(57)【要約】  可変の負荷要求を有する車両または固定式装置に電力を供給するハイブリッドパワートレインシステムの内燃エンジン（ＩＣＥ）を動作する方法およびシステムは、加速の間またはＩＣＥへの高負荷要求の間にウルトラキャパシタなどの容量性蓄積エネルギーに充電／再充電するようにＩＣＥを動作する配置および構成を含む。ＩＣＥの動作を、充電および高負荷の間に、ある動作モードから別のより効率的な動作モードに遷移することができる。本発明は、高負荷状態の間に容量性蓄積エネルギーに充電する場合に、燃料効率／燃料節約という利点を提供する。
2021508643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変の負荷要求を有する車両または固定式装置を備えるハイブリッドパワーシステムを動作する方法であって、
加速の間または内燃エンジン（ＩＣＥ）への高負荷要求がされる間に少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに容量性蓄積エネルギーを充電／再充電するように前記ＩＣＥおよびジェネレータまたは電気機械を動作することを含む
方法。
【請求項２】
前記容量性蓄積エネルギー内のエネルギーが前記車両の次の加速サイクルで利用可能になるように前記エネルギーを回収するためにオンボード充電が利用される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加速または前記高負荷要求は、前記ＩＣＥのスロットル開口の、または前記ＩＣＥの最大トルク容量の、少なくとも３０パーセント以上である、請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記加速または前記高負荷要求は、前記ＩＣＥがフルスロットル開度、または前記ＩＣＥがほぼフルスロットル開度である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
所望の１分間当たり回転数（ｒｐｍ）の範囲内で、または所望のｒｐｍで動作して、前記容量性蓄積エネルギーを充電／再充電するように前記ＩＣＥの動作を制御することを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記容量性蓄積エネルギーが、少なくとも１つのウルトラキャパシタ（ＵＣ）、少なくとも１つのスーパーキャパシタ、または少なくとも１つの前記ウルトラキャパシタおよび少なくとも１つの前記スーパーキャパシタの組み合わせを備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに容量性蓄積エネルギーを充電／再充電する場合、第１の動作モードから前記第１の動作モードよりも前記ＩＣＥに対してより効率的なモードである第２の動作モードに、前記ＩＣＥの動作を遷移する段階を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスの容量性蓄積を利用している間に前記第２の動作モードで動作し、少なくとも１つの前記電気機械に電力を供給するように前記ＩＣＥを制御する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ＩＣＥの前記第２の動作モードが、前記第１の動作モードよりも高燃費の動作モードであり、および／または前記第１の動作モードよりも前記ＩＣＥの排気が好ましい出力である、請求項７または請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
閾値電圧に、または閾値電圧以上に前記容量性蓄積エネルギーを充電／再充電する場合、前記ＩＣＥは前記第１の動作モードに戻るように制御される、または、前記ＩＣＥは、前記容量性蓄積エネルギーを閾値電圧または充電レベルに、または閾値電圧または充電レベル以上に維持するように制御される、請求項７から請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記容量性蓄積エネルギーを充電／再充電することになる場合、前記第１の動作モードよりも前記第２の動作モードの方が前記ＩＣＥの燃料効率がより良くなる場合に、前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに遷移して前記容量性蓄積エネルギーを充電／再充電するように前記ＩＣＥを制御することによって、前記ＩＣＥの加重平均燃費を最適化する段階を含む、請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記方法を車両動作に適用するとき、前記ＩＣＥが前記容量性蓄積エネルギーを充電／再充電するモードで動作する場合に、回生制動は提供されない、または、回生制動が前記容量性蓄積エネルギーを充電／再充電するためには利用されない、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＩＣＥの動作モードが比較的低効率の場合、少なくとも１つの前記電気エネルギー蓄積デバイスを使用して前記車両または前記固定式装置に電力を供給するか、または前記車両または前記固定式装置への電力供給を増大して、
前記ＩＣＥの動作モードが比較的高効率の場合、前記ＩＣＥを使用して前記少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスを充電／再充電する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスが前記車両または前記固定式装置に電力を供給する間、前記ＩＣＥはアイドリングモードまたはオフになり、前記ＩＣＥは、前記少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスの出力電圧が閾値へと低下する、または閾値以下に低下する場合、前記少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに充電／再充電するように動作する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
定速状態の間、まず前記容量性蓄積エネルギー内のエネルギーが使用され、次いで、定速を維持するための電力必要量を供給するために充電／再充電を（再）開始する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
充電電圧と前記容量性蓄積エネルギーの電圧との間のデルタ電圧が十分な電流を供給される結果、供給される電圧と電流との積が、燃料の効率的な削減を最大にするように、および蓄電された電気エネルギーが加速状態の間に利用可能になるように前記容量性蓄積エネルギーに充電するのに必要な電力を確実に生み出すように前記ＩＣＥのｒｐｍが変わる、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
可変の負荷要求を有する車両または固定式装置に電力を供給するハイブリッドパワーシステムであって、前記ハイブリッドパワーシステムは、加速の間または内燃エンジン（ＩＣＥ）への高負荷要求がされる間に少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに容量性蓄積エネルギーを充電／再充電するジェネレータまたは電気機械を動作するように制御される前記ＩＣＥを含む、
システム。
【請求項１８】
前記加速または前記高負荷要求は、前記ＩＣＥのスロットル開口の、または前記ＩＣＥの最大トルク容量の、少なくとも３０パーセント以上である、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記加速または前記高負荷要求は、エンジンがフルスロットル開度である、請求項１７または請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
ａ．容量性蓄積エネルギーを備える少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスと、
ｂ．少なくとも前記容量性蓄積エネルギーを充電／再充電する際に使用するための、オンボード充電システムなどの充電システム、および／またはジェネレータまたは電気機械などの電力源を駆動するように動作可能に接続される少なくとも１つの内燃エンジン（ＩＣＥ）と、
ｃ．前記容量性蓄積エネルギーを充電／再充電するときに、第１のモードから、前記第１のモードよりも燃料効率がより良い第２のモードに動作を遷移するように前記ＩＣＥを制御するよう配置および構成される制御装置と、
を含む、請求項１７から請求項１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスの容量性蓄積を充電／再充電するのに十分である第２のモードで、所望の１分間当たり回転数（ｒｐｍ）の範囲内で前記ＩＣＥが動作するように構成される、請求項１７から請求項２０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２２】
制御装置は、前記容量性蓄積エネルギーを充電／再充電して前記少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスおよび／または前記容量性蓄積エネルギーを最小電圧以上に維持するように前記ＩＣＥを動作するよう配置および構成される、請求項１７から請求項２１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
制御装置は、前記ＩＣＥの動作を第１のモードから第２のモードに遷移するように配置および構成され、前記第２のモードは、少なくとも前記容量性蓄積エネルギーを充電するために、前記第１のモードよりもｒｐｍが高くなっている、請求項１７から請求項２２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記システムの状態がオンボード充電システムおよび／または電力源の動作を決定し、ＥＣＵなどの制御装置が、電圧、電流、スロットル位置、ブレーキペダル位置、トルク要求、ｒｐｍおよび速度の１または複数の入力を受け取る、請求項１７から請求項２３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２５】
前記状態は、
ａ．静止状態の間、前記電流はゼロになり、スロットル位置センサはゼロになり、ブレーキスイッチはオンである入力値、または
ｂ．減速の間、前記電流はゼロになり、前記スロットル位置はゼロになり、前記速度は経時的に減少することになり、前記ブレーキスイッチはオンであってもまたはオフであってもよい入力値、または
ｃ．加速の間、前記電流はゼロより大きくなり、前記スロットル位置はゼロより大きくなり、前記速度は経時的に上昇することになる入力値、または
ｄ．定速の間、前記電流はゼロより大きくなり、前記スロットル位置はゼロより大きくなり、および経時的速度変化は小範囲になる入力値、または
ｅ．減速の間、かつブレーキがオンになっている間、回生が作動し得る入力値
によって特定可能になる、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
最適化されたオンボード充電システム、および／または低ｒｐｍ（低キロボルト）での高電圧出力、および低ｒｐｍでの高電流出力のための電力源を含む、または、低ｒｐｍで高トルク出力を有する最適化された内燃エンジン（ＩＣＥ）を含む、請求項１７から請求項２５のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両および定置機関などのハイブリッドパワートレインに関する。
【０００２】
