JP2015083461A - ハイブリッド電気車両およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】航続距離はより長く、バッテリパックがより小型で、化石燃料をほとんど使用しないより軽量なハイブリッド電気車両を提供する。
【解決手段】電気モータ１０と、各々少なくとも１つのバッテリパック１４、コンデンサバンク１６、発電機１８、エンジン２０と、少なくとも１つのバッテリパック１４と少なくとも１つのコンデンサバンク１６と少なくとも１つのエンジンとに結合される制御装置とを備え、電力系統は、各々少なくとも１つのバッテリパック１４、コンデンサバンク１６、発電機１８と、少なくとも１つのバッテリパック１４と、少なくとも１つのコンデンサバンク１６と少なくとも１つの発電機とに結合される制御装置とを備える。さらに、改良型ギアボックスが開示されており、遊星ローラ装置と、出力軸に結合された制御機構とを備える。
【選択図】図１

Description

本出願は、米国特許仮出願シリアル番号６１／０２８３５３号明細書、２００８年２月１３日出願の優先権を主張するＰＣＴ出願であり、該仮出願の全体は参照により本明細書内に組み込まれる。

本明細書で記載されている主題の分野は、ハイブリッド電動車両、その部品設計、および関連技術である。

近年、ガソリンコストの高騰、長い通勤時間、交通渋滞、温室効果ガス放出や外国産石油の使用による影響に対する国民意識の高まりにより、既存の電気車両およびハイブリッド電気車両およびそのコンセプトカーは共に人気を集めている。

国内原油を掘削するには、急速な需要を満たすだけの回収原油を加工するのに十分な設備または精製装置がないのが現実である。回収された原油は少なくとも８年間は公共消費できる状態にはない。外国産石油輸入と国内石油製造とのギャップを埋めるのに使用される２つの他の選択肢および新技術は、エタノールおよび圧縮天然ガスである。これらの燃料は共に、アメリカが外国の石油供給国に依存せざるをえない現状を打開するものである。しかし、いずれの燃料も温室効果ガスの放出や完全な再生可能エネルギー源の問題を解決するものではない。

エタノールは、米国では、南アフリカで製造されているエタノール糖とは対照的に、トウモロコシまたはスイッチグラスから製造されており、燃料添加物や直接燃料源として利用される。エタノール燃料はガソリンよりもクリーンであるが、エタノールを製造する工程には、例えば、トウモロコシをエタノールに変換するのに石炭を燃やすエタノール精製設備などの温室効果ガスの発生源がたくさんある。

圧縮天然ガス（ＣＮＧ）は、化石燃料源であり、米国では大量に発見されている。ＣＮＧはよりクリーンな燃焼燃料ではあるが、それでも温室効果ガスを発生する。ＣＮＧに関する技術革新の目的は、主に、ＣＮＧを回収すること、ＣＮＧに対応するために給油所を改修すること（この燃料源を貯蔵するのに必要なタンクはより大きいため）、ＣＮＧに対応できるエンジンを生産するために輸送生産ラインを一新すること、温室効果ガスの排気流を除去することの４つである。

自動車開発の分野の「至高の目的」は、消費者に無制限に車の選択肢を提供することであり、それと同時に、電気自動車の場合は、大幅に燃料効率を改善すること、無公害エンジンに移行すること、充電しないで長距離を移動できることである。自動車の購入者は収納スペース、電力、または運搬の容量がほとんどない、またはそれらがない小さな車を購入するのを強要されたくない。

また、開発者たちは、例えば、太陽光やタービンなどの新規の発電源を利用して新型エンジンに電力を供給している。これらの発電源は共に再生可能であり、回収、精製、生産の複雑な工程に依存しないのは明らかである。この特別な技術における重要な革新は、ソーラーパネルおよび部品の効率やサイズを改善し、同時にタービン開発を促進するものである。これらの技術革新は、すでに大規模のソーラー発電や風力発電と共に使用されている。

発電ができ、バックアップ電力の貯蔵がされれば、次の段階は自動車愛好家にこれらの新型の自動車の運転に関して夢中になる動機を与えることである。この夢中になる理由のほとんどは、性能を損なうことなく、さまざまな地形にわたって電力を使って迅速に移動できる能力にある。

「理想的な車両」の概念を一般の消費者のために実現できるほど技術が十分に発達した。「理想的な車両」は、風、波、または太陽などの無制限に再生可能な発電源によって電力が供給される。風や波の場合、これらの発電源の各々は、車両のバッテリを充電するのに使用される電気を生成するのに利用されることができる。理想的な車両は、上述したように、自動車の購入者が購入したいと思う車両であればどのようなタイプも可能である。消費者がＳｕｂｕｒｂａｎまたはＨｕｍｍｅｒなどの大型ＳＵＶを購入したい場合、ハイブリッド電気または電気自動車で、パワフルで、充電間の走行距離が長い自動車にするべきである。また、これらの車は、無公害自動車であり、一方的に電力や電気を消費するのではなく、必要であれば家庭やその他の設備に電力を供給することができる。

