DE102011017260A1 - Method for determining deceleration strategy of vehicle with electric drive during deceleration process, involves braking vehicle on predetermined section of speed to another reduced speed - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechend ausgestaltete Vorrichtung zur Ermittlung einer Strategie um ein Elektrofahrzeug mit Energierückspeisung zu verzögern und dabei gleichzeitig den Fahrkomfort zu berücksichtigen.The present invention relates to a method and a correspondingly configured device for determining a strategy to delay an electric vehicle with energy recovery while taking into account the ride comfort.
Nach dem Stand der Technik kann die Fahrstrategie eines Fahrzeugs welches von einem vorgegebenem Standort zu einem bestimmten Zielort gelangen soll, nach verschiedenen Gesichtspunkten bestimmt werden. Dabei kann über die entsprechende Strategie das Fahrzeug beispielsweise in einer kürzestmöglichen Zeit oder mit einem minimalen Energie- oder Kraftstoffverbrauch zum Ziel gelangen. Zusätzlich können noch Kriterien hinsichtlich Fahrkomfort oder Sicherheit bei der Bestimmung einer Fahrstrategie berücksichtigt werden.According to the prior art, the driving strategy of a vehicle which is to arrive from a given location to a specific destination can be determined in various ways. In this case, the vehicle can reach the destination via the corresponding strategy, for example in the shortest possible time or with minimum energy or fuel consumption. In addition, criteria regarding ride comfort or safety can be taken into account when determining a driving strategy.
Insbesondere bei Elektrofahrzeugen spielt dabei auch die Berücksichtigung von Verzögerungsvorgängen, bei denen die Geschwindigkeit des Fahrzeugs durch Bremsen reduziert wird, eine Rolle, da hier die Bremsenergie, d. h. die zu verringernde kinetische Energie des Fahrzeugs, teilweise über einen Generator und eine Batterie zurückgewonnen werden kann. Dabei kann beispielsweise der elektrische Antrieb des Fahrzeugs so eingestellt werden, dass während des Verzögerungsvorganges der Elektromotor im generatorischen Betrieb einen Teil der Bremsenergie in Form elektrischer Energie in die Batterie des Fahrzeuges zurückspeist.The consideration of deceleration processes, in which the speed of the vehicle is reduced by braking, also plays a role, particularly in the case of electric vehicles, since here the braking energy, that is to say the braking energy, is used. H. the kinetic energy of the vehicle to be reduced, can be partially recovered by a generator and a battery. In this case, for example, the electric drive of the vehicle can be adjusted so that, during the deceleration process, the electric motor in regenerative operation feeds back part of the braking energy in the form of electrical energy into the battery of the vehicle.
Ein Verzögerungsvorgang für ein Fahrzeug entlang eines Streckenabschnittes kann beispielsweise über zwei Geschwindigkeitswerte und zwei Ortspositionen vorgegeben werden. Die zu einem aktuellen Zeitpunkt gefahrene Geschwindigkeit an einem bestimmten Ort kann dabei beispielsweise den ersten Geschwindigkeitswert und die erste Ortsposition definieren. Alternativ kann auch ein Verzögerungsvorgang für einen weiter entfernt liegenden Streckenabschnitt prognostiziert werden, wobei am Anfang dieses Streckenabschnittes eine erste Geschwindigkeit angenommen wird. An einem bestimmten Punkt entlang der zu fahrenden Strecke kann eine bestimmte Geschwindigkeit, welche geringer ist als die aktuelle Geschwindigkeit, einzuhalten sein, so dass ein Verzögerungsvorgang einzuleiten ist. Dabei definiert dieser bestimmte Punkt die zweite Ortsposition, und die bestimmte Geschwindigkeit definiert den zweiten Geschwindigkeitswert. Beispielsweise kann dieser bestimmte Punkt die Position eines Schildes zur Geschwindigkeitsbegrenzung darstellen. Der Verzögerungsvorgang des Fahrzeuges kann nun auf unterschiedliche Weise so erfolgen, dass jedes Mal an der zweiten Ortsposition die Geschwindigkeit des Fahrzeuges genau dem vorgeschriebenen Wert entspricht. Beispielsweise kann das Fahrzeug mit einer konstanten Verzögerung abgebremst werden. Alternativ könnte die Verzögerung des Fahrzeugs während des Verzögerungsvorganges so eingestellt werden, dass das Fahrzeug erst kurz vor erreichen der zweiten Ortsposition mit einem relativ starken Verzögerungswert abgebremst wird, um so die Strecke von der ersten Ortsposition zur zweiten Ortsposition in möglichst kurzer Zeit zurückzulegen. Jedes Mal ist dabei der Verlauf der Verzögerung so zu bestimmen, dass an der zweiten Ortsposition die Geschwindigkeit dem vorgegebenen Wert entspricht.A deceleration process for a vehicle along a route section can be predefined, for example, via two speed values and two location positions. The speed traveled at a current point in time at a specific location can define, for example, the first speed value and the first spatial position. Alternatively, it is also possible to predict a deceleration process for a route section located further away, wherein a first speed is assumed at the beginning of this route section. At a certain point along the route to be traveled, a certain speed, which is less than the current speed, must be complied with, so that a deceleration process must be initiated. Here, this particular point defines the second location position, and the determined speed defines the second speed value. For example, this particular point may represent the position of a speed limit sign. The deceleration process of the vehicle can now be carried out in different ways so that each time at the second spatial position, the speed of the vehicle corresponds exactly to the prescribed value. For example, the vehicle can be braked with a constant deceleration. Alternatively, the deceleration of the vehicle during the deceleration process could be set so that the vehicle is decelerated just before reaching the second position with a relatively strong deceleration value so as to cover the distance from the first position to the second position position in the shortest possible time. Each time the course of the delay is to be determined so that at the second location position, the speed corresponds to the predetermined value.