本発明は、容量性蓄積を使用して、例えば１または複数のウルトラキャパシタ（さらにスーパーキャパシタ、またはスーパーキャップを含む）を用いて、要求に応じてエネルギーを蓄電および放出する特定の応用を見出す。
【０００３】
本発明は、以下でオートバイを参照して説明的に記載される。ただし、本発明は、この特定の応用または特定の使用分野に限定されないことが理解されたい。
【背景技術】
【０００４】
車両および定置機関のパワートレインの製造業者は、排気量および燃料消費量を大幅に削減しなくてはいけないという非常に大きなプレッシャーを受けている。
【０００５】
内燃エンジン（ＩＣＥ）の熱効率は改善を続けている。最新のＩＣＥに適用されている直接燃料噴射および排気ターボ過給、ならびにその他の技術は、燃費の改善に貢献しており、同エンジン出力のエンジン排気量の全体的削減を可能にしている。すなわち、ＩＣＥの比出力が大きくなっている。
【０００６】
しかしながら、オープンスロットルと比較してスロットルを一部利用する場合より、ＩＣＥのドライブトレインは非効率に動作しているのがいまだに一般的である。すなわち、スロットル大開度では、スロットルをより閉じた動作に比べて燃費効率がより良くなるという一般的な関係があるので、ＩＣＥは様々な動作点で異なる燃料効率を有することになる。ＩＣＥの動作は、ＩＣＥの様々な動作点での燃料効率を考慮に入れると複雑であり、動作である排気出力、騒音、振動、およびハーシュネス（ＮＶＨ）の観点から考慮に入れなければならない他の要因も存在し、さらにより複雑な熱力学、流体力学、さらに実行時間の相互作用、例えば、起動時間モードが影響を与え得る。
【０００７】
しかしながら、本発明の機能および利点を理解および認識することを目的として、ＩＣＥのパワートレインは、ＩＣＥの他の動作点よりもより効率的な動作点を有することを心に留めておくべきであろう。
【０００８】
数十年におよぶ内燃エンジンの向上後、ドライブトレインの製造業者は現在、排気量および燃料消費量を削減する解決手段として車両の電気化に重点を置いている。
【０００９】
製造業者は、フル電動パワートレイン、例えば、内燃エンジン駆動式ドライブトレインに取って代わる充電式バッテリを利用したバッテリ式電気自動車（ＢＥＶ）に重点を置いている。しかしながら、フル電動パワートレインの主な利用には、今日の広範な利用普及を妨げるいくつかの欠点がある。それは、内燃エンジンと比べて
・重量ペナルティ、
・費用、
・長充電時間、
・外部の充電インフラの必要性、
・走行距離／走行持続時間、
という欠陥がある。こうした欠陥は、いわゆる「走行距離不安」、すなわち、車両が目的地に到達するまでの走行距離が短いので、車両乗員は道中で立ち往生させられるだろうという不安を明示し得る。
【００１０】
例として、３キロワットで走行する原動機付きフル電動二輪車は、電圧容量が７２ボルトで、２４アンペア時（Ａｈ）容量の一般的なリチウムイオンバッテリを有する。この電動二輪車は、平均走行距離がわずか４０ｋｍで、放電したバッテリを再びフル充電にするには６時間から７時間かかる。連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）を備えた等価の１２５ｃｃガソリン二輪車は、５．５リットルのガソリンタンクを有し、平均走行距離が２１４ｋｍで、満タンにするのにかかる時間は１分である。さらに、フル電動車両に再充電する沿道インフラは、石油（ガソリン）を得るための一般的に利用可能である給油所／ガソリンスタンドとは異なり、未だいたるところで見られるわけではない。
【００１１】
こうした制約が克服されるまで、製造業者は、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）の燃料消費量および排気出力を削減する手段としてＨＥＶのハイブリッドパワートレイン技術に頼っている。
【００１２】
先のハイブリッド電気自動車のパワートレインは、トラクションバッテリとしてバッテリパックを含む。車載されたＩＣＥは、バッテリパックに充電するおよび／または車両駆動を増加するのに使用される。
【００１３】
これらのタイプのトラクションバッテリを含むＨＥＶのパワートレインにはいくつかの欠点がある。大型バッテリ（例えば、プラグインハイブリッド車）に充電するには、外部の充電インフラが必要である。バッテリの寿命ならびにインフラの回路容量を保護することを目的として、充電アンペア数（Ａｍｐｓ）は低電流に制限される。この結果、フル充電を完了するのに数時間かかることになる。車両の合理的な走行距離／走行持続時間をもたらす大型バッテリパックは、さらに高価で重量がある。
【００１４】
小型バッテリパックを備えるハイブリッドパワートレインの場合、駆動した車両がバッテリエネルギーだけで走行できる走行距離は限定的であるので、燃料を節約するという利点は少ない。さらに、小型バッテリパックは、放電アンペア数と比べて低充電アンペア数でのみ充電され得る。これは、有効なエネルギー量が需要に応じていつも利用可能ではないことを意味する。バッテリパックが小型であることにより、これらのバッテリパックはさらに、運転スタイル（すなわち、激しい加速、過度な「オンオフ」のブレーキングおよび加速をする技術）の影響を非常に受けやすい。これは、バッテリエネルギーが急速に枯渇することを意味し、さらに、このようなバッテリパックのバッテリは高速充電ができないので、特に都心部での典型的な数々の運転パターンである停止／始動を断続的に行う運転では、有効なエネルギー量を容易に利用することができないだろう。
【００１５】
ウルトラキャパシタ（ＵＣ）は、リチウムイオンバッテリの代替手段を提供する。ＵＣは、バッテリ内が化学的形態のポテンシャルエネルギーではなく、電界で充電を蓄電するという点で異なる。
【００１６】
これにより、リチウムイオンバッテリと異なり、ウルトラキャパシタは、蓄電エネルギーを放電するのと同じ早さで、かつ非常に高い電流で充電することが可能となる。こうしてウルトラキャパシタは数秒でフル充電が可能となる。ウルトラキャパシタはさらに、容量を失うことなく１００万回数のサイクルが可能である。
【００１７】
しかしながら、ウルトラキャパシタは、特にトラクションバッテリの使用を考慮に入れた場合、いくつかの欠点を有する。今のところ、ウルトラキャパシタのエネルギー密度（１キログラムあたりワット時、すなわちＷｈ／Ｋｇ）は、リチウムイオンバッテリのエネルギー密度の２パーセントを有するだけである。これは、ウルトラキャパシタおよびリチウムイオンバッテリの双方とも同じエネルギー量を供給する必要がある場合、ウルトラキャパシタのパックの方がリチウムイオンバッテリよりも大型で高価であることを意味する。
【００１８】
さらに、ウルトラキャパシタの電圧は、放電の際に、一定に定まらず、再び実際に使用するのに充電が必要となる。結果、長期にわたり周期的にエネルギー源としてウルトラキャパシタを使用することには問題がある。
【００１９】
これは、エンジン付き車両内のトラクションバッテリとしてウルトラキャパシタを使用することを、例えば、わずか４パーセントから８パーセントほどの燃料節約という利点を備える電気補助装置を短時間で駆動する際の停止／始動システム、および非トラクション負荷などの緩やかなハイブリッド利用に限定する。
【００２０】
停止／始動システム内のウルトラキャパシタに充電する方法は、運動エネルギーの回生エネルギー（例えば、ブレーキ）に依拠する。運動エネルギーの第１原理（ＫＥ＝１／２ｍｖ２）から、車両の利用可能なブレーキエネルギーは、車両の質量（∝ｍ）および車両速度の２乗に（∝ｖ２）に直接的に関係する。低速および低慣性力の小型車の場合、回生エネルギーは、停止および始動にのみ適しており、加速および定速運転の間には十分な回収可能エネルギーを供給できない。
【００２１】
ＵＳ２００９／０２１２６２６（Ｓｎｙｄｅｒら）は、（ウルトラキャパシタ（ＵＣ）を用いた）高速エネルギー蓄電（ＦＥＳ）装置、および持続時間が長いパワーデバイス（例えば、化学電池または燃料電池）を有することに関する。このＦＥＳ装置はバッテリを十分に保護し、バッテリはＵＣの必要な容量を最小化する。具体的には、ＵＳ２００９／０２１２６２６は、バッテリパックを保護するためにバッテリパックの最大電流を制御する制御システムを開示し、ＵＣからの過渡電流の突発的発生を利用して加速の間に補完する。ＵＣおよびバッテリへの電力のほとんどが回生制動から発生したものであるが、さらにその電力は、バッテリパックおよび／または内燃エンジン（ＩＣＥ）を駆動するジェネレータから回生制動が生じることを可能にする。ＵＳ２００９／０２１２６２６は、プラグインハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）であって、ここで、そのメインバッテリを充電し、次いでＦＥＳ／ＵＣを組み合わせてメインバッテリを使用することで、バッテリが完全に枯渇するまでＩＣＥを全く作動させることなく駆動がなされる、プラグインハイブリッド電気自動車と、このプラグインハイブリッド電気自動車が、要求に応じて加速の発生をもたらし、回生制動からエネルギーを得るのに使用される電動モータ／ジェネレータを備える主要な燃焼機関モードで駆動できるということと、に関する。ＵＳ２００９／０２１２６２６は、高負荷の間に過度に高い電流を供給しなければならないことからメインバッテリを保護するために、電力の一時的な発生をＵＣからサポートすることを教示している。ＵＳ２００９／０２１２６２６は、ハイブリッド電気パワートレイン内の燃料効率を維持する課題を取扱っていないか、または、ＩＣＥの動作を、あるモードから、余剰電力を利用して容量性蓄積エネルギー（ＵＣなど）を充電する別のより効率的なモードに遷移することを教示していない。
【００２２】
ＵＳ２０１４／１１１１２１（Ｗｕ）は、高速の放電速度で高電流を供給する際にメインバッテリの助けとなる補助用ブーストバッテリに関する。本明細書は、ＩＣＥを使用しない、またはＩＣＥを使用して要求に応じてバッテリに充電する純粋な電気駆動に関する。ＵＳ２０１４／１１１１２１は、ブーストバッテリを含み、ブーストバッテリは、スーパーキャパシタ／ウルトラキャパシタ、または電池およびＵＣの組み合わせである。ＵＳ２０１４／１１１１２１は、回生制動中にＵＣに再充電すること、および、制動力および制動速度の可変中に「バックブースト」コンバータを使用して出力電圧をＵＣに合わせることを考察している。高性能ブーストバッテリの使用をメインバッテリ容量、例えばメインバッテリの１／３以下、に合わせ、メインバッテリを使用してドライブトレインに電力を供給することまたはブーストバッテリに充電することができる。ＵＳ２０１４／１１１１２１は、電動モータが高性能モードにない場合に、メインバッテリから純粋な電気自動車のブーストバッテリに再充電できるようにする回路構成および制御構成に焦点を当てている。ＵＳ２０１４／１１１１２１は、ハイブリッド電気パワートレイン内の燃料効率を維持する課題に取り組んでいないか、または、ＩＣＥの動作を、あるモードから、余剰電力を利用して容量性蓄積エネルギー（ＵＣなど）に充電する別のより効率的なモードに遷移することを教示していない。
【００２３】
・大幅な燃料節約および排気量節減を行う内燃エンジンを搭載したパワートレインの全体的効率を上げること、
・外部の充電インフラ、および長時間充電／低速充電に依拠する必要なく電気機械の利点を生かすこと、
・エネルギー蓄積デバイスの重量ペナルティおよび罰則コストを削減すること、
のうちの１または複数を提供できるハイブリッドパワートレインのニーズが依然として存在する。
【００２４】
上記の先行技術の欠点を考慮に入れて、これらの欠点のうち１または複数を改善するハイブリッドパワートレインを設けること、または少なくとも現在利用されているハイブリッドパワートレイン技術の有益な代替案を提供することが望ましいことが見出された。
【００２５】
