JP2019507841A - 商用車用拡張機能付きアイドリングストップ燃費低減システム - Google Patents

Abstract

従来の内燃機関および伝動機構によって推進される商用車用エンジンアイドリングストップ燃費低減システム。システムは、低容量、急速充電、高サイクル寿命である、ウルトラキャパシタなどの電気エネルギ蓄積装置を用いる。システムはまた、エンジンに結合し、電気エネルギ蓄積装置を再充電するために接続する発電機、およびエネルギ蓄積装置を電源とし、エンジンに結合するモータとを含む。システムはまた、コントローラを含む。コントローラは、エンジンが停止しているとき、モータを起動してエンジンを再始動し、電気エネルギ蓄積装置が閾値充電レベルに到達したとき、発電機を係合して電気エネルギ蓄積装置を再充電し、続いて前記エンジンを再度停止することができる。電気エネルギ蓄積装置はまた、搭載車両機器、周辺車両機器、または外部プラグイン機器用ソケットを備える電気アウトレット回路のうち少なくとも一つに電力を提供する。
【選択図】 図１

Description

本出願は、その全体が本明細書に参照により組み込まれる、２０１６年２月１６日出願の米国仮特許出願第６２／２９５，７０２号の優先権を主張する。

本出願の主題は、従来の内燃機関および伝動機構を電源とする商用車用のアイドリングストップ燃費低減システムに関する。

近年、自動車産業は、低燃費かつ低排気ガスの自動車を開発することに多大な努力を注いできた。回生ブレーキ、ハイブリッド電気推進システム、およびプラグイン電気推進システムを含む様々な技術が探求されてきた。

多くの自動車製造業者が最近採用した技術の一つは、従来の内燃機関および伝動機構を有する車両用のアイドリングストップシステムである。アイドリングストップシステムは、交通信号などで車両がブレーキをかけられて停止するとき、内燃機関を切り、運転者がブレーキを外し、アクセルを踏むとき、エンジンを再始動することによって燃料を節約する。アイドリングストップシステムは、車両が停止中にエンジンがアイドリングする時間を低減する。したがって、燃費が低減し、排出ガスが低減し、エンジン摩耗が低減し、騒音が低減する。アイドリングストップシステムは、ハイブリッド電力システムまたはプラグイン電力システムと比べて比較的低価格である。

しかしながら、アイドリングストップシステムは、従来の内燃機関および伝動機構を有する車両に対して多くの設計上の困難を提示する。一例を挙げると、従来の車両の電池も始動モータも、混雑した都市部の交通網で運転するときに経験するような反復されるアイドリングストップサイクルに対処しえない。さらに、アイドリングストップシステムが内燃機関を再始動するときに、適切な反応性を確保するためには、自動トランスミッションの再設計または修正が一般的に必要となる。

複数の異なる種類のアイドリングストップシステムが、個人用の乗用車両の製造業者によって開発されてきた。これらの開発の一部の要約はＦＥＶ ＧｍｂＨ社の報告書である非特許文献１に記載されている。

自動車におけるアイドリングストップシステムの採用が増加しているにも関わらず、ゴミ収集トラック、バケットトラック、ターミナルトラクタ、ダンプトラック、コンクリートミキサ車、市内バス、および宅配トラックなどの商用車に関しては、今までほとんど進展がなかった。多くの商用車は、ほとんどの自動車と異なって、交通量が多くない場合や、信号や停止サインが多くない場合であっても、通常の業務の一環として頻繁に停止と再始動を行うため、これには驚かれるかもしれない。アイドリングストップシステムが商用車に広く普及することは、少なくとも３つの要因によって阻まれてきたと考えられる。

まず、前述したように、アイドリングストップシステムの開発には、広範な開発と試験を必要とする多くの設計上の問題が関与する。特殊用途の商用車に対するマーケットが比較的小さいということが、そのような車両向けのアイドリングストップシステムの開発に資材を当てることを阻んできたともいえる。

別の要因は、商用車産業の性質に関連する。自動車製造業者は通常は、車両全体を開発し、設計し、組み立てる。反対に、特殊用途の商用車は一般に、複数の製造業者を有する。つまり、１または複数の製造業者が、フレームと伝動機構を含む、ローリングシャーシを設計し、製造する。一方、別の製造業者が、一般に様々な特殊化された動作機能およびシステムを含む車体を設計、構築する。複数の製造ステップが統合されないため、車体とローリングシャーシの両方に影響する設計基準に関与する新技術を開発することが困難となることもある。

第３の側面は、多くの商用車の車体は、例えばゴミトラックのゴミ箱持ち上げアーム、バケットトラックの高所ブーム、コンクリートミキサ車のドラムの回転、および／またはダンプトラックの床面の持ち上げ装置などといった、補助機器の部品を組み入れて、動作機能を実行するという事実に関する。このような機器は機械的駆動を必要とし、その機械的駆動は主に、油圧ポンプに電力を供給するためのものである。機械的駆動は通常エンジンから、トランスミッション上のパワーテイクオフインタフェースを通じて、またはエンジンのクランクシャフトの機械的インタフェースを通じて提供される。エンジンが切られると、補助機器は動作することはできない。

一部の事例では、電池パックを車両上に設け、二次エネルギ源を提供して、油圧ポンプを作動する電気モータなどの補助動作機器を駆動することが提案されてきた。電池パックは、アイドリングストップシステムがエンジンを切っている間中、車両が動作する１日の全体にわたって、機器に充分な量のエネルギを提供できるような大きさでなければならない。通常は、このような構成は、電気の主管に夜間差し込んで再充電される大型の電池を必要とする。このような車両は通常、プラグインハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）と呼ばれる。

商用車上の補助システムのエネルギ消費量は、典型的な作業日の過程中には大きなものになりうる。たとえば、ゴミ収集車の圧縮機は、圧縮サイクルごとに少なくとも３００ｋＪを必要とし、毎日３０ｋＷｈが必要となる。さらに、利用可能エネルギの任意の量を達成するためには、電池は適切な電池寿命を提供するために、容量の約２倍を持たなくてはならない。