研究者たちが新型で改良型のエンジンの開発し続ける際に、焦点とされるいくつかの分野がある。それは、性能、効率、使いやすさである。性能は、ドライバからのより多くの電力の「要求」に対して車両（自動車、オートバイ、ボートのいずれでも）がどのように反応するかによって評価されることができる。ドライバが迅速に加速したいか、または一定の速度で坂を上りたいかいずれにしても、エンジンを製造し、および／または改良するときに性能は重視すべき点である。効率は、性能に関連し、貯蔵されたエネルギーがどの程度運動エネルギーに変換されるか、およびどの程度熱として失われるかによって評価される。最後に、使いやすさは、エンジンと関連機器が製造しやすいか、設置しやすいか、消費者によるメンテナンスがしやすいかに関係する。これら全ての部品特性は、新型エンジン技術の設計、開発、製造のときに考慮され、調整されるべきである。

Ｔｅｓｌａ Ｍｏｔｏｒｓ製のＴｅｓｌａ Ｒｏａｄｓｔｅｒのような電気車両は、特定の利点がある。このような電気車両は、温室効果ガスを発生しない「無公害」車両と見なされている。しかしながら、従来の電気車両には一定の限界がある。最も大きいのは、電気車両の走行範囲がバッテリ容量およびバッテリの長い再充電時間によって制限される点である。鉛酸バッテリを使用する一般的な電気車両の走行範囲は、再充電が必要となるまでに、１００マイル未満である。ニッケル水素（ＮｉＭＨ）バッテリやリチウムイオンバッテリなどの高度なバッテリはより高容量であるが、それでも長距離の走行に使用することはできない。電気車両の別の欠点は、その電源である。電気車両は、温室効果ガスを発生しないが、発電所で生成されるエネルギーに依存する。これらの発電所の多くは温室効果ガスを発生し、発電所で生成された電力の多くは発電所から消費者に伝送される間に消耗されてしまう。

ハイブリッド電気パワートレイン（電気モータと内燃機関の組み合わせ）を使用することで電気車両の走行範囲の限界に対処できるが、燃料消費や温室効果ガス放出の問題には対処できない。従来のハイブリッド電気車両は、一般に、小型のガソリンエンジンと電気モータとを有する。電気モータ、ガソリンエンジン、またはこれら両方の組み合わせは、車両に動力を供給するのに使用されることができる。したがって、バッテリが低エネルギーの場合でも、車両はガソリンエンジンだけを使用して動作することができる。一般に、従来式のハイブリッド電気車両は、回生制動を使用してバッテリを充電する。

米国特許第４９７７８７３号明細書 米国特許第５１０９８１７号明細書 米国特許第５２９７５１８号明細書 米国特許第５４２１２９９号明細書 米国特許第６９５２０６０号明細書

従来のハイブリッド電気車両にはいくつかの欠点がある。まず、従来式のハイブリッド電気車両は、完全な内燃機関システム（エンジンとトランスミッションとを備える）と、電気モータシステム（発電機とバッテリと電気モータとを備える）との両方を有する。したがって、車両の重量は、電気車両または同じサイズのガソリンエンジンを備えたガソリン車両に比べて非常に重くなる。さらに、車両の製造コストは、内燃機関システムと電気モータシステムとの両方を備える必要があるために、高くなる。

電気車両と従来のハイブリッド電気車両とに共通する問題は、バッテリの重量およびコストである。両方のタイプの車両は、大型で重いバッテリパックを積まなければならない。さらに、連続的な充電および再充電のサイクルごとに、バッテリパックの容量は低下する。一般には、電気車両または従来式のハイブリッド電気車両のバッテリパックは、一定の使用期間後、例えば、１００，０００マイル走行した後に交換されなければならない。

したがって、上述の問題の全てを解決する特徴、すなわち、走行範囲がより長い、重量がより軽い、発電の効率がより高い、化石燃料をほとんど使用しないまたは全く使用しない、バッテリパックがより小型であるとの特徴を有するハイブリッド電気車両を製造することが理想である。

本明細書で説明されるハイブリッド電気車両は、電気モータと、少なくとも１つのバッテリパックと、少なくとも１つのコンデンサバンクと、少なくとも１つの発電機と、少なくとも１つのエンジンと、制御装置は少なくとも１つのバッテリパックと、少なくとも１つのコンデンサバンクと、少なくとも１つのエンジンとに結合される制御装置とを備える。

電力系統も開示され、電力系統は、少なくとも１つのバッテリパックと、少なくとも１つのコンデンサバンクと、少なくとも１つの発電機と、制御装置は少なくとも１つのバッテリパックと、少なくとも１つのコンデンサバンクと、少なくとも１つの発電機とに結合される制御装置とを備える。

さらに、遊星ローラ装置と出力軸に結合される制御機構とを備える改良型ギアボックスが開示されている。

本発明のハイブリッド電気車両の概念図である。 本発明のハイブリッド電気車両の制御装置の動作を示すフロー図である。 本発明のハイブリッド電気車両の概念図である。 本発明のハイブリッド電気車両の燃料気化システムを示す概念図である。

本明細書には、上述の問題の全てを解決する特徴、すなわち、走行範囲がより長い、重量がより軽い、発電の効率がより高い、化石燃料をほとんど使用しないまたは全く使用しない、バッテリパックがより小型であるとの特徴を有する電気車両が記載されている。

本明細書で説明されるハイブリッド電気車両は、電気モータと、少なくとも１つのバッテリパックと、少なくとも１つのコンデンサバンクと、少なくとも１つの発電機と、少なくとも１つのエンジンと、制御装置とを備え、制御装置は少なくとも１つのバッテリパックと、少なくとも１つのコンデンサバンクと、少なくとも１つのエンジンとに結合される。