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Fahrstrategie für ein Elektrofahrzeug speziell hinsichtlich eines Verzögerungsvorganges gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für einen geforderten Verzögerungsvorgang entlang einer Strecke bei dem das Fahrzeug von einer höheren auf eine vorgegebene niedrigere Geschwindigkeit abgebremst werden soll, eine Verzögerungsstrategie zu ermitteln, so dass sich ein optimierter Verlauf der Geschwindigkeit bzw. der Verzögerung des Fahrzeugs während dieses Vorgangs ergibt. Dieser Verlauf soll insbesondere die generatorische Rückspeisung der Bremsenergie über den Generator des Fahrzeugs in die Batterie so gestalten, dass eine möglichst große Energie in der Batterie rückgespeichert werden kann. Gleichzeitig soll eine solche zu ermittelnde Verzögerungsstrategie zusätzliche Parameter hinsichtlich Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung berücksichtigen, um während des Verzögerungsvorganges gleichzeitig den Fahrkomfort zu maximieren oder hierfür einen bestimmte Vorgabe einzuhalten.It is the object of the present invention to improve the driving strategy for an electric vehicle especially with regard to a deceleration process compared with the prior art. In particular, it is an object of the present invention to determine a deceleration strategy for a required deceleration process along a route in which the vehicle is to be decelerated from a higher to a predefined lower speed, so that an optimized course of the speed or the deceleration of the vehicle during this process. This course is intended in particular to design the regenerative regeneration of the braking energy via the generator of the vehicle in the battery so that the largest possible energy can be stored in the battery. At the same time, such a deceleration strategy to be determined should take account of additional parameters with regard to speed and / or acceleration in order to simultaneously maximize ride comfort during the deceleration process or to adhere to a specific specification for this purpose.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Ermittlung einer optimalen Verzögerungsstrategie eines Elektrofahrzeugs bei einem Verzögerungsvorgang nach Anspruch 1, durch eine Vorrichtung zum automatischen kontrollierten Verzögern eines Elektrofahrzeugs nach Anspruch 10 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 16 gelöst. Die Unteransprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.According to the invention, this object is achieved by a method for determining an optimal deceleration strategy of an electric vehicle in a deceleration process according to
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Verzögerungsstrategie für einen Verzögerungsvorgang eines Fahrzeuges mit Elektroantrieb bereitgestellt. Bei diesem Verzögerungsvorgang soll das Fahrzeug auf einem vorgegebenen Streckenabschnitt von einer ersten Geschwindigkeit auf eine zweite reduzierte Geschwindigkeit abgebremst werden. Die Verzögerungsstrategie beschreibt dabei einen Verlauf der Geschwindigkeit während des Verzögerungsvorganges, wobei das Fahrzeug über eine Energierückspeisung mittels eines Generators abgebremst wird und wobei der Generator Bremsenergie als elektrische Energie in eine Batterie speist.In the context of the present invention, a method for determining a deceleration strategy for a deceleration process of an electric vehicle is provided. In this deceleration process, the vehicle is to be braked on a predetermined section of a first speed to a second reduced speed. The deceleration strategy describes a course of the speed during the deceleration process, wherein the vehicle is decelerated via an energy recovery by means of a generator and the generator feeds braking energy as electrical energy into a battery.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei insbesondere eine Bestimmung der Verzögerungsstrategie basierend auf einem Wirkungsgrad des Generators und einem Rückspeisewirkungsgrad der Batterie. Der Wirkungsgrad des Generators hängt dabei von der ihm über die Generatorwelle zugeführten mechanischen Leistung ab. Die mechanische Leistung lässt sich aus dem Produkt der Drehzahl und dem Drehmoment der Generatorwelle berechnen. Die Drehzahl und das Drehmoment an der Generatorwelle wiederum lassen sich über die Getriebeübersetzung in eine Drehzahl und ein Drehmoment an der Fahrzeugachse umrechnen, so dass die mechanische Leistung, die dem Generator zugeführt wird beispielsweise aus der Geschwindigkeit und der Verzögerung des Fahrzeuges bestimmt werden kann. Der Rückspeisewirkungsgrad der Batterie hängt vom Ladezustand der Batterie und der über den Generator in die Batterie rückgespeisten elektrischen Leistung ab. Beispielsweise sinkt mit abnehmendem Ladezustand der Batterie auch ihre Klemmenspannung. Daher benötigt man zum Rückspeisen einer bestimmten Leistung bei abnehmendem Ladezustand einen erhöhten Strom. Dieser erhöhte Strom wiederum hat höhere Verluste in der Batterie zur Folge, so dass der Rückspeisewirkungsgrad bei abnehmendem Ladezustand abnimmt.In particular, the method according to the invention comprises a determination of the delay strategy based on an efficiency of the generator and a feedback efficiency of the battery. The efficiency of the generator depends on the mechanical power supplied to it via the generator shaft. The mechanical power can be calculated from the product of the speed and the torque of the generator shaft. The rotational speed and the torque on the generator shaft in turn can be converted via the gear ratio into a rotational speed and a torque on the vehicle axle, so that the mechanical power supplied to the generator can be determined, for example, from the speed and deceleration of the vehicle. The regenerative efficiency of the battery depends on the state of charge of the battery and the electrical power fed back into the battery via the generator. For example, decreases as the state of charge of the battery and their terminal voltage. Therefore, one needs to return a certain power with decreasing state of charge an increased current. This increased current in turn results in higher losses in the battery, so that the recovery efficiency decreases with decreasing state of charge.
Bei dem Fahrzeug kann es sich dabei entweder um ein reines Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln, welches einen elektrischen Antrieb und eine Batterie zur Energiespeicherung, sowie einen zusätzlichen Verbrennungsmotor enthält.The vehicle may be either a pure electric vehicle or a hybrid vehicle that includes an electric drive and a battery for energy storage, as well as an additional internal combustion engine.
