相電流とすることもできる。第１のインバータ１０４はさらに、第１の電動機／発電機１０８からのＡＣ信号をエネルギー蓄積デバイス１１６の充電に使用可能とさせる箇所であるＤＣバス１０２に出力されるＤＣ信号に変換するようなＡＣ対ＤＣ変換器として構成される。同様に、駆動シャフト１１４の回生制動時において、第２の電動機／発電機１１２は駆動シャフト１１４からの機械的エネルギーをＡＣパワーに変換する。第２のインバータ１０６はさらに、第１の電動機／発電機１１２からのＡＣ信号をエネルギー蓄積デバイス１１６の充電に使用可能とさせる箇所であるＤＣバス１０２に出力されるＤＣ信号に変換するようなＡＣ対ＤＣ変換器として構成される。
【００２１】
内燃エンジン１２２をＰＴＯシャフト１１０から及び駆動シャフト１１４から連結解除または脱結合させることによって、エンジン１２２はＰＴＯシャフト１１０や駆動シャフト１１４上に配置される負荷によらずに所望の任意の速度で動作することが可能であり、これによりエンジンの燃料効率の最大化、及び／またはＰＴＯシャフト要件と無関係な所望の車両速度の実現が可能となる。内燃エンジン１２２がオフになったときにＰＴＯシャフト１１０及び駆動シャフト１１４を動作させ（その方が効率がよければ）、これによって燃料の節約、車両またはマシンエミッションの低減、及びＰＴＯシステム１２０を居住地域で動作させる場合に重要となることがある音響ノイズの低下が得られる。
【００２２】
図２に示すように、ハイブリッド−電気式ＰＴＯシステム１２０は、ＰＴＯシャフト１１０（及び／または駆動シャフト１１４）の動作を制御するように構成された制御装置１２８（鎖線で示す）を含む。本発明の一実施形態において制御装置１２８は、電気駆動システム１０８からパワー要求を受け取ることなどによってＰＴＯシャフト１１０の速度要件またはトルク要件のいずれかを検知するように構成されている。ＰＴＯシャフト１１０の速度／トルク要件に基づいて制御装置１２８は、インバータ１０４により出力されるＡＣパワー信号の周波数を制御することなどによって、インバータ１０４が発生させ電気駆動システム１０８に送られる条件付け済みのＡＣパワー量を制御するように動作する。したがってＰＴＯシャフト１１０の回転速度は、エンジン１２２の動作／出力と独立に制御することができる。
【００２３】
ＰＴＯシャフト１１０の回転速度及び回転方向がエンジン１２２の回転速度及び回転方向と独立であるため、ＰＴＯシャフト１１０に対してはその上での機械的応力を制限させるようなトルク限界が設けられることがある。さらにこうしたトルク限界はＰＴＯシャフト１１０に結合した負荷に基づいて調整されることがある。このためＰＴＯシャフト１１０はエンジン１２２と機械的に結合させたＰＴＯシャフトが許容できるのと比べて負荷のより大きな過渡的変動を許容することが可能となる。さらにインバータ１０４に対して、第１の電動機／発電機１０８に対して所定の速度でのＰＴＯシャフト１１０の回転を開始させる信号を供給するようにさせることがある。例えば負荷が大きい場合、ＰＴＯシャフト１１０の回転速度をゆっくりと増加させその上の機械的応力を低下させることが望ましいことがある。
【００２４】
制御装置１２８はさらに、第１及び第２のインバータ１０４、１０６に対してある種の条件下でＰＴＯシャフト１１０及び／または駆動シャフト１１４へのパワーをシャットオフさせるように構成されている。制御装置１２８は、ある種の故障状態の発見または安全プロトコル違反の発見をするように構成されることがある。こうした状態や違反を発見したときに制御装置１２８は、第１及び第２のインバータ１０４、１０６のうちの一方または両方に対して、第１及び第２の電動機／発電機１０８、１１２のうちの一方または両方へのパワー伝達を切断しＰＴＯシャフト１１０及び／または駆動シャフト１１４の回転を停止させることがある。代替的な実施形態において制御装置１２８は第１及び第２のインバータ１０４、１０６のうちの一方または両方に対して、オーバーホール用負荷とした産業用クレーンや産業用マシンの傾斜箇所での保持を含むある種の用途においてＰＴＯシャフト１１０及び／または駆動シャフト１１４の速度をゼロ速度に保持するようにほぼゼロの電気周波数を出力させることがある。
【００２５】