毎日一つの完全充放電サイクルを行うと想定すると、商用車は、１０年の予想車両寿命を実現するために少なくとも２５００サイクルの最小寿命スパンを備える電池を必要とする。鉛酸電池の寿命スパンはこの目標よりもはるかに低い。リチウムイオン電池は２５００サイクルの寿命スパンに到達可能ではあるが、リチウムイオン電池で必要なエネルギ容量を実現するには、現在のところ費用がかかり、電池自体の重量もかなり重いため、車両が走行中に燃費が当然増加することになる。

ハイブリッド電力システムを有する車両は通常、大型のリチウムイオン電池パックを内蔵しているため、電池パックに貯蔵したエネルギを用いて補助機器に電力を供給する容量を持つアイドリングストップ機能を組み入れやすくする。

本発明者らの特許文献１および特許文献２には、ゴミ収集車などの負荷が大きい商用車の運転手の興味を最近集めている、アイドリングストップシステムの複数の実施形態が記載されている。特許文献１および特許文献２の全体は、参照により本明細書に組み込まれる。

特許文献１および２に記載の実施形態の１つは、電気エネルギ蓄積装置を利用する。電気エネルギ蓄積装置は、システムによってエンジンが切られたときに、油圧ポンプを駆動して自動トランスミッションの油圧を維持するために電気モータに電力を供給すること、トランスミッションのギアが入っているときに、エンジンを再始動する再始動モータに電力を供給すること、および、システムによってエンジンが切られたときに、ポンプを駆動し、ゴミ収集車両のゴミ箱持ち上げ装置などの車両上の補助油圧システムを動作させるためにモータに電力を供給すること、に用いることができる。

多くのアイドリングストップシステムがリチウムイオン電池を用いるが、本発明者らは、特定の用途において、電気エネルギ蓄積装置を利用することが有利であることを認識した。電気エネルギ蓄積装置は、現在利用可能なリチウムイオン電池と比較して、比較的低い容量と、比較的急速な放電−再充電時間でありながら高サイクル寿命を特徴とする。現在では、電気二重層キャパシタ（別名ＥＤＬＣ、またはウルトラキャパシタ、またはスーパーキャパシタ）がこれらの特性を満たして利用可能である。

商用車用アイドリングストップシステムに選択される適切なウルトラキャパシタは、約１００から５００Ｗｈまでの間のエネルギ蓄積能力を有していてもよい。これは、内燃機関が停止後の期間中に、ほとんどの補助機器を動作させ、また、エンジンを再始動するのに十分である。このようなウルトラキャパシタはまた、およそ１０ｋＷ程度の定格で機器に電力を供給でき、好適には１分未満で急速に再充電することができる高電力容量を有するべきである。このようなウルトラキャパシタはまた、車両の推定寿命の１０年の間動作可能であるように、約１００万サイクルを超える寿命スパンを有するべきである。さらに、ウルトラキャパシタはまた、特定の商用車の、動作温度範囲、耐腐食性および耐振動性を含む環境の変化にも適合すべきである。

本発明者らは、上記の特性を有するウルトラキャパシタが、たとえばゴミ収集車に配備されるアイドリングストップシステムにおいて、ゴミ収集車は短時間の停止を高頻度で繰り返し、停止間の走行時間が短いことを考えると、非常に有効でありえることを認識した。リチウムイオン電池またはニッケル水素電池とは異なり、ウルトラキャパシタは容易に数百回の放電および再充電サイクルを１日にこなし、それでもなお車両の寿命を通じて完全な機能を維持することが期待される。

ウルトラキャパシタは、１００万サイクルを超える充放電サイクルを維持できるため、そのエネルギ蓄積能力を、車両の機器の１操作サイクルを実行するために必要なエネルギと、エンジンを再始動するために必要なエネルギを合わせたものと同等まで低くすることができる。したがって、エネルギ蓄積装置の大きさは、リチウムイオン電池を電力源とするシステムと比べて、少なくとも１００分の１倍まで小さくすることができる。その結果として、リチウムイオン電池を利用するシステムよりも、ウルトラキャパシタを用いるアイドリングストップシステムは小型になり、軽量になり、低費用になる。

ウルトラキャパシタ（または、比較的低容量であるが、急速充電時間と長いサイクル寿命特性を有する、別の比較的低エネルギ容量の電気エネルギ蓄積装置）を利用するアイドリングストップシステムは、特定の商用車の用途では多くの有利点を有し、特にゴミ収集車などの、補助機器が用いられる場所で非常に頻繁かつ短時間の停止を繰り返す車両では有利点を有するが、本発明者らは、それらのアイドリングストップシステムが、さらに別の機能も提供することを認識した。

米国特許第８，８４０，５２４号 米国特許第９，１３２，８２４号

Ｍａｒｋｕｓ Ｋｒｅｍｅｒ「Ｉｎ−Ｍａｒｋｅｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔｏｐ−ｓｔａｒｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍａｒｋｅｔ」、２０１１年１２月６日

特許文献１および特許文献２は、エネルギ蓄積装置を外部電源、または回生ブレーキエネルギ回収システムによって充電することを開示する。しかし、本発明者らは、今や、商用車のエンジンを停止させているときに、発電機を起動してウルトラキャパシタを用いるエネルギ蓄積システムを再充電するようにエンジンを再始動することが、特定の用途において多くの有利点を有することを認識した。特に、ウルトラキャパシタ電気蓄積装置と、エンジンが停止しているときに発電機を起動してエンジンを再始動することによって電気蓄積装置を再充電することを組み合わせると、システムが満たすべき電力需要に大きな柔軟性が生じる。

商用車がリチウムイオン電池を用いるアイドリングストップシステムを有する場合は、電池の容量は、エンジンがオフのときに電力を供給しなくてはいけない補助機器の予測される日常的需要に対して最適化されなければならない。かなり大型のリチウムイオン電池を用いると、重量と費用がかさむことになる。しかし、内燃機関が停止しているとき、内燃機関を再始動してウルトラキャパシタを再充電する発電機を稼働させることによって、ほとんど無限の回数再充電可能なウルトラキャパシタを用いるアイドリングストップシステムを商用車が有する場合は、ウルトラキャパシタの蓄積容量を増加させなくても、さらに多くの機能を含むことができる。