Auf diese Weise kann durch die Verzögerungsstrategie sowohl der Wirkungsgrad des Generators als auch der Rückspeisewirkungsgrad der Batterie berücksichtigt werden. Beispielsweise kann der Generator bei besonders kleinen Drehmomenten auf Grund seiner Reibungs- und Ummagnetisierungsverluste und bei besonders hohen Drehmomenten auf Grund seiner Stromwärmeverluste in den Wicklungen jeweils einen reduzierten Wirkungsgrad aufweisen, während er bei mittleren Drehmomenten einen wesentlich höheren Wirkungsgrad haben kann. Weiterhin kann der Wirkungsgrad bei höheren Drehzahlen und konstanter Leistung höher sein als bei niedrigen Drehzahlen, da der erzeugte Strom und damit die Stromwärmeverluste mit abnehmendem Strom geringer werden. Daher kann der Wirkungsgrad eines Generators in Abhängigkeit von Strom und Spannung oder in Abhängigkeit von Drehmoment und Drehzahl sehr unterschiedlich sein. Die vom Generator abgegebene Leistung kann somit beispielsweise aus dem Produkt von Drehmoment, Drehzahl und Wirkungsgrad bestimmt werden.In this way, both the efficiency of the generator and the recovery efficiency of the battery can be taken into account by the delay strategy. For example, the generator at low torques due to its friction and Ummagnetisierungsverluste and at particularly high torques due to its current heat losses in the windings each have a reduced efficiency, while at medium torques can have a much higher efficiency. Furthermore, the efficiency at higher speeds and constant power can be higher than at low speeds, since the power generated and thus the current heat losses are lower with decreasing current. Therefore, the efficiency of a generator depending on current and voltage or depending on torque and speed can be very different. The output from the generator power can thus be determined, for example, from the product of torque, speed and efficiency.
Weiterhin ist der Rückspeisewirkungsgrad der Batterie ebenfalls von verschiedenen Parametern abhängig. Der Rückspeisewirkungsgrad kann dabei als das Verhältnis der von der Batterie aufgenommenen Energie zur in die Batterie eingespeisten elektrische Energie definiert werden. Die in die Batterie eingespeiste Energie kann beispielsweise über das zeitliche Integral eines Strom-Spannungs-Verlaufes während eines Ladevorganges bestimmt werden. Die von der Batterie aufgenommene Energie ist dabei stets geringer als die eingespeiste elektrische Energie, da der Ladevorgang verlustbehaftet ist. Beispielsweise können an den Stromzuführungen und im Elektrolyten der Batterie Stromwärmeverluste auftreten, die einen Energieverlust darstellen. Weiterhin sind die chemischen Prozesse des Lade- und Entladevorgangs nicht vollständig reversibel, wodurch ebenfalls Energieverluste entstehen. Insbesondere ist der Rückspeisewirkungsgrad einer Batterie vom Ladezustand und vom Ladestrom bzw. der elektrischen Ladeleistung abhängig. Dabei kann sich sowohl der innere Widerstand als auch die Klemmenspannung an der Batterie mit dem Ladezustand ändern. Beispielsweise kann die Klemmenspannung an der Batterie mit abnehmendem Ladezustand zurückgehen. Um dennoch eine gleiche Leistung in die Batterie zurückzuspeisen muss man entsprechend den eingespeisten Strom steigern. Dadurch können aber wiederum die Verluste der Batterie ansteigen, so dass der Rückspeisewirkungsgrad bei reduzierter Klemmenspannung absinkt.Furthermore, the regenerative efficiency of the battery is also of different parameters dependent. The recovery efficiency can be defined as the ratio of the energy absorbed by the battery to the electrical energy fed into the battery. The energy fed into the battery can be determined, for example, via the time integral of a current-voltage curve during a charging process. The energy absorbed by the battery is always lower than the supplied electrical energy, since the charging process is lossy. For example, current heat losses can occur at the power supply lines and in the electrolyte of the battery, which represent an energy loss. Furthermore, the chemical processes of the charging and discharging process are not completely reversible, which also results in energy losses. In particular, the regenerative efficiency of a battery is dependent on the state of charge and the charging current or the electrical charging power. Both the internal resistance and the terminal voltage at the battery can change with the state of charge. For example, the terminal voltage on the battery may decrease with decreasing state of charge. In order to feed back the same power into the battery, you have to increase the current accordingly. As a result, however, in turn, the losses of the battery increase, so that the recovery efficiency drops with reduced terminal voltage.
Der Austausch elektrischer Energie von und zur Batterie kann aus den abgegebenen und aufgenommenen Leistungen des Elektromotors/-generators bestimmt werden. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass während des Verzögerungsvorganges selbst durchaus auch Beschleunigungen auftreten können (z. B. bei Kurvenfahrten). Daher hängt die vom Elektromotor/-generator aufgenommene/abgegebene elektrische Leistung von den einzelnen aufeinanderfolgenden Verzögerungs- und Beschleunigungswerten und den jeweiligen Geschwindigkeiten ab, wodurch sich entsprechende Drehmoment- und Drehzahlwerte des Elektromotors/-generators unter Berücksichtigung des Fahrzeuggewichtes ergeben. Hierbei müssen auch Kräfte, die sich durch Reibung und Luftwiderstand oder durch Steigungen und Gefälle berücksichtigt werden, welche auf dem Streckenabschnitt auftreten auf dem die Verzögerung stattfinden soll. Beispielsweise kann es durchaus sinnvoll oder erforderlich sein, dass während des Verzögerungsvorganges der Elektromotor/-generator im motorischen Betrieb zusätzliches Drehmoment liefern muss, da eine Steigung auf dem Streckenabschnitt das Fahrzeug zu schnell verzögern würde. Durch die Berücksichtigung möglichst aller über den Antriebsstrang auf den Elektromotor/-generator wirkenden Kräfte kann wiederum unter Berücksichtigung des Generatorwirkungsgrades für jeden Zeitpunkt des Verzögerungsvorganges eine vom Generator erzeugbare elektrische Leistung als ein Strom-Spannungs-Verhältnis bestimmt werden. Eine mathematische Beschreibung dieser wirkenden Kräfte (wobei beispielsweise auch der cwA-Wert, die Aussentemperatur und die Luftdichte berücksichtigt werden) kann eine Fahrwiderstandsgleichung bestimmt werden und mit der rechnerischen Antriebsstrangmodellierung kombiniert werden.The exchange of electrical energy to and from the battery can be determined from the delivered and recorded power of the electric motor / generator. It must also be taken into consideration that during the deceleration process itself, acceleration can definitely occur (eg when cornering). Therefore, the electrical power consumed by the electric motor / generator depends on the individual successive deceleration and acceleration values and the respective speeds, resulting in corresponding torque and speed values of the electric motor / generator taking into account the vehicle weight. Here are also forces that are taken into account by friction and air resistance or by inclines and gradients that occur on the stretch on which the delay is to take place. For example, it may well be reasonable or necessary that during the deceleration process, the electric motor / generator in engine operation must provide additional torque, as a slope on the stretch would delay the vehicle too fast. By taking into account as much as possible of all forces acting on the electric motor / generator via the drive train, an electric power that can be generated by the generator can again be determined as a current-voltage ratio taking into account the generator efficiency for each time of the deceleration process. A mathematical description of these forces acting (taking into account, for example, the c w A value, the outside temperature and the air density) can be a driving resistance equation can be determined and combined with the computational powertrain modeling.