エンジン１２２をＰＴＯシャフト１１０上に配置させた負荷と独立（すなわち、速度／トルク要件）の動作を可能にすること以外に、燃焼エンジン１２２からＰＴＯシャフト１１０を連結解除することによりさらにＰＴＯシャフト１１０の配置の柔軟性を高めることができる。ＰＴＯシャフト１１０は、従来の内燃エンジン車両の場合のように燃焼エンジン１２２から直接ではなくＤＣバス１０２からパワーを引き出すため、ＰＴＯシャフト１１０の配置が燃焼エンジン１２２の箇所によって制約されない。それどころかＰＴＯシャフト１１０はＤＣバス１０２へアクセスできる多種多様な箇所に配置させることができる。
【００２６】
さらに図２の鎖線で示したように、本発明の一実施形態では、発電機１２４に対してＡＣパワーをそこから受け取るように電力レセプタクル１２９が取り付けられることがある。電力レセプタクル１２９は、外部のデバイス／負荷（図示せず）のプラグに接続し、これに対してＰＴＯシステム１２０から商用網品質のＡＣパワーを提供するように構成されている。こうした実施形態の１つでは、燃焼エンジン１２２が固定の速度で動作することになり、また発電機１２４は典型的な商用電気差し込み口と同等の電圧定格を有するように構成されることになる。別の代替的実施形態では図２の鎖線で示したように、ＤＣ対ＡＣ変換器１３３及び電力レセプタクル１３１が設けられ、これらを外部デバイス／負荷（図示せず）のプラグに接続しＰＴＯシステム１２０からこれに対して商用網品質のＡＣパワーが提供されるように構成している。ＤＣ対ＡＣ変換器１３３及び電力レセプタクル１３１はＤＣバス１０２に対して直接取り付けられており、これにより燃焼エンジン１２２の速度の商用網品質ＡＣパワーの発生源からの脱結合が可能となると共に、発電機１２４は商用電源の電圧定格とのマッチングではなくＰＴＯシステム１２０に関して最適化させることが可能となる。別法として外部デバイス／負荷（図示せず）に対する商用網品質のＡＣパワーは、内燃エンジン１２２及び発電機１２４がシャットオフ状態の場合であっても、エネルギー蓄積デバイス１１６により供給されるエネルギーを用いて電力レセプタクル１３１を介して供給することができる。
【００２７】
ここで図３を参照すると、本発明の一実施形態によるハイブリッド−電気式車両上で使用するためのＰＴＯシステム１３０を表している。ＰＴＯシステム１３０は図２のシステム１２０と同様であるが、ＰＴＯシステム１３０はさらに、ＤＣバス１０２に結合されると共に商用電力網や可搬式発電機などの外部パワーソース１３４から電力を受け取るように構成されたＡＣ対ＤＣ変換器１３２を含んでいる。
【００２８】
動作時において外部パワーソース１３４がＡＣ対ＤＣ変換器１３２にＡＣパワー信号を供給しているが、代替的な一実施形態では外部ＤＣパワーソースを用いることも可能である。ＡＣパワー信号はＤＣ信号に変換され、ＡＣ対ＤＣ変換器１３２によってこれがＤＣバス１０２に出力される。外部パワーソース１３４からのパワーはエネルギー蓄積デバイス１１６を充電するために使用されることや、ＰＴＯシャフト１１０に直接パワー供給するために使用されることがある。外部パワーソース１３４からのパワーは、内燃エンジン１２２により供給されることになるようなパワーの代替とすることができる。こうしたケースでは、ＰＴＯシステム１３０が外部パワーソース１３４に接続されている間は燃焼エンジン１２２がオフにされることがある。この実施形態によれば、外部パワーソース１３４の利用により燃料消費を低減させたＰＴＯシャフト１１０及び／または１１４の動作が可能となる。外部パワーソース１３４は、車両その他の大きな負荷に見合うサイズとすることがあるような内燃エンジン１２２及び発電機１２４のパワー要件ではなく、ＰＴＯ負荷のパワー要件を満たすようなサイズとすることが可能である。
【００２９】
図４は、ハイブリッド−電気式車両上で使用するためのＰＴＯシステム１４０の一実施形態を表している。ＰＴＯシステム１４０は図２のシステム１２０ハイブリッド−電気式機構と同様であるが、ＰＴＯシステム１４０はその内部にさらに、ＤＣバス１０２、エネルギー蓄積デバイス１１６及び／またはＡＰＵ１２１を経由してインバータ１４２（すなわち、ＤＣ対ＡＣ変換器）からのＡＣパワーを受け取る電力レセプタクル１４１を含む。電力レセプタクル１２９は、外部デバイス／負荷１４４のプラグに接続し、ＰＴＯシステム１２０からこれに対して商用網品質のＡＣパワーを提供するように構成される。