ウルトラキャパシタの高速の放電／充電および長いサイクル寿命は有益であるが、長期にわたるサイクルでそのウルトラキャパシタを使用するための解決手段には、大幅な燃料節約および排気量節減という利点を有する必要がある。
【００２６】
車載されたウルトラキャパシタに高電流で放電するよりも高速で充電することによって、結果、電気エネルギーを蓄電したウルトラキャパシタが繰り返し利用可能になることで耐用年数に影響を与えることなく燃費を最大にする能力へのニーズが依然として存在する。本発明は、少なくとも一形態において、このような解決手段を提供することを目的とする。
【００２７】
世界の自動車ＯＥＭが直面する他の大きな懸案事項は、ラボの試験サイクルと実際の運転結果との間で燃費および排気量の差が大きいことである。
【００２８】
一般的な実際の運転は、静止時間、加速、定速、および減速から成り立つ。ラボの試験サイクルは、これら全ての条件から構成されるが、駆動サイクルの試験結果が実際の運転と相関関係を持つことはまれである。
【００２９】
加速が燃費および排気量に大きく寄与することは既知である。これは基本的に力の方程式において質量成分を加速させる物理的性質によるものである。
Ｆ＝ｍａ＝ｍΔＶ／Δｔ（質量×（経時的速度変化））
【００３０】
内燃エンジンは、電動モータ駆動式車両と比べて加速中においては比較的非効率である。加速するためには、一定レベルのトルクが必要になるからである。内燃エンジンは、使用に適したトルクに達するために特定の毎分回転数（ｒｐｍ）を実現する必要があり、これには時間がかかる上に、その間エンジンは非効率となる。
【００３１】
車両を定速に維持する力は、車両が加速（質量および一定期間にわたる速度変化に比例する）しているときよりも著しく小さい（速度の２乗であり、車両の質量とは比較的無関係である）。
【００３２】
実際の運転データと試験サイクルデータとの間で相違が存在する主因は、試験サイクルにおける加速期間の回数が実際の運転の回数と大きく異なるという点にある。
【００３３】
別の主因は、試験サイクルにおける加速勾配プロファイルが実際の運転の加速勾配プロファイルと大きく異なるという点にある。ドライバーが通常、試験サイクルで見られる急な急加速勾配を利用する、または定速よりも加速／減速により多くの時間を費やす場合には、観察される燃費に相違が存在することになるであろう。
【００３４】
加速を上げることによって、および／または加速勾配が増えることによって生じる運転パターンの変化の影響を受けないハイブリッドパワートレインのニーズが依然として存在する。本発明の１または複数の形態は、このような解決手段を提供することを目的とする。
【００３５】
トランスミッション戦略は、動力車内の内燃エンジンの燃費および排気量を決定するのにさらに重要である。
【００３６】
トランスミッションは、ギアおよびギアトレーンを用いて回転力源からの速度変換およびトルク変換を別の車両にもたらすことによって動力利用を制御する。様々なトランスミッションがあるが、考察のために、低コストトランスミッションおよび多段変速機が存在する。
【００３７】
一般的に低コストトランスミッションが望ましい。なぜなら低コストトランスミッションは安価で修理しやすいからである。しかしながら、定速の間には、トルク要求は加速される間よりも著しく小さくなるが、エンジンＲＰＭが変速比および最終固定変速比を選択したことで高いままで維持される場合、次いでエンジンＲＰＭはトルク要求を満たすのに必要なエンジンＲＰＭよりも高くなる可能性があるか、または別の言い方をすれば、低いＲＰＭが利用され、スロットル開度が大きくなる事例と比べ、スロットルはさほど開放しない場合がある。
【００３８】
さらに、高速の間には、エンジンｒｐｍが変速比制限により高いままで維持される場合、エンジンｒｐｍは、さらにｒｐｍが低い場合に比べてスロットルがより大きく開いた状態でエンジンが動作するという事実により、高燃費および高排出をもたらす高ｒｐｍで動作することになる。
【００３９】
このことは、原動機付き二輪車の低コストＣＶＴトランスミッションシステムの非常に一般的な形態であり、このトランスミッションは、一定のＲＰＭで、通常５０ｋｍ／ｈｒまでの最大トルクで維持される。これでは、加速される間の適切な性能のための定速での燃費削減を脅かす。このことはさらに、最終固定変速比によって非常に高いＲＰＭが高速の間に必要になり、燃料効率が弱まるという点で欠点を有する。
【００４０】
多段変速機（例えば、８段変速機）は、燃費を最小にするトルク要求に合わせることで低コストトランスミッションの欠点にある程度対応しているが、多段変速システムは複雑であり、車両のコストを大幅に増加させる。これらの多段変速機システムは、様々な駆動式車両の応用（例えば四輪車、商用車）で使用される。
【００４１】
低コストを適用することによる定速トランスミッションおよび高速トランスミッションの非効率性を取り除くニーズが依然として存在する。複雑なトランスミッションを適用することによる高コストを削減するニーズが依然として存在する。
【００４２】
本発明は、先行技術の少なくとも１または複数の欠点を克服または改良するハイブリッドパワートレインの１または複数の改善を提供すること、または代替案を少なくとも提供することを目的とする。
【００４３】
あらゆる先行技術情報が本明細書で参照されるとしても、このような参照は、この先行技術情報が豪州またはその他の国において当技術分野でよく知られた一般知識の部分を形成するものであるとの承認を構成しないことが理解されるべきである。
【発明の概要】
【００４４】
本発明の１または複数の形態であるハイブリッドパワートレインシステムおよび関連方法によって、内燃エンジン（ＩＣＥ）は、より高効率のポイントで、少なくとも周期的にまたは要求に応じて、例えば適切に構成された制御システムを用いて動作することが可能となり、ハイブリッドパワートレインシステムは、運転手が要求する電力出力を行うことが可能となる、例えば一定の車両速度を維持することが可能となることが理解されよう。
【００４５】
本発明の１または複数の形態によって、比較的低コストでかつロバストなウルトラキャパシタ（ＵＣ）は、車両または固定式装置内のトラクションモータ／駆動モータの電気エネルギー源として利用することが可能となる。ＵＣは、駆動装置に動力を供給する唯一のエネルギー源であってもよく、または、その他の容量性バッテリおよび／または例えばＩＣＥからの動力によって補完してもよい。
【００４６】
例えばウルトラキャパシタを用いるものなどの容量性蓄積エネルギーは、回生によって（再）充電されることが好ましい。
【００４７】
本発明の１または複数の形態では、要求に応じた充電を容量性蓄積エネルギーに行い、充電する際にＩＣＥの動作をより効率的なモードに遷移することで、燃料が節約される。
【００４８】
バッテリ（一般的には、リチウムイオン）を備えた既存のハイブリッド車は、容量性蓄積を備えたハイブリッドと比べて、異なる充電方法を有する。これは、バッテリを備えたハイブリッドはそのバッテリの放電が完了するまで定電圧を維持するが、ウルトラキャパシタは放電しながら継続して電圧を低減するからである。
【００４９】
したがって、本発明は、様々な課題に取り組んでおり、もっぱら標準仕様の（リチウムイオン）バッテリだけを利用するハイブリッドシステムまたはバッテリシステムではない独自の解決手段に至る。本発明は、そのような標準仕様のバッテリ式車両に充電／再充電する既知の方法と比べて独自の動作方法を用いる。
【００５０】
燃料消費量削減（さらに好ましくは排気量削減）の観点から見ると、本発明の１または複数の形態が得る利点は、既知の技術を考慮すると、目覚ましいものであり、注目に値するほど予想外のことである。
【００５１】
本発明は、ＩＣＥの動作の様々なモード（またはポイント）での効率差を利用することが理解されよう。
【００５２】
一態様では、本発明は、動力を供給し、容量性蓄積エネルギー（１または複数のＵＣなど）に再充電を行わないＩＣＥの動作モードを別の動作モードに変え、この別の動作モードでは、容量性蓄積エネルギーであるＵＣに再充電も行う。
【００５３】
本発明の１または複数の形態は、ＩＣＥが電力を供給し、容量性蓄積エネルギーに再充電を行わない第１の動作モードと、ＩＣＥが容量性蓄積エネルギーの再充電を行う第２の動作モードと、を有する内燃エンジン（ＩＣＥ）を提供する。
【００５４】
本発明が提供する少なくとも１つの利点は、その他の動作モードで、ＩＣＥが非常に高効率で動作し、この高効率で動作する間にＵＣに充電することである。
【００５５】
ＵＣに充電されると、ＩＣＥは元の動作モードまたは異なる動作モードに遷移でき、動作システムの決定に従って（例えば、次の車両加速事象の間、またはさらなるその他の多くの可能な動作ポイントで）、そのＵＣのエネルギーを使用してＩＣＥを補助することが可能になる。
【００５６】
本発明の一態様は、可変の負荷要求を有する車両または固定式装置に電力を供給するパワートレインを備えたハイブリッドパワーシステムを動作する方法を提供し、本方法は、所望の１分間当たり回転数（ｒｐｍ）の範囲内で、または所望のｒｐｍで動作して、容量性蓄積エネルギーを含む少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに充電／再充電するように内燃エンジン（ＩＣＥ）の動作を制御する段階を含む。
【００５７】
容量性蓄積エネルギーは、少なくとも１つのウルトラキャパシタを含むことができる、または少なくとも１つのウルトラキャパシタがもっぱら設けられてもよい。
【００５８】
少なくとも１つのウルトラキャパシタは、利用するのに直列または並列に接続されて十分な電圧および静電容量を供給する個々の電池を含み得ることが好ましい。
【００５９】
個々の電池は、一般的に２．５Ｖから３．０Ｖであってもよく、６５０ファラッドから３０００ファラッド容量を有してもよい。
【００６０】
ウルトラキャパシタという用語は、スーパーキャパシタ（別名スーパーキャップ）、およびキャパシタの全電気容量に寄与する静電二重層容量および電気化学擬似容量を利用したその他のキャパシタを含むことが理解されよう。
【００６１】
ＩＣＥは、車両または固定式装置に電力を供給するのに使用する電力出力と、少なくとも１つの電気蓄積デバイスに充電する充電出力とを有する／供給することができ、ＩＣＥは、車両または固定式装置に電力を供給するのに利用される第１の動作モードから、車両または固定式装置に電力を供給し、少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに充電／再充電するのに利用される第２の動作モードに変えるように制御される。
【００６２】
ＩＣＥの電力出力は、機械的駆動装置に電力を供給する機械出力または少なくとも１つの電動モータに電力を供給する電気出力であってもよく、または機械出力および電気出力の両方の組み合わせであってもよい。
【００６３】
ＩＣＥは、第２の動作モードで動作するように制御することができ、少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスは、少なくとも１つの電動モータに電力を供給するのに使用される。
【００６４】
少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスからの電力は、ＩＣＥからの電力出力を増加させて車両または固定式装置に電力を供給することができる。
【００６５】
ＩＣＥの第２の動作モードは、第１の動作モードよりも高燃費で動作できる、および／またはＩＣＥの排気の好ましい出力が可能となる。
【００６６】
動作パラメータの組み合わせ（トルク要求、車両速度、および車両の状態）は、制御システムによって提供され得る、または「読み取られ」得る。
【００６７】