電力系統も開示され、電力系統は、少なくとも１つのバッテリパックと、少なくとも１つのコンデンサバンクと、少なくとも１つの発電機と、制御装置とを備え、制御装置は少なくとも１つのバッテリパックと、少なくとも１つのコンデンサバンクと、少なくとも１つの発電機とに結合される。

さらに、遊星ローラ装置と出力軸に結合される制御機構とを備える改良型ギアボックスが開示されている。

図１は、本発明のハイブリッド電気車両の概念図である。車両１００は、２つの後輪７０と２つの前輪７１とを有する。車両１００はさらに、電気モータ１０と、制御装置１２と、バッテリパック１４と、コンデンサバンク１６と、発電機１８と、エンジン２０とを備える。車両１００はさらに、図１には図示されていないが、モータ車両によく見られる他の部品を備える。電気モータ１０は、リアディファレンシャル２６を介して後輪７０に機械的に接続される。リアディファレンシャル２６は、モータ１０と後輪７０とが約４．５：１のギア比であるギアを備える。この約４．５：１のギア比によって、車両１００は最高で１００マイル毎時で動作可能になる。エンジン２０は、発電機１８に機械的に接続され、発電機１８を駆動する。制御装置１２は、モータ１０、バッテリパック１４、コンデンサバンク１６、発電機１８、エンジン２０の各々に電気的に接続される。いくつかの実施形態では、コンデンサバンクは、本発明のバッテリパックに組み込まれる場合もあり、または別々にされる場合もある。

本発明の電気モータ１０は、制御装置１２からの制御信号に基づいて前輪７０を駆動する。本発明の制御装置１２は、電気モータ１０に電流を供給し、電気モータ１０に供給される電流のレベルを調節することで車両の速度を制御する。例えば、アクセル（図示せず）が車両１００の操作者によって踏まれると、制御装置１２は電気モータ１０に供給される電流を増加させ、電気モータ１０が前輪７０をより速く駆動する。本発明の制御装置１２は、バッテリパック１４およびコンデンサバンク１６の各々から電力を引き出し、またはバッテリパック１４およびコンデンサバンク１６の各々に電力を供給する。本発明の制御装置１２はさらに、エンジン２０の動作も制御する。本発明のエンジン２０は発電機１８に機械力を与え、発電機１８はエンジン２０によって与えられた機械力を制御装置１２に送られる電流に変換する。一実施形態では、発電機１８はさらに７５ｋＷオルタネータを備える。

本発明のエンジン２０は、以下の任意のものとすることができるが、これらに限定されない。すなわち、ガソリン内燃機関、ディーゼルエンジン、バイオディーゼルエンジン、タービンエンジン、Ｗａｎｋｅｌロータリエンジン、Ｂｏｕｒｋｅエンジン、ＥＣＴＡＮエンジン、Ｅ８５燃料を使用するエンジン、フレキシブル燃料エンジン（ガソリンまたはＥ８５燃料で動作するエンジン）、水素エンジン、エタノールエンジン、天然ガスエンジン、ジェット燃料タービンエンジン、水素燃料電池エンジン、燃料として植物油を使用する改質ディーゼルエンジン、蒸気エンジン、またはこれらの組み合わせが挙げられる。また、本発明のエンジン２０は、新規の燃料源または燃料の組み合わせで駆動するエンジンとすることもできる。その燃料は、例えば、水蒸気が高エネルギーの蒸気状態になるように電気や高周波を使用して水の分子構造を緩める（ｂｅｎｄ）ことによって生成される、または高効率の電解プロセスを使用して生成される水由来の燃料が挙げられる。

エンジンは、例えば、米国特許第４９７７８７３号明細書、米国特許第５１０９８１７号明細書、米国特許第５２９７５１８号明細書、米国特許第５４２１２９９号明細書に記載の触媒着火装置を使用する場合もある。当該触媒着火装置は、どのような電気着火システムとも併用されない。燃焼着火装置内の当該触媒着火源は、特別加工された金属体内に入れられており、金属体は主燃焼チャンバに近接するプレチャンバを形成する。金属体は、既存のスパークプラグまたはディーゼルインジェクタポートに係合し、そのためにエンジンを加工する必要がない。着火は、着火装置のプレチャンバ内で始まる。まず、圧縮工程のときに新鮮な混合燃料が着火源に接触すると、表面着火が始まる。触媒着火源には活性化エネルギーの低下を伴うために、表面着火は通常の気相着火の温度よりもはるかに低い温度で生じる。燃焼は、例えば、（ＣＯ、ＣＨＯ、ＯＨ、炭化水素）を生成し、このときに中間体種がプレチャンバ内で蓄積する。十分な温度が達成された後、圧縮により、多点均一な着火が得られる。その後、混合燃料が急速に着火装置の下のノズルから放出される。ノズルは極めて短い時間で火炎トーチを旋回させて燃焼チャンバ全体を覆わせ、そのことでエンジンは、従来のスパークプラグでは着火しにくいような極めて希薄な混合レベルで作動することができる。