Das auf diese Weise bestimmte Strom-Spannungs-Verhältnis kann weiterhin über einen Umrichter, welcher sich zwischen der Batterie und dem Generator befindet an die Eigenschaften der Batterie angepasst werden. Die elektrische Leistung, welche während der einzelnen Phasen des Verzögerungsvorganges in die Batterie eingespeist bzw. aus ihr entnommen wird, ergibt sich aus der elektrischen Leistung des Elektromotors/-generators unter Berücksichtigung der internen elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs (z. B. Klimaanlage oder Beleuchtung). Insbesondere können dabei die internen Verbraucher zusätzlich koordiniert werden (z. B. um unter bestimmten Umständen einzelne Verbraucher während des Verzögerungsvorganges gezielt abzustellen oder zuzuschalten). Aus der in die Batterie in Form eines Strom-Spannungs-Verhältnisses eingespeisten Leistung kann unter Berücksichtigung eines jeweiligen Rückspeisewirkungsgrades dann eine in der Batterie aufgenommene Energie bestimmt werden. Diese Energie kann beispielsweise durch Summation einzelner Leistungswerte multipliziert jeweils mit einem Zeitschritt oder durch Integration einer Leistungsfunktion nach der Zeit berechnet werden.The thus determined current-voltage ratio can be further adapted via an inverter, which is located between the battery and the generator to the characteristics of the battery. The electrical power which is fed into and out of the battery during the individual phases of the deceleration process results from the electric power of the electric motor / generator taking into account the internal electrical consumers of the vehicle (eg air conditioning or lighting). , In particular, the internal consumers can additionally be coordinated (for example, in order to deliberately switch off or switch on individual consumers during the delay process). From the power fed into the battery in the form of a current-voltage ratio, an energy absorbed in the battery can then be determined taking into account a respective recovery efficiency. This energy can be calculated, for example, by summing individual power values multiplied by a time step or by integrating a power function with time.
Entsprechend den unterschiedlichen möglichen Verläufen der Verzögerungen des Fahrzeugs, welche alle an einem Zielpunkt eine vorgegebene Geschwindigkeit erreichen, ergeben sich dabei auch entsprechende unterschiedliche Verläufe der in die Batterie zurückgespeisten Strom-Spannungs-Verhältnisse, die sich trotz gleicher Bremsenergie durch eine unterschiedliche in der Batterie aufgenommenen Leistung unterscheiden können.Corresponding to the different possible progressions of the decelerations of the vehicle, all of which reach a predetermined speed at a destination point, corresponding different courses of the current-voltage ratios fed back into the battery result, which, despite the same braking energy, are absorbed by a different one in the battery Can distinguish performance.
Die unterschiedlichen Verläufe der Verzögerung während des Abbremsens von einer Ist- auf eine Sollgeschwindigkeit werden – je nach dem durchlaufenen Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsprofil – als unterschiedlich angenehm oder komfortabel empfunden. Beispielsweise kann eine ruckartige Erhöhung der Beschleunigung bzw. Verzögerung von den Insassen als unangenehm empfunden werden. Weiterhin kann ein sehr frühzeitiges Abbremsen des Fahrzeuges den nachfolgenden Verkehr behindern oder ein sehr spätes Abbremsen von den Insassen als gefährlich empfunden werden. Daher bietet die Erfindung die Möglichkeit, bei der Bestimmung eines optimalen Verlaufes der Geschwindigkeit während des Verzögerungsvorganges gewisse Randbedingungen einzuhalten. Beispielsweise kann eine maximale Verzögerung vorgegeben werden, die nur dann überschritten wird, wenn sonst ein Abbremsen auf die Sollgeschwindigkeit innerhalb des vorgegebenen Streckenabschnittes nicht möglich ist. Zusätzlich kann ein maximaler und ein minimaler Wert für die zeitliche Änderung der Beschleunigung vorgegeben werden, so dass die Verzögerung des Fahrzeugs während des Bremsvorganges nicht zu stark oder ruckartig verändert wird. Weiterhin können für den Verzögerungsvorgang eine obere und eine untere Geschwindigkeitsfunktion vorgegeben werden. Diese Geschwindigkeitsfunktionen können einen Verlauf der Geschwindigkeit entlang des vorgegebenen Streckenabschnittes in der Weise festlegen, dass die Geschwindigkeit des Elektrofahrzeuges während des Verzögerungsvorganges stets innerhalb der durch diese Geschwindigkeitsfunktionen vorgegebenen Geschwindigkeiten liegt. Auf diese Weise kann einerseits verhindert werden, dass das Elektrofahrzeug seine Geschwindigkeit schon sehr früh auf dem vorgegebenen Streckenabschnitt zu stark absenkt und dadurch den Verkehrsfluss des nachfolgenden Verkehrs stark beeinträchtigt; andererseits kann aber auch verhindert werden, dass das Elektrofahrzeug seine Geschwindigkeit erst sehr spät auf dem vorgegebenen Streckenabschnitt reduziert, da eine hohe Geschwindigkeit des Fahrzeugs kurz bevor die Geschwindigkeit reduziert werden muss, von den Insassen als bedrohlich empfunden werden kann. Zusätzlich können auch Randbedingungen berücksichtigt werden, die sich durch die internen elektrischen Verbraucher des Fahrzeuges ergeben und die teilweise ebenfalls den Komfort beeinflussen (z. B. die Klimaanlage des Fahrzeuges).The different courses of the deceleration during deceleration from an actual speed to a set speed are - depending on the traversed speed or acceleration profile - perceived as different pleasant or comfortable. For example, a jerky increase in the acceleration or deceleration may be perceived as uncomfortable by the occupants. Furthermore, a very early braking of the vehicle can hinder the subsequent traffic or a very late braking by the occupants are perceived as dangerous. Therefore, the invention offers the possibility to comply with certain boundary conditions in the determination of an optimal course of the speed during the deceleration process. For example, can a maximum delay can be specified, which is only exceeded if otherwise a deceleration to the desired speed within the predetermined route section is not possible. In addition, a maximum and a minimum value for the temporal change of the acceleration can be specified, so that the deceleration of the vehicle during the braking process is not changed too much or suddenly. Furthermore, an upper and a lower speed function can be specified for the deceleration process. These speed functions can determine a course of the speed along the predetermined route section in such a way that the speed of the electric vehicle during the deceleration process is always within the speeds specified by these speed functions. In this way, on the one hand, it can be prevented that the electric vehicle lowers its speed too early on the given route section, thereby severely impairing the traffic flow of the subsequent traffic; On the other hand, it can also be prevented that the electric vehicle reduces its speed very late on the given stretch of road, since a high speed of the vehicle just before the speed must be reduced, can be perceived as threatening by the occupants. In addition, boundary conditions may also be taken into account that result from the internal electrical consumers of the vehicle and that also partly affect comfort (eg the vehicle's air conditioning system).