内燃エンジンシステムのルックアップテーブルは、燃費、トルクおよび速度の最適な組み合わせまたは好ましい組み合わせを記憶することができ、これはエンジンの「スイートスポット」動作モードとして特定できる。
【００６８】
トルク要求、車両速度および車両の状態に基づいて、第２の動作モードは、車両の要求を満たす、さらにウルトラキャパシタに充電する「スイートスポット」に内燃エンジンを動かす。
【００６９】
閾値電圧に、または閾値電圧以上に容量性蓄積エネルギーを充電／再充電する場合、ＩＣＥはある動作モード（例えば、第１のモード）に戻るように制御され得るか、または、ＩＣＥは、容量性蓄積エネルギーを閾値電圧または充電レベル以上に維持するように制御され得る。
【００７０】
制御装置を設けることができる。制御装置は、例えば、ＩＣＥ動作に関連する効率パラメータを含むメモリなどからＩＣＥの所望の動作モードを決定するように動作できる。
【００７１】
ＩＣＥの効率パラメータは、燃料マップ「スイートスポット」、スロットル位置、燃料空気比、負荷、変速比、ｒｐｍおよび速度のうち１つまたは２つ以上の組み合わせを含むことができる。第２の動作モードは、燃料供給タイミング、燃料供給量、燃料供給速度、スロットル位置、燃料空気比、負荷、変速比、ｒｐｍおよび速度のうち１つまたは２つ以上の組み合わせを備えるＩＣＥ動作パラメータを含むことができる。
【００７２】
本発明の１または複数の形態は、例えば、容量性蓄積エネルギーに充電／再充電するとき、第１の動作モードより第２の動作モードの方がＩＣＥの燃料効率がより効率的である場合に、第１の動作モードから第２の動作モードに遷移して容量性蓄積エネルギーに充電／再充電するようＩＣＥを制御することによってＩＣＥの加重平均燃費を最適化する段階を含むことができる。
【００７３】
第２の動作モードは、ＩＣＥの可能な動作モードの電子ルックアップマップから決定することができる。
【００７４】
第２の動作モードは、第１の動作モードよりＩＣＥのｒｐｍ動作が高い。
【００７５】
本方法は、回生制動を有さない、または回生制動を有する車両の動作に適用することができるが、回生制動は、ＩＣＥが容量性蓄積エネルギーに充電／再充電するモードで動作する場合に容量性蓄積エネルギーに充電／再充電するためには利用されない。
【００７６】
ＩＣＥの動作モードが比較的低効率の場合、少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスを使用して、車両または固定式デバイスに電力を供給する、または車両または固定式デバイスへの電力供給を増大することができ、ＩＣＥの動作モードが比較的高効率の場合、ＩＣＥを使用して、少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに充電／再充電する。
【００７７】
比較的低効率のＩＣＥの動作モードは、オープンスロットル加速モード、低速高負荷モードを含んでもよい。
【００７８】
少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスが車両または固定式デバイスに電力を供給する間、内燃エンジン（ＩＣＥ）はアイドリングモードまたは高効率モードにでき、ＩＣＥは、少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスの出力電圧が閾値以下に低下するとき、少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに充電／再充電するように動作する。
【００７９】
少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスが車両または固定式デバイスに電力を供給する間、または車両が静止状態の間、内燃エンジン（ＩＣＥ）をオフにできる。
【００８０】
表１‐構成の概要
【表１】
2021508643.tif 000003
【００８１】
本発明の１または複数の形態は、容量性蓄積エネルギーの出力電圧が閾値以下になるときに、電気パワートレインをＹ字形構成からデルタ形構成に切り替える段階を含むことができる。
【００８２】
本発明のさらなる態様は、可変の負荷要求を有する車両または固定式装置に電力を供給するパワートレインを備えたハイブリッドパワーシステムを提供し、本ハイブリッドパワーシステムは、
ａ. 容量性蓄積エネルギーを備える少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスと、
ｂ．少なくとも容量性蓄積エネルギーに充電／再充電する際に使用するためのオンボード充電システムなどの充電システム、および／または電力源を駆動するように動作可能に接続される少なくとも１つの内燃エンジン（ＩＣＥ）と、
ｃ. 容量性蓄積エネルギーに充電／再充電するとき、第１のモードから、第１のモードよりも燃費が良い第２のモードに動作を遷移するようにＩＣＥを制御するように配置および構成される制御装置と、を含む。
【００８３】
ＩＣＥは、少なくとも１つのエネルギー蓄積デバイスの容量性蓄積に充電／再充電するのに十分である第２のモードで、所望の１分間当たり回転数（ｒｐｍ）の範囲内で動作するように制御することができる。
【００８４】
オンボード充電システムおよび／または電力源はジェネレータを含んでもよい。ジェネレータは、容量性蓄積および／またはあらゆるバッテリを充電するのに使用する直流（ＤＣ）を供給できるダイナモ装置またはその他の装置など、電気ジェネレータを含むことを理解されたい。ジェネレータは、ジェネレータに備え付けられた容量性蓄積および／またはあらゆるバッテリを充電するのに使用する整流出力を備えたオルタネータを含んでもよい。
【００８５】
少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスは、少なくとも１つのバッテリおよび容量性蓄積エネルギーの組み合わせを含むことができ、制御装置は、電力源（例えば、ジェネレータ）が少なくとも１つのバッテリおよび／または容量性蓄積エネルギーに充電／再充電を行うようにＩＣＥを制御するよう配置および構成される。
【００８６】
容量性蓄積エネルギーは少なくとも１つのウルトラキャパシタを含むことができる。
【００８７】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）などの制御装置は、容量性蓄積エネルギーに充電／再充電して少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスおよび／または容量性蓄積エネルギーを最小電圧以上に維持するようにＩＣＥを動作するよう配置および構成することができる。
【００８８】
本ハイブリッドパワーシステムは、上記方法の１または複数の実施形態を利用することができる。
【００８９】
制御装置は、ＩＣＥの動作を第１のモードから第２のモードに遷移するように配置および構成することができ、第２のモードは、少なくとも容量性蓄積エネルギーに充電するために第１のモードよりもｒｐｍが高くなっている。
【００９０】
本ハイブリッドパワーシステムは、オンボード充電システムまたは電力源を含んでもよく、オンボード充電システムまたは電力源は、ＩＣＥまたはＩＣＥの一部に動作可能に接続されるジェネレータを含むことができる、またはそのジェネレータであってもよい。要求に応じてウルトラキャパシタ（スーパーキャパシタ）に高速充電するために、および電圧および電流を電気機械に供給して車両の速度およびトルク要求を満たすために、オンボード充電システムを設けることができる。
【００９１】
本発明の１または複数の形態は、二輪車（例えば、原動機付き自転車、オートバイ、スクータ）、三輪車（例えば、三輪自転車、エンジン付きの三輪タクシー、原動機付き軽三輪車）、四輪車（例えば、乗用車、スポーツ汎用車（ＳＵＶ）、商業車（例えば、タクシー、リムジン、バン、バスおよびトラック））、重機（例えば、クレーン、トラクタ、ブルドーザ、積み込み機、地ならし機、掘削機）、船舶、および動力航空機（例えばヘリコプター、超軽量航空機、飛行機／航空機）など、内燃エンジンを有する車両用システムおよび／または装置内で使用するために、およびそれと共に使用するために開発されている。例えば、オンボード充電システムは、以下の各々の１または複数、または以下の２つ以上の組み合わせ、
・低キロボルト（ｒｐｍ／電圧）（逆起電力定数としても知られる）ジェネレータと、
・高トルク低ｒｐｍで最適化するのが好ましい内燃エンジン（ＩＣＥ）と、
・低ｒｐｍで高電圧および充電電流を生み出す任意選択の固定歯車のトルクマルチプライヤーと、
を含むことができる。
【００９２】
例えば、ソレノイドを用いて内燃エンジンのｒｐｍを制御することでウルトラキャパシタの電圧と充電システムの電圧との間の一定の電圧差を維持することによって一定の高充電電流を誘導することができ、ソレノイドはスロットルに接続され、（好ましくはマイクロプロセッサを用いた）電子制御ユニット（ＥＣＵ）コントローラなどの制御装置によって動作される。
【００９３】
ウルトラキャパシタおよび関連付けられたあらゆる充電システムの電圧は、例えば閉ループフィードバック、およびウルトラキャパシタパックへの過充電から守る電子制御ユニット（ＥＣＵ）によってモニタすることができ、継続してモニタすることが好ましい。
【００９４】
１または複数の機械的および／または電子的インターロックをスロットルに設けて、容量性蓄積エネルギー、例えばウルトラキャパシタに過充電することが物理的に起こらないように選択的にｒｐｍを制限することができる。
【００９５】
ウルトラキャパシタパックストレージは、平均放電電流よりも高電流で充電することによって度々フル充電またはほぼフル充電に維持できる、またはフル充電またはほぼフル充電にできる。これにより、ＩＣＥを完全にオフにでき、燃料を全く消費しないときに減速および静止がさらに可能になる。
【００９６】
任意選択のトルクマルチプライヤーまたは等価物は、ＩＣＥ負荷をジェネレータのキロボルト設定に確実に合わせる。
【００９７】
・低ｒｐｍで高電圧および高電流出力の低キロボルトジェネレータと、
・低ｒｐｍで高トルクの最適化された内燃エンジンと、
・トルクマルチプライヤーと、
の１または複数の組み合わせにより、ＩＣＥは、ＩＣＥが車両を直接駆動するのに使用されてきた場合と比べて、大抵動作中その「スイートスポット」での動作が可能になる。
【００９８】
ウルトラキャパシタ内に蓄電されたエネルギーには限りがあるので、ウルトラキャパシタは、長時間の定速の間に一定の放電、またはほぼ一定の放電を行うための十分な容量を有さない場合がある。
【００９９】
高度なトランスミッションシステムの機能を模倣し、そのトランスミッションを完全に取り除いた本発明の１または複数の形態を提供することができる。例えば、容量性蓄積エネルギーの出力電圧が閾値以下に低下する場合、電気機械をＹ字形構成からデルタ形構成に再構成することができる。
【０１００】
定速の間、電子制御ユニット（ＥＣＵ）は車両の定速状態を検出することができる。電気機械の駆動制御装置により、電圧および電流の求められる設定点を適用して一定速度における力の方程式の要件を満たすことが可能になる。供給された電力は、特定の定速に対して一定に維持される必要がある。
【０１０１】
オンボード充電システムと容量性蓄積デバイス（例えば、ウルトラキャパシタ）との間のデルタ電圧が十分な電流を誘導することを確実にすべくＩＣＥのｒｐｍを変える結果、電圧と電流の積は、車両を定速に保つための十分な電力を供給することができる。このことは、可能な限り機械的伝動装置を、燃焼機関が辛うじて賄えるだけの定速への電力供給を可能にする最大ギアに保つことと同じことである。容量性蓄積エネルギーを放電しながら容量性蓄積エネルギーを再充電するために、余っているデルタ電圧を利用することができる。
【０１０２】