一実施形態では、上述したようなロータリエンジンまたはＷａｎｋｅｌロータリエンジンが利用される。ロータリエンジンは、往復式ピストンエンジンよりも多くの利点がある。例えば、出力重量比が高いこと、実質的に振動がないこと、高ＲＰＭに耐えられること、バルブやコンロッドなどの往復運動部品がないこと、部品摩擦がないことで寄生損失が少ないこと、ロータに対して可動部品が２つだけであること、燃焼サイクルが長いこと、吸気口と排気口とが遮られないこと、事前着火の傾向が少ないこと、コンパクトで単純な構造であること、一定の低ＲＰＭでＢＳＦＣ（正味燃料消費率）が少ないことが挙げられる。

しかしながら、ロータリエンジンには、スポーツカーにとって最適なエンジンとなる１つの利点がある。それは、速やかに動力を伝達でき、全く振動がないことである。従来のエンジンでは、ピストンが最上部と最下部の完全停止の間に数メートル（フィート）／秒の速度まで加速されなければならず、これが１分当たり数千回も発生する。このことが、突発故障が発生するまでにエンジンが耐えられる回転の最大数を制限する。この従来のエンジンの制限要因は、ピストンの最高速度である。ロータリエンジンでは、ロータは連続的にハウジング内部で回転する。さらなる摩擦を生じさせる側方の力がなく、内部可動部品の慣性モーメントは周期的というより連続的である。本発明のロータリエンジンは、何の問題も面倒なこともなく、容易に１２０００回転／分に耐えることができる。

本発明の実施形態では、ロータリエンジンは、固有の欠点のない、例えば、高燃費でない動作条件下で使用されることができる。この最適化は、ＢＳＦＣ曲線の最低点を選び、それらの条件でのみエンジンを作動させることで達成される。排気や燃費に影響を及ぼす可能性のあるアイドリングまたは高ＲＰＭ動作サイクルはない。さらに、急速な負荷変動が避けられ、このことが、本明細書で説明される液相気相変化燃料システムとその後で高圧直接噴射式着火（ディーゼル）システムを使用することで燃料送達システムを極めて希薄な状態、特に一定の負荷およびＲＰＭの点に「調整可能」にする。その結果、非常に低燃費である特徴を有し、現在入手できるどんなものよりもはるかに優れた、非常に軽量でコンパクトな発電モジュールが得られる。

いくつかの実施形態では、本発明のロータリエンジンは、燃焼チャンバへの直接噴射および絞り板の除去によって改良されることができ、ポンピングロスを低減する。さらに、ロータリでは本質的に寄生摩擦損失が少ないことを考えれば、改良によりかなり有効で、さらに非常にコンパクトなエンジンが得られる。この方法は、Ｍｅｒｃｅｄｅｓ Ｂｅｎｚ Ｃ１１１のコンセプトロータリのコンセプトカー（１９６９年）（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｉｓｔｏｎｈｅａｄｓ．ｃｏｍ／ｄｏｃ．ａｓｐ？ｃ＝１０３＆ｉ＝６７３０）で使用するのは失敗に終わったが、噴射タイミングを制御するのに使用されるマイクロコントローラの反応速度が速くなかったので、成功しなかった。

いくつかの実施形態では、Ｗａｎｋｅｌタイプのロータリエンジンは、水素燃料で動作するように設計されてもよい。水素を使用することが、ロータリエンジンの固有の欠点のうちのいくつかを解決できる。例えば、不規則な燃焼チャンバの形状による不完全燃焼が挙げられる。水素は非常に速い火炎前面を伴って燃焼し、そのことで燃焼の起こらない場所がなくなる。そのエンジンの１つが、シングルロータに改造されたＭａｚｄａ １３Ｂエンジンである。エンジンは、一定の速度４０００ｒｐｍで作動される７５ｋｗのＤＣオルタネータに直接結合される。ガバナー／負荷制御は、電動絞り板によって行われる。ガス（天然ガス／水素）の実施形態では、本発明のエンジンは、空気取り入れ口に、Ｉｍｐｃｏ製のＥタイプのコンバータによって動力が供給されるボルテックスミキサを備える。一定の流量があれば、コンバータの第２段は３ｋｐａの一定の圧力で作動可能である、または第１段は０．６ｍｐａで作動可能である。当該エンジンは、全負荷で約４０ｋＷを維持しなければならないだけで、エネルギーの残りは本発明の熱回収システムから得られる。

本明細書で開示されている他のエンジンタイプの他に、半径方向流入層流ブレードエンジンが使用される場合もある。これは、圧縮機段とタービン段との両方が軸方向に離間した複数のディスクからなる。このタイプのタービンエンジンの設定は、「Ｇａｒｒｅｔ」タイプの圧縮機とタービンホイールとからなる従来の設計よりも大幅に利点がある。Ｇａｒｒｅｔタイプのタービンエンジンは、非常に狭い出力範囲（９５から１００％負荷）の最大効率でのみ作動する。また、Ｇａｒｒｅｔタイプのタービンエンジンは、非常に速い出力速度で動作しなければならない。タービンホイールは、ブレードが機能を保てる最大対気速度で制限される外周の最大角速度未満でのみ動作することができる。したがって、出力は、より高いｒｐｍとより小さい直径のブレードとによって得られる。

