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Diese Offenbarung betrifft einen Antriebsstrang, der elektrische Energie für den Vortrieb benutzt.
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Eine Vielfalt von Energiequellen kann Leistung an eine Drehmoment erzeugende Einrichtung eines Antriebsstrangs liefern. Elektrische Leistung kann von einer Energiespeichereinrichtung geliefert werden, und die elektrische Leistung kann verwendet werden, um Bewegungs- oder Vortriebsdrehmoment durch die Drehmoment erzeugende Einrichtung an den Antriebsstrang zu liefern.
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Antriebsstränge können mehr als eine einzige Quelle für Leistung benutzen. Zum Beispiel kann ein Hybridaggregat-Antriebsstrang elektrische Leistung durch einen Motor oder Motoren und Erdölenergie durch eine Benzin- oder Diesel-Brennkraftmaschine benutzen. Es sind andere Energiequellen bekannt, die Brennstoffzellen und Biodiesel- oder E85-Kraftstoffe einschließen. Elektrische Leistung kann durch den Betrieb des Fahrzeugs, zum Beispiel durch regeneratives Bremsen, zurückgewonnen werden. Ferner kann durch direktes Antreiben eines Motors mit einer Maschine oder Antreiben eines Generators, zum Beispiel einer riemengetriebenen Einrichtung, elektrische Leistung erzeugt und Energie in der Energiespeichereinrichtung gespeichert werden. Ferner kann die Energiespeichereinrichtung durch eine Ansteckverbindung an ein Infrastruktur-Energieversorgungsnetz geladen werden.
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Die
DE 10 2010 036 148 A1 und die
US 2009 / 0 105 896 A1 offenbaren jeweils ein System zum Steuern eines Antriebsstrangs, das Komponenten umfasst, die aufgefasst werden können als eine Energiemanagementschicht, die eine Energiespeichereinrichtung überwacht; und eine verfügbare Referenzleistung für die Energiespeichereinrichtung ermittelt; eine Leistungsmanagementschicht, die die verfügbare Referenzleistung für die Energiespeichereinrichtung, eine angeforderte Leistung des Antriebsstrangs und eine elektrische Leistungsrandbedingung für die Energiespeichereinrichtung überwacht; und eine Leistungsverzweigung auf der Basis der überwachten verfügbaren Referenzleistung für die Energiespeichereinrichtung, der angeforderten Leistung des Antriebsstrangs und der elektrischen Leistungsrandbedingung für die Energiespeichereinrichtung ermittelt; und eine Drehmomentmanagementschicht, die die Drehmomenterzeugung auf der Basis der ermittelten Leistungsverzweigung steuert.
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Aus der
DE 11 2008 001 341 T5 ist ein Steuersystem von Gerätschaft an einem Fahrzeug bekannt. Das System umfasst Komponenten, die angesehen werden können als eine Energiemanagementschicht, die mehrere potenzielle Energiespeichereinrichtungen überwacht und eine verfügbare Referenzleistung für jede der potenziellen Energiespeichereinrichtungen ermittelt; eine Leistungsmanagementschicht, die die verfügbare Referenzleistung für die potenziellen Energiespeichereinrichtungen, eine angeforderte Leistung des Antriebsstrangs und eine elektrische Leistungsrandbedingung für die potenziellen Energiespeichereinrichtungen überwacht; und eine Leistungsverzweigung auf der Basis der überwachten verfügbaren Referenzleistung für die potenziellen Energiespeichereinrichtungen, der angeforderten Leistung des Antriebsstrangs und der elektrischen Leistungsrandbedingung für die potenziellen Energiespeichereinrichtungen ermittelt; und eine Drehmomentmanagementschicht, die die Drehmomenterzeugung auf der Basis der ermittelten Leistungsverzweigung steuert, wobei die mehreren potenziellen Energiespeichereinrichtungen gleichzeitig für den Antriebsstrang verfügbar sind; und ein offenes Energiespeichermodul, das die mehreren potenziellen Energiespeichereinrichtungen, die gleichzeitig für den Antriebsstrang verfügbar sind, verwaltet. Es ist auch eine physikalische Kommunikationsschicht vorgesehen, die zwischen dem offenen Energiespeichermodul und der Leistungsmanagementschicht kommuniziert. Die potenziellen Energiespeichereinrichtungen sind Speichereinrichtungen für elektrische Energie, wie Kondensatoren unterschiedlicher Kapazität, eine Bleisäurebatterie, eine Nickelhybridbatterie, eine Lithiumionenbatterie oder ein Doppelschichtkondensator.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Steuersystem für einen Antriebsstrang mit mehreren potenziellen Energiespeichereinrichtungen zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein System zum Steuern eines offenen modularen elektrischen Antriebsstrangs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Nun werden eine oder mehrere Ausführungsformen beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
- 1 einen beispielhaften Hybridaggregat-Antriebsstrang, der eine Maschine, ein Getriebe, einen Endantrieb, ein Steuersystem und einen hydraulischen Steuerkreis umfasst, gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 2 ein beispielhaftes System zum Steuern eines Antriebsstrangs gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht, das eine Energiemanagementschicht, die potenzielle Energiequellen überwacht, eine Leistungsmanagementschicht, die einen Leistungsverzweigungsbefehl auf der Basis der verfügbaren Referenzleistung, Leistungsrandbedingungen und Leistungsanforderung ermittelt, und eine Drehmomentmanagementschicht umfasst, die den Leistungsverzweigungsbefehl in Befehle an eine Drehmoment erzeugende Einrichtung umwandelt;
- 3 eine beispielhafte Ausführungsform des Systems von 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 4 eine beispielhafte weitere Ausführungsform des Systems von 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 5 ein beispielhaftes Verfahren zum Betreiben eines Antriebsstrangs mit mehreren potenziellen Energiespeichereinrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 6 eine vereinheitlichte leistungsbasierte Steuerungsstruktur, die einen modularen Betrieb des Antriebsstrangs gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
- 7 einen beispielhaften Antriebsstrang, der eine modularen Betrieb von Drehmoment erzeugenden Einrichtungen benutzt, gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
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1 veranschaulicht einen beispielhaften Hybridaggregat-Antriebsstrang, der eine Maschine 14, ein Getriebe 10, einen Endantrieb 90, ein Steuersystem und einen hydraulischen Steuerkreis umfasst. Ein derartiger beispielhafter Hybridaggregat-Antriebsstrang umfasst mehrere Drehmoment erzeugende Einrichtungen, die in einem Leistungsverzweigungsmodus betreibbar sind, wobei die verschiedenen Drehmoment erzeugenden Einrichtungen selektiv und zusammenwirkend Drehmoment zu dem Antriebsstrang beitragen können. Das Getriebe 10 umfasst eine Eingangswelle 12, die eine Eingangsdrehzahl NI aufweist und die bevorzugt durch die Brennkraftmaschine 14 angetrieben ist, und eine Ausgangswelle 64, die eine Ausgangsdrehzahl No aufweist. Die Drehzahl der Ausgangswelle 64 wird bevorzugt unter Verwendung eines Erfassungssystems 84 überwacht.