ウルトラキャパシタを用いる電気エネルギ蓄積装置によって、電気エネルギ蓄積装置のエネルギ蓄積能力を増加する必要もなく、商用車の搭載機器と、商用車に追加された周辺機器の両方への電力供給を容易化することができる。同様に、電気エネルギ蓄積装置のエネルギ蓄積能力を増加する必要もなく、（たとえば、超過時間のシフトに対応するために）商用車を通常の使用率を超えた長期間にわたって用いることができる。実際に、このようなシステムを、貨物荷積み／荷下ろし施設でトレーラを分岐させるターミナルトラクタなど、毎日ほぼ２４時間稼働している商用車にさえも用いることができる。

本主題の第１の態様によれば、従来の内燃機関および伝動機構によって推進される商用車用エンジンアイドリングストップ燃費低減システムが提供される。本システムは、
低容量、急速充電、高サイクル寿命である電気エネルギ蓄積装置と、
エネルギ蓄積装置を電源とし、エンジンに結合するモータと、
エンジンに結合し、電気エネルギ蓄積装置を再充電するために接続する発電機と、
１または複数の動作条件に応答するコントローラであって、エンジンが停止しているときは、エンジンに結合するモータを起動することによって、エンジンを再始動し、電気エネルギ蓄積装置が充電の閾値レベルに到達しているときは、電気エネルギ蓄積装置を再充電するために発電機を係合し、続いてエンジンを再度停止するコントローラと、
を備える。
電気エネルギ蓄積装置はまた、
車両の搭載機器と、
車両に含まれる周辺機器と
外部プラグイン電気機器用のソケットを備える電気アウトレット回路と、
のうちの少なくとも一つに電力を提供する。

一部の実施例では、電気エネルギ蓄積装置は、少なくとも１００万サイクルの特定のサイクル寿命を有する。

一部の実施例では、電気エネルギ蓄積装置は、約１００から５００Ｗｈまでの間の特定の蓄積容量を有する。

一部の実施例では、電気エネルギ蓄積装置は２分未満で再充電することができる。

一部の実施例では、電気エネルギ蓄積装置は、１から１０Ｗｈ／ｋｇまでのエネルギ密度を有する。

一部の実施例では、電気エネルギ蓄積装置は、１から１０ｋＷ／ｋｇまでの電力密度を有する。

一部の実施例では、電気エネルギ蓄積装置はウルトラキャパシタである。

一部の実施例では、車両は油圧で起動される自動トランスミッションを備える。本システムはさらに、
ａ）圧縮したトランスミッション液を自動トランスミッションに供給可能なトランスミッション液ポンプと、
ｂ）エネルギ蓄積装置を電源とし、トランスミッション液ポンプに機械的に接続するトランスミッション液ポンプモータと、
ｃ）１または複数の動作条件に応答するコントローラであって、車両が停止しているときはエンジンを切り、トランスミッション液ポンプモータを用いてトランスミッション液ポンプを起動し、ドライビングギア内でトランスミッションの係合を維持するのに十分な圧力をトランスミッションに供給するコントローラと、
ｄ）同じく１または複数の動作条件にも応答するコントローラであって、エンジンに結合するモータを駆動することによって、トランスミッションはドライビングギア内で係合した状態でエンジンを再始動するコントローラと、
を備える。

一部の実施例では、本システムは、補助油圧システムモータを備える。補助油圧システムモータは、エネルギ蓄積装置を電源とし、車両の補助油圧システムのポンプに機械的に接続する。コントローラはまた、１または複数の動作条件に応答し、補助油圧システムモータを用いて補助油圧システムのポンプを起動し、圧縮した作動液を補助油圧システムに供給する。

一部の実施例では、コントローラは１または複数の動作条件に応答し、エンジンが稼働しているか否かに関わらず、補助油圧システムモータを用いて補助油圧システムのポンプを起動し、圧縮した作動液を補助油圧システムに供給する。

一部の実施例では、補助油圧システムは、エンジンとの機械的接続によって駆動されるポンプを持たない。

一部の実施例では、エンジンに結合するモータは、エンジンにパワーテイクオフ、クランクシャフトおよびフライホイールの一つを通じて接続し、選択的に始動トルクを内燃機関に提供するように操作可能である。

一部の実施例では、電気エネルギ蓄積装置が最大貯蔵エネルギのうち約６０％を消費したとき、コントローラは、エンジンに結合するモータを起動し、それによってエンジンを再始動し、発電機を係合して、電気エネルギ蓄積装置を再充電する。

一部の実施例では、電気エネルギ蓄積装置が最大エネルギ蓄積能力の約５５％から７０％に到達したとき、コントローラは、エンジンに結合するモータを起動し、それによってエンジンを再始動し、発電機を係合して、電気エネルギ蓄積装置を再充電する。その後、コントローラは続いてエンジンを再度停止する。

一部の実施例では、システムは、車両上に含まれ、電気エネルギ蓄積装置を電源とする周辺機器を備える。

一部の実施例では、周辺機器は、移動気象観測ステーション、移動通信アンテナ、道路条件を評価するシステム、交通／渋滞を評価するシステム、閉回路ビデオ監視システム、および／またはデータ／画像表示のうち一つである。

一部の実施例では、システムは、外部プラグイン電気機器用のソケットを有し、電気エネルギ蓄積装置を電源とする電気アウトレット回路を備える。

一部の実施例では、電気アウトレット回路は、交流電力を送達するインバータを有する。

一部の実施例では、電気アウトレット回路は直流−直流コンバータを有し、直流電力を電気エネルギ蓄積装置の電圧とは異なる電圧で送達する。

一部の実施例では、システムは、電気エネルギ蓄積装置を電力源とする車両の搭載機器を備える。

一部の実施例では、搭載機器は、車両の補助油圧システム用ポンプに機械的に接続するモータを備える。

一部の実施例では、搭載機器は、直流−直流コンバータを備え、直流電力を電気エネルギ蓄積装置の電圧とは異なる電圧で送達する。

一部の実施例では、コントローラは、厳しい低温条件に応答し、車両の従来の電池およびスタータがエンジンを再始動できないとき、エンジンに結合するモータを起動し、エンジンを再始動する。

請求の主題をより深く理解できるように、添付図を参照する。

少なくとも一つの実施形態によるアイドリングストップ燃費低減システムの概略図である。 別の実施形態によるアイドリングストップ燃費低減システムの概略図である。 別の実施形態によるアイドリングストップ燃費低減システムの概略図である。 別の実施形態によるアイドリングストップ燃費低減システムの概略図である。 別の実施形態によるアイドリングストップ燃費低減システムの概略図である。 別の実施形態によるアイドリングストップ燃費低減システムの概略図である。 別の実施形態によるアイドリングストップ燃費低減システムの概略図である。