オンボード充電システムの利点は、オンボード充電システムがどのデルタ電圧にあるか、およびどのｒｐｍにあるかに基づいて無限に変えられる点にある。これにより、オンボード充電システムは、低コストトランスミッションで見られる効率性を排除したあらゆるエネルギーを無駄にすることをせずに、定速での電力要件に合わせることが可能になる。
【０１０３】
ＩＣＥは、容量性蓄積エネルギーから供給される補助駆動力を有するので、機械伝動装置を介して単独で車輪を駆動させる、または固定式デバイスに電力を供給する場合に比べて、より低いＲＰＭで動作できる。ＩＣＥは、より高いＲＰＭモードに遷移し得る、または、ＩＣＥは、車両／固定式デバイスからの負荷が容量性蓄積エネルギーを再充電するように変わる場合に、より低いＲＰＭモードで維持され得る。
【０１０４】
車両および／または固定式デバイス（電気機械など）のトルク速度特性、および車両および／または固定式デバイスが動作する範囲を改善する方法をさらに開示する。
【０１０５】
トルク特性対速度特性は、低キロボルト定数に関連する。電気機械の位相終端をＹ字形からデルタ形に、またはデルタ形からＹ字形に変えることで、トルク特性対速度特性は変わり得る。これは、例えばスーパーキャパシタおよびウルトラキャパシタのエネルギーの最適化利用に重要なことである。
【０１０６】
ウルトラキャパシタまたはスーパーキャパシタという用語の使用は、これらの用語以外の用語を包含することを理解されたい。さらに、「ａ」、「ａｎ」、または「ｔｈｅ」が付いたウルトラキャパシタへの言及は、複数のウルトラキャパシタ、または、１または複数のウルトラキャパシタパック／ウルトラキャパシタバンクの意味を包含する。
【０１０７】
ウルトラキャパシタの電圧が放電と共に絶えず減少すると、これによりウルトラキャパシタのエネルギーを絶えず補給し続けない限り、駆動車両が実現できる速度が制限されてしまう。このことは、高速度においてますます問題になる。なぜなら、高速度を実現するには非常に高い電圧が必要になるからである。このことは、オンボード充電器のｒｐｍに影響を与える。なぜなら、非常に高い電圧を維持するにはｒｐｍを上げる必要があるからである。Ｙ字形（低速で高トルク）とデルタ形（高速で低トルク）との間で電気機械の即座の切り替えで制御されたＥＣＵを設けるハードウェアを備えることによって、同じ電圧でより広範な速度が実現できる。
【０１０８】
低速で高トルクが必要な場合（例えば、加速の間）、電気機械はＹ字形終端で維持される。電気機械の特性に依存する特定の速度では、デルタ形終端に切り替えることがより最適である。こうすることで、電気機械がＹ字形終端で維持されることになった場合と比べて、高トルクでかつ高最高速度が達成できる。
【０１０９】
トルク要求は低いが、高速または定速の必要性がある場合、Ｙ字形とデルタ形との間の切り替えをＥＣＵマイクロプロセッサによっても適用できる。同じ電圧の場合、Ｙ字形からデルタ形に切り替えることによって高速を実現でき、これにより、ＩＣＥのオンボードジェネレータは、低ｒｐｍで作動でき、それでもなおより高い車両の最高速度を得られる。
【０１１０】
車両状態を決定することによってオンボードジェネレータの動作を最適化する方法をさらに開示する（がこの方法に限定されない）。
【０１１１】
車両が成り得る状態は、
ｉ）静止、
ｉｉ）加速、
ｉｉｉ）定速、および
ｉｖ）減速
である。
【０１１２】
車両状態を特定することにより、オンボードジェネレータの動作を最適化することができる。電圧（ボルト）、電流（シャント電圧）、スロットル位置（０から５Ｖ）、ブレーキ位置（５Ｖ／０Ｖ）、および速度（カウント）の入力をＥＣＵマイクロプロセッサで読み込む。ブレーキスイッチをモニタしてブレーキがオンであるかどうかを確認する。
【０１１３】
これらの入力値によって車両状態が容易に特定可能になる。
・静止状態の間、電流はゼロであり、スロットル位置センサはゼロであり、ブレーキスイッチはオンである。
・減速の間、電流はゼロになり、スロットル位置はゼロになり、速度は経時的に減少することになり、ブレーキスイッチはオンまたはオフであってもよい。
・加速の間、電流はゼロより大きくなり、スロットル位置はゼロより大きくなり、速度はやがて上昇することになる。
・定速の間、電流はゼロより大きくなり、スロットル位置はゼロより大きくなり、速度変化はやがて小範囲になる。
・減速の間、ブレーキがオンのとき、回生が作動し得る。
【０１１４】
車両状態を利用してオンボード充電システムの燃料、排気量を最適化する方法をさらに開示する。
【０１１５】
燃料節約および排気量節減を最大にするためには、車両が動作を行っていないときにオンボード充電システムのＩＣＥをオフにし、ウルトラキャパシタパックをフル充電する。静止状態の間および減速状態の間に車両は動作を行っていないことである。ウルトラキャパシタパックがフル充電されない場合、ウルトラキャパシタは、定電流を利用してフル充電されるまでこれらの静止状態の間および減速状態の間に急速充電される。全容量に達するとすぐに、次いでオンボード充電システムがオフになる。
【０１１６】
燃料節約および排気量節減を最大にするために、加速状態の間に、ウルトラキャパシタ内のエネルギーが放電されると、オンボード充電システムがオンになり、放電電流に対して、それより高いまたはそれに一致した充電電流を供給する。
【０１１７】
ウルトラキャパシタの蓄積エネルギーによってフル加速特性／フル動作特性を捉える／賄えるように、一般的に加速勾配／動作勾配、加速プロファイル／動作プロファイル、および、加速時間／動作時間、加速プロファイル／動作プロファイル用にウルトラキャパシタの容量を供給するのが好ましい。
【０１１８】
この利点の一例では、内燃エンジンがオンになり、内燃エンジンは、加速の間にウルトラキャパシタに充電する「スイートスポット」で、その燃料最大効率ポイントで、純粋に長時間電気モードで動作が可能になる。これにより、高効率の電気駆動を利用する、ならびにウルトラキャパシタに充電するのに最大燃費で内燃エンジンを動作するという利点が可能になる。
【０１１９】
定速状態の間に、まずウルトラキャパシタ内のエネルギーが使用され、次いでオンボード充電システムがオンになり、定速を維持するのに必要な電力が供給される。ウルトラキャパシタ（ＵＣ）の充電要求によってエンジン負荷が高まる場合、制御システムがスロットルを大きく開放させる一方ユーザはスロットル要求を変えるよう求められることはなくなるであろう。すなわち、エンジン負荷要求の高まりの存在を運転手に意識させることはなく、内燃エンジン（ＩＣＥ）がその効率的な「スイートスポット」で動作することになる。
【０１２０】
オンボード充電システムがオンになるときにはいつでも、オンボード充電システムとウルトラキャパシタとの間のデルタ電圧が十分な電流を誘導することを確実にすべくＩＣＥのｒｐｍを変える結果、供給される電圧と電流との積は、所望レベルの燃料削減および排気量削減を行うのに、および加速状態の間にエネルギーがより容易に利用可能になるようにウルトラキャパシタに充電するのに必要な電力を生み出すことができる。
【０１２１】
ウルトラキャパシタ（ＵＣ）が放電され、オンボード充電システムがオフになるときにはいつでも、オンボード充電システムはいつでもオンになり、用途によって電圧要求および負荷要求を維持できる。制御システムは、ＵＣの電圧がある電圧未満に下がり、ＵＣが放電される場合、オンボード充電のスイッチがオンに切り替わりエネルギーを再びＵＣに供給することができるようにプログラム可能である。これは、内燃エンジンがその「スイートスポット」で動作し始める際に同時に行われる。
【０１２２】
表２‐概要
【表２】
2021508643.tif 000004
【０１２３】
エネルギー蓄積デバイスは、直列に接続されて必要な電圧を供給する個々のウルトラキャパシタ電池を含む少なくとも１つのウルトラキャパシタパックを含む。
【０１２４】
ウルトラキャパシタパックの電圧は、ボルトあたりｒｐｍ（キロボルト定数）が関連しているので、その電圧利用に必要な速度によって決まる。ウルトラキャパシタパックは、並列に接続されてエネルギー蓄電量を高めることができる。個々のウルトラキャパシタ電池との間に平衡回路が備わる。
【０１２５】
様々な実施形態では、内燃エンジンは、低ｒｐｍで、効率または燃料コストで個々のトルク特性を利用するガソリン、ディーゼル油、液化石油ガス（ＬＰＧ）、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、エタノールで動くエンジン、またはそれ以外のあらゆる種類の燃料エンジンであってもよい。
【０１２６】
様々な実施形態では、電気機械は、車両内にシンプルに位置するハブモータであってもよく、または電気機械は、応用として本ハイブリッドパワートレインシステムに一体化される伝動装置を備えてもよく、またはさらに組み合わせてもよく、またはその他の変形であってもよい。
【０１２７】
様々な実施形態では、電気機械は、ウルトラキャパシタへのパワーアシストおよび／またはウルトラキャパシタに充電を可能にするためにエンジンのクランクシャフトに直接位置決めしてもよい。
【０１２８】
様々な実施形態では、電気機械がクランクシャフトに直接位置決めされる場合、ウルトラキャパシタに電気負荷をかける／ウルトラキャパシタの電気負荷を解くのにクラッチシステムまたはソレノイドスイッチを利用してもよい。
【０１２９】
様々な実施形態では、電気機械がクランクシャフトに直接位置決めされる場合、直接電気駆動を可能にするのにクラッチシステムを利用してもよい。
【０１３０】
様々な実施形態では、電気機械の効率性を最大限に利用するために、運転車両の駆動輪または車輪は、ただ電気機械に接続するだけでもよいし、記載してきたオンボード充電システムおよび／またはウルトラキャパシタ内に蓄電されたエネルギーで駆動制御装置から電力を供給してもよい。これらの実施形態では、内燃エンジンと駆動輪との間に通常存在するトランスミッションシステムは排除され、使われていない。
【０１３１】
様々な実施形態では、内燃エンジンならびに電気機械の両方から駆動を車輪に維持することがより実用的である。
【０１３２】
この場合、「実用」速度と考えられる速度まで車両を駆動するのにオンボードジェネレータおよび電気機械が使用される。これらの実用速度は、郊外での停止／始動運転、およびこうした郊外での停止／始動運転に伴う加速によく見られる。これは燃料節約および排気量節減を最大にし、ＩＣＥそれ自体は車両駆動において非常に非効率になるだろう。
【０１３３】
その速度を超えると、内燃エンジンは直接後輪を駆動することができる。その速度に応じて、より高速での速度およびトルク要求を満たすシンプルなトランスミッションを備えてもよい。
【０１３４】
様々な実施形態では、補助用でかつ内燃エンジンを始動する通常のバッテリは、電圧調整器と組み合わせてウルトラキャパシタパックに取り換えることができる。
【０１３５】
様々な実施形態では、エネルギーを蓄電したウルトラキャパシタは、高トルクを生み出す高電流で放電することによって車両の加速性能を高めるために使用することができる。
【０１３６】
オンボード充電システムは、エネルギーが次の加速サイクルで利用可能になるようにエネルギーを回収することができる。
【０１３７】
様々な実施形態では、オンボード充電システムおよびウルトラキャパシタ内に蓄電されたエネルギーは、車両の電気を用いる補助装置を駆動するために利用することができる。
【０１３８】
様々な実施形態では、オンボード充電システムおよびウルトラキャパシタ内に蓄電されたエネルギーは、定置機関システムを最適化するのに利用することができる。
【０１３９】
本発明を具現化するパワートレインシステムは、内燃エンジン（ＩＣＥ）が電力を供給し、容量性蓄積エネルギーに再充電しない第１の動作モードと、ＩＣＥが容量性蓄積エネルギーに再充電する第２の動作モードと、を有する内燃エンジンを含むことができる。