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Die beispielhafte Maschine umfasst eine Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, die selektiv in verschiedenen Zuständen betreibbar ist, um Drehmoment über die Welle 12 auf das Getriebe 10 zu übertragen, und kann entweder eine Fremdzündungsmaschine oder eine Kompressionszündungsmaschine sein. Die Maschine 14 weist eine Kurbelwelle auf, die eine charakteristische Drehzahl NE besitzt und funktional mit der Getriebeeingangswelle 12 verbunden ist. Der Ausgang der Maschine, als Drehzahl NE und Ausgangsdrehmoment TE quantifiziert, kann sich von der Getriebeeingangsdrehzahl NI und dem Maschineneingangsdrehmoment TI unterscheiden, wenn dazwischen eine Drehmomentmanagementeinrichtung platziert ist.
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Das Getriebe 10 benutzt drei Planetenradsätze 24, 26 und 28 und vier Drehmomentübertragungseinrichtungen, d.h. Kupplungen C1 70, C2 62, C3 73 und C4 75. Ein elektrohydraulisches Steuersystem 42, das bevorzugt von einem Getriebesteuermodul (TCM) 17 gesteuert wird, ist betreibbar, um die Betätigung und Deaktivierung der Kupplungen zu steuern. Die Kupplungen C2 und C4 umfassen bevorzugt hydraulisch betätigte rotierende Reibkupplungen. Die Kupplungen C1 und C3 umfassen hydraulisch betätigte feststehende Einrichtungen, die an dem Getriebekasten 68 festgelegt sind. Jede Kupplung ist bevorzugt hydraulisch betätigt, wobei sie Hydraulikdruckfluid von einer Pumpe über einen elektrohydraulischen Steuerkreis aufnimmt.
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Eine erste Elektroarbeitsmaschine 56, als MG-A bezeichnet, und eine zweite Elektroarbeitsmaschine 72, als MG-B bezeichnet, sind funktional mit dem Getriebe über die Planetenräder verbunden. Jede der Maschinen umfasst einen Stator, einen Rotor und eine Resolver-Anordnung 80, 82. Der Stator für jede Maschine ist an dem äußeren Getriebekasten 68 festgelegt und umfasst einen Statorkern mit sich von dort erstreckenden gewendelten elektrischen Wicklungen. Der Rotor für MG-A 56 ist an einem Nabenplattenzahnrad abgestützt, das funktional an der Ausgangswelle 60 über einen Träger 44 angebracht ist. Der Rotor für MG-B 72 ist an der Hohlwellennabe 66 angebracht. Die Resolver-Anordnungen 80, 82 sind geeignet an MG-A 56 und MG-B 72 angeordnet und angebaut. Jede Resolver-Anordnung 80, 82 umfasst eine bekannte Einrichtung mit variabler Reluktanz, die einen Resolver-Stator, der funktional mit dem Stator jeder Elektroarbeitsmaschine verbunden ist, und einen Resolver-Rotor umfasst, der funktional mit dem Rotor jeder Elektroarbeitsmaschine verbunden ist. Jeder Resolver 80, 82 umfasst eine Erfassungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Drehstellung des Resolver-Stators relativ zu dem Resolver-Rotor zu erfassen und die Drehstellung zu identifizieren. Signale, die von den Resolvern ausgegeben werden, werden übersetzt, um Drehzahlen für MG-A 56 und MG-B 72 zu liefern, die mit NA und NB bezeichnet sind. Die Getriebeausgangswelle 64 ist funktional mit einem Fahrzeugendantrieb 90 verbunden, um Bewegungsausgangsdrehmoment To an Fahrzeugräder zu liefern. Der Endantrieb 90 umfasst ein Verteilergetriebe 96, das ein bekanntes Achsverhältnis aufweist und Drehmoment auf Fahrzeugantriebsräder überträgt. Jedes Rad des Fahrzeugs, welche die Antriebsräder und die angetriebenen Räder umfassen, weist ein Raddrehzahl-Erfassungssystem 94 auf, das eine oder mehrere Drehzahlerfassungseinrichtungen umfasst, die an dem Rad montiert und ausgebildet sind, um die Drehzahl des jeweiligen Rades, welche die Räder rechts-vorne (RV), rechts-hinten (RH), links-vorne (LV) und links-hinten (LH) umfassen, zu messen. Der Ausgang jedes Raddrehzahl-Erfassungssystems 94 wird durch ein Bremsensteuermodul überwacht.