簡略かつ明確に例示するために、適切と考えられる箇所では、対応または類似する要素またはステップを示すために複数の図で符号を反復して用いることもあることを理解されたい。本明細書に記載する主題の代表的な実施形態を完全に理解できるように、多数の特定の詳細を記載する。ただし、本明細書に記載する本実施形態は、これらの特定の詳細を用いずに実施されえることが当業者には理解されよう。別の例では、本主題をあいまいにしないように、周知の方法、手順および構成部品は詳細には記載していない。さらに、本説明は主題の範囲を制限するものとはいかなる意味においても解釈されず、様々な実施形態を例示するものとして解釈される。

本明細書では、「低容量、急速充電、高サイクル寿命である電気エネルギ蓄積装置」は、ウルトラキャパシタなどの電気エネルギ蓄積装置を意味する。この電気エネルギ蓄積装置は、少なくとも１００，０００から少なくとも１００万サイクルまでのサイクル寿命を有し、約５００Ｗｈ未満のエネルギ蓄積能力を有し、５から１０ｋＷの電源を用いて数分以内に最大エネルギ蓄積能力の約４０％から約１００％まで充電可能である。

本明細書では、商用車の「搭載機器」とは、従来から車両上に含まれ、エンジンまたは電池を電源とする構成部品および／またはシステムを意味し、たとえばライト、電気ファン、ラジオ、エアコン用コンプレッサ、パワーステアリング用液体ポンプ、エアブレーキシステム、エンジン冷却液ポンプ、および／または燃料ポンプである。

本明細書では、商用車の「周辺機器」は、従来は車両上に含まれず、車両の主要機能とは無関係であることもある補完的機能を提供する構成部品および／またはシステムを意味し、たとえばゴミ収集車上に追加される、移動気象観測ステーション、移動通信アンテナ、道路条件を評価するシステム、交通／渋滞を評価するシステム、閉回路ビデオ監視システム、および／または（たとえば広告または公開メッセージのいずれか用の）データ／画像表示である。

さらに、本明細書で用いるように、「および／または」という用語は含有的な「または」を表すことを意図する。つまり、たとえば、「Ｘおよび／またはＹ」はＸまたはＹまたは両方を意味することを意図する。別の例として、「Ｘ、Ｙ、および／またはＺ」は、ＸまたはＹまたはＺまたはこれらの任意の組み合わせを意味することを意図する。

図１は、商用車の伝動機構１０に搭載されるアイドリングストップシステム３０を備える、少なくとも一つの実施形態による燃費低減システム１００を概略的に表す。

伝動機構１０は、内燃機関（ＩＣＥ）１４と、トランスミッション１６と、車輪２２とトランスミッション１６を接続するドライブシャフト１２とを備えていてもよく、内燃機関（ＩＣＥ）１４とトランスミッション１６は、合わせてエンジン−トランスミッションアセンブリ１８を形成する。

エンジン１４は、たとえば、独立したエネルギ源と、一般に１５０ｋＷから３２５ｋＷの範囲である、車両を動かすのに十分な定格出力を有するディーゼルエンジンであってもよい。エンジン１４はまた、任意の他の内燃機関、たとえばガソリンエンジン、天然ガスエンジン、プロパンエンジン、エタノールエンジン、バイオディーゼルエンジン、バイオブタノールエンジン、ジメチルエーテルエンジン、メタノールまたは任意の再生可能な炭化水素バイオ燃料エンジンでありえる。

少なくとも一つの実施形態では、アイドリングストップシステム３０は、電気エネルギ蓄積装置３４と、高頻度のエンジン始動を実施するように構成される（電気エネルギ蓄積装置３４を電源とする）少なくとも一つの電気モータ発電機３２と、電子制御モジュール３８とを備えていてもよい。任意には、アイドリングストップシステム３０は、電子制御モジュール３８に接続する遠隔通信装置３９を備えていてもよい。

電気エネルギ蓄積装置３４は、電気接続を通じて貯蔵したエネルギを電気モータ発電機３２に提供してもよい。直流／交流電気モータコントローラ３６を用いて、電気エネルギ蓄積装置３４と電気モータ発電機３２との間のエネルギ流を管理してもよい。電気モータ発電機３２はエンジン１４に機械的インタフェース３１を介して機械的に接続する。機械的インタフェース３１はトランスミッション１６またはエンジン１４上のパワーテイクオフであってもよく、またはエンジン１４のクランクシャフトとの直接的な機械接続であってもよい。任意には、電気モータ発電機３２は、エンジン１４とトランスミッション１６との間に配置されてもよい。

電気エネルギ蓄積装置３４はまた、外部電源から電気接続によって、および／または電気ブレーキエネルギ回生システムによって、および／またはエンジン１４によって充電されてもよい。

電気エネルギ蓄積装置３４は低エネルギ蓄積装置であり、電気エネルギ蓄積装置３４の寿命期待値を実質的に低下させることなく、頻繁に充電および放電されてもよい。代表的な実施形態によれば、電気エネルギ蓄積装置３４は、１６０Ｗｈのエネルギ蓄積能力、１４４Ｖの定格電圧を有し、少なくとも１００万サイクルの負荷サイクルを有する。

有利には、電気エネルギ蓄積装置３４はウルトラキャパシタである。

別の代表的な実施形態によれば、電気エネルギ蓄積装置３４は９２Ｗｈのエネルギ蓄積能力、５７Ｖの定格電圧を有し、４００Ａで２００万サイクルの負荷サイクルを有する。電気エネルギ蓄積装置３４はハイブリッドウルトラキャパシタであってもよく、ハイブリッドウルトラキャパシタは、本明細書に記載するように、リチウムイオン電池の特性（たとえば高エネルギ蓄積能力）とウルトラキャパシタの特性（たとえば１００万サイクルを超える充放電サイクルを持続する容量および小型の大きさ／寸法）とを組み合わせる。