【０１４０】
容量性蓄積エネルギーに充電／再充電するとき、第１の動作モードより第２の動作モードの方がＩＣＥの燃料効率がより効率的である場合に、第２の動作モードで内燃エンジン（ＩＣＥ）を動作するよう制御できる。
【０１４１】
第２の動作モードは、燃料供給タイミング、燃料供給量、燃料供給速度、スロットル位置、燃料空気比、負荷、変速比、ｒｐｍおよび速度のうち１または２つ以上の組み合わせを備える動作パラメータを有するＩＣＥを含むことができる。
【０１４２】
容量性蓄積エネルギーが駆動力を供給する間、第２の動作モードはアイドリングモードまたは高効率モードにでき、ＩＣＥは、容量性蓄積エネルギーデバイスの出力電圧が閾値以下に低下するとき、容量性蓄積エネルギーに充電／再充電するように動作する。
【０１４３】
本発明の関連態様において、記載されることがある。
【０１４４】
本発明は、従来技術の欠点を最小にする従来技術上の進歩を示す。
【０１４５】
さらに本発明の他の態様が、添付図面および事例を参照して開示される。
【０１４６】
本発明のさらなる態様は、可変の負荷要求を有する車両または固定式装置に電力を供給するハイブリッドパワートレインシステムの内燃エンジン（ＩＣＥ）を動作する方法を提供し、本方法は、加速の間またはＩＣＥへの高負荷要求の間に少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに容量性蓄積エネルギーを充電／再充電するようにＩＣＥを動作する段階を含む。
【０１４７】
本発明の別の態様は、可変の負荷要求を有する車両または固定式装置に電力を供給するパワートレインを備えるハイブリッドパワーシステムを提供し、本ハイブリッドパワーシステムは、加速の間またはＩＣＥへの高負荷要求の間に少なくとも１つの電気エネルギー蓄積デバイスに容量性蓄積エネルギーを充電／再充電するジェネレータを動作するように制御される内燃エンジン（ＩＣＥ）を含む。
【０１４８】
加速または高負荷要求は、エンジンがフルスロットルになり得る、またはエンジンのスロットルが大きく開放され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
本発明の範囲内に属し得るその他のあらゆる形態にもかかわらず、本発明の複数の好適な実施形態を以下の添付図面を参照しながら、ほんの一例としてここで記載することになる。
【０１５０】
【図１】より低い最高速度曲線を備える排気量１５０ｃｃ以下の二輪車、および高最高速度曲線を備える排気量１５０ｃｃ以上の二輪車の世界統一二輪車試験サイクル（ＷＭＴＣ）の第１段階を示す。
【０１５１】
【図２】ウルトラキャパシタのオンボード充電システムの構成要素を示す。
【０１５２】
【図３】Ｙ字形およびデルタ形で終端したときに最適切り替えポイントを示した同電気機械のトルク速度特性を示す。
【０１５３】
【図４】オンボード充電システムの最適化されたＥＣＵ制御装置に必要な入力、および静止状態、減速状態、加速状態、および定速状態の入力値を示す。
【０１５４】
【図５】ＩＤＣ（Ｉｎｄｉａｎ  Ｄｒｉｖｅ  Ｃｙｃｌｅ）の一例を示す。
【０１５５】
【図６】本発明の１または複数の実施形態に関連するパワートレイン装置の構成を示す。
【図７】本発明の１または複数の実施形態に関連するパワートレイン装置の構成を示す。
【図８】本発明の１または複数の実施形態に関連するパワートレイン装置の構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【０１５６】
なお、以下の記載では、異なる実施形態における類似または同一の参照符号は同じまたは類似の機能を示す。
【０１５７】
図１を参照すると、図１は、世界統一二輪車試験サイクル（ＷＭＴＣ）の第１段階の駆動サイクルを記載している。これは、排気量１５０ｃｃ以下の低い最高速度の曲線を有する二輪車の典型的な世界統一二輪車試験サイクルである。この第１段階の駆動サイクルは、静止状態、加速状態、定速状態、および減速状態に分けられる。ＷＭＴＣ試験は、連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）システムを備えた排気量１００ｃｃの様々な二輪車に対して行われた。表１は、各状態で使用された燃料平均比率をまとめた表である。
【０１５８】
ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）電気ハブモータを後付けし、内燃エンジンを取り外した二輪車を使用してＷＭＴＣ試験を繰り返した。車両重量は維持した。ＷＭＴＣ試験の開始時に、アクティブバランシングで直列に接続された３０００ファラッドの１６個の電池から構成される１８７．５ファラッドのウルトラキャパシタパックに４０Ｖ充電した。放電中に使用されたエネルギーを決定するためにこの電圧を記録した。表４は、ガソリン燃料を備えた内燃エンジンが使用したエネルギーと、ウルトラキャパシタを用いた電気ハブモータ駆動が使用したエネルギーとの比較をまとめた表である。
【０１５９】
エネルギー計算に関しては、ガソリンのミリリットル（ｍＬ）あたり３４３４２ジュール定数を使用する。ウルトラキャパシタエネルギーにＷ（Ｊｏｕｌｅｓ）＝１／２Ｃ（Ｖｍａｘ２―Ｖｍｉｎ２）の式を用い、Ｃは１８７．５ファラッドである。
【０１６０】
同じ加速プロファイルの場合、ウルトラキャパシタパワートレインが使用した電気は、ガソリンを備えた内燃エンジンが使用したエネルギーのたった２０パーセントであった。ＷＭＴＣ試験サイクルの最長の定速中に、ウルトラキャパシタパワートレインが使用した電気は、同時期にガソリンを備えた内燃エンジンが使用したエネルギーのたった１０パーセントであった。
【０１６１】
ＷＭＴＣ運転試験サイクルの他の加速部門および他の定速部門で類似の結果が得られた。
【０１６２】
加速の間のウルトラキャパシタパワートレインと内燃エンジンとの間のエネルギー消費差は、電気機械およびウルトラキャパシタの組み合わせと比べてガソリンモータが非効率であることによって説明がつく。ただし、定速で大きく速度が変化したのは、連続可変トランスミッションシステムが非効率であったからである。ウルトラキャパシタを用いた電気駆動では、定速を維持するのに必要な電力だけを供給する。しかしながら、ＣＶＴトランスミッションシステムを用いた内燃エンジンは、ｒｐｍを５０００ｒｐｍ（最大トルク）と同じ高さに維持していたので、無駄なエネルギーを増やすことになった。
【０１６３】
電気パワートレインの使用を最大にするだけなく、外部の充電に依存するあらゆる必要性を排除するために、オンボード充電システム（１０）を使用し、その様子が図２に記載される。
【０１６４】
オンボード充電システムは、低ｒｐｍで高トルクに最適化できる内燃エンジン（ＩＣＥ）（３）と、任意のトルクマルチプライヤー（４）と、ジェネレータ（５）と、整流器／レギュレータ（６）と、ウルトラキャパシタパック（７）と、電気機械制御装置（８）とから構成する。
【０１６５】
内燃エンジン（ＩＣＥ）（３）は、トルクマルチプライヤー（４）を介して接続されるか、またはジェネレータ（５）に接続される。
【０１６６】
このオンボード充電システム（１０）は、ウルトラキャパシタ（７）に充電する、および／または電気機械制御装置（８）を介して電力を電気機械（９）に供給する。ジェネレータ（５）はさらに、電気機械（９）に取って代わる、または電気機械（９）と組み合わせて使用される電気機械であってもよい。
【０１６７】
ジェネレータ（５）が電動モータとして機能する場合、ジェネレータはＩＣＥ（３）にパワーアシストすることでＩＣＥ（３）への負荷を減らすことができる。
【０１６８】
いくつかの実施形態では、ジェネレータ（５）は、ブラシレス直流（ＢＬＤＣ）ジェネレータ（５）の形態であってもよい。ジェネレータ（５）は、増えた位相回転数を利用して低キロボルトを有するように設計してもよく、低ｒｐｍで高電圧出力をもたらすＹ字形構成で終端してもよい。
【０１６９】
ジェネレータ（５）はさらに、低ｒｐｍで高電流出力を有する必要があり、非効率である飽和状態を回避する。これは、磁石強度を高めることによって、物理的大きさを増すことによって、心材を変えることによって、および／または間隙を調整することによって実現できるが、これらのことに限定されない。
【０１７０】
内燃エンジン（ＩＣＥ）（３）とＢＬＤＣジェネレータ（５）との間の固定変速比の形式になり得るトルクマルチプライヤー（４）は、ＩＣＥ（３）のトルク容量とＢＬＤＣジェネレータ（５）の出力特性とのマッチングを最適化するのに使用され得る。
【０１７１】
オンボード充電システム（１０）で使用されるＩＣＥ（３）を最適化して、低ｒｐｍで高トルクをもたらすことができ、このことは当業者によって理解される。
【０１７２】
ＩＣＥ（３）は、クラッチ／トランスミッション（１１）および駆動輪（１２）に接続されて推進力をもたらすことができる。
【０１７３】
低キロボルトのＢＬＤＣジェネレータ（５）と、低ｒｐｍで高トルクの最適化ＩＣＥ（３）と、減速歯車装置のトルクマルチプライヤー（４）と、を組み合わせることで、電気機械に供給される最高速度の高電圧出力、および高速充電するためにウルトラキャパシタパック（７）に供給される高充電電流が可能になる。ＩＣＥ（３）は、ウルトラキャパシタを充電する間「スイートスポット」で動作する。
【０１７４】
いくつかの実施形態では、定電流でウルトラキャパシタに充電するために、ウルトラキャパシタ（７）の電圧とジェネレータ（５）の出力電圧との間の電圧差は一定に維持される必要がある。ウルトラキャパシタ（７）が充電されると、ウルトラキャパシタの電圧は上昇することになる。
【０１７５】
高速充電が起こるように定電流を維持するためには、ジェネレータ（５）の電圧出力が上昇する必要がある。ウルトラキャパシタ（７）の電圧はモニタされ、ジェネレータ（５）のｒｐｍは一定の充電電流量を容量いっぱいまで維持するように制御される。
【０１７６】
加速の間、電気駆動機械（７）から高トルクが必要となる。高トルクは、Ｙ字形終端で巻線を終端することによって実現される。この欠点は、電圧上昇が可能にならない限り最高速度が落ちるという点にある。
【０１７７】
同じ電気駆動機械（９）の場合、デルタ形で終端することによって１．７３キロボルト定数（ｒｐｍ／ボルト）の倍増が実現される。速度はキロボルト定数に直接関連するので、トルク容量が小さくなるのに伴い最高速度はさらに上がる。
【０１７８】
図３を参照すると、同じ電気機械（９）の場合、Ｙ字形（１１）で終端したとき、およびデルタ形（１２）で終端したときのトルク（Ｎｍ）特性と路上速度（Ｋｍ／ｈｒ）特性との関係を示す図表が示される。
【０１７９】
低速の間、Ｙ字形終端は高トルクを有するが、特定のポイント（１３）では、デルタ形終端が高速および高トルク特性を有し続ける。
【０１８０】
さらなる利点は、デルタ形終端では、キロボルトが高くなり、その結果同じｒｐｍを実現するのに必要な電圧は低くなるという点である。これにより、ウルトラキャパシタおよびオンボード充電システムからより多くのエネルギーを得ることが可能になり、その結果次いで、高速で低ｒｐｍでの動作が可能になる。
【０１８１】
いくつかの実施形態では、オンボード充電システムに必要な最適なトルク特性と速度特性、およびｒｐｍの減少を実現するために、Ｙ字形とデルタ形との間で電気のオンザフライの切り替えを実行する。これは、ＥＣＵマイクロプロセッサが制御するリレー接点を利用することによって実行される。電気機械（９）の巻線の位相端をリレー接点に利用する。Ｙ字形とデルタ形との間で切り替える際、電気機械制御装置（８）および／またはスロットルから引き出された電流は、安全でスムーズに遷移するために使えなくなる。
【０１８２】