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Das Getriebe 10 nimmt Eingangsdrehmoment von den Drehmoment erzeugenden Einrichtungen, die die Maschine 14 und MG-A 56 und MG-B 72 umfassen, und welches als TI, TA bzw. TB bezeichnet ist, als ein Ergebnis einer Energieumwandlung aus Kraftstoff oder elektrischem Potenzial, das in einer Speichereinrichtung für elektrische Energie (ESD) 74 gespeichert ist, auf. Die ESD 74 ist mit einem Getriebestromrichtermodul (TPIM von Transmission Power Inverter Module) 19 über Gleichstrom-Übertragungsleiter 27 hochspannungs-gleichstromgekoppelt. Das TPIM 19 ist ein Element des Steuersystems. Das TPIM 19 überträgt elektrische Energie auf und von MG-A 56 durch Übertragungsleiter 29, und das TPIM 19 überträgt ähnlich elektrische Energie auf und von MG-B 72 durch Übertragungsleiter 31. Elektrischer Strom wird auf die oder von der ESD 74 dementsprechend übertragen, ob die ESD 74 aufgeladen oder entladen wird. Das TPIM 19 umfasst das Paar Stromrichter und jeweilige Motorsteuermodule, die konfiguriert sind, um Motorsteuerbefehle zu empfangen und daraus Stromrichterzustände zu steuern und somit eine Motorantriebs- oder Regenerationsfunktionalität bereitzustellen. Bevorzugt sind MG-A 56 und MG-B 72 Dreiphasen-Wechselstrommaschinen, die jeweils einen Rotor aufweisen, der betreibbar ist, um innerhalb eines Stators zu rotieren, der an einem Gehäuse des Getriebes montiert ist. Die Stromrichter umfassen bekannte komplementäre Einrichtungen mit Dreiphasen-Leistungselektronik.
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Der beispielhafte Hybridaggregat-Antriebsstrang von 1 kann verschiedene Kombinationen aus Maschine 14 und Motoren 56 und 72 benutzen, um Drehmoment an den Antriebsstrang zu liefern. Der beispielhafte Hybridaggregat-Antriebsstrang kann als ein Two-Mode-Hybrid beschrieben werden, wobei zwei elektrisch verstellbare Gangzustände (EVT1 und EVT2) möglich sind. EVT1 und EVT2 benutzen den Betrieb des Getriebes 10 und der zugehörigen Planetenradsätze 24, 26 und/oder 28 zusammen mit dem selektiven Betrieb von zugehörigen Kupplungen und Motoren 56 und 72, um ein variables Verhältnis von NI zu No zu ermöglichen. Eine Ausführungsform von EVT1 umfasst die Verwendung von einem der Motoren 56 und 72, um Drehmoment an den Antriebsstrang zum Antreiben der Ausgangswelle 64 zu liefern, während die Maschine 14 separat benutzt werden kann, um den anderen Motor als Generator anzutreiben und elektrische Energie an die Energiespeichereinrichtung 74 zu liefern. Eine andere Ausführungsform von EVT1 umfasst die Verwendung von einem der Motoren 56 und 72, um Ausgangsdrehmoment an Ausgangswelle 64 zu liefern, während die Maschine ausgeschaltet und feststehend ist. Eine Ausführungsform von EVT2 umfasst die Benutzung der Maschine 14 sowie der Motoren 56 und 72, um gleichzeitig Drehmoment an die Ausgangswelle 64 zu liefern. Eine andere beispielhafte Ausführungsform von EVT2 umfasst die Benutzung von einem oder beiden der Motoren 56 und 72, um Drehmoment an die Ausgangswelle 64 zu liefern, während die Maschine 14 ausgeschaltet ist und zugelassen wird, dass die Maschine frei umlaufen kann. In manchen Ausführungsformen kann die Maschine 14 betrieben werden, um alle zugehörigen Auslass- und Einlassventile zu öffnen und somit Pumpverluste zu verringern, die mit dem Umlauf der Maschine, während sie ausgeschaltet ist, in Verbindung stehen. Eine andere beispielhafte Ausführungsform von EVT2 umfasst die Benutzung der Motoren 56 und 72, um gleichzeitig Drehmoment an die Ausgangswelle 64 zu liefern, während die Maschinendrehzahl aktiv gleich oder in der Nähe von Null gehalten wird. Hybridaggregat-Antriebsstränge können eine Anzahl von Ausführungsformen annehmen, und eine Anzahl von Steuerschemata und resultierenden Drehmomentausgestaltungen kann erreicht werden, und die Offenbarung ist nicht auf die hierin angegebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt.
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Steuermodul, Modul, Steuerung, Controller, Steuereinheit, Prozessor und ähnliche Ausdrücke bedeuten irgendein geeignetes von oder verschiedene Kombinationen von einem oder mehreren von einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis / anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC), einem elektronischen Schaltkreis / elektronischen Schaltkreisen, einer zentralen Verarbeitungseinheit / zentralen Verarbeitungseinheiten, (bevorzugt ein Mikroprozessor / Mikroprozessoren) und zugehöriger Speicher und Ablageeinrichtung (Nurlese, programmierbar Nurlese, Direktzugriff, Festplatte usw.), der / die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführt / ausführen, einen kombinatorischen logischen Schaltkreis/ kombinatorische logische Schaltkreise, einen Eingabe-/Ausgabeschaltkreis / Eingabe-/Ausgabeschaltkreise und Eingabe-/Ausgabeeinrichtungen, eine geeignete Signalaufbereitungs- und Pufferschaltung und andere geeignete Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Das Steuermodul weist einen Satz von Steueralgorithmen auf, die residente Software-Programmanweisungen und -kalibrierungen umfassen, die in Speicher gespeichert sind und ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Die Algorithmen werden vorzugsweise während vorab festgelegter Schleifenzyklen ausgeführt. Algorithmen werden ausgeführt, etwa von einer zentralen Verarbeitungseinheit, und sind betreibbar, um Eingänge von Erfassungseinrichtungen und anderen vernetzten Steuermodulen zu überwachen und Steuer- und Diagnoseroutinen auszuführen, um den Betrieb von Aktuatoren zu steuern. Schleifenzyklen können in regelmäßigen Intervallen, zum Beispiel alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden, während des fortwährenden Maschinen- und Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Alternativ können Algorithmen in Antwort auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
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Ein Antriebsstrang, der ausgestaltet ist, um Drehmoment an eine Ausgangswelle zu liefern, wird zum Beispiel gemäß einem angeforderten Ausgangsdrehmoment (TO_REQ) gesteuert, wie es aus einer Fahrpedalstellung ermittelt wird. Der Ausgang eines Antriebsstrangs kann beschrieben werden als Leistung, die gleich dem Ausgangsdrehmoment mal der Winkelgeschwindigkeit des Ausgangs ist. Auf der Basis von TO_REQ kann eine Leistung, die von dem Antriebsstrang angefordert wird, oder eine Leistungsanforderung ermittelt werden.