たとえば、電気エネルギ蓄積装置３４の充放電の頻度は、約１５秒から約３０分であってもよい。充電時間は約５秒から約２分または３分までと短時間であってもよい。電気エネルギ蓄積装置３４の放電時間は５秒から約３０分であってもよい。このような電気エネルギ蓄積装置３４の寿命は、たとえば、少なくとも約１０年であってよく、寿命ごとに少なくとも約１００万サイクルであってよい。充放電のサイクルは、常に動作電圧の全範囲で行われなくてもよく、より狭い範囲の電圧で行われる可能性が高いことに留意されたい。たとえば、１４４Ｖの定格電圧を有するウルトラキャパシタは定格電圧が１４０Ｖになったらすぐに再充電されえる。

システム３０は、電気エネルギ蓄積装置３４が寿命に影響を与えずに迅速に充放電することができる場合、任意の適切なエネルギ蓄積能力を有する電気エネルギ蓄積装置３４と共に動作しえる。少なくとも一つの実施形態では、システム３０は、約１００Ｗｈから約１ｋＷｈのエネルギ蓄積能力を有する電気エネルギ蓄積装置３４と共に動作してもよい。システム３０は、寿命に大きな影響を与えずに、約１０ｋＷから約３０ｋＷの電力容量を有する電気エネルギ蓄積装置３４と共に動作してもよい。

本出願の適切なウルトラキャパシタは、Ｍａｘｗｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手可能である。一構成では、４８Ｖの定格電圧と、５３Ｗｈの蓄積定格エネルギをそれぞれ有する３つのモジュールが組み合わされる。

当業者には既知であろうが、ウルトラキャパシタは、高温での漏れが起こり、不可逆的な容量の損失につながり得る。したがって、システムは、有利には、高温環境で長時間駐車するときに、電圧を低下させる放電器を含む。（放電器はまた、保守管理用の電圧低下に用いることもできる。）有利には、システムはまた、車両の従来の電池を電源とする再充電器を含み、再充電器は、ウルトラキャパシタのバックアップの充電を、エンジンに機械的に結合する発電機がウルトラキャパシタを再充電できる閾値レベルまで回復させる。

少なくとも一つの実施形態では、エンジン１４を用いて、エネルギ蓄積装置３４を再充電してもよい。少なくとも一つの実施形態では、エネルギ蓄積装置３４は、ブレーキの運動エネルギを回収することによって、および／または、たとえば光電池パネルを備える外部エネルギ源を用いることによって充電されてもよい。伝動機構１０は、ブレーキエネルギ回収システムを備えていてもよい。具体的には、モータ発電機３２は、ブレーキエネルギの一部をトランスミッション１６から回収するように構成されてもよい。

アイドリングストップシステム３０はまた、たとえば内蔵コンピュータ、データレコーダ、および／またはモバイル通信用グローバルシステム（ＧＳＭＣ）モジュールなどの、商用車で得た情報を外部データ収集センタに送信するための通信装置３９を含んでいてもよい。通信装置３９は、商用車の動作（たとえば、燃料使用量、走行距離、ＧＰＳの位置、または保守管理用警報）を監視してもよく、アイドリングストップシステムの動作（たとえば、節約した総エンジン稼働時間、エンジン燃料率または動作時間）を監視してもよく、または車両上に取り付けた機器（たとえば、移動気象観測ステーション、または交通／渋滞モニタ、またはビデオ監視システム）によって収集したリアルタイム・データを送信してもよい。

電子制御モジュール３８は、車両または運転手からの様々な信号に応じてアイドリングストップシステムの操作を制御する。少なくとも一つの実施形態では、電子制御モジュール３８は、パーキングブレーキがかけられるか、またはフットブレーキが踏まれるか、またはハンドブレーキが作動されて車両が動いていないとき、エンジン１４を停止する。電子制御モジュール３８はまた、トランスミッション１６の選択されたギアを監視してもよい。低エンジン温度、低電池電圧、アンチロックブレーキシステム事象または低エアブレーキ圧などの一定の条件下で、システムはエンジン１４が停止することを防ぐことができる。電子制御モジュール３８は、パーキングブレーキ、フットブレーキ、またはハンドブレーキのいずれもが起動されない場合は、停止モードから自動的にエンジン１４を再始動する。

電子制御モジュール３８はまた、エネルギ蓄積装置３４の充電状態の管理を制御する。エネルギ蓄積装置３４の充電状態が低閾値レベルより低いとき、電子制御モジュール３８は電気モータ発電機３２を発電機モードで動作させ、エネルギ蓄積装置３４を高閾値レベルまで再充電する。

アイドリングストップシステムは、ゴミ収集車またはコンクリートミキサ車などの商用車に設置されてもよい。このような商用車は、さらに少なくとも一つの補助油圧システム２４を備えていてもよく、補助油圧システム２４は、ゴミ圧縮機、ゴミ箱を持ち上げる油圧アーム、回転式コンクリートミキサ、またはその他の油圧駆動機器などの、油圧駆動機器である。

エンジン１４が切られると、エンジン１４からの動力はトランスミッション１６には伝達されない。その結果として、トランスミッション１６がオートマチックタイプである場合は、油圧が足りなくなることがあり、トランスミッションが運転ギア（たとえば第１のギア）において維持できなくなる。その代わりにトランスミッションは「ニュートラルギア」に入る。エンジン１４を再始動後、トランスミッションがニュートラルからドライビングギアに切り替わるのに十分なエネルギが得られるまで、トランスミッション１６の油圧は増加されなければならない。油圧が増加し、ドライビングギアに変わるのに必要な時間は、一般には数秒である。その結果として、車両の運転手は、車両の再始動と、トランスミッションがドライビングギアに選択された後で車両が実際に加速を開始するまでに時間差を感じる。車両が完全に静止しているときに運転手が電気イグニションシステムを用いて車両を起動する典型的な動作では、この時間差は許容可能である。ただし、運転手が、商用車が停止しているときのエンジン１４のアイドリングになれていて、加えて、商用車が運転手の指令（たとえば、アクセルを踏むこと）を受けてすぐに加速することを期待している場合は、この時間差はいらだたしいものであり、さらにいえば危険でさえある。たとえば、商用車が上り坂にいるとき、運転手が加速の指令を出す時間と商用車が加速を開始する実際の時間との間に時間差があることによって、車両が停止し前方に加速できるようになる前に、車両が数秒間、後ろへ向かって斜面を下ってしまうこともある。