図４を参照すると、オンボード充電システム（１０）の効率的な動作には、車両が静止（１５）、減速（１６）、加速（１７）、定速（１８）のうちどの状態に属するかを知る必要がある。電流、電圧、スロットル位置、車両速度、およびブレーキの入力（１４）は、ＥＣＵマイクロプロセッサによって読み取ることができる。
【０１８３】
静止状態（１５）の間、電流はゼロになり、スロットル位置センサはゼロになり、ブレーキスイッチはオンである。減速（１６）の間、電流はゼロになり、スロットル位置はゼロになり、速度は経時的に減少することになり、ブレーキスイッチはオンまたはオフであってもよい。
【０１８４】
加速（１７）の間、電流はゼロより大きくなり、スロットル位置はゼロより大きくなり、速度は経時的に上昇することになる。定速（１８）の間、電流はゼロより大きくなり、スロットルはゼロより大きく、速度変化は経時的に小範囲になる。
【０１８５】
減速（１６）の間、ブレーキがオンになり得、その場合、回生が電気機械制御装置（８）によって作動し得る。
【０１８６】
いくつかの実施形態では、オンボード充電システム（１０）の動作を最適化するために、静止（１５）、減速（１６）、加速（１７）、定速（１８）の状態を、電流、電圧、スロットル位置、車両速度、およびブレーキ位置の入力値（１４）によって特定する。さらに、燃料効率対トルク対ｒｐｍのマップがＥＣＵマイクロプロセッサ内に記憶され、「スイートスポット」が内燃エンジンに知らされる。ＥＣＵマイクロプロセッサによってこれらの入力が読み込まれることで、オンボード充電システムの動作が決定され、性能、燃料節約および排気量節減が最適化される、および車両動作速度および負荷要件が維持される。
【０１８７】
ＷＭＴＣ試験サイクルで消費された燃料をまとめた表３を参照する。
【０１８８】
表３は、ＷＭＴＣ試験サイクルの第１段階時の静止、加速、定速および減速の状態にあるＣＶＴトランスミッションを備えた排気量１００ｃｃの二輪車がガソリンミリリットル（ｍＬ）で使用した燃料平均比率を示す。
【表３】
2021508643.tif 000005
【０１８９】
減速の間、試験サイクルの総燃料の２２．１パーセントが、無駄なエネルギーとして消費された。これは、キャブレターのスロットル位置が閉になり、ガソリンモータがアイドルポートから燃料を引き出したからである。
【０１９０】
静止の間、試験サイクルの総燃料の５．０パーセントが、無駄なエネルギーとして消費された。これは、モータを１５００ｒｐｍでアイドリングしたからである。
【０１９１】
減速（１６）および静止（１５）状態の間、車両は動作しない。
【０１９２】
いくつかの実施形態では、オンボード充電システム（１０）の動作は、車両が属する状態（１５から１８）によって決定することができる。
【０１９３】
燃料節約および排気量節減を最大にするために、車両が動作を行っていないときにオンボード充電システムのＩＣＥ（３）をオフにすることができ、ウルトラキャパシタパック（７）がフル充電される。静止（１５）状態および減速（１６）状態の間、車両動作は行われていない。ウルトラキャパシタパック（７）がフル充電されない場合、ウルトラキャパシタ（７）は、ウルトラキャパシタが定電流を利用してフル充電されるまでこれらの静止状態および減速状態の間に急速充電され、ＩＣＥ（３）を「スイートスポット」で動作させる。このことは、ウルトラキャパシタ（ＵＣ）に充電し、「スイートスポット」で動作させるのに必要な十分な電力を生み出すためにエンジンスロットルが開くことを伴い得る。ウルトラキャパシタ（７）が全容量に達するとすぐに、次いでＩＣＥ（３）を含むオンボード充電システム（１０）がオフになる。
【０１９４】
加速状態の間に燃料節約および排気量節減を最大にするために、ウルトラキャパシタ（７）内のエネルギーを放電する。
【０１９５】
オンボード充電システム（１０）は、放電の間にＵＣを再充電するのに使用され得る、および／または、オンボード充電システムは、ＵＣが閾値電圧／閾値電流以下に低下するとき、放電電流に対して、それより高いまたはそれに一致した充電電流を供給するＩＣＥジェネレータによってＵＣが供給できるＵＣ電力を交換するのに使用され得る。
【０１９６】
理想的な事例では、ウルトラキャパシタ（７）の蓄積エネルギーでフル加速を賄うことができるように、一般的な加速勾配および加速時間用にウルトラキャパシタ（７）の容量を選択する。
【０１９７】
ウルトラキャパシタへの充電中にＩＣＥ（３）を「スイートスポット」で動作することで、電気パワートレインで走行する使用可能時間を増やすこと、または、さらなる加速状態にエネルギーを供給することが可能になる。
【０１９８】
定速状態の間、まずウルトラキャパシタ（７）内のエネルギーを使用し、次いでオンボード充電システム（１０）をオンにして定速を維持するのに必要な電力を供給する。
【０１９９】
オンボード充電システム（１０）がオンになるときにはいつでも、オンボード充電システム（１０）とウルトラキャパシタ（７）との間のデルタ電圧が十分な電流を誘導することを確実にすべくＩＣＥ（３）のｒｐｍを変える結果、供給される電圧と電流との積は、燃料削減および排気量削減を最大にするのに、および加速（１７）状態の間にエネルギーがより容易に利用可能になるようにウルトラキャパシタ（７）に充電するのに必要な電力を生み出すことができる。
【０２００】
ウルトラキャパシタ（７）が放電され、オンボード充電システム（１０）がオフになるときはいつでも、オンボード充電システム（１０）はいつでもオンにでき、用途によって電圧要求および負荷要求を維持できる。
【０２０１】
いくつかの実施形態では、ブレーキが使用される間、電気機械制御装置（８）は回生を作動して、電気制動をもたらすこと、およびウルトラキャパシタ（７）に充電することを可能にする。
【０２０２】
様々な実施形態では、ウルトラキャパシタ（７）内に蓄電されたエネルギーは加速（１７）状態の間に使用してもよい。このエネルギーは、加速状態、低定速状態、または減速状態の間にオンボードジェネレーター（１０）を使用して回収でき、トルク要求はＩＣＥ（３）を「スイートスポット」で動作させるのに十分なほど低い。
【０２０３】
様々な実施形態では、低定速状態の間、ウルトラキャパシタ（７）内に蓄電されたエネルギーは、低電圧設定点に達するまで放電される。この低電圧設定点で、オンボード充電器（１０）がオンになり、「スイートスポット」で動作しているＩＣＥ（３）と共にウルトラキャパシタが再充電される。
【０２０４】
いくつかの実施形態では、減速（１６）状態の間、ウルトラキャパシタパック（７）がフル充電されるときＩＣＥ（３）がオフになる。
【０２０５】
いくつかの実施形態では、静止（１５）状態の間、ウルトラキャパシタパック（７）がフル充電される際ＩＣＥ（３）がオフになる。
【０２０６】
いくつかの実施形態では、加速（１７）状態の間、ウルトラキャパシタ（７）内に蓄電されたエネルギーは、低電圧設定点に達するまで放電される。この低電圧設定点で、オンボード充電器（１０）がオンになり、ウルトラキャパシタ（７）が再充電される。
【０２０７】
いくつかの実施形態では、加速（１７）状態の間、ウルトラキャパシタ（７）内に蓄電されたエネルギーは放電される。加速の間にＩＣＥ（３）を「スイートスポット」で動作するのに十分なトルクがあれば、オンボード充電器（１０）がオンになり、ウルトラキャパシタ（７）が再充電される。
【０２０８】
様々な実施形態では、ＥＣＵのマイクロプロセッサは、時間をかけて状態の履歴を記憶してオンボード充電システム（１０）を実装するための最良な制御方法を予測することできる。
【０２０９】
表４は、ＷＭＴＣ試験サイクルの第１の加速部門および最長の定速部門で、排気量１００ｃｃの原動機付き自転車、および後輪に電気機械を用いたフル電動原動機付き自転車が使用したエネルギーの比較である。
【表４】
2021508643.tif 000006
【０２１０】
本発明の進行プロセスの一環として第一世代システムを以下で記載する。第一世代システムの最初の試験結果を以下に表５で示す。
【０２１１】
図５で示された試験サイクルはＩＤＣ（Ｉｎｄｉａｎ  Ｄｒｉｖｅ  Ｃｙｃｌｅ）と呼ばれ、ＩＤＣは、その試験の時点でインドにおける二輪車の標準的な試験サイクルであった。
【０２１２】
最初の試験結果は、ＣＶＴトランスミッションを備えた排気量１００ｃｃの二輪車で行われた基準と比べて、試験サイクルの燃料消費を３８パーセント減らしたことを証明した。この燃料消費は、ミリリットル（ｍｌ）単位で加速部門、静止部門、充電部門、および減速部門に分けられる。
【表５】
2021508643.tif 000007
【０２１３】
結果
【０２１４】
試験Ｃ１１＿５４＿１２
【表６】
2021508643.tif 000008
【０２１５】
試験Ｅ１６＿４２＿４８
【表７】
2021508643.tif 000009
【０２１６】
試験Ｃ１１＿２１＿３５
【表８】
2021508643.tif 000010
【０２１７】
試験Ａ１７＿２３＿３４
【表９】
2021508643.tif 000011
【０２１８】
試験Ｂ１０＿５０＿５３
【表１０】
2021508643.tif 000012
【０２１９】
第一世代システムは、減速比を１０：１に固定した変速機を利用して後輪に直接連結された１つの電気機械だけを有していた。電気機械は、ウルトラキャパシタバンク内に蓄電されたエネルギーを備える０ｋｍ／ｈｒから３４ｋｍ／ｈｒまでの電動モータとして放電する機能を有していた。３０ｋｍ／ｈｒを超える速度の場合で、ウルトラキャパシタの電圧が２８Ｖの低電圧設定点に達したとき、内燃エンジンが始動し、その内燃エンジンによって駆動が行われた。さらに、電気機械が後輪に直接連結されるので、３４ｋｍ／ｈｒを超える速度では、電気機械は３０ｋｍ／ｈｒを超える速度のジェネレータとして機能し、ウルトラキャパシタに充電することになる。直列に接続された２．７Ｖで１２５０ファラッドの１７個の電池を含むウルトラキャパシタパックが車両に使用された。
【０２２０】
最初にＩＤＣサイクルで試験を行う際、充電されたウルトラキャパシタからのエネルギーが使用され、電気機械は１０８秒サイクルの中で最大５５秒で車両を駆動した。３４ｋｍ／ｈｒを超える速度に達した場合、および、ウルトラキャパシタの電圧が２８Ｖの低電圧設定点に達した場合、ガソリンモータが始動し、車両を駆動する一方で、さらに電気機械を駆動してウルトラキャパシタを充電した。サイクル内の最後の減速に達する頃には、ウルトラキャパシタがフル充電されて４２Ｖの最初の状態に戻るのでガソリンモータはオフになる。
【０２２１】
こうして燃料が３８パーセント節約された。これは非常に大きな成果で、予想外であった。内燃エンジンが駆動用に使用されていた場合と比べると、電気駆動では、電気駆動システムが効率的であるので、同じサイクル（動作）を実現するのに少ないエネルギーが使用されたことが先の試験から既知となった。予想外だったことは、ＩＤＣ駆動サイクルの中で５５秒から発生し、ＩＤＣ駆動サイクルの中で８５秒で完了した充電中、負荷は増えたもののこの充電中に使用された燃料は依然として全体的に燃料が３８パーセント節約されることになったことであった。
【０２２２】
ＩＣＥが最適な正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）で動作する場合に充電が発生し、このことは「スイートスポット」とも呼ばれることが特定された。ＩＣＥは、車両に駆動をもたらすのに、さらにＩＤＣサイクルの最後の減速によってフル充電に達するように２０から３０アンペアの範囲でウルトラキャパシタに充電するのに十分なトルクを有していた。
【０２２３】
リチウムイオンバッテリとは異なり、ウルトラキャパシタは、充電を制限する構成要素ではなく、ＩＣＥのトルク容量であった。内燃エンジンが充電中「スイートスポット」で動作し、車両を駆動し充電するのに十分なトルクがあれば、サイクル内で全体的に著しい燃料節約の実現が可能になることが大きな発見であった。
【０２２４】