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Ein Hybridaggregat-Antriebsstrang kann mehrere Drehmoment erzeugende Einrichtungen umfassen. Ein Leistungsverzweigungsbefehl kann ermittelt werden, wobei ein Teil der erforderlichen Leistungsanforderung von jeder der mehreren Drehmoment erzeugenden Einrichtungen angewiesen wird. In einer Ausführungsform kann eine verfügbare Referenzleistung für manche oder alle Drehmoment erzeugenden Einrichtungen überwacht werden, und der Leistungsverzweigungsbefehl kann auf der Basis der verfügbaren Referenzleistung für die Drehmoment erzeugenden Einrichtungen und der Leistungsanforderung für den Antriebsstrang ermittelt werden.
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Manche der Drehmoment erzeugenden Einrichtungen können mehrere Energiequellen aufweisen. Zum Beispiel kann ein Elektromotor mit mehreren Energiespeichereinrichtungen verbunden sein und elektrische Leistung von diesen aufnehmen. In einer Ausführungsform kann ein Elektromotor mit einem elektrischen Leistungsversorgungsbus verbunden sein, und Leistung von mehreren Energiespeichereinrichtungen kann einzeln oder zusammen dem Elektromotor zugeführt werden. Ein System kann eine verfügbare Referenzleistung von jeder der mehreren Energiequellen überwachen und eine Leistungsverzweigung ermitteln, was einschließt, wie viel Leistung von jeder der Energiespeichereinrichtungen zu liefern ist.
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Eine Energiespeichereinrichtung, wie etwa eine Batterieeinrichtung, hat einen Betrag an elektrischer Energie, den sie abgeben kann. Zum Beispiel kann eine Energiespeichereinrichtung mit einem hohen Ladezustand (SOC) einen beträchtlichen Betrag an elektrischer Energie an einen Antriebsstrang abgeben, wohingegen eine Energiespeichereinrichtung mit einem niedrigen SOC nur einen begrenzten Betrag an elektrischer Energie an den Antriebsstrang abgeben kann. Eine verfügbare Referenzleistung für eine Energiespeichereinrichtung kann auf der Basis des Betrages an elektrischer Energie, den sie abgeben kann, ermittelt werden. Ferner hat eine Energiespeichereinrichtung Randbedingungen hinsichtlich eines Betrages an elektrischer Leistung oder elektrischer Energie pro Zeiteinheit, den sie an den Antriebsstrang abgeben kann. Zum Beispiel kann eine elektrische Spitzenleistung einer Energiespeichereinrichtung aus physikalischen Beschränkungen der Einrichtung resultieren. Die Grenze elektrischer Leistung, die eine Energiespeichereinrichtung abgeben kann, kann als elektrische Leistungsrandbedingungen beschrieben werden. Indem Signale der verfügbaren Referenzleistung von jeder Drehmoment erzeugenden Einrichtung und/oder von jeder Energiespeichereinrichtung, die in der Lage ist, Leistung an eine Drehmoment erzeugende Einrichtung abzugeben, überwacht werden, kann der Leistungsverzweigungsbefehl ermittelt werden, um die Drehmomenterzeugung so zu verwalten, dass die Leistungsanforderung des Antriebsstrangs erfüllt werden.
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2 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Antriebsstrang-Controllers, der benutzt wird, um einen Antriebsstrang zu steuern, und der eine Energiemanagementschicht, die potenzielle Energiequellen überwacht, eine Leistungsmanagementschicht, die einen Leistungsverzweigungsbefehl auf der Basis der verfügbaren Referenzleistung, Leistungsrandbedingungen und Leistungsanforderung ermittelt, und eine Drehmomentmanagementschicht umfasst, die den Leistungsverzweigungsbefehl in Befehle an eine Drehmoment erzeugende Einrichtung umformt. Die Ausgestaltung 100 umfasst eine Energiemanagementschicht 110, eine Leistungsmanagementschicht 120 und eine Drehmomentmanagementschicht 130. Die Energiemanagementschicht 110 überwacht verfügbare Energiequellen, um Leistung an den Antriebsstrang zu liefern, und gibt eine verfügbare Referenzleistung 115 für jede der verfügbaren Energiequellen an die Leistungsmanagementschicht 120 aus. Die Leistungsmanagementschicht 120 überwacht die verfügbare Referenzleistung 115, eine Anfrage für Leistungsabgabe und Randbedingungen bei der Leistungserzeugung für jede der verfügbaren Energiequellenund gibt einen Leistungsverzweigungsbefehl 125 an die Drehmomentmanagementschicht 130 aus. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Leistungsmanagementschicht ein Antriebsstrang-Steuermodul, das den Leistungsverzweigungsbefehl 125 ausgibt. Die Drehmomentmanagementschicht 130 überwacht den Leistungsverzweigungsbefehl und ermittelt dementsprechend Befehle 132 an eine Drehmoment erzeugende Einrichtung. Die Drehmomentmanagementschicht kann zusätzlich eine Rückkopplung 134 von der Drehmoment erzeugenden Einrichtung empfangen.
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Die Ausgestaltung 100 benutzt die verfügbare Referenzleistung 115, um einen Leistungsverzweigungsbefehl 125 zum Steuern des Antriebsstrangs zu ermitteln. Gemäß einer Ausführungsform kann die Ausgestaltung 100 als offene modulare elektrische Antriebsstrangsteuerung benutzt werden, was zulässt, dass die Quellen für Leistung und die Drehmoment erzeugenden Einrichtungen des Antriebsstrangs sich ändern, wobei sich die Ausgestaltung auf der Basis des verfügbaren Referenzleistungswerts für die verfügbaren Einrichtungen und auf der Basis der verfügbaren Drehmoment erzeugenden Einrichtungen anpasst.