図１の燃費低減システムはまた、電気／油圧トランスミッションアセンブリ４０を含んでいてもよい。電気／油圧トランスミッションアセンブリ４０を用いて、トランスミッション１６がドライビングギアからニュートラルギアに入ることを防ぐ。ただし、バケットトラックなどの低負荷サイクル動作では、車両は作業場所で作業するためにトランスミッションをニュートラルにして駐車するため、アセンブリは必要ではない。

電気／油圧トランスミッションアセンブリ４０は、電気モータ４２と、固定置換油圧ポンプ４４とを備えていてもよい。油圧ポンプ４４は、電気モータ４２を動力源としていてもよい。エンジン１４が切られると、固定置換油圧ポンプ４４は、油圧回路を通じてトランスミッション１６が第１のギアに維持されるように圧力を提供してもよい。

電気モータ発電機３２を用いてエンジン１４を起動後、トランスミッション１６はまだドライビングギアにあり、商用車を加速する指令が出されるとき、車両運転手は時間差を感じない。トランスミッションをギアに維持するために必要なエネルギは、短時間であってもエンジン１４をアイドリングするのに必要なエネルギよりも大いに少ないことを理解されたい。したがって、エンジン１４を切り、アイドリングストップシステム３０からの電気エネルギを用いて、固定置換油圧ポンプ４４を作動させ、トランスミッションをドライビングギアに維持することによって、大幅な燃費節約を実現することができる。

商用車はまた、電気／油圧アセンブリ５０を備える補助油圧アセンブリ２０を有することもある。補助油圧アセンブリ２０は、少なくとも一つの補助油圧システムを備えていてもよい。図１に示す第１の補助油圧システム２４および／または第２の補助油圧システム２８などの補助油圧システムは、ゴミ収集車またはコンクリートミキサ車などの商用車に備えられることが多く、これらのゴミ収集車またはコンクリートミキサ車などには、燃費低減システム１００が設置されてもよい。

補助油圧システムは、任意の油圧駆動機器であってもよく、ゴミ圧縮機、ゴミ箱を持ち上げる油圧アーム、回転コンクリートミキサ、バケットトラック用の頭上のブーム、構内作業車用の油圧式第５車輪ブームまたはその他の油圧駆動機器を含む。

図１に示すように、第１の補助油圧システム２４および第２の補助油圧システム２８は、油圧接続線２５を介して補助油圧ポンプ２６に接続してもよい。エンジン１４がオンになると、補助油圧ポンプ２６は第１の補助油圧システム２４および第２の補助油圧システム２８を駆動してもよい。少なくとも一つの実施形態では、エンジン１４がオフのとき（停止モード）、アセンブリ２０の補助油圧機器の操作を維持するため、電気／油圧アセンブリ５０を用いることができる。少なくとも一つの実施形態では、電気／油圧アセンブリ５０は、直流／交流電気駆動（インバータ）５４と、電気モータ５６と、油圧ポンプ５８とを備える。少なくとも一つの実施形態では、第１の補助油圧システム２４および第２の補助油圧システム２８は、エンジン１４によって駆動される補助油圧ポンプ２６から、および／または電気／油圧アセンブリ５０からエネルギ蓄積装置３４に蓄積したエネルギを用いて、油圧を供給されてもよい。たとえば、電気／油圧アセンブリ５０は、エンジン１４がオフのときに圧力を油圧接続線５５を介して補助機器に供給することができる。エンジン１４が停止し、油圧ポンプ５８が稼働するとき、補助油圧ポンプ２６が逆回転とならないように、逆止め弁５７は油圧接続線２５上に配置される。同様に、エンジン１４が稼働するとき、油圧ポンプ５８が逆回転とならないように、逆止め弁５９は油圧接続線５５上に配置される。

電子制御モジュール３８は、電気／油圧アセンブリ５０の動作を制御する。電子制御モジュール３８は、要望（運転手が起動するレバー、操縦桿、または押しボタン）があるとき、電気モータ５６を起動し、油圧ポンプ５８からの作動液流が補助油圧ポンプ２６から供給される作動液流と等しくなるようにして、第１の補助油圧システム２４および／または第２の補助油圧システム２８を操作する。電子制御モジュール３８はまた、高アイドルガバナ指令からの作動液流を増加する要望に、油圧ポンプ５８を駆動する電気モータ５６の制御速度を比例的に増加することによって応答するように構成される。アセンブリ２０の補助油圧システムを電気／油圧アセンブリ５０を用いて駆動することによって、補助油圧ポンプ２６の連続駆動に関連するエネルギの損失を防ぐことができる。

図２を参照すると、補助油圧システム２４および２８を独立して、および／または要望に応じて駆動することができる２つの電気／油圧アセンブリ５１および７０を有するシステム２００の代表的な実施形態が示される。

少なくとも一つの実施形態では、電気／油圧アセンブリ５１および７０は、前述の電気／油圧アセンブリ５０と同一の構成部品を有する。エンジン１４がアイドリングストップシステムによって切られると、電気／油圧アセンブリ７０は、要求に応じて、独立して圧力を補助油圧システム２８に供給することができる。一方、電気／油圧アセンブリ５１は、要求に応じて、独立して圧力を補助油圧システム２４に供給することができる。したがって、燃費低減システム２００の補助システムは、要望に応じて起動されることができ、それによって、補助油圧システム２４および２８から要望がないとき、バイパス弁において補助油圧ポンプ２６を回転させることによって生じるエネルギ損失を低減できる。さらに、電気／油圧アセンブリ５１および７０は、電気モータ５６および７６の回転速度を制御することによって、独立した可変作動液流を提供することができる。これによって、補助油圧システム２４および２８の制御は、エンジン１４の回転速度に限定される補助油圧ポンプ２６と比べてより柔軟になる。したがって、燃費低減システム２００の補助システムを、より正確に、エンジン１４から独立して制御することができるため、エネルギ損失を低減することができる。