【００３０】
ここで図５を参照すると、ハイブリッド−電気式車両上で使用するためのＰＴＯシステム１５０の別の実施形態を表している。ＰＴＯシステム１５０は図２のシステム１２０のハイブリッド−電気式機構と同様であるが、ＰＴＯシステム１５０は、電気駆動システム１５４に結合された追加のＰＴＯシャフト１５２を含んでおり、この電気駆動システム１５４が次いでさらに第１のインバータ１０４に結合されている。動作時において第１のインバータ１０４は、ＰＴＯシャフト１１０とＰＴＯシャフト１５２のそれぞれを駆動するために電気駆動システム１０８と電気駆動システム１５４の両方にＡＣパワーを提供する。ＰＴＯシャフト１１０、１５２が同じインバータ１０４によってパワー供給されるため、シャフト１１０、１５２は同じ数の極構成をもつ電気的マシン（電動機／発電機）を使用する電気駆動システム１５４及び１０８では概ね同じ速度で動作する。したがって図５の実施形態は、単一のインバータ１０４から提供されるＡＣパワーを受け取る電気駆動システム１０８、１５４によって複数のＰＴＯシャフト１１０、１５２を駆動することができることを表している。
【００３１】
図６は、ハイブリッド電気式車両上で使用するためのＰＴＯシステム１６０の別の実施形態を表している。ＰＴＯシステム１６０は図２のシステム１３０のハイブリッド−電気式機構と同様であるが、ＰＴＯシステム１６０は電気駆動システム１６４に結合された追加のＰＴＯシャフト１６２を含む。電気駆動システム１６４はインバータ１６６に結合されており、インバータ１６６は次いでＤＣバス１０２に結合されている。
【００３２】
動作時において、第１及び第２のＰＴＯシャフト１１０、１６２並びに駆動シャフト１１４がそれぞれインバータ１０４、１６６、１０６を介してＤＣバス１０２からパワーを引き出している。電気駆動システム１０８、１６４、１１２を電動機／発電機併合体として構成させたとき、ＰＴＯシステム１６０のＰＴＯシャフト１１０、１６２と駆動シャフト１１４の両者は、ＰＴＯシャフトの回生制動及び／または減速時、及び／またはオーバーホール負荷によるＰＴＯシャフト上で速度を維持している間においてそれぞれの電動機発電機１０８、１６４、１１２とそれぞれのインバータ１０４、１６６、１０６を介してＤＣバス１０２にパワーを供給するように構成される。これらのシャフトの各々は、外部パワーソース１３４、エネルギー蓄積デバイス１１６によりパワー供給を受けること、かつ／または内燃エンジン１２２により（発電機１２４及びＡＣ対ＤＣ電圧変換器１２６を通じて）パワー供給を受けることがある。ＰＴＯシャフト１１０、１６２が異なるインバータ１０４、１６６によって駆動されるため、これらのシャフトは独立の動作が可能である。例えばシャフト１１０、１６２はそのそれぞれの負荷を異なる回転速度または異なる回転方向に駆動することが可能であり、また一方のシャフトを他方のシャフトが回転している間にアイドリング状態とすることが可能である。こうした独立動作によって一方の稼働ＰＴＯシャフトに対してもう一方のＰＴＯシャフトの回生制動中に再取り込みしたエネルギーを直接供給することが可能となる。一方のＰＴＯシャフトから別のＰＴＯシャフトに直接供給されるエネルギーによって、再取り込みしたエネルギーの蓄積デバイス１１６内への移動、またさらに蓄積したエネルギーの蓄積デバイス１１６からＰＴＯシャフト１１０、１６２の一方への移動において本来的な損失が回避される。別法として、一方のＰＴＯシャフトから別のＰＴＯシャフトに直接供給されるエネルギーによって、ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８（鎖線で示す）を介した再取り込みしたエネルギーの蓄積デバイス１１６への移動、またさらには蓄積したエネルギーの蓄積デバイス１１６からＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８（鎖線で示す）を介したＰＴＯシャフト１１０、１６２のうちの一方への移動において本来的な損失が回避される。
【００３３】