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3 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform des Systems von 2, die benutzt wird, um einen Antriebsstrang zu steuern, ausführlicher, einschließlich eine physikalische Kommunikationsschicht, die mit einem modularen elektrischen Antriebsstrang kommuniziert. Die Ausgestaltung 200 umfasst eine Fahrerschnittstelleneinrichtung 210, einen Fahrzeug-Controller 220, ein Fahrzeugkommunikationsnetz (CAN) 216, ein Antriebsstrang-Steuermodul 225, eine physikalische Kommunikationsschicht 227 und Module 232, 234, 236 und 238. Das Antriebsstrang-Steuermodul 225 steht durch die physikalische Kommunikationsschicht 227 mit einem Reibungsmodul 232, einem Mechanikmodul 234, einem Motor-Generator-Modul 236 und einem Energiespeichermodul 238 in Verbindung. Jedes der Module 232, 234, 236 und 238 überwacht einen unterschiedlichen Typ von Energiequelle oder Leistung, die verwendet wird, um der Leistungsanforderung nachzukommen, und kann modulare Energiequellen umfassen, die selektiv dem Antriebsstrang hinzugefügt oder von diesem weggenommen werden können. Ein Fachmann stellt fest, das andere Typen von Energiequellen ähnlich verwaltet und verwendet werden könnten, um den gesamten oder einen Teil einer Leistungsanforderung zu erfüllen. Die physikalische Kommunikationsschicht 227 kann ein Hochgeschwindigkeits-Control Area Network (CAN) oder eine ähnliche Einrichtung sein, die eine Hochgeschwindigkeitskommunikation ermöglicht. Das Reibungsmodul 232 verwaltet kinetische oder Reibleistung. Das Reibungsmodul 232 umfasst einen Reibungs-Controller 240, eine Frontreibungseinheit 242 und eine Heckreibungseinheit 244. Die Reibungseinheiten 242 und 244 umfassen Einrichtungen, die kinetische Energie in Leistung umsetzen können und zum Beispiel Bremseinheiten mit Energierückgewinnung umfassen, die die Bewegung von Rädern verwenden, um elektrische Leistung zu erzeugen. Der Reibungs-Controller 240 liefert eine verfügbare Referenzleistung für Reibungseinheiten 242 und 244 an das zentralisierte Antriebsstrang-Steuermodul 225 durch die physikalische Kommunikationsschicht 227 und implementiert auch Befehle an die Reibungseinheiten 242 und 244 auf der Basis des Leistungsverzweigungsbefehls von dem Antriebsstrang-Steuermodul 225. Das Mechanikmodul 234 verwaltet mechanische Leistung. Das Mechanikmodul 234 umfasst einen Mechanik-Controller 250, eine Frontmechanik-Leistungseinheit 252, eine Heckmechanik-Leistungseinheit 254 und eine Neutral- oder Zusatz-Leistungseinheit (APU) der Mechanikleistungseinheit 256. Die Mechanikleistungseinheiten 252, 254 und 256 umfassen Einrichtungen, die mechanische oder elektrische Leistung auf der Basis eines mechanisches Prozesses, wie etwa Verbrennung in einer Maschine, erzeugen. Der Mechanik-Controller 250 liefert ein verfügbare Referenzleistung für Mechanikeinheiten 252, 254 und 256 an das zentralisierte Antriebsstrang-Steuermodul 225 durch die physikalische Kommunikationsschicht 227 und implementiert auch Befehle an die Mechanikeinheiten 252, 254 und 256 auf der Basis des Leistungsverzweigungsbefehls von dem Antriebsstrang-Steuermodul 225. Das Motor-Generator-Modul 236 verwaltet elektrische Leistung in den Motor/Generator-Einheiten. Das Motor-Generator-Modul 236 umfasst einen Motor-Generator-Controller 260, eine Front-Motor-Generator-Einheit 262, eine Heck-Motor-Generator-Einheit 264 und eine dedizierte Generatoreinheit 266. Die Motor-Generator-Einheiten 262 und 264 umfassen Einrichtungen, die elektrische Leistung in Drehmoment und/oder Drehmoment in elektrische Leistung übersetzen können. Die Motor-Generator-Einheit 266 ist zum Beispiel eine dedizierte Generator-Einheit, die mit einer Maschine verbunden ist und bei Bedarf elektrische Leistung liefert. Der Motor-Generator-Controller 260 liefert eine verfügbare Referenzleistung für Motor-Generator-Einheiten 262, 264 und 266 an das zentralisierte Antriebsstrang-Steuermodul 225 durch die physikalische Kommunikationsschicht 227 und implementiert auch Befehle an die Motor-Generator-Einheiten 262, 264 und 266 auf der Basis des Leistungsverzweigungsbefehls von dem Antriebsstrang-Steuermodul 225. Ein Energiespeichermodul 238 verwaltet gespeicherte elektrische Leistung. Das Energiespeichermodul 238 umfasst einen Energiespeichereinrichtungs-Controller 270, eine erste Energiespeichereinrichtung 74A, eine zweite Energiespeichereinrichtung 74B und eine dritte Energiespeichereinrichtung 74C. Energiespeichereinrichtungen können jede Einrichtung umfassen, die elektrische Energie speichern und schließlich entladen kann. Ein Energiespeichereinrichtungs-Controller 270 liefert eine verfügbare Referenzleistung für Energiespeichereinrichtungen 74A, 74B und 74C an das zentralisierte Antriebsstrang-Steuermodul 225 durch die physikalische Kommunikationsschicht 227 und implementiert auch Befehle an Energiespeichereinrichtungen 74A, 74B und 74C oder Einrichtungen, die das Laden und Entladen der Energiespeichereinrichtungen steuern, auf der Basis des Leistungsverzweigungsbefehls von dem Antriebsstrang-Steuermodul 225. Jedes der Module 232, 234, 236 und 238 ist mit potenziellen Einrichtungen veranschaulicht, die mit der Ausgestaltung 200 verwendet werden können, die aber nicht notwendigerweise vorhanden sind. Zum Beispiel umfasst das Mechanikmodul 234 Mechanikleistungseinheiten 252, 254 und 256. Die Ausgestaltung 200 ist in der Lage, mit irgendeiner oder allen Mechanikeinheiten 252, 254 und 256 zu arbeiten, aber diese Einheiten können wie gewünscht modular hinzugefügt oder entfernt werden. Indem jedes der Module 232, 234, 236 und 238 mit Controllern ausgestattet ist, kann die Leistungserzeugung in jedem der Module einzeln geregelt werden, während der modulare Betrieb der Module durch die Kommunikation eines jeden der Controller mit dem zentralisierten Antriebsstrang-Steuermodul 225 ermöglicht wird.