システム２００は、たとえば３以上の補助油圧システムに独立して供給するための、３以上の電気／油圧アセンブリを備えていてもよい。

図３には、図２に示す代表的な実施形態の変形を示す。図３には補助システム油圧ポンプ２６がない。その代わりに、エンジン１４が稼働中か、または切られているかにかかわらず、補助油圧システム２４および２８への油圧および流量は、電気／油圧アセンブリ５１および／または７０から提供される。このような構成の有利点は、油圧アセンブリ５１、７０が起動されていないとき、ポンプ２６の回転に関与する寄生損失を排除することである。さらに、このような構成は、たとえばピストンが最大ストロークのいずれかの端部に到達するときに作動液流を減らすことで、構成部品の衝撃および摩耗を減らすことにより、油圧回路２４、２８のそれぞれをより正確かつ柔軟に制御することを可能とする。

図４には、アイドリングストップシステム３０および任意のアセンブリ４０、２０、および５０に加えて、以下に述べる直流アウトレットアセンブリ８０を備える、燃費低減システム４００の代表的な実施形態を示す。

直流アウトレットアセンブリ８０は、直流電気システム８４に接続することができる。直流−直流コンバータ８２は、エネルギ蓄積装置３４からの電圧を直流電気システム８４に供給するために必要な電圧に変換する。たとえば、直流−直流コンバータ８２は、商用車の１２Ｖまたは２４Ｖ電池を再充電してもよい。別の実施例では、直流アウトレットアセンブリ８０を用いて、車両の内部空調圧縮機を起動する直流電力を電気モータに供給してもよい。

アイドリングストップシステム３０を備える商用車は、さらに、エンジン発電機セットと同様に、携帯電源として用いることもできる。多数の車両群に所属することが多く、通常は市街地で稼働する商用車の性質を利用して、大規模停電の際に迅速に利用可能な緊急対応機器として商用車群を転用する機会を提供する。

ここで図５を参照すると、アイドリングストップシステム３０および任意のアセンブリ４０、２０および５０に加えて、以下に述べる交流アウトレットアセンブリ６０を備える、燃費低減システム５００の代表的な実施形態が示される。

アウトレットアセンブリ６０を用いて、１１０ボルトまたは２２０ボルトの標準電圧を持つ電力を、商用車の動作に関連して用いられるツールおよび／または機器に提供することができる。アウトレットアセンブリ６０は有利には、６０Ｈｚで１１０Ｖの出力を提供する。ツールおよび／または機器は、車両上に取り付けてもよく、または車両の外部に接続してもよい。

図６には、アイドリングストップシステム３０および任意のアセンブリ４０、２０、および５０に加えて、以下に述べる車両の外部電気システムに接続してもよいアセンブリ９０を備える、燃費低減システム６００の代表的な実施形態を示す。アセンブリ９０は、エネルギ蓄積装置３４からの直流電圧を外部電気システム９４への交流出力に変換する直流／交流駆動９２を含んでいてもよい。

商用車の別の特性は、商用車は通常、道路を定期的に走るということである。たとえば、ゴミ収集車または路上清掃車の一群は反復的な経路と予定で路上すべてを運転することによって、交通の流れおよび駐車率などの都市の様々なパラメータを監視する有益なプラットフォームとなる。

図７には、アイドリングストップシステム３０および任意のアセンブリ４０、２０、および５０に加えて、以下に述べる車両の搭載機器９８を駆動することができる機器アセンブリ９５を備える、燃費低減システム７００の代表的な実施形態を示す。機器アセンブリ９５は、エネルギ蓄積装置３４からの直流電圧を車両備品９８の動力要素（たとえば電気モータ９７）に電力を提供するために交流出力に変換する直流／交流電気モータコントローラ９６を含んでいてもよい。車両備品９８は、通常エンジン１４を動力源とする搭載機器であってもよい。たとえば、車両備品はパワーステアリング用ポンプ、空調システム用圧縮機、エアブレーキシステム用圧縮機、エンジン冷却液ポンプ、燃料ポンプまたはエンジン１４によって通常駆動される別の搭載機器（任意のアクセサリを含む）であってもよい。搭載機器アセンブリ９５は、オリジナル機器と平行に設置することができる。電子制御モジュール３８は、機器アセンブリ９５の動作を制御する。電子制御モジュール３８は、エンジンが停止モードにあるとき、オリジナル機器を動作する要望を検出して、エネルギ蓄積装置３４に蓄積したエネルギで機器アセンブリ９５を駆動するように構成される。

車両備品９８はまた、オリジナル機器の代わりとなることもできる。その場合には、電子制御モジュール３８は、オリジナル機器をエンジンモードとは独立して動作する要望を検出して、エネルギ蓄積装置３４に蓄積したエネルギで機器アセンブリ９５を駆動するように構成される。車両備品９８を、エンジン１４の回転とは切り離して、要望に応じて駆動し、エネルギ損失を低減することは、有益である。

燃費低減システム７００は、複数の機器アセンブリ９５を組み入れ、多数の車両備品９８を独立して駆動してもよい。

本明細書で述べた燃費低減システムは、たとえば車両の一般的な用途以外において、商用車を用いるにあたって有益であってもよい。たとえば、ゴミ収集車は緊急移動発電機として機能してもよい。生成されたエネルギを用いて、移動気象観測ステーション、移動通信アンテナ、道路条件を評価するシステム、交通／渋滞を評価するシステム、閉回路ビデオ監視システム、またはデータ／画像表示（たとえば広告または公開メッセージ）に電力を供給してもよい。さらに、燃費低減システムは、遠隔通信装置３９を利用し、商用車で収集した情報を外部データ収集センタに送信しえる。

前述の燃費低減システムは、車両が非常に低温度で放置され、エンジンを再始動するに際して従来の電池およびスタータがエンジンの再始動に不適切である条件下で、エンジンを再始動する際に適応されてもよい。

前述の代替実施形態の一部を詳細に記載したが、多くの修正が特許請求された主題から逸脱することなく実施されてもよいことが、当業者には理解されよう。

Claims (23)