例えば、１３０ＨＰのＧａｒｒｅｔタービンエンジンは、６００００ｒｐｍの軸速度を有する。約５０００ｒｐｍの必要とされる出力速度に対してこの軸速度を機械的に低減することで、さらなる摩擦損失を引き起こし、さらに重量および複雑さを増大させる。今までは、狭い出力帯域および高ｒｐｍで低トルクの特性のために、タービンエンジンは自動車のエンジンとして使用するには実用的でなかった。しかしながら、層流マルチブレードディスクエンジンは、従来の自動車駆動系およびオルタネータの両方に対応する回転の最大トルクに適するように設計されることができ、摩擦損失や表面摩耗のない主可動部を１つだけ有する共通の単一軸構造のエンジンが得られる。層流エンジンは、従来の４ストロークのピストンエンジンの出力帯域に匹敵する広い出力帯域にわたって効率良く動作する。

本発明のいくつかの実施形態では、本発明のコンデンサバンク１６は、超コンデンサまたは電気化学二重層コンデンサとしても知られているウルトラコンデンサのバンクからなり、またはウルトラコンデンサのバンクを備える。本明細書で説明されるように、本発明のコンデンサバンクは、トリクル充電を利用して少なくとも１つのバッテリパックを充電することができる。

動作時には、本発明のエンジン２０は、発電機１８に一定量の機械力を与える高効率エンジンである。従来のガソリン車または従来のハイブリッド電気車両のエンジンは、毎分回転数（ＲＰＭ）に関しては、その出力は駆動条件に応じて変動する。したがって、従来のガソリンエンジンは、動力対燃料消費量比に関しては、準最適なＲＰＭで動作することが多い。一方、改良型のハイブリッド電気車両１００のエンジン２０は、エンジン２０の最適ポイントに調整された一定のＲＰＭで動作し、この場合、発電量と燃料消費量との比が最大になる。

本発明の発電機または発電機の組み合わせは、車両に動力を供給するこのハイブリッド電気システムにとって重要な構成要素の１つであり、このシステムでは、発電機または発電機の組み合わせは、任意の適切な効率の部品またはシステムを備えてもよい。本発明の発電機は、例えば、Ｔｅｓｌａタービンなどの種々のタービン、回転装置、単一のｒｐｍバージョンに調整された回転装置、またはその組み合わせを備えることができる。

本発明のエンジン２０は全ての機械力を発電機１８に向け、発電機１８はその機械力を電流に変換する。この発電方法は、機械力のかなりの部分は消耗され、回収不能となる、従来のハイブリッド電気車両で見られる回生制動を使用する方法よりもかなり効率が良い。したがって、動作時に、エンジン２０と発電機１８とが一緒になって制御装置１２に供給するための高効率の電流源を生成する。

エンジン２０は最適なＲＰＭに調整されるので、発電機１８は高レベルの電流を制御装置１２に供給することができる。しかしながら、バッテリパック１４の充電速度は、比較的遅い。したがって、発電機１８からの電流が直接バッテリパック１４を充電するのに使用される場合、充電速度がバッテリパック１４によって制限されるので、発電機１８によって生成されたエネルギーの多くは浪費されてしまう。したがって、車両の制御装置１２は、発電機１８からの電流を使用してコンデンサバンク１６を充電するので、ほぼ瞬時に充電できる。コンデンサバンク１６が完全に充電されると、制御装置１２はエンジン２０を止めて、コンデンサバンク１６に蓄積された電気エネルギーを使用してバッテリパック１４をトリクル充電する。

動作時に、本発明の制御装置１２は、バッテリパック１４から電力を引き出して車両１００を駆動する。また、制御装置１２は、バッテリパック１４のエネルギーレベルを周期的に監視する。バッテリパック１４のエネルギーレベルが所定の閾値未満になると、制御装置１２がエンジン２０に制御信号を送信してエンジン２０を作動させる。次に、エンジン２０は動作を開始し、（発電機１８を介して）電流を生成し、その電流を制御装置１２に供給する。制御装置１２は、その電流を使用してコンデンサバンク１６とバッテリパック１４との両方を充電する。コンデンサバンク１６が完全に充電されると、制御装置１２はエンジン２０に別の制御信号を送信してエンジン２０を止める。エンジン２０が停止された後、コンデンサバンク１６はトリクル充電によってバッテリパック１４の充電を継続する。したがって、車両１００のエンジン２０は、短時間だけ動作し、または必要に応じて過度の負荷状態での長時間、過度の負荷の持続時間動作し、エンジン２０によって生成された電気エネルギーのほぼ全ては完全に捕捉される。このように、車両１００は少なく燃料を使用して、効率良く作動することができる。

ほとんどの動作条件では、本発明のバッテリパック１４は、車両１００の動作を維持するのに十分な電力を供給する。しかしながら、車両１００が瞬間的に電力を必要とする状況では（例えば、急加速のときまたは急勾配の上り坂を登るとき）、制御装置１２は、短時間コンデンサバンク１６から電力を引き出し、またはエンジン２０を作動させてバッテリパック１４からの電力を補う。本発明の制御装置は、必要に応じてバッテリパックとコンデンサとを充電する。