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Die Ausgestaltung 200 arbeitet als offener modularer elektrischer Antriebsstrang-Controller. Die Module 232, 234, 236 und 238 wirken als Energiemanagementschicht, wobei eine verfügbare Referenzleistung an das Antriebsstrang-Steuermodul 225 geliefert wird. Das Antriebsstrang-Steuermodul 225 wirkt als Leistungsmanagementschicht, wobei die verfügbare Referenzleistung für jedes der Module überwacht und ein Leistungsverzweigungsbefehl ermittelt wird. Die Module 232, 234, 236 und 238 wirken als Drehmomentmanagementschicht, wobei der Leistungsverzweigungsbefehl empfangen wird und notwendige Leistung an eine Drehmoment erzeugende Einrichtung oder Einrichtungen auf der Basis des Leistungsverzweigungsbefehls abgegeben wird.
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6 veranschaulicht eine vereinheitlichte leistungsbasierte Steuerungsstruktur, die einen modularen Betrieb des Antriebsstrangs ermöglicht. Das Reibungsmodul 232 umfasst einen Reibungs-Controller 240, eine Frontreibungseinheit 242 und eine Heckreibungseinheit 244. Das Mechanikmodul 234 umfasst einen Mechanik-Controller 250, eine Frontmechanik-Leistungseinheit 252, eine Heckmechanik-Leistungseinheit 254 und eine APU-Mechanikleistungseinheit 256. Das Motor-Generator-Modul 236 umfasst einen Motor-Generator-Controller 260, eine Front-Motor-Generator-Einheit 262, eine Heck-Motor-Generator-Einheit 264 und eine dedizierte Generatoreinheit 266. Ein Energiespeichermodul 238 umfasst einen Energiespeichereinrichtungs-Controller 270, eine erste Energiespeichereinrichtung 74A, eine zweite Energiespeichereinrichtung 74B und eine dritte Energiespeichereinrichtung 74C. Energie- und Leistungsmanagement-Controller 230 kommuniziert mit den Modulen 232, 234, 236 und 238 durch Leistungsbus 214.
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Leistungsbus (power bus) 214 ist ein gemeinsames bzw. übliches Protokoll, das den Signalfluss zwischen dem zentralisierten Antriebsstrang-Controller 225, den Antriebsstrang Steuermodulen 240, 250, 260 und dem Energiespeicher-Controller 270 auf der Basis der physikalischen Kommunikationsschicht definiert. Der Leistungsbus 214 ermöglicht eine leistungsbasierte Steuerungsarchitektur für den modularen elektrischen Antriebsstrang und eine Standardisierung der Kommunikation zwischen dem Antriebsstrang-Controller und dem Energiespeicher-Controller an der Energiemanagementschicht 110 und der Leistungsmanagementschicht 120. Das gemeinsame Leistungsbusprotokoll kann über eine physikalische Kommunikationsschicht zwischen dem Antriebsstrang-Controller und Controllern der verschiedenen Energiequellen einschließlich mehrerer Energiespeichereinrichtungen übermittelt werden.
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Signale und Leistungsverzweigungsbefehle der verfügbaren Referenzenergie und Leistung können über Leistungsbus 214 übermittelt werden. Durch Vereinheitlichen der Kommunikation durch den Leistungsbus 214 als verfügbare Energie und Leistung und Leistungsbefehle zur Lieferung an den Antriebsstrang können Einrichtungen und gesamte Module durch die standardisierte Steuerung, die durch das Vereinheitlichen ermöglicht wird, modular betrieben werden. In einer Ausführungsform verkörpert der Energie- und Leistungsmanagement-Controller 230 die Energiemanagementschicht 110, und der Controller 230 zusammen mit den Controllern 240, 250, 260 und 270 verkörpert die Leistungsmanagementschicht 120.
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Eine nicht einschränkende Ausführungsform, die das Energiespeichermodul 238, das mehrere Energiespeicher verwaltet, annehmen kann, umfasst ein offenes Energiespeichermodul. 4 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines offenen Energiespeichermoduls. Ausgestaltung 300 umfasst eine Energiemanagementschicht 112, die mehrere Energiemanagement-Controller 310A, 310B und 310C umfasst, eine Leistungsmanagementschicht 122, die mehrere Leistungsmanagement-Controller 315A, 315B und 315C umfasst, und eine Elektroniksteuerungsschicht 135, die mehrere Spannungs-/Stromregler 320A, 320B und 320C umfasst. Die Energiemanagementschicht 112 und die Leistungsmanagementschicht 122 arbeiten ähnlich wie die Energiemanagementschicht 110 und die Leistungsmanagementschicht 120, wobei die Schichten 112 und 122 lokal innerhalb des offenen Energiespeichermoduls wirken. Gemäß einer Ausführungsform nutzen die Controller 310A, 310B und 310C und Controller 315A, 315B und 315C die Leistungsbus-Kommunikationsstruktur gemeinsam mit dem zentralisierten Antriebsstrang-Steuermodul, und die Spannungs-/Stromregler 320A, 320B und 320C sind lokal an den einzelnen Energiespeichereinrichtungen gelegen. In einer Ausführungsform, die ein offenes Energiespeichermodul benutzt, können die Energiemanagementschicht und die Leistungsmanagementschicht zwischen dem offenen Energiespeichermodul und dem Antriebsstrang-Steuermodul gemeinsam genutzt werden. Die Elektroniksteuerungsschicht 135 steuert kollektiv die elektrische Leistung, die an einen Hochspannungs-Gleichstrombus 330 abgegeben wird, der Leistung an eine Drehmoment erzeugende Einrichtung oder Drehmoment erzeugende Einrichtungen abgibt. Spannungs-/Stromregler 320A, 320B und 320C geben Leistungsverzweigungsbefehle an DC/DC-Wandlermodule 340A, 340B und 340C aus, wobei die Befehle als Beitragsbefehle verkörpert sind, die einen Teil der erforderlichen Leistung anweisen, der von jeder der Energiespeichereinrichtungen 74A, 74B und 74C kommen soll. Die DC/DC-Wandlermodule 340A, 340B und 340C benutzen jeweils die Beitragsbefehle von den Spannungs-/Stromreglern 320A, 320B bzw. 320C, um elektrische Leistung, die zu und von Energiespeichereinrichtungen 74A, 74B bzw. 74C fließt, aufzubereiten. Jede Energiespeichereinrichtung wird zusätzlich durch eine Modul-Controllereinheit 270A, 270B bzw. 270C gesteuert, die Stromausgleich und das Durchführen von Diagnosen und/oder Prognosen umfasst.