Daher berücksichtigt die Strategie zur optimalen Verzögerung des Elektrofahrzeugs einerseits eine Optimierung der in die Batterie zurückgespeisten Energie, kann aber gleichzeitig einen hohen Fahrkomfort und den durch interne Verbraucher gewährleisteten Komfort sicherstellen.Therefore, the Optimum Deceleration strategy of the electric vehicle takes into account, on the one hand, optimizing the energy returned to the battery, but at the same time, it can ensure high ride comfort and comfort guaranteed by internal consumers.
Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung zum kontrollierten Verzögern so ausgestaltet sein, dass der Fahrer jederzeit die von der Vorrichtung vorgegebenen Werte für die Verzögerung des Fahrzeugs durch eigene Aktionen außer Kraft setzen kann. Beispielsweise kann die entsprechende Vorrichtung durch ein kurzes akustisches oder optisches Signal ankündigen, dass ein entsprechender Verzögerungsvorgang eingeleitet und automatisiert durchgeführt werden kann. Ein Fahrer des Fahrzeugs, der beispielsweise in einiger Entfernung ein Schild für eine Geschwindigkeitsbegrenzung gesehen hat, kann entscheiden, da er das Signal der Vorrichtung wahrgenommen hat, diesen Verzögerungsvorgang nicht zu beeinflussen und damit zulassen dass die Vorrichtung die Verzögerung selbsttätig durchführt. Alternativ kann der Fahrer aber auch entscheiden, die Verzögerung selbst zu steuern indem er beispielsweise das Brems- oder Gaspedal etwas stärker betätigt und dadurch den automatisierten Verzögerungsvorgang außer Kraft setzt.Advantageously, the device for controlled deceleration can be configured such that the driver can at any time override the values for deceleration of the vehicle specified by the device by means of his own actions. For example, the corresponding device can announce by a short acoustic or optical signal that a corresponding delay process can be initiated and carried out automatically. For example, a driver of the vehicle who has seen a speed limit sign some distance away may decide, as he has perceived the signal from the device, not to interfere with this delaying action and thereby allow the device to self-sustain the delay. Alternatively, however, the driver may also decide to control the deceleration by, for example, pressing the brake or accelerator pedal a little more, thereby overriding the automated deceleration process.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Vorrichtung zum automatischen kontrollierten Verzögern eines Fahrzeuges mit Elektroantrieb bereitgestellt. Dabei wird das Fahrzeug auf einem vorgegebenen Streckenabschnitt von einer ersten Geschwindigkeit auf eine zweite reduzierte Sollgeschwindigkeit gemäß einer Verzögerungsstrategie abgebremst. Die Verzögerungsstrategie beschreibt dabei einen Verlauf der Geschwindigkeit während des Verzögerungsvorganges, wobei das Fahrzeug über eine Energierückspeisung mittels eines Generators abgebremst wird und die Bremsenergie als elektrische Energie vom Generator in eine Batterie gespeist wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei während des automatischen kontrollierten Verzögerns den Verlauf der Geschwindigkeit des Fahrzeugs über die vom Generator in die Batterie rückgespeiste Leistung steuern.In the context of the present invention, an apparatus for the automatic controlled deceleration of an electric vehicle is also provided. In this case, the vehicle is braked on a predetermined route section from a first speed to a second reduced set speed in accordance with a deceleration strategy. The deceleration strategy describes a course of the speed during the deceleration process, wherein the vehicle is decelerated via an energy recovery by means of a generator and the braking energy is fed as electrical energy from the generator into a battery. The device according to the invention can thereby control the course of the speed of the vehicle via the power fed back from the generator into the battery during the automatic controlled deceleration.
Vorzugsweise enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Messvorrichtung zur Erfassung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und des Ladezustands der Batterie. Weiterhin können aber auch zusätzliche Daten wie Bremskraft, Verzögerung/Beschleunigung des Fahrzeugs, sowie Neigungswinkel und damit die Steigung der Straße bestimmt werden.Preferably, the device according to the invention includes a measuring device for detecting the speed of the vehicle and the state of charge of the battery. Furthermore, however, additional data such as braking force, deceleration / acceleration of the vehicle, as well as inclination angle and thus the slope of the road can be determined.
Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Recheneinheit, welche basierend auf einem Wirkungsgrad des Generators und einem Rückspeisewirkungsgrad der Batterie die Verzögerungsstrategie bestimmt. Der Wirkungsgrad des Generators hängt dabei von der Drehzahl und dem Drehmoment des Generators ab und kann aus der Geschwindigkeit und Verzögerung des Fahrzeuges bestimmt werden. Die Wirkungsgrad-Werte des Generators können dabei entweder über ein Generatormodell berechnet oder aus einem Kennfeld entnommen werden. Der Rückspeisewirkungsgrad der Batterie hängt einerseits vom Ladezustand der Batterie und der über den Generator in die Batterie rückgespeisten elektrischen Leistung ab. Die Rückspeisewirkungsgrad-Werte der Batterie können dabei entweder über ein Batteriemodell berechnet oder aus einem Kennfeld entnommen werden. Die Recheneinheit kann für die Bestimmung der Verzögerungsstrategie zusätzlich auch Randbedingungen berücksichtigen. Dies können beispielsweise Grenzwerte für eine maximale Verzögerung, eine maximale Verzögerungsänderung oder Grenzwerte für die Geschwindigkeit sein. Das Einhalten dieser Randbedingungen kann den Fahrkomfort oder auch die Sicherheit des Fahrzeugs während des Verzögerungsvorganges erhöhen. Beispielsweise kann ein Verzögerungsvorgang von der Recheneinheit so bestimmt werden, dass die Verzögerung am Anfang des Vorganges weich einsetzt und am Ende langsam wieder nachlässt, so dass die Insassen den Anfang und das Ende des Verzögerungsvorganges nicht als ruckartige Verzögerungsänderung empfinden. Für ein solches weiches Einsetzen der Verzögerung könnte beispielsweise eine Vorgabe der maximalen zeitlichen Änderung der Verzögerung als Randbedingung in die Berechnung einfließen.Furthermore, the device according to the invention contains an arithmetic unit, which determines the deceleration strategy based on an efficiency of the generator and a feedback efficiency of the battery. The efficiency of the generator depends on the speed and the torque of the generator and can be determined from the speed and deceleration of the vehicle. The efficiency values of the generator can either be calculated via a generator model or taken from a map. The regenerative efficiency of the battery depends on the one hand on the state of charge of the battery and the electrical power fed back into the battery via the generator. The recovery efficiency values of the battery can either be calculated via a battery model or taken from a performance map. The arithmetic unit can additionally take into account boundary conditions for the determination of the deceleration strategy. These may be, for example, limit values for a maximum deceleration, a maximum deceleration change or limit values for the velocity. The compliance with these boundary conditions can increase the ride comfort or the safety of the vehicle during the deceleration process. For example, a delay operation can be determined by the arithmetic unit so that the delay at the beginning of the process soft and finally slows down at the end, so that the occupants do not feel the beginning and end of the deceleration process as a jerky delay change. For such a soft insertion of the delay, for example, a specification of the maximum temporal change of the delay as a boundary condition could be included in the calculation.
Alternativ kann die Recheneinheit auch auf Datensätze zurückgreifen, die für gegebene Betriebspunkte während des Verzögerungsvorganges bereits den Wirkungsgrad des Generators und den Rückspeisewirkungsgrad der Batterie berücksichtigen. Die Betriebspunkte können dabei über Werte der Geschwindigkeit und der Verzögerung des Fahrzeugs definiert sein.Alternatively, the arithmetic unit can also rely on data sets that already take account of the efficiency of the generator and the recovery efficiency of the battery for given operating points during the deceleration process. The operating points can be defined by values of the speed and the deceleration of the vehicle.
Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuereinheit, welche eine Leistungsabgabe des Generators an die Batterie während des automatischen kontrollierten Verzögerns des Fahrzeuges entsprechend der bestimmten Verzögerungsstrategie steuert. Die Steuerung der Leistungsabgabe vom Generator zur Batterie kann beispielsweise über die entsprechende Ansteuerung eines elektronischen Umrichters zwischen Generator und Batterie erfolgen. Der Umrichter verwandelt dabei die Strom-Spannungswerte des Generators so in die für die Ladung der Batterie notwendigen Strom-Spannungswerte, dass entsprechend der von der Steuereinheit vorgegebenen Werte die entsprechenden Leistungen in die Batterie gespeist werden. Dabei kann der Generator beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine sein, deren Drehspannung vom Umrichter in eine Gleichspannung umgewandelt wird.Furthermore, the device according to the invention includes a control unit which controls a power output of the generator to the battery during the automatic controlled deceleration of the vehicle according to the determined deceleration strategy. The control of the power output from the generator to the battery can be done for example via the appropriate control of an electronic converter between the generator and the battery. In this case, the converter converts the current voltage values of the generator into the current voltage values necessary for the charging of the battery such that the corresponding powers are fed into the battery in accordance with the values predetermined by the control unit. In this case, the generator may for example be a permanent-magnet synchronous machine whose rotary voltage is converted by the inverter into a DC voltage.
Beispielsweise bewirkt eine vom Umrichter verursachte Erhöhung der Gleichspannung auch eine Erhöhung des in die Batterie zurückgespeisten Ladestromes, so dass dadurch die rückgespeiste Leistung und somit die Verzögerung erhöht werden. Umgekehrt kann durch Absenken der Gleichspannung entsprechend die Verzögerung reduziert werden, beziehungsweise sogar eine Leistungsflussumkehr herbeigeführt werden, so dass die Batterie elektrische Leistung über den Umrichter in den Elektromotor/-generator einspeist.For example, an increase in the DC voltage caused by the inverter also causes an increase in the charging current fed back into the battery, thereby increasing the regenerated power and thus the delay. Conversely, by lowering the DC voltage according to the delay can be reduced, or even a power flow reversal be brought about, so that the battery feeds electrical power via the inverter in the electric motor / generator.