図７は、従来の燃焼エンジン車両を後付けするために使用される本発明の一実施形態を表している。ハイブリッドＰＴＯシステム１７０は、第１のクラッチ１７２及び第２のクラッチ１７４に結合された内燃エンジン１２２を含む。第１のクラッチ１７２は第１のＰＴＯシャフト１７８に結合された第１のトランスミッション１７６に結合されている。第２のクラッチ１７４は駆動シャフト１８２に結合された第２のトランスミッション１８０に結合されている。図１に示したデバイス１００と同様に発電機１２４を燃焼エンジン１２２と結合させることによってＰＴＯデバイスを従来の車両に後付けすることが可能である。ＡＣ対ＤＣ変換器１２６は発電機１２４及びＤＣバス１０２に結合されている。エネルギー蓄積デバイス１１６はＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８（鎖線で示す）に結合されており、これが次いでＤＣバス１０２に結合されている。別法としてさらに、ＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８を含めることなくエネルギー蓄積デバイス１１６を直接ＤＣバス１０２に結合させることも可能であることが理解されよう。インバータ１０４はＤＣバス１０２と電気駆動システム１０８の間に結合されている。電気駆動システム１０８は第２のＰＴＯシャフト１８４に結合されている。本発明の代替的な一実施形態では、第２のインバータ１８６（鎖線で示す）がＤＣバス１０２と電気駆動システム１８８の間に結合されている。電気駆動システム１８８（鎖線で示す）はＰＴＯシャフト１９０（鎖線で示す）に結合されている。
【００３４】
動作時においてＰＴＯシャフト１７８及び駆動シャフト１８２は、クラッチ１７２、１７４及びトランスミッション１７８、１８２のそれぞれを通じて内燃エンジン１２２によって駆動される。この機構は従来の燃焼エンジン車両で使用されるものと両立する。後付けしたＰＴＯデバイスは第２のＰＴＯシャフト１８４を、また代替的な一実施形態では第３のＰＴＯシャフト１９０を駆動するように構成されている。エネルギー蓄積デバイス１１６はＤＣ電圧を供給しており、このＤＣ電圧はＤＣ対ＤＣ電圧変換器１１８（鎖線で示す）によりさらに高いＤＣ電圧までブーストされて、その出力がＤＣバス１０２に供給されることがある。ＤＣバス１０２に対しては、燃焼エンジン１２２により駆動される発電機１２４によって追加の電力が供給されることがある。ＡＣ対ＤＣ変換器１２６は発電機１２４からのＡＣ信号をＤＣ信号に変換しており、これがＤＣバス１０２に出力される。インバータ１０４はＤＣバス１０２上のＤＣ信号を、第２のＰＴＯシャフト１８４を回転させて外部デバイス（図示せず）の稼働のための機械的出力を発生させるための機械的エネルギー／パワーを供給する電気駆動システム１０８の駆動に適したＡＣ信号に変換する。代替的な一実施形態では、第２のインバータ１８６はＤＣバス１０２上のＤＣ信号を、電気駆動システム１８８の駆動に適したＡＣ信号に変換しており、この電気駆動システム１８８により第３のＰＴＯシャフト１９０を回転させるための機械的パワーが供給される。
【００３５】
ハイブリッドＰＴＯシステム１７０は、ＰＴＯシャフト１７８を比較的大きな負荷（例えば、５０ｋＷを要求するような負荷）を駆動するように構成する際に利用することができる。しかし第２のＰＴＯシャフト１８４及び第３のＰＴＯシャフト１９０は、例えば５ｋＷを要求するような負荷を駆動するように構成されることがあり、こうすると、エネルギー蓄積デバイス１１６及び発電機１２４により供給するパワーから効率よく動作させることが可能である。したがってハイブリッドＰＴＯシステム１７０は、異なる外部負荷にパワー供給するように異なる速度／トルクでのＰＴＯシャフト１７８、１８４の動作を提供することができる。
【００３６】
本発明の一実施形態によるパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムは、電力を供給するように構成されたエネルギー蓄積デバイスと、電力を受け取るために該エネルギー蓄積デバイスと電気的に接続されているその各々が電力を所望の機械的パワーに変換するように構成された少なくとも１つの電気駆動システムと、を含む。ＰＴＯシステムはさらに、少なくとも１つの電気駆動システムの各々に機械的に接続されている機械的パワーにより駆動させて機械的出力を発生させる少なくとも１つのＰＴＯシャフトを含んでおり、該少なくとも１つのＰＴＯシャフトの各々の機械的出力はその他のＰＴＯシャフトの機械的出力から独立に制御可能である。
【００３７】