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Ein offenes Energiespeichermodul, wie es in der Ausgestaltung 300 verkörpert ist, kann in Ausgestaltung 200 als Energiespeichermodul 238 benutzt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann ein offenes Energiespeichermodul mehrere Energiespeichereinrichtungen kollektiv als eine funktionale einzige Energiequelle verwalten, und ein anderes Modul und ein anderer Controller, die eine alternative Energiequelle, zum Beispiel mechanische Leistung, wie sie durch eine Maschine verfügbar ist, verwalten, können zusammenarbeiten. Durch eine physikalische Kommunikationsschicht können das offene Energiespeichermodul, der Controller, der die alternative Energiequelle verwaltet, und die Leistungsmanagementschicht wie hierin offenbart kommunizieren.
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Die Energiemanagementschicht 110 überwacht oder bewertet die Energiespeichereinrichtungen 74 und gibt eine verfügbare Referenzleistung für jede der Energiespeichereinrichtungen aus, die potenziell verwendet werden kann, um Leistung an den Antriebsstrang oder die potenziellen Energiespeichereinrichtungen zu liefern. Diese potenziellen Energiespeichereinrichtungen können eine feste Einrichtung sein, die für einen Antriebsstrang über die Lebensdauer des Antriebsstrangs unverändert bleibt. In einer anderen Ausführungsform kann das System die verfügbaren potenziellen Energiespeichereinrichtungen, die Drehmoment erzeugenden Einrichtungen und andere für das System verfügbare Ressourcen adaptiv überwachen und den Leistungsverzweigungsbefehl auf der Basis der überwachten Elemente adaptiv ermitteln. Ein Antriebsstrang kann ausgestaltet sein, um optional eine Vielfalt von potenziellen Energiespeichereinrichtungen anzunehmen. Ein beispielhafter Antriebsstrang kann ursprünglich mit einer einzigen Batterie ausgestattet sein, aber elektrische Anbringungseinrichtungen für eine zusätzliche Einrichtung umfassen, die separat bezogen werden können, um die Reichweite des Antriebsstrangs zu verlängern. Zum Beispiel können Batterien unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung oder eine Mischung aus Batterien und einem Ultrakondensator hinzugefügt und verwendet werden. Zusätzlich können alternative Einrichtungen, die unterschiedliche oder alternative Energiequellen, wie etwa Gas, Diesel, E85, CNG oder LPG benutzen, hinzugefügt und verwendet werden, zum Beispiel in einer Mikroturbineneinrichtung oder Brennstoffzelleneinrichtung, die Elektrizität zur Verwendung durch den Antriebsstrang erzeugt. Alternativ kann die ursprüngliche Batterie entfernt und durch eine neue Energiespeichereinrichtung ersetzt werden. Diese Fähigkeit, Energiespeichereinrichtungen hinzuzufügen, zu entfernen oder zu ersetzen, kann modularer Betrieb der potenziellen Energiespeichereinrichtungen genannt werden. Ein modularer Betrieb gestattet zum Beispiel den Einbau einer ersten modularen Energiespeichereinrichtung einer alternativen Energiequelle und/oder einer zweiten modularen Energiespeichereinrichtung einer alternativen Energiequelle.
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Ein modularer Betrieb kann ermöglicht werden, indem ein gemeinsames Protokoll definiert wird, mit dem die potenziellen Energiespeichereinrichtungen konform sein müssen, um mit dem Antriebsstrang verwendet zu werden. Ein derartiges gemeinsames Protokoll kann vorschreiben, wie eine konforme Einrichtung mit der Energiemanagementschicht, der Leistungsmanagementschicht oder der Elektroniksteuerungsschicht wechselwirkt. Auf diese Weise können von einem Bediener Energiespeichereinrichtungen von einer breiten Vielfalt von Herstellen auf der Basis der erforderlichen Verwendung des Antriebsstrangs oder der Verfügbarkeit ausgewählt werden. In einer Ausführungsform kann ein Bediener vom Bediener austauschbare modulare Energiespeichereinrichtungen benutzen, wobei eine Einheit angesteckt wird und lädt, während die andere in dem Fahrzeug verwendet wird. In einer anderen Ausführungsform können die modularen Energiespeichereinrichtungen an zum Beispiel einer Ladestation ausgetauscht werden, wobei eine entleerte Energiespeichereinrichtung aus einem Fahrzeug entfernt wird und durch eine kompatible, vollständig aufgeladene Energiespeichereinrichtung ersetzt wird, und die entfernte, entleerte Energiespeichereinrichtung zur Verwendung in einem anderen Fahrzeug wiederaufgeladen wird.