いくつかの実施形態では、本発明の改良型ギアボックスが使用されることができる。このギアボックスは、発電機から電気モータに直接電力を変換して調節し、このことが電気車両の電力および推進力に関する多くの問題を解決する。１つ重要なのは、エンジン、オルタネータ、電気駆動モータが常に最適な出力帯域内で動作することであり、このことで全体に最適なシステム効率が得られる。このために重要なのは、改良型のギアボックスであり、このギアボックスは、内部伝送損失が最小である無限可変ギアボックスとしてもよい、または無限可変ギアボックスを備えてもよい。１つの本発明のギアボックスは、速度制御力を損失なしに出力軸に返す制御機構とともに遊星ローラ装置を備える。本発明の実施形態は、２つ以上の改良型ギアボックスを備えてもよい。例えば、１つはエンジンとオルタネータとの間、１つは駆動モータ（複数可）と車輪との間に備えてもよい。これらの複数のギアボックスにより、全ての部品の効率帯は所望の最適な範囲で最大になる。

さらに、この本発明の全体の設計は、主な動力源としてバッテリに依存する固有の問題を解決する。バッテリは、再生可能ではなく、通常の使用で２００から３００マイルより長く充電がもたない上に、環境に優しくない。特に、電気ギアボックスは、回転機械態様を使用して通常の３から６レベルよりも無限量のギアを送る電気機械装置であり、その結果、車輪への動力量を常に変化させると同時に、（ロータリ／タービン装置が使用される場合）動力源は最も燃費の良いｒｐｍで一定に保たれる。また、電気ギアボックスは電気モータ制御装置に差し替えられるが、非常に費用がかかる。本発明のギアボックスは、既存のギアボックスからの改良型でもよいし、または必要に応じて車両用に特注設計され、および／または作られてもよい。

一実施形態では、車両１００はさらに、回生制動システム２２を備える。回生制動システム２２は、前輪７０でブレーキに接続し、車両１００の動作時に電流を制御装置１２に供給する。いくつかの実施形態では、車両１００は再生式衝撃吸収システム（図示せず）を備え、再生式衝撃吸収システムは回生制動と併用されることができ、または回生制動の代替として使用されることができる。再生式衝撃吸収システムは、衝撃吸収システムの１つのタイプであり、寄生間欠線形運動および振動を、電気などの有用なエネルギーに変換する。このタイプのシステムは、米国特許第６９５２０６０号明細書に開示されている。この内容全体は参照により本明細書内に組み込まれる。従来の衝撃吸収材は、単にこのエネルギーを熱として放散する。いくつかの実施形態では、動的制動システムと従来の衝撃吸収システムとによって生成された熱が「再利用」され、利用されて車両のエネルギーを生成する場合がある。

別の実施形態では、車両１００はさらに、制御装置１２に電気的に接続される外部インタフェース２４を備える。このことにより、車両１００は車両１００が動作中でないときに車両の所有者がバッテリパック１４とコンデンサバンク１６とを充電できる「プラグインハイブリッド」として使用可能になる。車両１００の所有者は、車両が使用中でないときに、例えば夜間にバッテリパック１４を充電できる。その後、所有者はバッテリがほとんど消費されるまで車両を一定距離（例えば、約１００マイル）運転することができる。このとき、制御装置１２は、コンデンサバンク１６を充電するために周期的にエンジン２０を作動させ、その後バッテリパック１４をトリクル充電する。このようにして、車両１００は非常に少ない燃料を使用して長距離駆動されることができる。

あるいは、外部インタフェース２４は、バッテリ１４から、または直接発電機１８から、共に制御装置１２を介して電源を供給するのに使用されてもよい。したがって、車両１００は非常発電機として使用されるか、車両１００が動作中でないときに逆に電力網に電力を供給するのに使用されることができる。水由来の燃料が使用される場合、水燃料からの排気が閉鎖されたガレージ内でも環境に悪影響を与えないので、自動車は、空気汚染のリスクなしに、一晩そのまま置かれて、屋内にある間、家に電力を供給して電力網を充電することができる。

図２は、制御装置１２の動作を示すフロー図である。ステップＳ１では、制御装置１２は、バッテリパック１４のエネルギーレベルを周期的にチェックする。バッテリパック１４の充電レベルが所定閾値より上である場合、何の動作もなされない。バッテリパック１４の充電レベルが閾値より下である場合、制御装置１２はコンデンサバンク１６の充電レベルをチェックする（ステップＳ２）。コンデンサバンク１６の充電が消耗されてない場合、制御装置１２はコンデンサバンク１６から電流を引き出して、バッテリパック１４をトリクル充電する（ステップＳ３）。コンデンサバンク１６が消耗されている場合、制御装置１２は制御信号をエンジン２０に送信して、エンジン２０を作動させる（ステップＳ４）。次に、制御装置１２はエンジン２０と発電機１８とによって生成された電流を使用して、コンデンサバンク１６を充電する（ステップＳ５）。コンデンサバンク１６が完全に充電されると、制御装置１２は第２の信号をエンジン２０に送信してエンジン２０を止める（ステップＳ５）。次に、制御装置１２は、コンデンサバンク１６を使用してバッテリパックを充電する（ステップＳ２、Ｓ３）。

一実施形態では、制御装置１２はさらに、上述の機能を実行するようにプログラムされたマイクロコンピュータを備える。制御装置は、アナログベースとしてもよいし、または任意の適切な技術に基づいたものとしてもよい。