Vorzugsweise wird die Leistungsabgabe des Generators während des Verzögerungsvorganges so gesteuert, dass möglichst viel Energie aus dem Verzögerungsvorgang in die Batterie zurückgespeist wird. Gleichzeitig kann eine solche Optimierung unter Einhaltung der oben erwähnten Randbedingungen für Geschwindigkeit oder Verzögerung erfolgen.Preferably, the power output of the generator during the deceleration process is controlled so that as much energy from the deceleration process is fed back into the battery. At the same time, such an optimization can be carried out in compliance with the abovementioned conditions for speed or deceleration.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei der Bestimmung der Verzögerungsstrategie weiterhin auch die Änderung der potentiellen Energie des Fahrzeuges mit berücksichtigen. Wenn beispielsweise der Verzögerungsvorgang auf einer abschüssigen Strecke erfolgen soll, kann mehr Bremsenergie in die Batterie zurückgespeist werden, als auf einer geraden oder ansteigenden Strecke. Entsprechend muss auch die Bestimmung einer optimalen Strategie die durch die Steigungen der Strecke veränderten Bremskräfte und Leistungen berücksichtigen. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise so ausgestattet sein, dass die Steigung des Fahrzeugs über einen Neigungssensor erfasst wird. Weiterhin kann die Vorrichtung auch so ausgeführt sein, dass sie auf Kartendaten eines Navigationssystems zugreifen kann. Wenn diese Kartendaten auch Höhenangaben der Strassen enthalten, kann auf eine Strecke auf der das Fahrzeug verzögert werden soll, auch das entsprechende Höhenprofil auf der Strecke berücksichtig werden. Entsprechend können auch Kurven der Fahrstrecke berücksichtigt werden, wenn beispielsweise Kurvenradien in den Kartendaten enthalten sind. Zusätzlich können auch Verkehrsdaten hinterlegt sein, welche entweder auf historischen Daten basieren oder über Telematik Dienste oder XFCD (extended floating car data) übertragen werden.The device according to the invention can also take into account the change in the potential energy of the vehicle when determining the deceleration strategy. For example, if the deceleration process is to take place on a downhill stretch, more braking energy may be fed back into the battery than on a straight or uphill stretch. Correspondingly, the determination of an optimal strategy must take into account the braking forces and performances modified by the gradients of the route. For this purpose, the device may for example be equipped so that the slope of the vehicle is detected by a tilt sensor. Furthermore, the device can also be designed so that it can access map data of a navigation system. If these map data also include altitude information of the roads, the corresponding altitude profile on the route can also be taken into account on a route on which the vehicle is to be delayed. Correspondingly, it is also possible to take into account curves of the route if, for example, curve radii are included in the map data. In addition, traffic data can be stored, which are either based on historical data or transmitted via telematics services or XFCD (extended floating car data).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst. Die Vorrichtung zum automatischen kontrollierten Verzögern eines Elektrofahrzeugs ist dabei im Fahrzeug angebracht. Bei dem Fahrzeug kann es sich dabei entweder um ein reines Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug handeln, welches einen elektrischen Antrieb und eine Batterie zur Energiespeicherung, sowie einen zusätzlichen Verbrennungsmotor enthält.In the context of the present invention, a vehicle is provided which comprises a device according to the invention. The device for the automatic controlled deceleration of an electric vehicle is mounted in the vehicle. The vehicle may be either a pure electric vehicle or a hybrid vehicle that includes an electric drive and a battery for energy storage, as well as an additional internal combustion engine.
Die vorliegende Erfindung bietet folgende Vorteile:
- • Durch das Rückspeisen der Bremsenergie kann der Verschleiß und die Erwärmung des Bremssystems stark reduziert werden.
- • Der Energieverbrauch eines Elektrofahrzeuges kann durch das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung gegenüber dem bisher angewendeten Rekuperationsbetrieb noch weiter reduziert werden. Da sowohl der Wirkungsgrad des Generators als auch der Rückspeisewirkungsgrad der Batterie in dem Verzögerungsvorgang berücksichtigt werden, treten bei diesen beiden Komponenten auch entsprechend geringere Verluste auf, so dass sich Batterie und Generator auch entsprechend weniger stark erwärmen.
- • Bei einer erfindungsgemäßen Verzögerungsstrategie können auch Randbedingungen bezüglich Parameter für die Beschleunigung und die Geschwindigkeit eingehalten werden, die für ein angenehmes Fahrempfinden wichtig sind. Hierdurch wiederum kann eine entspannte und sichere Fahrweise erreicht werden.
- • Der aktuelle oder prognostizierte Leistungsbedarf interner Verbraucher, wie beispielsweise der Klimaanlage, können berücksichtigt werden und somit zum einen den Fahrerkomfort weiter erhöhen und zum anderen die effiziente Nutzung der Batterie sowie die Einhaltung von Randbedingungen verbessern.
- • By regenerating the braking energy, the wear and heating of the brake system can be greatly reduced.
- • The energy consumption of an electric vehicle can be further reduced by the method described and the device compared to the previously applied Rekuperationsbetrieb. Since both the efficiency of the generator and the recovery efficiency of the battery are taken into account in the deceleration process, correspondingly lower losses occur in these two components, so that the battery and generator also heat up less correspondingly.
- In a deceleration strategy according to the invention, boundary conditions with regard to parameters for the acceleration and the speed which are important for a pleasant driving feeling can also be observed. This in turn can be achieved a relaxed and safe driving.
- • The current or projected power requirements of internal consumers, such as the air conditioning system, can be taken into account, thus further increasing driver comfort and improving the efficient use of the battery and compliance with boundary conditions.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.In the following, the present invention will be described in detail based on preferred embodiments of the invention with reference to the figures.
In
In
In einem ersten Schritt
Um anschließend eine optimale Verzögerungsstrategie zu ermitteln müssen für verschiedene angenommene Wertepaare von Geschwindigkeit und Verzögerung des Fahrzeugs die entsprechenden Wirkungsgrade des Generators und Rückspeisewirkungsgrade der Batterie bestimmt werden.In order subsequently to determine an optimal deceleration strategy, for various assumed value pairs of vehicle speed and deceleration, the corresponding efficiency of the generator and the regenerative efficiencies of the battery must be determined.