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Die Verwendung mehrerer Energiespeichereinrichtungen mit dem Antriebsstrang kann zwei oder mehr Energiespeichereinrichtungen umfassen, die parallel verwendet werden und gleichzeitig für den Antriebsstrang verfügbar sind, wobei die unterschiedlichen Energiequellen zusammenwirkend oder selektiv auf der Basis des gemessenen oder geschätzten SOC und/oder bevorzugter Betriebsbereiche bzw. -reichweiten der unterschiedlichen Energiequellen verwendet werden. Zum Beispiel können eine Energiespeichereinrichtung mit einer ersten chemischen Zusammensetzung und eine Energiespeichereinrichtung mit einer zweiten chemischen Zusammensetzung parallel benutzt werden, und jede Energiespeichereinrichtung kann auf der Basis der Eigenschaften einer jeden in unterschiedlichen Betriebsbereichen optimal benutzt werden. In einem anderen Beispiel kann eine Ultrakondensatoreinrichtung, die in der Lage ist, eine Ladung zu speichern, in Kombination mit einer Batterieeinrichtung verwendet werden, und eine jede der Einrichtungen kann auf der Basis der Eigenschaften einer jeden in unterschiedlichen Betriebsbereichen optimal verwendet werden. Alternativ kann eine Energiespeichereinrichtung als eine primäre Energiespeichereinrichtung identifiziert werden und eine zweite Energiespeichereinrichtung kann als eine modulare zusätzliche Energiespeichereinrichtung identifiziert werden, die zum Beispiel von dem Bediener hinzugefügt und dann verwendet wird, wenn der SOC der primären Energiespeichereinrichtung ein minimales Schwellenniveau erreicht. In einer anderen Ausführungsform können mehrere Energiespeichereinrichtungen zusammen in einem Energiespeichersystem verwendet werden, wobei die mehreren Energiespeichereinrichtungen als ein einziges System zusammenarbeiten, um eine einzige Energiequelle für den Antriebsstrang zur Verfügung zu stellen. Das Energiespeichersystem kann durch die Energiemanagementschicht als ein einziges System überwacht werden, oder die einzelnen Energiespeichereinrichtungen können einzeln überwacht werden.
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Zusätzlich gestattet die hierin offenbarte, modulare, elektrische Antriebsstrang-Steuerungsarchitektur einen modularen Betrieb der Drehmoment erzeugenden Einrichtungen und anderen Ressourcen für den Antriebsstrang. Zum Beispiel kann ein Fahrzeug ursprünglich als ein Elektroantrieb-Antriebsstrang mit einem Motor, einer Energiespeichereinrichtung und einem Plug-In-Anschluss ausgestattet sein. Wenn der Antriebsstrang sich in einem Fahrzeug befindet, das in einem Gebiet, wie etwa einer bergigen Region, betrieben wird, in der ein erhöhtes Ausgangsdrehmoment des Antriebsstrangs erforderlich ist, können ein zusätzlicher Motor und eine zusätzliche Energiespeichereinrichtung dem Fahrzeug hinzugefügt werden, und das offenbarte System würde die zusätzliche Energiespeichereinrichtung überwachen und einen Leistungsverzweigungsbefehl zwischen den beiden Motoren ausgeben. In einem anderen Beispiel, bei dem beständig eine verlängerte Reichweite erforderlich ist, kann eine Maschine, die als eine APU betrieben wird, dem beispielhaften Elektroantrieb-Antriebsstrang hinzugefügt werden. Eine Anzahl modularer Einrichtungen kann mit dem offenbarten System benutzt werden, und die Offenbarung soll nicht auf die hierin angeführten, besonderen, beispielhaften Ausführungsformen begrenzt sein. 7 veranschaulicht einen beispielhaften Antriebsstrang, der einen modularen Betrieb von Drehmoment erzeugenden Einrichtungen benutzt. Antriebsstrang 600 umfasst eine Maschine 610, ein Getriebe 620, eine Kupplung 630, einen Endantrieb 640, Räder 650A und 650B mit Radmotoren 660A bzw. 660B, einen Motor-Generator 670 und einen integrierten Starter-Generator 615. Der Antriebsstrang 600 kann ursprünglich irgendeine von einer Anzahl von Kombinationen aus Drehmoment erzeugenden Einrichtungen 610, 615, 660A, 660B und 670 umfassen. Auf der Basis des gewünschten Betriebs des Antriebsstrangs, einschließlich Ausgangsdrehmoment, Reichweite und anderen Erwägungen, kann jede der Drehmoment erzeugenden Einrichtungen auf der Basis der beschriebenen Benutzung einer modularen elektrischen Antriebsstrang-Steuerungsarchitektur wie notwendig hinzugefügt oder entfernt werden.
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5 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren, um einen Antriebsstrang mit mehreren potenziellen Energiespeichereinrichtungen zu betreiben. Tabelle 1 ist als Schlüssel für das in
5 veranschaulichte Verfahren angegeben. Tabelle 1
| Block | Beschreibung |
| 510 | Überwache eine Leistungsanforderung für den Antriebsstrang |
| 520 | Überwache eine verfügbare Referenzleistung für jede der potenziellen Energiespeichereinrichtungen |
| 530 | Überwache eine Leistungsrandbedingung für jede der potenziellen Energiespeichereinrichtungen |
| 540 | Ermittle einen Leistungsverzweigungsbefehl auf der Basis der Leistungsanforderung, der verfügbaren Referenzleistung für jede der potenziellen Energiespeichereinrichtungen und der Leistungsrandbedingung für jede der potenziellen Energiespeichereinrichtungen |
| 550 | Benutze den Leistungsverzweigungsbefehl, um den Antriebsstrang zu steuern |
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Das Verfahren 500 beginnt bei Block 510, bei dem das System eine Leistungsanforderung für den Antriebsstrang, die erfüllt werden muss, überwacht. Bei Block 520 überwacht das System eine verfügbare Referenzleistung für jede Speichereinrichtung für potenzielle Energie, die für den Antriebsstrang verfügbar ist. Bei Block 530 überwacht das System eine Leistungsrandbedingung für die potenziellen Energiespeichereinrichtungen, die für den Antriebsstrang verfügbar ist. Bei Block 540 ermittelt das System einen Leistungsverzweigungsbefehl auf der Basis der Leistungsanforderung, der verfügbaren Referenzleistung für jede der potenziellen Energiespeichereinrichtungen und der Leistungsrandbedingung für jede der potenziellen Energiespeichereinrichtungen. Bei Block 550 wird der Leistungsverzweigungsbefehl benutzt, um den Antriebsstrang zu steuern.