上述の車両１００にはいくつかの利点がある。まず、車両１００は従来のハイブリッド電気車両に比べてより効率がよいことである。それは、エンジン２０が最適ポイントのみで動作し、エンジン２０によって生成されるほとんど全てのエネルギーが捕捉されるためである。第２に、従来のハイブリッド電気車両に比べて、車両１００の重量および製造コストが低いことである。それは、完全な内燃機関システムを設置する必要がない、つまり内燃機関エンジンのトランスミッションのような部品が必要でなくなるためである。電気車両に比べて、車両１００の走行範囲はバッテリ容量に制限されない。車両１００の走行範囲がバッテリパック１４の容量によって制限されないので、バッテリパック１４のサイズや重量が従来の電気車両のバッテリパックよりも低減されることができる。

図３は、本発明のハイブリッド電気車両３００を示す図であり、図１のハイブリッド電気車両１００とは、エンジン発電機の統合ユニット１９を有する点で異なる。

エンジン発電機の統合ユニット１９は、液体燃料またはガス燃料エンジン１９１と、ラムジェット１９３と、オルタネータ１９５とを備える。エンジン１９１は、熱を生成し、熱をラムジェット１９３に供給する。ラムジェット１９３は、Ｔｅｌｓａ式蒸気タービンを使用して熱を機械力に変換し、オルタネータ１９５はラムジェット１９３によって生成された機械力を電流に変換する。一実施形態では、オルタネータ１９５は、７５ｋＷのオルタネータである。エンジン発電機の統合ユニット１９は、燃料からのエネルギーを電気に変換するのに９０％の効率を達成することができる。車両３００の残りの部分は、上述の車両１００と同じように動作する。

図４は、本発明のハイブリッド電気車両のＥ８５エンジン（またはフレキシブル燃料エンジン）の燃料気化システム２００を示す概念図である。Ｅ８５燃料（エタノールとガソリンとの混合燃料）を使用するエンジンはＥ８５燃料をクリーンに燃焼しない場合が多い。燃料気化システム２００は、燃料がエンジンの取り入れ口２２０に入る前に燃料を気化して燃料に酸素注入することによってエンジンの効率を改善する。

燃料気化システム２００は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）２１６と、加熱バルブ２１０と、加熱チャンバ２１２とを備える。ＥＣＵ２１６は、種々の燃料センサ、排気温度センサ、冷媒温度センサ（全て図示せず）からの読み出しを受け取って、加熱バルブ２１０を調節する。加熱バルブ２１０は、熱導体２２２を介して排気マニホールド２１４に接続される。熱導体２２２は、加熱空気の流れによって熱を排気マニホールド２１４から加熱バルブ２１０へと導く。その後、加熱バルブ２１０は排気マニホールド２１４から受け取られた熱を加熱チャンバ２１２へと導く。液体燃料は燃料タンク（図示せず）から燃料パイプ２２４を介して燃料噴射装置２２８へと流れる。燃料噴射装置２２８は、燃料の流れを調整し、エンジンサイクルごとに一定量の燃料を加熱チャンバ２１２へと噴射させる。加熱チャンバ２１２は、燃料噴射装置２２８から噴射される燃料の気化を促進するために表面積が拡大されている。一実施形態では、加熱チャンバ２１２の長さは、燃料噴射装置２２８からの燃料を十分に気化するのに十分な表面積になるように１２インチである。動作時に、ＥＣＵ２１６は、加熱バルブ２１０を制御して、熱量が排気マニホールド２１４から熱導体２２２と加熱バルブ２１０とを通って、加熱チャンバ２１２へと導かれるようにする。その後、加熱チャンバ２１２は、燃料噴射装置２２８によって噴射された燃料を十分に加熱して、燃料を気化させ、気化燃料を燃料パイプ２２６の別の部分を介してエアフィルタ２１８と取り入れ口２２０との間の経路に噴射する。気化燃料は、エンジンの取り入れ口２２０に到達する前に十分に酸素注入されるように、エアフィルタ２１８からの空気と混合される。ＥＣＵ２１６は、種々のセンサからの読み出しを使用して加熱バルブ２１０を調整して、加熱チャンバ２１２の温度が燃料の気化点より高いが、燃料の引火点より低く保たれるようにする。

燃料はエンジン室に到達する前に完全に気化されて酸素注入されるので、燃料気化システム２００を有するエンジンは、このようなシステムを持たない従来のエンジンより効率良く、クリーンに燃料を燃焼する。燃料効率の改善に加えて、燃料気化システム２００は、確実に燃料が完全に燃焼されるようにして、環境に有害な排気物質、例えば、一酸化炭素や炭素煤を低減する。

図３の燃料気化システム２００の原理は、液体燃料を使用する任意のエンジン、例えば、ガソリン内燃機関、ディーゼル内燃機関、またはジェット燃料タービンエンジンにも適用できる。

別の実施形態では、独立型の気相燃料システムを特徴とする熱回収システムが利用される場合がある。多くの実施形態では、システムはすぐに３０％の燃料節約ができる。この気相燃料システムは、車両のロータリエンジンシステムには特に理想的である。他の実施形態では、別個のバイオディーゼル噴射装置が気相燃料システムに結合されて、完全なディーゼルモードで作動するようにもできる。これらの実施形態では、エンジンはディーゼル燃料、バイオディーゼル燃料、脂肪ディーゼル燃料、ガソリン、エタノール、プロパン、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、または任意の適切な燃料源で作動することができる。