さらに充電を始動するときの電圧設定点に変えることで、ＩＤＣ駆動サイクルでの基準と比べて４２パーセントという最良の結果が出た。個々のウルトラキャパシタの電池との間でアクティブバランシング回路を初期に実装することで、一連のセットアップで電流を制限する個々の電池の電圧変動が回避された。減速の間に燃料削減を実行することで、さらに一定の燃料節約があった。
【０２２５】
電気機械が後輪に直接連結していたので、電気機械は回転および充電を可能にするのにバイクの速度に依存していた。これは第一世代システムの大きなマイナス面であった。
【０２２６】
ジェネレータのｒｐｍを制御し、内燃エンジンのｒｐｍで充電することが望ましいことが特定された。これは、ジェネレータを後輪に取り付けるのではなくエンジンのクランクシャフトに移動することで実現可能である。こうすることで、内燃エンジンは要求に応じて「スイートスポット」で動作し、ウルトラキャパシタに充電することが可能となるであろう。
【０２２７】
ガソリンモータが、車両と、電気を生成してウルトラキャパシタに充電する電気機械と、の両方を駆動したので、ガソリンモータへの負荷が３４ｋｍ／ｈｒを超える速度で高くなった。
【０２２８】
速度が増すにつれて電気機械のｒｐｍが増えることで、ガソリンモータにさらなる負荷をかける高充電電流が生じる。これは、最終的に操縦性能に悪影響を与え、ＩＣＥを「スイートスポット」から動かしてしまう可能性がある。
【０２２９】
トルク要求または車両速度が、内燃エンジンが充電中「スイートスポット」で実現できるトルク要求または車両速度を超える場合に、ウルトラキャパシタの負荷を解くためには、クラッチまたはソレノイドスイッチといった何らかの形態が好ましいことが特定された。こうすることで、車両は充電負荷のない動作が可能になるであろう。
【０２３０】
第一世代システムは駆動サイクルの変化をかなり受けやすい。例えば、バイクは３４ｋｍ／ｈｒ以上で運転する必要があるので、顧客が常時３４ｋｍ／ｈｒ以下で運転する場合、燃料はすぐに消費されてしまい、次いでガソリンモータは常時オンになってしまうだろう。
【０２３１】
ジェネレータのｒｐｍを制御し、内燃エンジンのｒｐｍで充電することが望ましいことが特定された。これは、ジェネレータを後輪に取り付けるのではなくエンジンのクランクシャフトに移動することで実現可能である。こうすることで、車両速度に頼らずに、内燃エンジンは要求に応じて大抵「スイートスポット」で動作し、より定期的にウルトラキャパシタに充電することが可能となるであろう。
【０２３２】
図６は、ＩＣＥがジェネレータを動作する電気駆動を利用した本発明の構成を示す。ウルトラキャパシタなどの容量性蓄積エネルギーに充電するのにＩＣＥがジェネレータに接続されているだけである電気パワートレインによって駆動がもたらされる。本発明に記載されるように、ＩＣＥは、ウルトラキャパシタに充電し、電気パワートレインに十分な電力を維持する「スイートスポット」で動作する。
【０２３３】
図７は、ＩＣＥが機械駆動および電気パワーアシストを利用した本発明の構成を示す。この構成では、電気機械はクランクシャフトに接続される。ＩＣＥは、車輪に伝動することで車両を駆動できる。電気機械は、ウルトラキャパシタ内に十分な充電量がある場合、ＩＣＥにパワーアシストをもたらして、「スイートスポット」でのＩＣＥの動作を維持することができる。本発明で記載されるように、電気機械はさらに要求に応じてウルトラキャパシタに充電することができる。
【０２３４】
図８は、機械駆動、電気駆動、および電気パワーアシストを備えるＩＣＥを示す。この構成では、電気機械は駆動輪と同様にクランクシャフトに接続され得る。ＩＣＥは、車輪に伝動することで車両を駆動できる。電気機械は、ウルトラキャパシタ内に十分な充電がある場合、ＩＣＥにパワーアシストをもたらして、「スイートスポット」でのＩＣＥの動作を維持することができる。本発明で記載されるように、電気機械はさらに要求に応じてウルトラキャパシタに充電することができる。さらに、純粋な電気駆動は、ウルトラキャパシタが十分な充電を有する場合に利用可能である。
解釈
【０２３５】
実施形態
【０２３６】
本明細書中の「一実施形態（ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態（ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に対する参照は、実施形態と関連して記載されている特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。  したがって、本明細書中の様々な箇所で「一実施形態における（ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」または「一実施形態における（ｉｎ  ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」という語句が現れることは、必ずしも全てが同じ実施形態に関するわけではない。  さらに、本開示から当業者には明らかなように、特定の特徴、構造または特性は、１または複数の実施形態において、任意の好適な方法で組み合わせてもよい。
【０２３７】
同様に、本発明の例示的な実施形態の上記説明では、本発明の種々の特徴は、本開示を簡素化し、１または複数の本発明の種々の態様の理解を助ける目的で、単一の実施形態、図面またはその説明において共に往々にしてグループ化されていることを理解されたい。しかしながら、本開示方法は、クレームされた発明が各請求項に明示的に記載されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、発明の態様は、単一の上記の開示された実施形態の全ての特徴より少ない。従って、特定の実施例の詳細な説明に従う請求項は、各請求項が本発明の別個の実施形態としてそれ自身存在する状態で、ここの特定の実施例の詳細な説明内に明らかに組み込まれる。
【０２３８】
さらに、本明細書で説明されるいくつかの実施形態はいくつかの特徴を含むが、他の実施形態において含まれる他の特徴を含まないときに、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、本発明の範囲内にあること、および当業者によって理解されるように、異なる実施形態を形成することを意味する。例えば、以下の特許請求の範囲において、請求された実施形態のいずれかは、あらゆる組み合わせで使用することができる。
【０２３９】
目的の異なる例
【０２４０】
本明細書で使用されるように、共通の目的を記載するために、順序の形容詞「第１（ｆｉｒｓｔ）」、「第２（ｓｅｃｏｎｄ）」、「第３（ｔｈｉｒｄ）」その他の使用は、別段の定めがある場合を除き、目的等の異なる例が参照されるが、目的等の異なる例は、そのように記載した目的が所定の順序、時間的、空間的、順位で、または、他の任意の方法でなければならないことを暗示しようとするものではないことを単に示している。
【０２４１】
具体的な詳細：本明細書で提供した説明には、複数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的の詳細なしに実施できることは明らかである。他の例では、周知の方法、構造および技術は、本説明の理解を曖昧にしないように詳細に示されてはいない。
【０２４２】
用語：図面で示される本発明の好適な実施形態の説明では、特定の用語を分かりやすくするために使用する。しかしながら、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されるものではなく、各特定の用語は、同様の技術的な目的を達成するために同様の方法で動作する全ての技術的均等物を含むことは明らかである。「前向きに（ｆｏｒｗａｒｄ）」、「後向きに（ｒｅａｒｗａｒｄ）」、「放射状に（ｒａｄｉａｌｌｙ）」、「外周に（ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｌｙ）」、「上向きに（ｕｐｗａｒｄｌｙ）」、「下向きに（ｄｏｗｎｗａｒｄｌｙ）」、などの用語は、基準点を提供する便宜の語として使用されるが、用語を限定するものとして解釈されない。
【０２４３】
備えること（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）および含むこと（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）。本発明の前述の説明において、およびその後の特許請求の範囲において、用語または必要な内意を表すために文脈において特記することが必要な場合を除き、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語、または「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」または「備えること（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形例は、包括的な意味、すなわち、述べられた特徴の存在を特定するが、本発明の様々な実施形態におけるさらなる特徴の存在または追加を排除するものではないという意味で使用される。
【０２４４】
本明細書で使用されるように、「含むこと（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、または「含む（ｗｈｉｃｈ  ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」または「含む（ｔｈａｔ  ｉｎｃｌｕｓｅｓ）」の用語のいずれか１つはさらに、当該用語に従う少なくとも要素／特徴を含むことをさらに意味する広い用語であるが、他を除くものではない。したがって、含むこと（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）は、手段を備えること（ｍｅａｎｓ  ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）と同義である。
【０２４５】
本発明の範囲。したがって、本発明の複数の好適な実施形態であると思われるものを記載する一方、当業者であれば、本発明の思想から逸脱することなく、他のおよび更なる変更をそこに行えることや、こうした変形や変更の全てが本発明の範囲に属するものとして請求することを意図することを認識するであろう。例えば、上述したあらゆる定型句は、使用可能な手順の単なる代表例である。機能は、ブロック図に追加することまたはブロック図から削除することができ、および、操作は、機能ブロック間で入れ替えることができる。段階は、本発明の範囲内に記載された方法に追加することができる、または、削除することができる。
【０２４６】
具体例を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、本発明は他の多くの形態で実施可能であることが理解されよう。
【０２４７】
産業上の利用可能性：記載した構成がモータおよび車両産業のシステムおよび装置に適用できることは上記から明らかである。
【図１】
2021508643.tif 000013
【図２】
2021508643.tif 000014
【図３】
2021508643.tif 000015
【図４】
2021508643.tif 000016
【図５】
2021508643.tif 000017
【図６】
2021508643.tif 000018
【図７】
2021508643.tif 000019
【図８】
2021508643.tif 000020
【国際調査報告】
2021508643.tif 000021
2021508643.tif 000022
2021508643.tif 000023