本発明の別の実施形態による車両ベースのパワーテイクオフ（ＰＴＯ）デバイスは、ＤＣバスと、該ＤＣバスに接続されこれにＤＣパワーを供給するように構成されたエネルギー蓄積ユニットと、該ＤＣバスに接続されてＤＣパワーを制御されたＡＣパワーに反転変換するように構成されたＤＣ対ＡＣ変換器と、を含む。車両ベースのＰＴＯデバイスはさらに、制御されたＡＣパワーを受け取り該制御されたＡＣパワーを機械的パワーに変換するために該ＤＣ対ＡＣ変換器に電気的に結合された電気駆動システムと、該電気駆動システムに機械的に結合されると共に制御された機械的パワーにより駆動されているＰＴＯシャフトと、を含む。
【００３８】
本発明のさらに別の実施形態によるパワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムを製造するための方法は、ＤＣパワーを供給するためのパワーシステムを提供する工程と、該パワーシステムに結合されると共にＤＣパワーを分配するように構成されたＤＣバスを提供する工程と、ＤＣパワーを受け取り該ＤＣパワーを制御されたＡＣパワーに反転変換するために該ＤＣバスに少なくとも１つのＤＣ対ＡＣ変換器を電気的に結合させる工程と、を含む。本方法はさらに、制御されたＡＣパワーから機械的パワーを発生させるために少なくとも１つのＤＣ対ＡＣ変換器の各々に少なくとも１つの電気駆動システムを電気的に結合させる工程と、該電気駆動システムの各々にパワーテイクオフ（ＰＴＯ）シャフトを機械的に結合させ、これによりＰＴＯシャフトの各々がその付属の電気駆動システムの機械的パワーにより駆動されてＰＴＯシャフト機械的出力を発生させるようにする工程と、を含む。
【００３９】
本発明について限られた数の実施形態に関連して詳細に記載してきたが、本発明が開示したこうした実施形態に限定されないことは容易に理解できよう。それどころか本発明は、ここまでに記載していないが本発明の精神及び趣旨に相応するような任意の数の変形形態、修正形態、置換形態、等価形態の機構を組み込むように修正することが可能である。さらに、本発明に関して様々な実施形態を記載しているが、本発明の態様は記載した実施形態のうちの一部のみを含むこともあり得ることを理解すべきである。したがって、本発明は上述の記述によって限定されるものと理解すべきではなく、添付の特許請求の範囲の趣旨によってのみ限定されるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１００  パワーテイクオフ（ＰＴＯ）システムまたはデバイス
１０２  ＤＣバス
１０３  分配枝
１０４  第１のインバータ
１０５  第２のインバータ
１０６  第２のインバータ
１０８  電気駆動システム
１０９  第２の電気駆動システム
１１０  ＰＴＯシャフト
１１１  第２のＰＴＯシャフト
１１２  第２の電気駆動システム
１１４  駆動シャフト
１１６  エネルギー蓄積デバイス
１１８  ＤＣ対ＤＣ電圧変換器
１１９  制御器
１２０  ＰＴＯシステム
１２１  補助パワーユニット（ＡＰＵ）
１２２  内燃エンジン
１２４  発電機
１２６  ＡＣ対ＤＣ変換器
１２８  制御装置
１２９  電力レセプタクル
１３０  ＰＴＯシステム
１３１  電力レセプタクル
１３２  ＡＣ対ＤＣ変換器
１３３  ＤＣ対ＡＣ変換器
１３４  外部パワーソース
１４０  ＰＴＯシステム
１４１  電力レセプタクル
１４２  インバータ
１４４  外部デバイス／負荷
１５０  ＰＴＯシステム
１５２  追加のＰＴＯシャフト
１５４  電気駆動システム
１６０  ＰＴＯシステム
１６２  追加のＰＴＯシャフト
１６４  電気駆動システム
１６６  インバータ
１７０  ハイブリッドＰＴＯシステム
１７２  第１のクラッチ
１７４  第２のクラッチ
１７６  第１のトランスミッション
１７８  第１のＰＴＯシャフト
１８０  第２のトランスミッション
１８２  駆動シャフト
１８４  第２のＰＴＯシャフト
１８６  第２のインバータ
１８８  電気駆動システム
１９０  ＰＴＯシャフト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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