本主題の範囲や精神の範囲内で種々の変更、調整、または代替形態がなされてもよいことは理解すべきである。例えば、本発明のハイブリッド電気車両は、前輪駆動、４輪駆動、車輪の任意の他の組み合わせによる駆動、または複数の電気モータによる駆動も可能である。また、本発明のハイブリッド電気車両は、最新のリチウムイオン電池を使用することも可能であり、非常に速く充電できるのでバッテリパックとコンデンサバンクとの両方を使用する必要がない。さらに、燃料気化システムは、従来の内燃機関車両または、従来のハイブリッド電気車両において使用されることができる。

このように、ハイブリッド電気車両の特定の実施形態や応用および製造方法が開示されている。しかしながら、本発明の概念から逸脱せずに、すでに上述した以外のもっと多くの変更が可能であることは当業者には明らかである。したがって、本主題は、本開示の精神の範囲を除いて制限されるものではない。さらに、本開示を解釈する際に、全ての用語は文脈に一致する可能な限り広範囲の意味で解釈されるべきである。特に、用語「備える」や「備えている」は、要素、部品、またはステップを非排他的に指し、言及した要素、部品、またはステップが存在し得ることを示し、明確に言及されていない他の要素、部品、もしくはステップを利用し、または組み合わせることと解釈されるべきである。

Claims (24)

1. 電気モータと、
   少なくとも１つのバッテリパックと、
   少なくとも１つのコンデンサバンクと、
   少なくとも１つの発電機と、
   少なくとも１つのエンジンと、
   少なくとも１つのバッテリパックと少なくとも１つのコンデンサバンクと少なくとも１つのエンジンとに結合される制御装置とを備える、ハイブリッド電気車両。
2. 少なくとも１つのエンジンは、ガソリン内燃機関、ディーゼルエンジン、バイオディーゼルエンジン、タービンエンジン、Ｗａｎｋｅｌロータリエンジン、Ｂｏｕｒｋｅエンジン、ＥＣＴＡＮエンジン、Ｅ８５燃料エンジン、フレキシブル燃料エンジン、水素エンジン、エタノールエンジン、天然ガスエンジン、ジェット燃料タービンエンジン、水素燃料電池エンジン、改質ディーゼルエンジン、蒸気エンジン、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
3. 少なくとも１つのコンデンサバンクが、少なくとも１つのウルトラコンデンサを備える、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
4. 回生制動装置、再生式衝撃吸収装置、またはこれらの組み合わせをさらに備える、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
5. 外部インタフェースをさらに備える、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
6. 外部インタフェースが非常発電機を備える、請求項５に記載のハイブリッド電気車両。
7. 外部インタフェースが充電機構を備える、請求項５に記載のハイブリッド電気車両。
8. 充電機構が、少なくとも１つのバッテリパックに結合される、請求項７に記載のハイブリッド電気車両。
9. 少なくとも１つの発電機が、少なくとも１つのタービン、少なくとも１つの回転装置、単一のｒｐｍバージョンに調整された回転装置、またはこれらの組み合わせを備える、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
10. 少なくとも１つのコンデンサバンクが、トリクル充電によって少なくとも１つのバッテリパックを充電する、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
11. エンジンが、ガソリン、ディーゼル燃料、バイオ燃料、脂肪燃料、天然ガス、圧縮天然ガス、水素燃料、水由来燃料、エタノール、フレックス燃料、ジェット燃料、またはこれらの組み合わせを利用して作動される、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
12. 触媒着火装置をさらに備える、請求項１に記載のハイブリッド電気車両。
13. 少なくとも１つのバッテリパックと、
    少なくとも１つのコンデンサバンクと、
    少なくとも１つの発電機と、
    少なくとも１つのバッテリパックと少なくとも１つのコンデンサバンクと少なくとも１つの発電機とに結合される制御装置とを備える、電力系統。
14. 少なくとも１つの改良型ギアボックスをさらに備える、請求項１３に記載の電力系統。
15. 少なくとも１つのコンデンサバンクが、少なくとも１つのウルトラコンデンサを備える、請求項１３に記載の電力系統。
16. 少なくとも１つのコンデンサバンクが、トリクル充電によって少なくとも１つのバッテリパックを充電する、請求項１３に記載の電力系統。
17. 電力系統が少なくとも１つのエンジンに結合される、請求項１３に記載の電力系統。
18. 少なくとも１つのエンジンが、ガソリン内燃機関、ディーゼルエンジン、バイオディーゼルエンジン、タービンエンジン、Ｗａｎｋｅｌロータリエンジン、Ｂｏｕｒｋｅエンジン、ＥＣＴＡＮエンジン、Ｅ８５燃料エンジン、フレキシブル燃料エンジン、水素エンジン、エタノールエンジン、天然ガスエンジン、ジェット燃料タービンエンジン、水素燃料電池エンジン、改質ディーゼルエンジン、蒸気エンジン、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１７に記載の電力系統。
19. 請求項１３に記載の電力系統を備える、運搬車両。
20. 車両が、自動車、トラック、スポーツ多目的車両、ボート、オードバイまたは乗用車を含む、請求項１９に記載の運搬車両。
21. 遊星ローラ装置と、
    出力軸に結合された制御機構とを備える、改良型ギアボックス。
22. 請求項２１に記載の改良型ギアボックスを少なくとも１つ備える、電力系統。
23. 請求項２１に記載の改良型ギアボックスを少なくとも１つ備える、運搬車両。
24. 車両が、自動車、トラック、スポーツ多目的車両、ボート、オートバイ、または乗用車を含む、請求項２３に記載の運搬車両。

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