1. 従来の内燃機関および伝動機構によって推進される商用車用エンジンアイドリングストップ燃費低減システムであって、前記システムは、
   ａ）低容量、急速充電、高サイクル寿命である電気エネルギ蓄積装置と、
   ｂ）前記エネルギ蓄積装置を電源とし、前記エンジンに結合するモータと、
   ｃ）前記エンジンに結合し、前記電気エネルギ蓄積装置を再充電するために接続する発電機と、
   ｄ）１または複数の動作条件に応答するコントローラであって、前記エンジンが停止しているときは、前記エンジンに結合する前記モータを起動することによって前記エンジンを再始動し、前記電気エネルギ蓄積装置が充電が必要な閾値レベルに到達しているときは、前記発電機を係合して前記電気エネルギ蓄積装置を再充電した後に、続いて前記エンジンを再度停止するコントローラと、
   を備えるシステムであって、
   ｅ）前記電気エネルギ蓄積装置はまた、
   ｉ）前記車両の搭載機器と、
   ｉｉ）前記車両に含まれる周辺機器と、
   ｉｉｉ）外部プラグイン電気機器用のソケットを備える電気アウトレット回路と、
   のうちの少なくとも一つに電力を提供する、システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記電気エネルギ蓄積装置は少なくとも１００万サイクルの特定のサイクル寿命を有する、システム。
3. 請求項１または２のいずれかに記載のシステムであって、前記電気エネルギ蓄積装置は、約１００から５００Ｗｈまでの間の特定の蓄積容量を有する、システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載のシステムであって、前記電気エネルギ蓄積装置は２分未満で再充電することができる、システム。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載のシステムであって、前記電気エネルギ蓄積装置は１から１０Ｗｈ／ｋｇまでのエネルギ密度を有する、システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載のシステムであって、前記電気エネルギ蓄積装置は１から１０ｋＷ／ｋｇまでの電力密度を有する、システム。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載のシステムであって、前記電気エネルギ蓄積装置はウルトラキャパシタである、システム。
8. 請求項１〜７のいずれか一つに記載のシステムであって、前記車両は油圧で起動される自動トランスミッションを備え、前記システムはさらに、
   ａ）圧縮したトランスミッション液を前記自動トランスミッションに供給可能なトランスミッション液ポンプと、
   ｂ）前記エネルギ蓄積装置を電源とし、前記トランスミッション液ポンプに機械的に接続するトランスミッション液ポンプモータと、
   ｃ）１または複数の動作条件に応答する前記コントローラであって、前記車両が停止しているときは前記エンジンを切り、前記トランスミッション液ポンプモータを用いて前記トランスミッション液ポンプを起動し、ドライビングギア内で前記トランスミッションの係合を維持するのに十分な圧力を前記トランスミッションに供給するコントローラと、
   ｄ）１または複数の動作条件にも応答する前記コントローラであって、前記エンジンに結合する前記モータを駆動することによって、前記トランスミッションは前記ドライビングギアで係合した状態で前記エンジンを再始動するコントローラと、
   を備える、システム。
9. 請求項１〜８のいずれか一つに記載のシステムであって、補助油圧システムモータを備え、前記補助油圧システムモータは、前記エネルギ蓄積装置を電源とし、前記車両の補助油圧システムのポンプに機械的に接続し、前記コントローラはまた、１または複数の動作条件に応答し、前記補助油圧システムモータを用いて前記補助油圧システムの前記ポンプを起動し、圧縮した作動液を前記補助油圧システムに供給する、システム。
10. 請求項９に記載のシステムであって、前記コントローラは１または複数の動作条件に応答し、前記エンジンが稼働しているか否かに関わらず、前記補助油圧システムモータを用いて前記補助油圧システムの前記ポンプを起動し、圧縮した作動液を前記補助油圧システムに供給する、システム。
11. 請求項１０に記載のシステムであって、前記補助油圧システムは、前記エンジンとの機械的接続によって駆動されるポンプを持たない、システム。
12. 請求項１〜１１のいずれか一つに記載の燃費低減システムであって、前記エンジンに結合する前記モータは、前記エンジンにパワーテイクオフ、クランクシャフトおよびフライホイールの一つを通じて接続し、選択的に始動トルクを前記内燃機関に提供するように操作可能である、システム。
13. 請求項１〜１２のいずれか一つに記載のシステムであって、前記電気エネルギ蓄積装置が最大貯蔵エネルギのうち約６０％を消費したとき、前記コントローラは、前記エンジンに結合する前記モータを起動し、それによって前記エンジンを再始動し、前記発電機を係合して、前記電気エネルギ蓄積装置を再充電する、システム。
14. 請求項１〜１３のいずれか一つに記載のシステムであって、前記電気エネルギ蓄積装置が最大エネルギ蓄積能力の約５５％から７０％に到達したとき、前記コントローラは、前記エンジンに結合する前記モータを起動し、それによって前記エンジンを再始動し、前記発電機を係合して、前記電気エネルギ蓄積装置を再充電した後に、前記コントローラは続いて前記エンジンを再度停止する、システム。
15. 請求項１〜１４のいずれか一つに記載のシステムであって、前記車両上に含まれ、前記電気エネルギ蓄積装置を電源とする周辺機器を備える、システム。
16. 請求項１５に記載のシステムであって、前記周辺機器は、移動気象観測ステーション、移動通信アンテナ、道路条件を評価するシステム、交通／渋滞を評価するシステム、閉回路ビデオ監視システム、および／またはデータ／画像表示のうち一つである、システム。
17. 請求項１〜１６のいずれか一つに記載のシステムであって、外部プラグイン電気機器用のソケットを有し、前記電気エネルギ蓄積装置を電源とする電気アウトレット回路を備える、システム。
18. 請求項１７に記載のシステムであって、前記電気アウトレット回路は、交流電力を送達するインバータを有する、システム。
19. 請求項１７に記載のシステムであって、前記電気アウトレット回路は直流−直流コンバータを有し、直流電力を前記電気エネルギ蓄積装置の電圧とは異なる電圧で送達する、システム。
20. 請求項１〜１９のいずれか一つに記載のシステムであって、前記電気エネルギ蓄積装置を電力源とする前記車両の搭載機器を備える、システム。
21. 請求項２０に記載のシステムであって、前記搭載機器は、前記車両の補助油圧システム用ポンプに機械的に接続するモータを備える、システム。
22. 請求項２０または２１に記載のシステムであって、前記搭載機器は、直流−直流コンバータを備え、直流電力を前記電気エネルギ蓄積装置の電圧とは異なる電圧で送達する、システム。
23. 請求項１〜２２のいずれか一つに記載のシステムであって、前記コントローラは厳しい低温条件に応答し、前記車両の従来の電池およびスタータが前記エンジンを再始動できないとき、前記エンジンに結合する前記モータを起動し、前記エンジンを再始動する、システム。

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