Die Bestimmung
Aus dem Produkt von Drehzahl, Drehmoment und Wirkungsgrad des Generators kann im nächsten Schritt
Aus der in die Batterie rückgespeisten Leistung und den Batterieeigenschaften kann im nächsten Schritt
Aus den ermittelten Wirkungsgradwerten des Generators und Rückspeisewirkungsgradwerten der Batterie können im nächsten Schritt
Die unter den Schritten
Unter Vorgabe von bestimmten Randbedingungen kann im letzten Schritt
Die vorgegebenen Randbedingungen können sich dabei vorzugsweise auf den Geschwindigkeitsverlauf und auf die Werte der Verzögerung beziehen. Die Randbedingungen sollen einerseits ein möglichst angenehmes Fahrempfinden und andererseits aber auch eine möglichst hohe Sicherheit gewährleisten. Beispielsweise kann eine maximale Verzögerung des Fahrzeugs als Randbedingung vorgegeben werden, die nur dann überschritten werden darf, wenn sonst ein Abbremsen auf die Sollgeschwindigkeit innerhalb des vorgegebenen Streckenabschnittes nicht möglich ist. Zusätzlich kann ein maximaler und ein minimaler Wert für die zeitliche Änderung der Beschleunigung vorgegeben werden. Die zeitliche Änderung einer Beschleunigung oder Verzögerung bewirkt eine ruckartige Kraftänderung auf die Insassen und kann ebenfalls als unangenehm empfunden werden. Weiterhin können für den Verzögerungsvorgang eine obere und eine untere Geschwindigkeitsfunktion vorgegeben werden. Diese Geschwindigkeitsfunktionen können einen Verlauf der Geschwindigkeit entlang des vorgegebenen Streckenabschnittes in der Weise festlegen, dass die Geschwindigkeit des Elektrofahrzeuges während des Verzögerungsvorganges stets innerhalb der durch diese Geschwindigkeitsfunktionen vorgegebenen Geschwindigkeiten liegt. Auf diese Weise kann einerseits verhindert werden, dass das Elektrofahrzeug seine Geschwindigkeit schon sehr früh auf dem vorgegebenen Streckenabschnitt zu stark absenkt und dadurch den Verkehrsfluss des nachfolgenden Verkehrs stark beeinträchtigt; andererseits kann aber auch verhindert werden, dass das Elektrofahrzeug seine Geschwindigkeit erst sehr spät auf dem vorgegebenen Streckenabschnitt reduziert, da eine hohe Geschwindigkeit des Fahrzeugs kurz bevor die reduzierte Sollgeschwindigkeit erreicht werden muss, von den Insassen als bedrohlich empfunden werden kann.The predetermined boundary conditions may preferably relate to the velocity profile and the values of the deceleration. The boundary conditions on the one hand to ensure the most pleasant driving experience and on the other hand, but also the highest possible safety. For example, a maximum deceleration of the vehicle may be specified as a boundary condition, which may only be exceeded if otherwise a deceleration to the desired speed within the predetermined route section is not possible. In addition, a maximum and a minimum value for the temporal change of the acceleration can be specified. The temporal change of an acceleration or deceleration causes a sudden change of force on the occupants and can also be perceived as unpleasant. Furthermore, an upper and a lower speed function can be specified for the deceleration process. These speed functions can determine a course of the speed along the predetermined route section in such a way that the speed of the electric vehicle during the deceleration process is always within the speeds specified by these speed functions. In this way, on the one hand, it can be prevented that the electric vehicle lowers its speed too early on the given route section, thereby severely impairing the traffic flow of the subsequent traffic; On the other hand, it can also be prevented that the electric vehicle reduces its speed very late on the given stretch of road, since a high speed of the vehicle just before the reduced target speed must be achieved, can be perceived as threatening by the occupants.
In
Der erste mögliche Verlauf, die Alternative I zeigt im Diagramm
Der zweite mögliche Verlauf, die Alternative II zeigt im Diagramm
Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Recheneinheit
Weiterhin kann die Recheneinheit
Die Recheneinheit
Weiterhin enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Steuereinheit
Die Steuereinheit
Hinsichtlich der Verzögerungsstrategie kann es vorteilhaft sein, die Zuladung des Fahrzeugs zu berücksichtigen, da bei gegebener Geschwindigkeit die kinetische Energie durch eine vergrößerte Zuladung ebenfalls vergrößert wird. Entsprechend ändert sich mit der Zuladung auch die bei einem Verzögerungsvorgang frei werdende Bremsenergie. Die Masse des Fahrzeugs und damit auch seine Zuladung können beispielsweise aus gemessenen Verzögerungswerten des Fahrzeugs und dem für diese Verzögerung erforderlichen gemessenen Drehmoment an den Rädern des Fahrzeugs bestimmt werden.With regard to the deceleration strategy, it may be advantageous to take into account the payload of the vehicle, since for a given speed, the kinetic energy is also increased by an increased payload. Correspondingly, the payload also changes the braking energy released during a deceleration process. The mass of the vehicle and thus also its payload can be determined, for example, from measured deceleration values of the vehicle and the measured torque required for this deceleration at the wheels of the vehicle.
Weiterhin kann es hinsichtlich der Verzögerungsstrategie auch vorteilhaft sein, den Höhenverlauf der Strecke, auf der die Verzögerung stattfinden soll, zu berücksichtigen. Beispielsweise hat eine abfallende Strecke zur Folge, dass für die Verzögerung des Fahrzeugs zusätzlich zu seiner kinetischen Energie auch die potentielle Energie, die auf dem entsprechenden Streckenabschnitt frei wird, entsprechend berücksichtigt werden muss. Dabei nimmt auch die vom Generator abgegebene Leistung und auch die in die Batterie rückgespeiste Leistung zu, wodurch sich die jeweiligen Werte für den Wirkungsgrad des Generators und den Rückspeisewirkungsgrad der Batterie entsprechend verändern. Umgekehrt kann eine ansteigende Strecke auch die erforderliche Bremsenergie reduzieren. Der Höhenverlauf der Strecke kann beispielsweise über die Kartendaten eines Navigationssystems ermittelt werden.Furthermore, with regard to the deceleration strategy, it may also be advantageous to take into account the altitude profile of the route on which the deceleration is to take place. For example, a declining route has the consequence that the deceleration of the vehicle in addition to its kinetic energy and the potential energy that is released on the corresponding section of the route must be taken into account accordingly. At the same time, the power delivered by the generator and also the power fed back into the battery increases, as a result of which the respective values for the efficiency of the generator and the regenerative efficiency of the battery change accordingly. Conversely, an increasing distance can also reduce the required braking energy. The height profile of the route can be determined, for example, via the map data of a navigation system.
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